双远心光路【几何光学】

前言与目录

双远心镜头拥有上面两种远心镜头的优点，即①有着固定的成像倍率、②像方有着均匀的照度。

目录

一、双远心

二、远心镜头的应用

三、物方远心、像方远心和双远心镜头的对比

一、双远心

尽管物方远心度能提供大大高于传统镜头的测量准确性，但如果镜头是物方和像方远心（双远心），还能获得更高的准确性。像方和物方远心度的相同原理同样适用，结合物方远心和像方圆心的光路就成为了双侧远心镜头的光路；

除物方远心光路和像方远心光路之外还有双远心光路。双远心光路通常为对称性结构，是将孔径光阑放置在光学系统的中间，这样做可以兼具物方远心光路和像方远心光路的优点，物方与像方的主光线均平行于光轴入射和出射，在实际使用中无论是物体的位置还是 CCD 相机的位置都不会影响放大倍率、不影响测量读数。双远心光路的光路图如图2 所示，在大视场白光干涉物镜系统中，由干涉物镜和管镜共同构成双远心光路。

双远心光路的优势有三点：第一是提高系统测量的分辨率，第二是平行光出射能 够稳定放大倍率，第三是平行光入射能够有效加深测量的景深。它的缺点是：当系统要探测体积较大的物体时，就需要同样大的孔径，这就意味着可能要把系统的体积做 的很大；其次，由于光路中的孔径光阑滤除了大部分的光，只留下能通过孔径光阑的部分，因此如果使用平行度不高的光源，可能会造成像面的照度不足。

提到远心光路就不得不提远心度，所述远心光路的主光线从理论上讲应完全平行于系统光轴，但是在实际的加工及装校过程中存在加工误差及装校误差，这些误差都可能使主光线不完全平行于系统光轴，则称物方主光线和系统光轴之间的夹角大小为物方远心度，反之像方远心度就是指像方主光线和系统光轴之间的夹角大小，远心度反映了主光线跟系统光轴的偏离程度。一个完美的远心镜头理论上远心度应该为0°，即不存在梯形畸变。

二、远心镜头的应用

远心镜头的应用非常广泛，主要包括但不限于以下几个领域：

1. 机械零件测量：远心镜头最普遍的应用是测量精密机械零件尺寸，如弹簧、螺丝、螺母和垫圈等。

2. 塑料零件测量：远心镜头用于测量橡胶密封件、O型环和塑料盖帽等，这些零件在移动、测量时容易变形，需要无接触式的光学测量技术。

3. 电子元件测量：远心镜头用于检查电阻、三极管和集成电路等电子元件的完整性、尺寸、规格、位置与插脚的弯度。

4. 玻璃制品与医药零件测量：远心镜头用于测量制药玻璃器皿如小瓶、胶囊和管形瓶等，以保证完全密封、防止器皿损伤。

5. 其他特殊用途：远心镜头还用于粒子测量、印刷业高精度色彩测量、光刻罩层测量、滤波器控制、血液分析与细胞计量等。

三、物方远心、像方远心和双远心镜头的对比

 1、远心镜头主要解决的问题（相较于FA）：

• 由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同（物方远心、双远心）；
• 镜头畸变大；
• 视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变（物方远心、双远心）；
• 由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性（像方远心、双远心）；
• 镜头的解析度不高；

2、物方远心、像方远心和双远心镜头的对比

• 物方远心和双远心镜头的优势在于物方有着固定的成像倍率，放大倍率不受物距影响；
•  像方远心和双远心镜头的优势在于像方有着均匀的照度和放大倍率不受像距影响；

3、物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头各有其特点和应用场景

（1）、 物方远心镜头：
   - 将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，使得物方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于物方无限远。
   - 特点：在合理的活动范围内，物体的放大倍率与物距无关。即使物距发生改变，像高也并不会发生改变，即测得的物体尺寸不会变化。
   - 应用：常用于工业精密测量、机器视觉中的尺寸非接触测量、产品鉴定、缺陷检查等，因其视场恒定且无视场角的特点，能够保证测量的准确性。

（2）、像方远心镜头：
   - 将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，使得像方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于像方无限远。
   - 特点：放大倍数与像距无关，相机安装位置的远近不影响成像效果。可以消除像方调焦不准引入的测量误差。
   - 应用：适用于需要均匀照明的应用场景，如产品缺陷检查、电路板上的芯片安装等，因其能够提供均匀的照度，减少阴影和亮度不均的问题。

（3）、双远心镜头：
   - 结合了物方远心和像方远心的双重作用，物体和相机位置的远近变化都不会影响成像的放大倍率。
   - 特点：拥有固定的成像倍率、像方有着均匀的照度。在工业机器视觉应用中，一般只使用物方远心镜头，要求更高的话就需要使用双远心镜头（当然价格更高）。
   - 应用：当被检测物体厚度较大，需要检测不止一个平面时；当被测物体的摆放位置不确定，可能跟镜头成一定角度时；当被测物体在被检测过程中上下跳动，如生产线上下震动导致工作距离发生变化时；当被测物体带孔径、或是三维立体物体时；当需要低畸变率、图像效果亮度几乎完全一致时；当需要检测的缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时；当需要超过检测精度时，如容许误差为1um。

物方远心镜头和双远心镜头的优势在于物方有着固定的成像倍率，放大倍率不受物距影响；像方远心和双远心镜头的优势在于像方有着均匀的照度和放大倍率不受像距影响。双远心镜头因其视场完全不受物体位置或传感器位置变化导致的更改影响，也不会遭受任何衰减，因此是最准确的远心镜头类型，适用于需要最高准确性和精度的应用中。
 

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