篇一：远心镜头的原理、应用范围及其选型
工业镜头是机器视觉采集系统的重要组成部分，远心镜头是镜头大家族中相对年轻的成员，并且正以其独特的性能，成为最善良的明星。但是，也因为远心镜头被引入时间比较短，其很多特性还未广泛的为人们所熟知，本文即是本着向大家介绍远心镜头基础知识的原则，从远心镜头的原理，应用范围，选型方法三个方面，对其进行综合阐述，揭秘光在远心系统里经历的神秘的艺术之旅。
第一部分：远心镜头的原理说明
首先，我们从非远心镜头的几个问题说起。第一个问题，一般镜头在成像过程中，当工作距离发生变化时，其所成图像大小会相应的发生变化，造成的结果就是同一个焦距的镜头，对应不同的物距，将会有不同的放大倍率，这一现象跟人类视觉系统的近大远小视觉差类似。这一问题在某些应用场合是可以被忽略甚至加以利用的，但是当我们的视觉系统被用来执行精密测量任务时，这一特性则会成为极大的阻碍。第二个问题，普通的镜头都存在一定范围的景深，当被测物体不在镜头的景深范围内时，图像就会变得模糊，无法清晰聚焦，为此，设计师们在普通镜头上设计了调焦环，当工作距离发生变化时，可以通过调节对焦面来看清楚感兴趣的区域。问题是，如果被测物体本身的深度超出了一定范围，镜头始终没办法同时看清首尾两端，这个问题，必须通过其他的途径来解决。第三个问题，随着现在成像芯片分辨率的不断提高，用户对测量精度的要求也越来越苛刻，普通的镜头受制于其光学成像的原理，最好的也只能做到10um左右，视觉检测领域需要精度更高的成像产品。
双远心镜头即是为了解决这些问题应运而生的。双远心镜头通过在光学系统的中间位置放置孔径光阑，使主光线一定通过孔径中心点，则物体侧和成像侧的主光线一定平行于光轴进入镜头。入射平行光保证了足够大的景深范围，从镜头出来的平行光则保证了即是工作距离在景深范围内发生大幅度变化，成像的高度也就是放大倍率不会发生变化。
第二部分：远心镜头使用范围
什么情况下应该选用远心镜头呢?根据笔者多年从事机器视觉产品选型的经验，再次给读者一些参考，如下情况，建议选用双远心镜头。
1)当被检测物体厚度较大，需要检测不止一个平面时，典型应用如食品盒，饮料瓶等。
2)当被测物体的摆放位置不确定，可能跟镜头成一定角度时。
3)当被测物体在被检测过程中上下跳动，如生产线上下震动导致工作距离发生变化时。
4)当被测物体带孔径、或是三维立体物体时。
5)当需要低畸变率、图像效果亮度几乎完全一致时。
6)当需要检测的缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。
7)当需要超过检测精度时，如容许误差为1um。
第三部分：远心镜头的选型方法
远心镜头的选型办法其实跟普通光学系统中的镜头类似，需要关注的几个点如下：
兼容的CCD靶面尺寸。这一点跟普通镜头的选择类似，要求远心镜头兼容的CCD靶面大于或等于配套的相机靶面，否则会造成分辨率的浪费。
接口类型。目前远心镜头提供的接口类型也跟普通镜头类似，有C口，F口等，只要跟相机配套即可使用。
放大倍率，或成像范围。当放大倍率和CCD靶面确定时，成像范围即确定，反之亦然。
工作距离。一般以上三点选定的情况下，工作距离已经确定在一个范围之内，这是其成像光路决定的。需要注意的就是此工作距离是否满足实际使用要求。当选用远心系统进行检测时，我们建议先选定镜头，依据其工作距离设计其他机械结构。
景深范围。在满足前面几个使用条件的前提下，景深范围越大，说明远心系统的光学特性越好，在选型时可作为参考。
因为远心镜头的这些特性，导致其生产工艺要求非常高，所以目前主要的生产厂家都在国外，维视图像作为国内领先的远心光学自主品牌，其BT系列双远心产品以其超高的精度，稳定性和性价比，正在取得越来越多客户的认可，希望在远心光学这条路上，我们能陪伴您一起成长，为机器视觉这个大家庭的建设，贡献自己的一份力量。
篇二：远心镜头
1.1.5远心物镜
在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；另一方面，即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。为了解决上述问题，可以采用远心物镜。其中像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。
1）物方远心物镜
物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，图1.1－23示出，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化；图1.1－24清楚地显示出物方远心光路的原理，其中孔径光阑位于像方焦面上，物方主光线平行于光轴。如果物体B1B2正确地位于与CCD表面M共轭的位置A1上，那么它在CCD表面上的像为M1M2。如果由于物距改变，物体B1B2不在位置A1而在位置A2，那么它的像B′1B′2偏离CCD表面，B′1和B′2点在CCD表面上投影为一个弥散斑，其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。这就是说，上述物距改变并不影响测量精度。
图1－23
2）像方远心光路
像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。如图1.1－25所示。如果物体B1B2的像B′1B′2不与CCD表面M重合，则在CCD表
面M上得到的是B′1B′2的投影像，其散斑中心距离M1M2＝B′1B′2。因此，不管CCD表面M是否和B′1B′2相重合，它和标尺所对应的长度总是B1B2，所以没有测量误差。
图1－24
图1.1－25 像方远心光路
1.1.6远距物镜
远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。
远距型结构采取正负光焦度分离的型式，正光焦度的透镜组在前，负光焦度的透镜组在后，如图1.1－26所示。整个系统的主面移出物镜之外，使得物镜的筒长—物镜前表面到焦面的距离小于焦距，从而缩小了物镜的结构尺寸。在这里，筒长与焦距之比L/f′称为远距比。远距比是远距物镜的重要指标，通常远距比小于1，并且越小越好。
按照上述原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比后组复杂。
图1.1－26 远距物镜的高斯光学
前组为三透镜结构，如图1.1－27所示，它的相对孔径为1：4。
图1.1－27 远摄物镜
1.1.7反远距物镜
反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物镜和CCD之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。这种物镜的结构大多是具有负的前组镜和正的后组镜，见图1.1－28。
反远距物镜的孔径光阑和出射光瞳几乎重合并位于第二镜组的主平面上（图1.1－28a），也可以将孔径光阑位于第二镜组前焦点附近（图1.1－28b）。在这种情况下，像空间中主光线为远心光路这一设计原理是最理想的，但是在相对孔径大的物镜中难以实现。
图1.1－28 反远距摄影物镜的光路图
按照上述结构设计的反远距物镜，前组和后组有各种各样的结构型式。负光焦度的前组从一个单片透镜直到非常复杂的结构，而正光焦度的后组往往采用Petzval型、三片型、双高斯型以及它们的复杂化结构。前组为单片透镜而后组为三片型、双高斯型的反远距物镜，如图1.1－29所示，是反远距物镜最简单的结构。它们的工作距离与焦距相当，视场角为60°左右，而相对孔径为1：3.5～1：2.5。
图1.1－29 前组为单负透镜、后组为三片型的反远距物镜
1.1.8畸变物镜
畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。当物镜存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过180°的物空间。这种物镜用于宇航研究、气像测量中。像的大小不是按式y′=－f ′tanω确定，而是，例如按下式确定：y′=－f ′sinω。在后一情况中，当－ω＝90o时，将得到y′= f ′，即像幅的对角线为焦距的两倍。
畸变物镜的原理图如图1.1－30a所示。吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔径1：22的畸变物镜（图1.1－30b）。畸变物镜可以按照反远距物镜的光路图作
出。第一组由一或二个透镜组成，并造成很大的畸变（图c、d）。第二透镜组用于校正像差，以便获得清晰的像。
为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大的障碍。但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩，因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。
图1.1－30 畸变物镜的光学系统图
篇三：远心镜头--慕藤光
慕藤光远心镜头知识大集合
远心镜头设计原理
远心镜头设计目的就是消除由于被测物体（或CCD芯片）离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样。根据远心镜头分类设计原理分别为：
1）物方远心光路设计原理及作用：
物方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无限远，称之为：物方远心光路。其作用为：可以消除物方由于调焦不准确带来的，读数误差。
2）像方远心光路设计原理及作用：
像方远心光路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，称之为：像方远心光路。其作用为：可以消除像方调焦不准引入的测量误差。
3）两侧远心光路设计原理及作用：
综合了物方/像方远心的双重作用。主要用于视觉测量检测领域。
远心镜头应用你知多少
远心镜头最重要的优点之一是物体距离变化并不影响图像的放大倍率。远心镜头从相同的视角来观察和显示整个物体，因此，不会出现类似使用标准镜头时三维特征出现的透视变形和图像位置错误。即使在深孔内部的物体，在整个视野中也清晰可见，因此，在检测三维物体时或当图像尺寸和形状精确性十分重要的情况下，远心镜头非常有用。
1.机械零件测量
远心镜头最普遍的应用就是测量精密机械零件。远心镜头主要用于控制精细机械零件，如：弹簧、螺丝、螺母和垫圈等。
2.塑料零件测量
远心镜头的另一个主要应用是测量橡胶密封件、 O型环和塑料盖帽。由于在搬动、摆弄时极易形变，这些零件需要完全无接触的光学测量技术。
3.玻璃制品与医药零件测量
许多制药玻璃器皿如卡普尔、小瓶、胶囊和管形瓶等，一般都采用远心镜头测量，以保证完全密封、防止器皿损伤。在饮料制造业中也有相似应用，例如测量玻璃瓶颈的螺纹线。注射器等其它医药被动器件，同样也需要远心检验技术。
4.电子元件测量
许多其它元器件（如电阻、三极管和集成电路）需要小型远心镜头检查其完整性、尺寸、规格、位置与插脚的弯度，电子图板需检测各元件的间距。最近，太阳能电池组件的传动装置也需由近红外远心镜头检测其完整性。
5.特殊用途
远心镜头还有一些其它应用途径，如：1）粒子测量 ；2）印刷业高精度色彩测量；3）光刻罩层测量；4）滤波器控制；5）b血液分析与细胞计量。
远心镜头与普通镜头的区别
慕藤光带你去解剖远心镜头与普通镜头的区别，远心工业镜头主要是为纠正传统工业镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。
普通工业镜头目标物体越靠近镜头（工作距离越短），所成的像就越大。在使用普通镜头进行尺寸测量时，会存在如下问题：
1）由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同；
2）镜头畸变大
3）视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变；
4）镜头的解析度不高；
5）由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。
而远心镜头就可以有效解决普通镜头存在的上述问题，而且没有此性质的判断误差，因此可用在高精度测量、度量计量等方面。远心镜头是一种高端的工业镜头，通常有比较出众的像质，特别适合于尺寸测量的应用。
无论何处，在特定的工作距离，重新调焦后会有相同的放大倍率，因为远心镜头的最大视场范围直接与镜头的光栏接近程度有关，镜头尺寸越大，需要的现场就越大。远心测量镜头能提供优越的影像质素，畸变比传统定焦镜头小，这种光学设计令影像面更对称，可配合软件进行精密测量。
普通镜头优点：成本低，实用，用途广。
普通镜头缺点：放大倍率会有变化，有视差。
普通镜头应用：大物体成像。
远心镜头的优点：放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差。
远心镜头的缺点：成本高，尺寸大，重量重。
远心镜头的应用：度量衡方面，基于CCD方面的测量，微晶学
慕藤光教你选择合适的远心镜头
客户在选择远心镜头时，首先应明白在什么时候需要选择远心镜头。大家在系统集成中对普通镜头的选型已经有了一定了解，但是对远心镜头的选型还经常是一头雾水，即便在技术人员的帮助下选择完镜头，在使用过程中还是不知道该注意哪些问题。
针对这个问题，慕藤光技术人员告诉大家，远心镜头和相机的匹配选择原则和普通工业镜头是一样的，只要其靶面的规格大于或等于相机的靶面即可。使用过程中请留意，在远心镜头的物镜垂直下方区域范围的都是远心成像，而超出此范围的区域，就不是严格意义上的远心成像了，这点在实际的使用中一定要注意，否则会产生不必要的偏差。
根据远心镜头原理特征及独特优势，当检查物体遇到以下6中情况时，最好选用远心镜头：
1）当需要检测有厚度的物体时（厚度>1/10 FOV直径）；
2）需要检测不在同一平面的物体时；
3）当不清楚物体到镜头的距离究竟是多少时；
4）当需要检测带孔径、三维的物体时；
5）当需要低畸变、图像效果亮度几乎完全一致时；
6）当缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。
选择远心镜头，首先应明白远心镜头相关指标对应使用条件：
1）物方尺寸------拍摄范围。
2）像方尺寸------使用的CCD的靶面大小。
3）工作距离------物方镜头前表面距离拍摄物的距离。
4）分辨率---------使用的CCD像素大小。
5）景深------------镜头能成清晰像的范围。像/物倍率越大景深越小。
6）接口------------照相机接口，多为C，T等接口。
根据使用情况（物体尺寸和需要的分辨率）选择物方尺寸合适的物方镜头和CCD或CMOS相机，同时得到像方尺寸，即可计算出放大倍率，然后根据产品列表选择合适的像方镜头。选择过程中还应注意景深指标的影响，因为像/物倍率越大景深越小，为了得到合适的景深，可能还需要重新选择镜头。
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