远心镜头与普通工业镜头拍摄效果对比

在工业应用上用到的镜头通常有普通工业镜头和远心工业镜头，二者之间的区别在於，远心镜头是平行光路设计，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，即不会产生近大远小的情况，这对被测物体不在同一物面上的情况是非常重要的应用。而普通工业镜头在拍摄时，被测物体（或CCD晶片）离镜头距离的远近不一致，会造成放大倍率不一样，目标物体离镜头越近(工作距离越短)，所成的像就越大。在使用普通镜头进行测量时，会存在如下问题：

1.由於被测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.由於视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。

远心镜头可以有效解决普通工业镜头存在的上述问题，而且没有此性质的判读误差，因此可用在高精度测量、度量计量等方面。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，需要的视场就越大。远心镜头是一种高端的工业镜头，像质出众，畸变小，特别适合於尺寸测量的应用，可配合软体进行精密测量。

 

一、远心镜头与普通工业镜头拍摄小孔对比

图1

图2

在相同的拍摄条件下，图1为普通连续变倍工业镜头拍摄。由於普通镜头存在的视觉聚焦误差，小孔内壁易产生阴影，对於提取小孔内边缘造成影响，图像精度不高。

图2用连续变倍远心镜头拍摄，因为远心镜头特有的平行光特性，可以确保拍摄出的小孔轮廓清晰，资料准确，不需要对图像做过多校正。

对比可见远心镜头比普通工业镜头更适合检测有厚度小孔的孔径，以及对边缘提取要求高的测量应用行业。

 

二、远心镜头与普通工业镜头拍摄齿轮对比

图3

图4

由於普通工业镜头的入光和成像光线不是平行光设计，存在视觉误差。图3由普通工业镜头拍摄出来的图片，齿轮圆孔的内壁可见，整个齿轮沿著中心凸起，孔径和外边沿资料不真实，不易判读边缘，需要很复杂的演算法校正。

远心镜头的光路是平行光设计，从图4可以看出，用远心镜头拍摄齿轮，齿轮的圆孔内边缘和外齿轮边缘轮廓清晰，孔径资料真实，不存在孔内壁可见和外壁畸变的现象，无需对图像校正。

 

三、远心镜头和普通工业镜头拍摄模具对比

图5

图6

图5，用普通的镜头拍摄，由於视觉误差和聚焦不准，所以在拍摄塑胶模具的透气孔时（红圈圈定），出现内壁可见，边缘提取不清晰，有阴影的现象，对识别造成影响，资料不准确。

图6，用远心镜头拍摄，由於远心镜头具有平行光的远心特性，不存在视觉误差，所以在拍摄塑胶模具的透气孔时（红圈圈定），内壁边缘清晰，资料准确。拍摄圆孔（绿色）时，孔边缘清晰，易於检测到毛刺，以及检测孔径大小等。

远心镜头是一种高端的机器视觉镜头，其目的就是消除由於被测物体（或CCD晶片）离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样。分为：物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头三大类。

由於远心镜头具有独特的技术优势，目前，在机械零件测量、塑胶零件测量、玻璃制品与医药零件测量、电子元件测量等高精度检测方面的需求，对於精密测量的场合特别适用。以下为您详细解答其应用中的八大问题。

 

1、远心镜头有何优点？

      远心镜头的设计是采Telecentric原理，低失真、无视角误差，较适合工业上量测应用，所以价位较一般CCTV镜头高。远心镜头另有同轴镜头设计，提供不同工作距离,不同放大倍率供选择。

 

2、远心镜头为何低倍率镜头价格反而高？ 

      因为Telecentric镜头为了要减少失真，让平行光进入，所以镜头设计必须比被照体大，所以低倍率镜头通常口径都很大，所需的镜片材料成本较高，所以价格较高。

 

3、同轴光镜头打同轴光时，中间亮度较亮旁边整暗，是何原因？如何补救？ 

      因为同轴光镜头的投射光线集中於中心5~6㎜左右，如果看的范围较大，边缘附近光线较暗，这是低倍率同轴光镜头常有的现象。可以外加环形光源来补足光线不够地方。

 

4、远心镜头可否搭配CCTV用的2倍镜使用？ 

     可以，但是影像品质变差，所需光强度更强，不建议使用。

 

5、远心镜头规格上，标示镜头分解能(解析力)是代表什么意思？ 

     镜头解析力的定义是镜头能看清楚最小物体边缘的能力，如果低於此分解能，就无法看清楚了。须另外找解析力更高的镜头，如高倍显微物镜。

 

6、远心镜头景深为何不能很长？ 

     远心镜头设计时即考虑到景深、倍率、光圈、工作距离等参数取得最佳点，所以景深均为固定的数值，如要增长景深，而牺牲别的参数，会影响镜头品质。

 

7、如果要看到1μm的物体可用何种镜头？ 

      要看到小於1μm以下物体，必须用高倍显微物镜，但工作距离变得很小(约7㎜)，景深变得很浅了。

 

8、用远心镜头所放大的影像到底是多少倍？ 

      影像实总际放大倍率是等於镜头光学倍率×Monitor放大倍率，Monitor放大倍率是Monitor对角线除上CCD Sensor对角线(1/3″CCD Sensor投射到14寸Monitor是59.3倍)。

 

镜头的选择过程，是将镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

一、波长、变焦与否

镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中需要改变放大倍率的应用，采用变焦镜头，否则采用定焦镜头就可以了。

关於镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段的应用。是否需要另外采取滤光措施？单色光还是多色光？能否有效避开杂散光的影响？把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。

 

二、特殊要求优先考虑

结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先予明确下来。例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等等。景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。

 

三、工作距离、焦距

工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的解析度，结合CCD图元尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统解析度（及CCD图元尺寸）相关的。

 

四、像面大小和像质

所选镜头的像面大小要与相机感光面大小相容，遵循“大的相容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。

像质的要求主要关注MTF和畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。

 

五、光圈和介面

镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定的：光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。

镜头的介面指它与相机的连接介面，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。

 

六、镜头的其它类别：

线阵镜头：配合线阵相机使用的镜头。采用扫描式的工作方式，需要镜头与目标相对运动，每次曝光成像一条线，多次曝光组成一幅图像。线阵扫描成像的特点：CCD线阵方向的图像解析度固定，而在目标的运动方向上，空间采样频率与运动的相对速度有关。

从成像的角度讲，线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异。只是对镜头的使用方式不同而已。

显微镜头：为了看清目标的细节特徵，显微镜头一般使用在高解析度的场合。它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。

远心镜头：物方主光线平行於光轴主光线的会聚中心位於物方无限远，称之为物方远心光路。作用：可以消除物方由於调焦不准确带来的测量误差。

工业镜头的选择过程，是将工业镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，工业镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此工业镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

波长、变焦与否

工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中需要改变放大倍率的应用，采用变焦镜头，否则采用定焦镜头就可以了。

特殊要求优先考虑

特殊的要求应该先予明确下来：例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等。(景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的)

工作距离、焦距

工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般可以采用这个思路：先明确系统的解析度，结合CCD图元尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算工业镜头的焦距。 

像面大小和像质

像面大小要与相机感光面大小相容，遵循“大的相容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。

像质要求主要关注MTF和畸变两项。（在测量应用中，尤其应该重视畸变）

光圈和介面

光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定的：光圈、相机增益、积分时间、光源等,所以为了获得必要的图像亮度有多种方式可调整。

工业镜头的介面指它与相机的连接介面，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。

成本和技术成熟度

如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求，则可以考虑成本和技术成熟度，进行权衡择优选取。

例如，要给硬币检测成像系统选配工业镜头，约束条件：相机CCD 2/3英寸，图元尺寸4.65μm，C口。工作距离大於200mm，系统解析度0.05mm。光源采用白色LED光源。

基本分析如下：

与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段；没有变焦要求，选择定焦镜头就可以了。

用於工业检测，其中带有测量功能，所以所选镜头的畸变要小。

工作距离和焦距：

成像的放大率M=4.65/（0.05*1000）=0.093

焦距f’=L*M/（M+1）=200*0.093/1.093=17mm

物距要求大於200mm，则选择的镜头要求焦距应该大於17mm。

选择镜头的像面应该不小於CCD尺寸，即至少2/3 英寸。

镜头的介面要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”：焦距大於17mm，定焦，可见光波段，C口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸变要小。

远心光学ES Star就完全满足上述要求，而且在应用中的亮点远不止於此。

CCD感测器是一种高感光度的半导体器件，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号通过模数转换器转换成“0”或“1”的数位信号。CCD上植入的微小光敏物质称作图元（Pixel）。一块CCD上包含的图元数越多，其提供的画面解析度也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像图元转换成数位信号。

目前，工业相机通常使用CCD感测器作为像面接收器，CCD从功能上可分为面阵CCD和线阵CCD两大类，其工作区域的形状分别为矩形或线形。在镜头的参数中，也经常使用感测器的大小来表示视场大小。

面阵CCD的结构比较复杂，是由许多图元单元组成的一个矩形阵列，每个图元单元都是一个方形感测器。面阵CCD的大小通常是以其对角线的长度来表示的。目前常用的面阵CCD有：

CCD尺寸	水准（mm）	垂直（mm）	对角线（mm）
1英寸	12.8	9.6	16
2/3英寸	8.8	6.6	11
1/2英寸	6.4	4.8	8
1/3英寸	4.8	3.6	6
1/4英寸	3.2	2.4	4

线阵CCD也是由许多图元单元组成，与面阵CCD不同的是，这些图元单元排成一个单列。线阵CCD有单沟道和双沟道之分。线阵CCD的大小则是以图元单元的数量和大小来表示。线阵感测器的规格有1K、2K、4K、8K、12K等，图元单元有5µｍ、7µｍ、10µｍ、14µｍ等。

我们在选择镜头时必须注意：CCD的工作区域必须包含在镜头所确定的像面圆形区域之内。即小尺寸靶面的CCD可使用大尺寸靶面的CCD摄像机镜头，反之则不行。原因是：例如1/2″CCD摄像机采用1/3″镜头，则进光量会变小，色彩会变差，甚至图像会出现缺损；反之，则进光量会变大，色彩会变好，图像效果也会更好。当然，综合各种因素，摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。