远心镜头技术及选型

远心镜头技术及选型

远心镜头（Telecentric），主要是为纠正传统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。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，目前世界知名镜头厂商如美国Navitar、德国施乃德、Opto Engineering、日本Kowa等厂商已经有了自己品牌的远心镜头产品线。但是远心镜头由于应用领域不是非常广泛一直带着神秘色彩而不为人所熟知，下面让专家来引导我们一起破解远心镜头神秘的平行光艺术。

Navitar、施乃德、Opto Engineering、computar、Kowa这些知名的镜头企业都有自己的远心镜头产品线。我们知道远心镜头有普通镜头所不具有的平行光路的独特性，那么实现这种平行光是否是远心镜头的制造难点？除了这个技术特性外，远心镜头的研发、制造还有哪些技术难点？Mr.Claudio Sedazzari总裁以他多年的经验向我们介绍到Opto Engineering镜头本身的设计要求十分苛刻，以确保优秀的远心特性。组成镜头的光学零件和机械零件的制造过程更为严格。对此Opto Engineering开发了专用设备，用于对这些零部件进行测试。同时，对于每组镜头的测试与定标，Opto Engineering都倍加用心。该公司投入了数年的时间和数目可观的资金用于研发这些设备，以这些设备为依托，Opto Engineering可以制作出足以应对机器视觉使用的远心镜头。CBC梁立经理介绍，设计平行光成像的远心镜头理论上并不复杂，但若想达到一定解析能力和成像质量就是另外一回事了。远心镜头的设计和制造难度确实要大于一般意义上的镜头，究其原因是由于远心镜头光学镜片的尺寸都比较大，使得边缘光线的各类相差的校正难度增大，要想获得良好的边缘视场的成像质量，需要更高的产品设计和制造精度，有很多时候是需要设计者具有比较丰富的设计经验方能实现的。

远心光学系统图示

曾经有一种观点认为远心镜头主要解决畸变问题，那么普通工业镜头通过与标定板的组合可以有意识的通过软件算法矫正，也就是说远心镜头是可以替代的。CBC梁立经理及Mr.Claudio Sedazzari都对这种观点做了一定的反驳。梁经理认为，远心镜头解决的不单单是畸变的问题，远心镜头的独特光学特性决定了其在某些场和是无法采用普通工业镜头予以替代的，例如其更大的景深范围可以很好地适应现场的工作环境，这不是只通过算法就能解决的问题。Mr.Claudio Sedazzari总裁也提出了类似的看法，他认为：远心镜头的主要特点并不是低畸变，而是远心特性：物体在视场内移动时，其在不同位置的放大率不会发生改变，另外，对于物体上不同物距的特征，可以在同一时刻完成检测。低畸变只是远心镜头的附加属性。典型的远心镜头是低畸变的，然而许多其它种类的优质镜头畸变也相当小。不过非远心的光学系统在大多数测量应用中是不宜使用的，因为这种光学系统无法确保视场内一致的放大率，于是总会造成测量精度的下降。

物体在视场内移动时，其在不同位置的放大率不会发生改变

低畸变只是远心镜头的附加属性，但很多人选用远心镜头也是冲着远心镜头可以很好的解决畸变问题而去的。那么远心镜头可以完全解决畸变的问题吗？如果不行我们该如何看待远心镜头的畸变呢？Mr.Claudio Sedazzari总裁认为尽管远心镜头能够提供精准的影像，然而它们也并非完美，也就是说远心镜头还是存在一定的残留畸变。在许多情况下这些畸变如此微小，以至于在使用远心镜头时可以在不需标定的情况下完成测量。然而，大多数精确测量的场合需要对微小畸变进行标定，方法是采集精确的灰度图像并进行精确分析以测量畸变。标定结果非常重要，我们提供的远心镜头配有优秀的标定软件，程序能够提供极其精确而且重复性较高的结果。CBC梁立经理认为任何一款镜头都会有畸变产生，完美的光学镜头在现实中是不存在的，所以完全消除解决畸变是不现实的。在实际的应用中，我们应该首先明确具体项目要求对畸变的最大容忍程度，然后再依此来选择镜头。CBC可以提供TEC-M55镜头畸变的详细数据以供使用者参考。

经过这些年机器视觉在中国的发展，大家在系统集成中对普通镜头的选型已经有了一定的了解，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，CBC梁立经理介绍到，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。Mr.Claudio Sedazzari总裁告诉我们，远心镜头的选择必须与所用相机的图像传感器相配，就像所有用于图像采集的光学系统那样，图像传感器决定所得图像的最大尺寸，比如，为1/3”的图像传感器定制的镜头不宜与2/3”的图像传感器配合使用，否则将导致晕影。远心镜头具有高分辨力的特性，因此选择与其配合使用的图像传感器时，可以选用像素尺寸更小的产品，像素越小，图像分辨力越高。另一方面，远心镜头的分辨力也不是无限高的，因此也不宜与像素尺寸极小的图像传感器配合使用。配合远心镜头使用的图像传感器典型尺寸为1/3”和2/3”，用户选择时还要注意所用传感器的像素尺寸最好大于4微米。此外大尺寸的图像传感器也不宜选用，与大尺寸传感器配合使用的远心镜头需要有更大的光学放大率，从而景深会更小。过小的景深将引起对比度的下降，结果会降低分辨力。

远心镜头由于其特有的远心特性和低畸变属性在机器视觉系统应用中占据着极为特殊的位置，能够生产制造质量优秀的远心镜头在某种意义上也成为一个镜头厂商设计、制造能力的体现。在未来的机器视觉产品市场上，我们必将看到更多的远心镜头产品。就此Mr.Claudio Sedazzari总裁对世界远心镜头的发展现状及远心镜头未来的技术发展方向谈了他自己的看法。他认为，远心镜头主要用于使用机器视觉的测量领域，在机器视觉中的应用仅占5%，因此这种镜头的使用量难以超越普通镜头，此外普通镜头的价格要相对低廉很多。因此远心镜头将维持较小的市场占有量及较少的应用领域。Mr.Claudio Sedazzari总裁期待中国睿智的机器视觉集成商们使用远心镜头开发出先进的视觉系统，用以取代传统的检测技术，比如接触测量、激光测径、轮廓投影仪等。CBC梁立经理也介绍了Computar远心镜头产品线发展计划。在2009年CBC