远心镜头(Telecentric lens)

2021-04-20 14:35:45 浏览:543

定义

远心镜头是一类将其入瞳或出瞳放置于无穷远的光学系统。是为纠正传统镜头视差而设计,它可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会变化,即这种镜头拍出来的图像没有近大远小关系。

远心即指入射(或出射)光瞳在无限远处,与之对应,近心则指入射(或出射)光瞳在镜头内部。远心镜头成像原理最核心的一点是传统镜头与小孔成像原理的结合。远心镜头分为物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头,图1为远心镜头的实物图。

 

图 1 远心镜头实物图

物方远心镜头(Telecentric lens)

物方远心镜头是入瞳位于无穷远,物方主光线平行于光轴的光学系统,相当于物体在无穷远。其孔径光阑放置于透镜像方焦平面上。可以消除物方由于调焦不准确带来的读数误差。

如图2所示,将物体B1B2放置于探测像平面(A1')正确共轭的物面A1,则此时可在探测面上测得物体的精确尺寸M1M2,而当物体放置位置有偏差(即在物面A2),此时像点B1'B2'在探测面上成弥散斑,且弥散斑中心的间距大于M1M2的长度而使得测量尺寸有误。在物方远心光路中由于同一物点成像光束的主光线都平行于光轴且不随物体的位置而变,因此主光线在探测面上仍通过M1和M2,其测量不存在误差。

物方远心镜头的缺点是放大倍数与像距成直接关系,实际使用时相机安装的远近会影响放大倍数。所以每个镜头系统都要单独的标定放大倍数。

图 2 物方远心光路示意图

像方远心镜头(image-space telecentric lens)

依据光路可逆原理,将物方远心镜头的光路反过来就是像方远心镜头的光路,即像方远心镜头则是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上,像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远,可以消除像方调焦不准引入的测量误差。

如图3所示,物体B1B2所在物面对应共轭成像面所测量的真实像尺寸为B1'B2',当实际成像面与其共轭成像面发生偏离时,由于系统像方主光线与光轴平行,主光线与实际成像面的交点M1M2与像点B1'B2'等高,不影响实际测量。

 

图 3 像方远心光路示意图

这种镜头的特点是放大倍数与像距无关,相机靶面的远近不影响放大倍数。

双远心镜头 (double telecentric/ bi-telecentric lens)

物方远心镜头可以解决景深问题,像方远心镜头可以解决放大倍率变化问题,将物方远心和像方远心的光路结合就是双远心镜头。这种镜头的特点是物体离得远近或者相机离得远近都不影响放大倍数,所以广泛应用在机器视觉测量检测领域。

普通镜头、物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头对实际物体成像的区别示意如图4所示。

图 4 不同远心镜头对实际物体成像的差异

当使用普通镜头对三维物体(非完全平坦的物体)成像时,远处物体看起来会比近处物体更小。因此,对一个圆柱空腔成像时,其顶冠和底冠边缘会呈现为两个同心圆,尽管实际上这两个圆是完全相同的。相反,在使用远心镜头时,两个冠边缘是完全重叠的,底冠边缘因而被完全遮挡。这种效应取决于光线的特定路径:在使用普通镜头时平行于主光轴的各种几何信息在成像平面上也会有分量,而使用远心镜头时完全没有这种垂直分量,如图5所示。

可将普通镜头描述为一个数学函数,该函数建立起一个三维物体空间与二维成像面之间的对应关系,而远心镜头则建立一个二维与二维的对应关系,它不会展示被测物体的第三维度,因此成为剖面成像和尺寸测量的完美组件。

图 5 普通镜头与远心镜头对三维物体成像光路的差异

此外,实际远心镜头中的光阑不可能无限小。因此还会有一定近大远小关系的(这个指标称之为远心度,远心度定义为物方主光线与光轴间的夹角,远心度越小成像测量越精确)。物距也不是任意的,但是它比普通的镜头的景深要大得多。较好的远心镜头远心度为0.1°(1.7 mrad)左右。这意味着,在与前面物体同样移动1 mm的情况下,测量值只变化了0.0017 mm。

当物体保持在一定的范围内时,远心镜头获得的图像尺寸不会随物体位移而发生变化,这一范围通常被称为“景深”或“远心范围”。由以上远心光路的分析可知,只有物方发出的光平行于镜头光轴入射,才能被远心镜头探测。因此,远心镜头的镜头前端面直径至少要与物方视场对角线一样大,也因此,相比于传统光学镜头,远心镜头更大更重更加昂贵。

此外,由于远心镜头只接收平行光,滤除了几乎所有的漫反射光源,所以在自然环境下成像较暗,所以选用平行光源(即同轴照明)可最大限度发挥双远心镜头的优势,使被测物体边缘清晰稳定,并有效去除成像过程中的噪声。

参考文献

[1] 郁道银,谈恒英.工程光学[M].3版.北京:机械工业出版社,2011:57-58.
[2] https://www.opto-e.cn/resources/telecentric-lenses-tutorial

参阅:理想光学系统、光阑、景深、面阵相机

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