【光學(xué)知識(shí)】像方遠(yuǎn)心、物方遠(yuǎn)心、雙遠(yuǎn)心鏡頭的區(qū)別

工業(yè)鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中十分重要的成像元件，系統(tǒng)若想完全發(fā)揮其作用，工業(yè)鏡頭必須能夠滿足要求才行。隨著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在精密測(cè)量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，普通工業(yè)鏡頭難以滿足要求，而遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)運(yùn)而生。
遠(yuǎn)心鏡頭主要為矯正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設(shè)計(jì)，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不變，從而彌補(bǔ)普通工業(yè)鏡頭“近大遠(yuǎn)小”的視覺(jué)效果，滿足精密測(cè)量的要求。遠(yuǎn)心鏡頭按設(shè)計(jì)原理可分為：像方遠(yuǎn)心光路、物方遠(yuǎn)心光路和雙側(cè)遠(yuǎn)心光路。
光路原理
1）像方遠(yuǎn)心光路
像方遠(yuǎn)心光路的光路圖如下圖 。它是將孔徑光闌放置在物方焦平面上，像方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于像方無(wú)窮遠(yuǎn)。這種鏡頭的特點(diǎn)是放大倍率與像距無(wú)關(guān)，可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差。
2）物方遠(yuǎn)心光路
物方遠(yuǎn)心光路的光路圖如下圖。它是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，物方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于物方無(wú)限遠(yuǎn)。這種鏡頭的特點(diǎn)是在合理的活動(dòng)范圍內(nèi)，物體的放大倍率與物距無(wú)關(guān)。即使物距發(fā)生改變，像高也并不會(huì)發(fā)生改變，即測(cè)得的物體尺寸不會(huì)變化。根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)出來(lái)的鏡頭為物方遠(yuǎn)心鏡頭，簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)心鏡頭。
3）雙側(cè)遠(yuǎn)心光路
雙側(cè)遠(yuǎn)心光路就是我們常說(shuō)的雙遠(yuǎn)心光路，光路圖如下圖。它綜合了像方遠(yuǎn)心和物方遠(yuǎn)心的雙重優(yōu)點(diǎn)，在景深范圍內(nèi)，物體離得遠(yuǎn)近或者相機(jī)離得遠(yuǎn)近，都不會(huì)影響到成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)，即像不隨物距和相距的變化而變化。根據(jù)雙側(cè)遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)出來(lái)的鏡頭為雙遠(yuǎn)心鏡頭。
鏡頭原型
正所謂“弱水三千，只取一瓢飲”。在遠(yuǎn)心鏡頭選型過(guò)程中，需要我們根據(jù)實(shí)際情況，從百萬(wàn)只鏡頭中，挑選出適合我們的那一個(gè)。在了解了遠(yuǎn)心鏡頭的光路原理之后，讓我們來(lái)看看鏡頭參數(shù)的含義吧！
（1）物方遠(yuǎn)心鏡頭
**提到，物方遠(yuǎn)心鏡頭簡(jiǎn)稱為遠(yuǎn)心鏡頭。遠(yuǎn)心鏡頭常用參數(shù)包括倍率、工作距離、物方分辨率、景深、數(shù)值孔徑na等。在眾多參數(shù)中，可能會(huì)讓大家困惑的參數(shù)，應(yīng)該是數(shù)值孔徑na了吧。
遠(yuǎn)心鏡頭中提到的數(shù)值孔徑na指像方數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑na值越大，鏡頭分辨率和亮度越佳。數(shù)值孔徑na與物方分辨率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
一般遠(yuǎn)心鏡頭參數(shù)中，也會(huì)給出鏡頭可匹配的像元大小。如果參數(shù)中并沒(méi)有給出鏡頭的良配怎么辦呢？不慌，不慌，一個(gè)公式解決煩惱：
（2）雙遠(yuǎn)心鏡頭雙遠(yuǎn)心鏡頭常用參數(shù)相對(duì)于遠(yuǎn)心鏡頭來(lái)說(shuō)較容易理解。它包括倍率、物方分辨率、工作距離、景深、遠(yuǎn)心度等。在這些參數(shù)中，各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系與遠(yuǎn)心鏡頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系相一致。需要特別解釋的一下，應(yīng)該只有遠(yuǎn)心度了。它是評(píng)價(jià)遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心鏡頭好壞的重要參數(shù)之一。
遠(yuǎn)心度是指主光線偏離光軸的角度。角度越小，遠(yuǎn)心度越好，鏡頭的倍率誤差越小。在測(cè)量過(guò)程中的表現(xiàn)為：在景深范圍內(nèi)，保證不同工作距下，物體的放大率是一樣的。它是彌補(bǔ)普通工業(yè)鏡頭“近大遠(yuǎn)小”這一弊端的重要因素。
雙遠(yuǎn)心鏡頭優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心鏡頭常用于精密測(cè)量領(lǐng)域。在解釋完他們的光路原理和參數(shù)意義后，大家有沒(méi)有困惑，遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心鏡頭在景深范圍內(nèi)，工作距離都不會(huì)影響成像倍率，且畸變值都很小。那在選型過(guò)程中，如何取舍呢？雙遠(yuǎn)心鏡頭當(dāng)然是靠實(shí)力取勝啦。雙遠(yuǎn)心鏡頭相對(duì)于遠(yuǎn)心鏡頭景深較大。當(dāng)其他參數(shù)相同的情況下，雙遠(yuǎn)心鏡頭的工作范圍比遠(yuǎn)心鏡頭的工作范圍要大，可觀測(cè)的范圍較廣。當(dāng)我們需要觀測(cè)的物體高度差比較大時(shí)，可以**考慮雙遠(yuǎn)心鏡頭。雙遠(yuǎn)心鏡頭相對(duì)于遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心度也較高。在精密測(cè)量的選型過(guò)程中，如果對(duì)觀測(cè)物體精度要求很高時(shí)，雙遠(yuǎn)心鏡頭會(huì)是一個(gè)較好的選擇。
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