遠心鏡頭 - 中文百科知識

遠心鏡頭依據其獨特的光學特性：高解析度、超寬景深、超低畸變以及獨有的平行光設計等，給機器視覺精密檢測帶來質的飛躍。

目前世界知名的鏡頭廠商有美國Navitar、德國 ... 遠心鏡頭 遠心鏡頭依據其獨特的光學特性：高解析度、超寬景深、超低畸變以及獨有的平行光設計等，給機器視覺精密檢測帶來質的飛躍。

目前世界知名的鏡頭廠商有美國Navitar、德國施乃德、義大利OptoEngineering、日本Kowa、中國艾菲特（Aftvision）等都已經有了自己品牌的遠心鏡頭產品線。

概念概述遠心鏡頭髮展歷程工業鏡頭是機器視覺系統中十分重要的成像元件，系統若想完全發揮其功能，工業鏡頭必須要能夠滿足要求才行。

21世紀初，隨著機器視覺系統在精密檢測領域的廣泛套用，普通工業鏡頭難以滿足檢測要求，為彌補普通鏡頭套用之不足，適應精密檢測需求，遠心鏡頭應運而生。

遠心鏡頭依據其獨特的光學特性：高解析度、超寬景深、超低畸變以及獨有的平行光設計等，給機器視覺精密檢測帶來質的飛躍。

目前世界知名的鏡頭廠商有美國Navitar、德國施乃德、義大利OptoEngineering、日本Kowa、中國艾菲特（Aftvision）等都已經有了自己品牌的遠心鏡頭產品線。

什麼是遠心鏡頭遠心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統工業鏡頭視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距範圍內，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的套用。

遠心鏡頭由於其特有的平行光路設計一直為對鏡頭畸變要求很高的機器視覺套用場合所青睞，原理優勢遠心鏡頭設計原理遠心鏡頭設計目的就是消除由於被測物體（或CCD晶片）離鏡頭距離的遠近不一致，造成放大倍率不一樣。

根據遠心鏡頭分類設計原理分別為：1）物方遠心光路設計原理及作用：物方主光線平行於光軸主光線的會聚中心位於像方無限遠，稱之為：物方遠心光路。

其作用為：可以消除物方由於調焦不準確帶來的，讀數誤差。

2）像方遠心光路設計原理及作用：像方主光線平行於光軸主光線的會聚中心位於物方無限遠，稱之為：像方遠心光路。

其作用為：可以消除像方調焦不準引入的測量誤差。

3）兩側遠心光路設計原理及作用：綜合了物方/像方遠心的雙重作用。

主要用於視覺測量檢測領域。

遠心鏡頭技術優勢1）優勢一：高解析度圖像解析度一般以量化圖像感測器既有空間頻率對比度的CTF（對比傳遞函式）衡量，單位為lp/mm（每毫米線耦數）。

大部分機器視覺集成器往往只是集合了大量廉價的低像素、低解析度鏡頭，最後只能生成模糊的影像。

而採用遠心鏡頭，即使是配合小像素圖像感測器（如5.5百萬像素,2/3"），也能生成高解析度圖像。

2）優勢二：真正的遠心設計，超寬景深與低畸變曾經有一種觀點認為遠心鏡頭主要解決畸變問題，其實，遠心鏡頭解決的不單單是畸變問題，低畸變只是遠心鏡頭的附加屬性。

遠心鏡頭的獨特光學特性：物體在視場內移動時，其在不同位置的放大率不會發生改變，決定了其在某些場和是無法採用普通工業鏡頭予以替代的，例如其更大的景深範圍可以很好地適應現場的工作環境，這不是只通過算法就能解決的問題。

3）優勢三：獨特的平行光路設計設計平行光成像的遠心鏡頭理論上並不複雜，但若想達到一定解析能力和成像質量就是另外一回事了。

遠心鏡頭的設計和製造難度確實要大於一般意義上的鏡頭，究其原因是由於遠心鏡頭光學鏡片的尺寸都比較大，使得邊緣光線的各類相差的校正難度增大，要想獲得良好的邊緣視場的成像質量，需要更高的產品設計和製造精度，有很多時候是需要設計者具有比較豐富的設計經驗方能實現的。

參數選擇遠心鏡頭主要技術參數1）高影像解析度圖像解析度一般以量化圖像感測器既有空間頻率對比度的CTF（對比傳遞函式）衡量，單位為lp/mm（每毫米線耦數）。

大部分機器視覺集成器往往只是集合了大量廉價的低像素、低解析度鏡頭，最後只能生成模糊的影像。

而採用AFT遠心鏡頭，即使是配合小像素圖像感測器（如5.5百萬像素,2/3"），也能生成高解析度圖像。

2）近乎零失真度畸變係數即實物大小與圖像感測器成像大小的差異百分比。

普通機器鏡頭通常有高於1~2%的畸變，可能嚴重影響測量時的精確水平。

（如：實際50毫米寬的物體，在這種鏡頭下成像寬度可能達到51毫米）。

而遠心鏡頭殘存的畸變小於0.1%（如：實際寬50毫米的物體，在成像時寬度絕不會大於50.05毫米，相比之下，畸變係數僅為普通鏡頭的二十分之一），是目前最先進的技術水平，達到了目前最高標準光學測試儀器的測量極限。

梯形畸變（亦即梯形失真效應或"薄稜鏡"效應）不僅會導致成像不對稱，也難以採用軟體校正，是成像中需要消減的另一個重要因素,AFT光電公司的遠心鏡頭通過嚴格的加工製造和質量檢驗，將此誤差嚴格控制在0.1%以下。

3）無透視誤差在計量學套用中進行精密線性測量時，經常需要從物體標準正面（完全不包括側面）觀測。

此外，許多機械零件並無法精確放置，測量時間距也在不斷地變化。

而軟體工程師卻需要能精確反映實物的圖像。

遠心鏡頭可以完美解決以上困惑：因為入射光瞳可位於無窮遠處，成像時只會接收平行光軸的主射線。

4）遠心設計與超寬景深艾菲特光電公司生產的AFT雙遠心鏡頭不僅能利用光圈與放大倍率增強自然景深，更有非遠心鏡頭無可比擬的光學效果：在一定物距範圍內移動物體時成像不變，亦即放大倍率不變。

為了在保證分辯率的情況下達到衍射極限內的最大景深，AFT遠心鏡頭的光圈均為自製。

不僅如此，AFT鏡頭還可與多種光圈搭配，以適應各種特殊用途。

不過在挑選光圈時需要考慮到大、小光圈各片的利滑：大光圈景深小，而小光圈解析度低、成像暗。

如何選擇遠心鏡頭這些年機器視覺在中國發展迅速，大家在系統集成中對普通鏡頭的選型已經有了一定了解，但是對遠心鏡頭的選型還經常是一頭霧水，即便在技術人員的幫助下選擇完鏡頭，在使用過程中還是不知道該注意哪些問題。

針對這個問題，Aftvision光電公司技術部王經理介紹到，遠心鏡頭和相機的匹配選擇原則和普通工業鏡頭是一樣的，只要其靶面的規格大於或等於相機的靶面即可。

使用過程中請留意，在遠心鏡頭的物鏡垂直下方區域範圍的都是遠心成像，而超出此範圍的區域，就不是嚴格意義上的遠心成像了，這點在實際的使用中一定要注意，否則會產生不必要的偏差。

客戶在選擇遠心鏡頭時，首先應明白在什麼時候需要時選擇遠心鏡頭。

根據遠心鏡頭原理特徵及獨特優勢，當檢查物體遇到以下6中情況時，最好選用遠心鏡頭：1）當需要檢測有厚度的物體時（厚度>1/10FOV直徑）；2）需要檢測不在同一平面的物體時；3）當不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時；4）當需要檢測帶孔徑、三維的物體時；5）當需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時；6）當缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到時。

選擇遠心鏡頭，首先應明白遠心鏡頭相關指標對應使用條件：1）物方尺寸------拍攝範圍。

2）像方尺寸------使用的CCD的靶面大小。

3）工作距離------物方鏡頭前表面距離拍攝物的距離。

4）解析度---------使用的CCD像素大小。

5）景深------------鏡頭能成清晰像的範圍。

像/物倍率越大景深越小。

6）接口------------照相機接口，多為C，T等接口。

根據使用情況（物體尺寸和需要的解析度）選擇物方尺寸合適的物方鏡頭和CCD或CMOS相機，同時得到像方尺寸，即可計算出放大倍率，然後根據產品列表選擇合適的像方鏡頭。

選擇過程中還應注意景深指標的影響，因為像/物倍率越大景深越小，為了得到合適的景深，可能還需要重新選擇鏡頭。

基本分類遠心鏡頭主要分為物方遠心鏡頭、像方遠心鏡頭和兩側遠心鏡頭。

1.物方遠心鏡頭物方遠心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學系統的像方焦平面上，當孔徑光闌放在像方焦平面上時，即使物距發生改變，像距也發生改變，但像高並沒有發生改變，即測得的物體尺寸不會變化。

物方遠心鏡頭用於工業精密測量，畸變極小，高性能的可以達到無畸變。

2.像方遠心鏡頭像方遠心鏡頭，通過在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行於光軸，從而雖然CCD晶片的安裝位置有改變，在CCD晶片上投影成像大小不變。

3.兩側遠心鏡頭雙側遠心鏡頭兼於上面兩種遠心鏡頭的優點。

在工業圖像處理中，一般只使用物方遠心鏡頭。

偶爾也有使用兩側遠心鏡頭的，（當然價格更高）。

而在工業圖像處理/機器視覺這個領域裡，像方遠心鏡頭一般來說不會起作用的，因此這個行業基本是不用它的。

套用優勢遠心鏡頭主要套用於精密測量。

在精密光學測量系統中，由於普通光學鏡頭會存在一定的制約因素，如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當光源干擾下造成邊界的不確定性等問題，進而影響測量的精度。

而遠心鏡頭（Telecentric鏡頭）能有效降低甚至消除上述問題，因此Telecentric鏡頭已經成為精密光學量測系統決定性的組件，其套用領域也越來越廣泛。

1）機械零件量測遠心鏡頭最常見的套用在於精密機械組件的測量，其中大部分為汽車零件，例如：傳動軸，汽門，活塞及其它引擎零件，其它像是排氣管及鋁擠性零件的精度則通常由精密加工機本身所決定。

遠心鏡頭則通常被用於較小零件的量測。

例如：彈簧、螺絲、螺帽、墊片等。

銑床及其它鏇轉加工機通常需要藉由特殊的量具,例如刀具設定儀，來進行量測，而telecentric鏡頭及光學準直儀(平行光管)則可廣泛的套用於此類量具。

2）塑膠零件量測Telecentric鏡頭通常也被用來量測橡膠油封，O型環及塑膠蓋。

此類橡膠零件在拿取時容易因變形而改變其原本形狀。

因此必須要使用非接觸光學量測儀器來進行量測。

3）玻璃及藥用容器量測Telecentric鏡頭也常用來量測藥用玻璃器皿，例如carpules,小玻璃瓶，膠囊，小藥瓶等，以避免在量測過程中因接觸而產生破裂。

許多醫療用品像是針筒也都可使用此類工具來進行檢測。

除此之外，罐裝飲料工廠也常利用此類儀器來量測瓶蓋螺紋。

4）電子組件量測一般電子用連線器通常由金屬零件及塑膠成型製成,為了讓公母接頭可順利連線,其製造公差必須得保證在一定範圍之內。

其它像是電阻,電晶體及IC電路則須使用微型telecentric鏡頭來檢測其尺寸及連線點的位置,而電路板則常被用來控制電子組件間的距離。

最近太陽能電池也開始使用近紅外光Telecentric鏡頭來進行檢測其導鏇光性，矽晶圓及液晶顯示器也通常使用telecentric鏡頭來檢測其表面。

5）其他特殊套用遠心鏡頭在其他行業也有特殊套用，例如：粒子量測、量測高精度彩色列印、半導體光罩量測、過濾器控制、血液分析及細胞數量計算等。

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