机器视觉——远心镜头(1)

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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