在机器视觉中,有很大部分的仪器设备是用来测量物体尺寸的。但是光学成像上存在这一个近大远小的规律,也称为透视。可以以人眼成像为例,观察一条两侧栽满大树的马路,近处的树在眼睛中成像要大,而远处的树成像要小很多。透视是一种规律,而不是像差,所以也不能通过光学设计消除像差的方式来改善。

但是光学测量仪器需要测量视野前方不同位置的物体尺寸大小,因此,为了规避透视的影响,远心镜头应运而生。

如上图所示,物方远心镜设计中,将入瞳/孔径光阑放置在相仿焦点处。因此,在A1处的物B1B2将会成像在相机靶面/刻度尺平面A1'处的M1M2上。在这里,物放的主光线将会决定M1M2的长度。过入瞳中心的光线称之为主光线。由于共轭关系,主光线也会通过孔径光阑和出瞳中心。根据孔径光阑的定义,主光线也就是物面上个点成像光束的中心光线。如B1点发出的三条光线,中心光线过入瞳中心,边缘光线与入瞳相交。

当物体移动到A2的位置时,可以发现,物体成像在A2'处的B1'B2'。而相机靶面/刻度尺平面的位置不变,仍在A1'处。所以将会在相机靶面/刻度尺平面成一个弥散斑。但是物体移动到A2位置的主光线在弥散斑的中心。这就表示,可以通过读取弥散斑中心位置的大小,判断物体实际大小。也就是说,无论物体B1B2在前后方向上如何移动,成像的中心光线始终在相机靶面/刻度尺平面弥散斑的中心。不会存在之前描述的近大远小的透视现象。

在物方远心镜头的设计中,最重要的一点就是,入瞳/孔径光阑放置在像方焦平面上。如果对远心系统成像仍然不清楚,下面将以一般光学系统做分析,即入瞳/孔径光阑不在焦平面上,讨论成像的效果。如下图所示,当新的入瞳移到靠后的位置,B1B2位置的出光线将会时红色线条,成像在相机靶面/刻度尺平面较小。而当物体向镜头处移动到A2的位置,此时物体的主光线将会是蓝色线条。很明显,主光线决定了相机靶面/刻度尺平面上成像大小。当入瞳中心不在焦平面时,不同位置的物体B1B2将会成像不同大小。

上面所描述的是物方远心镜头的工作原理,即入瞳中心在像方焦点上。物体成像大小与物到镜头的距离无关。同理,还有像方远心光路系统和双远心光路系统。像方远心光路系统,对称来看,就是入瞳在物方焦平面上,成像特点是,相机靶面/刻度尺平面前后移动一定的位置,不影响成像大小,示意图如下所示。其成像原理可以通过画图理解。

双远心光路结合了物方远心光路和像方远心光路的两个特定,由两个透镜组组合而成。

参考资料:http://www.360doc.com/content/16/0303/00/31178974_538963150.shtml                                                                      《几何光学 像差 光学设计》浙江大学出版社




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