光路

随着精密机器视觉和相关检测技术的发展，特别是现代 测量中，被测物体是运动的，位置实时变化，上述通常的远 心光路也会给测量带来不可接受的误差。我们采用了一种物 像远心成像光学系统，可从很好地克服被测物体影像虚焦而 产生的测量误差，提高测量精度。如图2所示：
该系统由物镜Ll和L2组成，Ll的像方焦点与L2的物方焦 点重合，光学间隔为O，因此平行光射入物镜Ll后，仍以平行 光从L2射出。光阑P设在两个物镜的公并焦点F处，并且入射 光瞳与出射光瞳重合。物体B1（或B2）位于CCD光电器件接受 面的共轭位置时，经光学系统成像，CCD光电器件接收面上的 像长为M1M2。如果物体沿光轴移动，则平行于光轴的物方主 光线入射后，经过物镜L1和L2，仍以平行于主轴的主光线射 出，并且由于物体高度不变，B1和B2点发出的平行光束之间 的距离不变，则无论像面的位置如何，光电器件接收到的平 行光之间的距离都是像的长度M1M2。因此，在光阑p处加上光 学滤波器，使射出的光线只有平行于主光轴的光通过，在光 电器件上接收到的就是准确的像长，不会因物体沿光轴移例
远心镜头技术优势（独特的光学特性） 1）高分辨率 2）真正的远心设计，超宽景深与低畸变 3）独特的平行光路设计
远心镜头主要应用于精密测量，尤其 为机器视觉精密检测的发展带来了质的飞 跃。 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。而远心镜头能有效降 低甚至消除上述问题，因此远心镜头已经 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。
机械零件 测量
汽车零件，如：传动轴，汽门，活塞及 其它引擎零件； 较小零件的测量，如：弹簧、螺丝、螺 帽、垫片等； 旋转加工机需要的特殊的量具，如：刀 具设定仪。 测量橡胶油封，O型环及 塑料盖（在拿取时易变 形，故必须要使用非接 触光学测量仪器）。
远 心 镜 头
塑料零件测量
玻璃及药用 容器测量 电子组件 测量
500
显微镜的出瞳直径D′通常取1mm，代入（2）式得
NA 500
(3)
显微镜中的光束限制和远心光路
2、 测量显微镜中，为了消除由于像平面位置的 放置误差而引起的测量误差，在物镜的像方焦平 面上加入一个光阑做为孔径光阑。入瞳则位于物 方无穷远，称为“物方远心光路”。
3、 某些大地测量仪器或投影仪器中，为了消除 像平面和标尺分划刻线面不重合而引起的测量误 差，在物镜的物方焦平面处加上一个光阑做为孔 径光阑，物镜的出瞳位在像方无穷远，称.为“像 方远心光路”。
其他特殊应用
测量药用玻璃器皿，例如小玻璃 瓶，胶囊，小药瓶等（避免在测 量过程中因接触而产生破裂）。
电阻, 晶体管及IC电路，检测其尺寸 及连接点的位置； 电路板，控制电子组件间的距离； 太阳能电池，检测其导旋光性； 硅晶圆及液晶显示器，检测其表面。 粒子测量、测量高精度彩 色打印、半导体光罩测量、 过滤器控制、血液分析及 细胞数量计算等。
作用：可以消除物方由于调焦不准确带来的，读 数误差。 用途：测量读数显微镜。
显微镜中的光束限制和远心光路
1、 一般观察显微镜中，显微镜物镜上的轴向光束口径最大， 通常把孔径光阑选在物镜框上。位于目镜物方焦平面上的圆 孔光阑或分划镜框，限制了系统的成像范围，是显微镜的视 场光阑。一般显微镜的视场光阑直径大约为20mm。显微镜的 20 线视场2ymax为 2 ymax （1） 式中β 为显微物镜垂轴放大率。 显微镜的数值孔径式中n为物方折射率，u为轴上边缘光 线与光轴尖角，也叫物方孔径角。显微镜的数值孔径NA和显 微镜视放大率Γ 、出瞳直径D′之间的关系为 （2） NA D
f l y K y y
双远心光路 双远心系统
综合了物方 /像方远心的双重作用。主要用于视 双远心光路通过在光学系统的中间位置放置孔径光 觉测量检测领域。 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 优点：具有零畸变、无透视误差。 保证了足够大的景深范围,出射的平行光则保证了即 缺点：具有更高的成本。 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。
例1：200×显微镜的目镜焦距为25mm， 求显微镜的线视场等于多大？如果出瞳 直径D′=1mm，显微镜物镜的物像共轭距 为195mm。求显微镜的数值孔径多大？物 镜的通光口径多大？（均按薄透镜计算)
例2：如例1中的显微镜用于测量，问物 镜的通光口径需要多大？孔径光阑口径 多大？
像方远心光路 像方远心系统
设被测物体的物方线视场为2y，像方线视场2y′，（若用CCD接收， 设其单元宽度为δ ′，单元数为N，则2y′=Nδ ′），则 *系统放大率β 为： （1 ） 2 y 2 y *物镜的数值孔径NA： 由物镜的分辨率δ 可以确定 (2） NA 0.5 并且由式NA=nsinU和nδ sinU=n′δ ′sinU′分别求出物方孔径角U和像 方孔径角U′的值。式中n和n′分别表示物方和像方介质的折射率， δ ′为CCD光电器件的分辨率。 tan y x *视场角2ω ′： （3） 式中x′=l′+f2′为CCD光电器件接收面到共轭焦点F的距离。 D 2x tanU 2(l f 2 ' ) tanU （4） *光阑P的直径D： 这种物像远心成像光学系统与一般远心光学系统相比，视角和放 大率在视场各点恒定.减少了因物体沿光轴移动而带来的测量误差，从 而提高了成像精度。
孔径光阑位于物镜物方焦面，出射光束的主光线 平行于光轴，出瞳位于无限远，这样的光路称为 “像方远心光路”。
作用：可以消除像方调焦不准引入的测量误差。 用途：大地测量仪器。
在大地测量中，经常采用“视距法”测距。即 将带有分度的标尺置于待测距离处，物镜后分划 P 板上刻有一对间距 y 已知的测距丝 1 ,P 2 。测距时， 调焦物镜使标尺的像与测距丝平面重合，读出二 测距丝之间所夹的标尺上的长度 y ( AB) ，再乘以 f K ( K ),y 为双丝间距值，即可利用下式 视距常数 y l。 求得标尺到仪器的距离
远心镜头的照明方法
均匀、平行背光 同轴照明 环形侧照明

远心镜头的缺点
1、体积大、重量沉，由于平行光路入 射，镜头的口径要大于被摄物体。 2、焦距固定，变焦困难。 3、工作距离相对较短。 4、光阑小，需要更强的照明。
像方远心光路应用实例 ——变焦距投影光学系统
通过对数字光处理器(DLP)投影仪连续变焦距远 心镜头与数字微反射镜器件之间的全反射棱镜系统 进行分析,发现采用像方远心光路设计方法,可使投 影系统产生的杂光大大减少。进一步研究变焦距系 统远心光路的结构特征,得出了使系统在整个变焦过 程中都处于远心位置的光阑轴向位移方程。借助给 光阑固联一个透镜(与补偿组共同补偿变倍组)所产 生的像面移动,得到了变焦曲线平缓、光焦度分配均 匀且成像质量较好的投影镜头。
远心系统
远心系统
物方远心 系统
像方远心 系统
双远心 系统
像方远心系统 物方远心系统 远心光学系统 光从物体朝向镜头发出，与光学 光从镜头朝向影像，与与光学轴 指主光线平行于镜头光学轴的光 保持平行，甚至在轴外同样如此。 轴保持平行，甚至在轴外同样如 学系统。 此。
物方远心光路 物方远心系统
孔径光阑位于物镜像方焦面，入瞳位于无穷远， 轴外点主光线平行于光轴，这样的光路被称作 “物方远心光路”。
双远心系统设计实例 ——视觉卡尺OVG 一键式测量仪
谢谢！