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远心镜头的分类是基于什么原理?
2021-03-15
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经常使用镜头的朋友,相信对远心镜头(Telecentric Lens)不会陌生。按远心光路的原理来说,我们通常将远心镜头分为三类:物方远心镜头、像方远心镜头以及双侧远心镜头,以便根据实际应用的不同要求,来选择对应的远心镜头。


孔径光阑与主光线


孔径光阑:在光学系统中,用一些中心开口的薄金属片来合理的限制成像光束的宽度和位置,我们把这些中心开口的薄金属片称为孔径光阑。


主光线:物点发出的通过孔径光阑中心的光线。

图1


首先来看图1中各处代表的含义:L为透镜,A,B,C分别为孔径光阑的不同位置,红、黄、蓝代表为成像的光束,其中粗线代表主光线。

从图1中可以看出,当孔径光阑放置在位置A时,由物点Q发出的各个方向的光,只有蓝色光束参与成像; 当孔径光阑放置在位置B时,只有黄色光束参与成像; 当孔径光阑在位置C时,只有红色光束参与成像。虽然物点Q经透镜成像后,像点在Q’处,但因为孔径光阑的位置不同,导致了参与成像的光束是不一样的。

过对比普通光路来看远心光路:假设测量物体长度,普通光路情况下,镜头本身充当孔径光阑的情况(图2(a)),当物体位于AB时,其像在成像平面上是A’B’,当物体移至A1B1时,其像是A1’ B1’,由于其主光线通过透镜中心,所以在成像平面上的投影点A1’’ B1’’< A’B’,这就是所谓的近大远小现象,造成了测量的不准确。

远心光路


为了解决这个问题,我们把孔径光阑放置在透镜像方的焦平面上,如图2(b),此时由于孔径光阑选择成像光束的作用,只有物体发出的主光线平行于光轴的很细的一束光参与成像,所以,无论物体位于位置AB还是A1B1,他们的主光线是重合的,其在成像平面上的投影中心点是相同的,因此,虽然物体位于A1B1时,其像仍然是A1’ B1’,但在成像平面上的弥散斑的中心间距A1’’ B1’’=A’B’,这样就解决了上述因近大远小,导致测量不准的问题。这个光路的特点是入瞳位于无穷远,物方参与成像光束的主光线平行于光轴,故称此光路为“物方远心光路”,而用“物方远心光路”设计的镜头称“物方远心镜头”。


图2(a)


图2(b)

明白了物方远心光路的原理后,相信大家也能判断为什么选择物方远心镜头了。其主要就是为了消除由于物体位置的变化而带来的像大小的变化,比如:
(1) 实际工业应用中由于环境导致调焦不准;
(2) 需要测量有厚度的物体;
(3) 要检测的物体不在同一平面内。
 
物方远心的缺点是放大倍率与成像平面的位置有关。要解决这个问题,就设计了“像方远心”。把孔径光阑放在物方的焦平面上,只允许像方主光线平行于光轴的光束成像,此时的光路称为“像方远心光路”,镜头则是“像方远心镜头”。“像方远心光路”就解决了由于相机位置的不确定带来的放大倍率不同的问题。

而物方远心和像方远心结合在一起的,就是“双侧远心”。