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关于远心镜头

2017/10/20 14:53:06浏览次数:604

1概念


发展历程

工业镜头是机器视觉系统中十分重要的成像元件,系统若想完全发挥其功能,工业镜头必须要能够满足要求才行。21世纪初,随着机器视觉系统在精密检测领域的广泛应用,普通工业镜头难以满足检测要求,为弥补普通镜头应用之不足,适应精密检测需求,远心镜头应运而生。
远心镜头依据其独特的光学特性:高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等,给机器视觉精密检测带来质的飞跃。

定义

远心镜头(Telecentric),主要是为纠正传统工业镜头视差而设计,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,这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。


2原理优势


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。

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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。

像方远心镜头设计原理图

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。

双远心镜头设计原理图


3参数选择


技术参数

1)高影像分辨率
图像分辨率一般以量化图像传感器既有空间频率对比度的CTF (对比传递函数)衡量,单位为lp/mm(每毫米线耦数)。大部分机器视觉集成器往往只是集合了大量廉价的低像素、低分辨率镜头,最后只能生成模糊的影像。而采用AFT远心镜头,即使是配合小像素图像传感器(如5.5百万像素, 2/3"),也能生成高分辨率图像。
2)近乎零失真度
畸变系数即实物大小与图像传感器成像大小的差异百分比。普通机器镜头通常有高于1~2%的畸变,可能严重影响测量时的精确水平。相比之下,远心镜头通过严格的加工制造和质量检验,将此误差严格控制在0.1%以下。
3)无透视误差
在计量学应用中进行精密线性测量时,经常需要从物体标准正面(完全不包括侧面)观测。此外,许多机械零件并无法精确放置,测量时间距也在不断地变化。而软件工程师却需要能精确反映实物的图像。远心镜头可以完美解决以上困惑:因为入射光瞳可位于无穷远处,成像时只会接收平行光轴的主射线。
4)远心设计与超宽景深
双远心镜头不仅能利用光圈与放大倍率增强自然景深,更有非远心镜头无可比拟的光学效果:在一定物距范围内移动物体时成像不变,亦即放大倍率不变。

如何选择

这些年机器视觉在中国发展迅速,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,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。
客户在选择远心镜头时,首先应明白在什么时候需要时选择远心镜头。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。


4基本分类


远心镜头主要分为物方远心镜头、像方远心镜头和两侧远心镜头。

物方镜头

物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上,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。物方远心镜头用于工业精密测量,畸变极小,高性能的可以达到无畸变。

像方镜头

像方远心镜头,通过在物方焦平面上放置孔径光阑,使像方主光线平行于光轴,从而虽然CCD芯片的安装位置有改变,在CCD芯片上投影成像大小不变。

双侧镜头

双侧远心镜头兼于上面两种远心镜头的优点。在工业图像处理中,一般只使用物方远心镜头。偶尔也有使用两侧远心镜头的,(当然价格更高)。而在工业图像处理/机器视觉这个领域里,像方远心镜头一般来说不会起作用的,因此这个行业基本是不用它的。


5应用优势


远心镜头主要应用于精密测量。在精密光学测量系统中,由于普通光学镜头会存在一定的制约因素,如影像的变形、视角选择而造成的误差、不适当光源干扰下造成边界的不确定性等问题,进而影响测量的精度。而远心镜头(Telecentric镜头)能有效降低甚至消除上述问题,因此Telecentric镜头已经成为精密光学量测系统决定性的组件,其应用领域也越来越广泛。


6与普通镜头对比


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