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遠(yuǎn)心鏡頭的分類-物方遠(yuǎn)心、像方遠(yuǎn)心及雙遠(yuǎn)心鏡頭的特點(diǎn)與區(qū)別
2022-05-21
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         遠(yuǎn)心鏡頭有兩種類型的遠(yuǎn)心度:物方和像方遠(yuǎn)心度(分別指入射光瞳和出射光瞳位置)。所以,遠(yuǎn)心鏡頭分為:物方遠(yuǎn)心鏡頭,像方遠(yuǎn)心鏡頭、雙遠(yuǎn)心鏡頭。


  1、物方遠(yuǎn)心度   

        一般意義上的機(jī)器視覺遠(yuǎn)心鏡頭指的是物方遠(yuǎn)心鏡頭,如果鏡頭的入射光瞳位于像方(物鏡后方的一切物體)內(nèi)無(wú)限遠(yuǎn)的位置(如圖2所示),則可以被稱為物方遠(yuǎn)心鏡頭。
        圖 1: 入射光瞳投射到圖像側(cè)無(wú)限遠(yuǎn)處的物方遠(yuǎn)心鏡頭。

       在光學(xué)設(shè)計(jì)中,通過(guò)將系統(tǒng)的光圈光闌放置在前端組的焦點(diǎn)處來(lái)實(shí)現(xiàn)物方遠(yuǎn)心度。由于入射光瞳在無(wú)限遠(yuǎn)處,因此視場(chǎng)恒定且無(wú)視場(chǎng)角。由于主光線(定義系統(tǒng)視場(chǎng))在光圈光闌處穿過(guò)光軸,并且在入射光瞳處穿過(guò)光軸,因此當(dāng)光瞳在無(wú)限遠(yuǎn)處時(shí),光線會(huì)與光軸平行,且視場(chǎng)角為零(圖2)。相比之下,任何在鏡頭有限距離內(nèi)的入射光瞳都會(huì)導(dǎo)致非平行主光線(如針對(duì)非遠(yuǎn)心鏡頭的圖3所追蹤的圖像所示)。
        圖 2: 主光線與物方內(nèi)的光軸完全平行的物方遠(yuǎn)心鏡頭。請(qǐng)注意,無(wú)論物體平面位于何處,視場(chǎng)都不會(huì)改變,因?yàn)槎x視場(chǎng)的主光線與光軸完全平行。
         圖 3: 入射光瞳位于物方主光線穿過(guò)光軸的位置,如非遠(yuǎn)心鏡頭所示。

  2、像方遠(yuǎn)心鏡頭  
        物方遠(yuǎn)心度由入射光瞳在物方內(nèi)的位置定義,像方遠(yuǎn)心度可以由位于物方內(nèi)無(wú)限遠(yuǎn)處的出射光瞳定義。圖4中顯示了這一情形。
        圖 4: 出射光瞳投射到像方無(wú)限遠(yuǎn)處的像方遠(yuǎn)心鏡頭。

       情況大致相同:如果鏡頭是物方遠(yuǎn)心,則物體的放大倍率不會(huì)更改,如果鏡頭是像方遠(yuǎn)心,放大倍率不會(huì)隨傳感器平面的位置更改(如圖5所示)。這意味著傳感器位置允差對(duì)相機(jī)不像對(duì)像方遠(yuǎn)心鏡頭那么重要,因?yàn)榭拷蜻h(yuǎn)離最佳位置的小偏移不會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)具有相同鏡頭的系統(tǒng)之間出現(xiàn)放大倍率差異。
        圖 5: 主光線與像方內(nèi)的光軸完全平行的像方遠(yuǎn)心鏡頭。請(qǐng)注意,無(wú)論傳感器平面位于何處,像高都不會(huì)改變,因?yàn)槎x像高的主光線與光軸完全平行。

       此外,像方遠(yuǎn)心鏡頭不會(huì)遭受放射性測(cè)量的cos4θ衰減,因?yàn)楣饩€垂直于整個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器。這是有利的,因?yàn)榧僭O(shè)鏡頭設(shè)計(jì)內(nèi)沒尚未構(gòu)建選擇性光暈,它能使圖像的相對(duì)照明分布更加均勻。像方遠(yuǎn)心度并非遠(yuǎn)心鏡頭所獨(dú)有,因?yàn)橐部梢栽趥鹘y(tǒng)鏡頭(如固定焦距鏡頭)中指定像方遠(yuǎn)心度。不過(guò),市場(chǎng)上大部分固定焦距鏡頭都未設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心,因?yàn)樗鼈兺ǔP枰~外的元件(因此需要更多成本)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心度,并且根據(jù)所使用的傳感器尺寸,可能需要相當(dāng)大的直徑。如果非遠(yuǎn)心鏡頭是像方遠(yuǎn)心,通常會(huì)有標(biāo)注。

  3、雙遠(yuǎn)心鏡頭  
        盡管物方遠(yuǎn)心度能提供大大高于傳統(tǒng)鏡頭的測(cè)量準(zhǔn)確性,但如果鏡頭是物方和像方遠(yuǎn)心(雙遠(yuǎn)心),還能獲得更高的準(zhǔn)確性。像方和物方遠(yuǎn)心度的相同原理同樣適用;在雙遠(yuǎn)心鏡頭中,入射和出射光瞳投射到各自的無(wú)限遠(yuǎn)處(如圖6所示)。
        圖 6: 入射和出射光瞳分別投射到像方和物方無(wú)限遠(yuǎn)處的雙遠(yuǎn)心鏡頭。

       雙遠(yuǎn)心鏡頭是最準(zhǔn)確的遠(yuǎn)心鏡頭類型,因?yàn)槠湟晥?chǎng)完全不受物體位置或傳感器位置變化導(dǎo)致的更改影響,也不會(huì)遭受任何cos4θ衰減。

       圖7顯示了三種不同鏡頭的對(duì)比圖-固定焦距鏡頭、僅物方遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心鏡頭-x軸表示工作距離(mm)相較于標(biāo)稱值的更改,y軸表示相較于實(shí)際值的尺寸誤差百分比。
圖 7: 三種不同鏡頭(非遠(yuǎn)心、物方遠(yuǎn)心和雙遠(yuǎn)心)的對(duì)比圖以及與每種鏡頭隨著工作尺寸更改產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)尺寸誤差。

如圖所示,雙遠(yuǎn)心鏡頭是群組中最準(zhǔn)確的鏡頭,工作距離偏移4mm期間的誤差不到0.2%。雙遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)該用于需要最高準(zhǔn)確性和精度的應(yīng)用中。