远心透镜教程

韵翔光电

2021.12.06

作者韵翔光电

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远心透镜教程

远心透镜

不论物距大小或者物体在视场中的位置，远心透镜都具有恒定放大率。这个特点非常适用于许多机器视觉测量应用，因为物体尺寸的测量和它所在的位置无关。

远心透镜类型

为了完成远心透镜的设计，所有的主光线(从轴外点发出且通过孔径光阑中心的光线)都必须在像空间或(和)物空间中与光轴平行。对于物空间远心透镜，主光线在透镜物方所在边(物空间)将平行于光轴。要做到这一点，必须使孔径光阑位于透镜前焦平面，于是入射光瞳处于无穷远。由于主光线指向入射光瞳中心，透镜物方所在边的主光线将与光轴平行。图1为物空间远心透镜的一个实例。

图 1：光通过理想物空间远心透镜系统。注意，主光线(每种颜色组的中心线)在物空间平行于光轴，但是在像空间主光线与光轴有一夹角。

对于像空间远心透镜，主光线在透镜像方所在的一边(像空间)将与光轴平行。要做到这一点，必须使孔径光阑位于透镜后焦平面，于是出射光瞳处于无穷远。由于主光线必须通过出射光瞳的中心，主光线在透镜像方所在的一边必须与光轴平行。对于双远心透镜，前后焦平面互相重叠，使得孔径光阑位于入射光瞳和出射光瞳都在无穷远的地方。对于双远心透镜，物体和图像所在位置都不会影响放大率。Thorlabs的远心透镜都是双远心透镜。图2为光通过远心透镜的实例说明，它描述了主光线通过系统的方式。

图 2：光通过理想双远心透镜系统。注意，主光线(每种颜色组的中心线)在物空间和像空间都与光轴平行，这意味着不管物距大小放大率都将保持恒定。

传统透镜

对于传统透镜，入射光瞳和出射光瞳都不在无穷远，所以主光线都不与光轴平行。这样，放大率将取决于物体与透镜的距离以及物体在视场中的位置。图3为光通过传统透镜的实例说明；可以看到主光线在物空间和像空间都与光轴成一夹角。注意，图2和图3使用了相同的透镜设计；唯一的区别在于，孔径光阑的位置改变使透镜从远心系统变成非远心系统。

图3：光通过理想的传统相机透镜系统。注意，主光线(每种颜色组的中心线)在物空间和像空间都不与光轴平行，这意味着放大率都将随物距变化而变化。

成像实例

图4和图5分别为远心透镜和标准相机透镜拍摄的照片。对于远心成像系统(图4)，即使各自的物平面沿着光轴分开约45 mm，两个螺丝的高度看起来相同。对于传统成像系统(图5)，两个螺丝高度看起来不同，因此基于传统成像透镜的机器视觉系统将导致尺寸测量误差。

图 4：使用上一代MVTC23013 0.128X远心透镜的两个相同8-32带帽螺丝的成像图片。虽然螺丝看起来尺寸相同且位于同一物平面，但实际上它们沿光轴分开约45 mm。

图 5：使用MVL7000传统变焦透镜成像的两个相同螺丝的图片。此图中，由于两螺丝分开而产生的视觉误差将导致高度测量错误。

双远心透镜，用于机器视觉

特性

双远心透镜能够在整个景深范围内提供不变的放大率

可选放大率：0.051X

兼容带最大2/3英寸探头的C-Mount相机

每个透镜都带各自的计量和性能数据一起发货

Thorlab和Navitar合作设计用于机器视觉的远心透镜产品线。有了双远心透镜，物空间和像空间的放大率就都不取决于在视场中的距离(景深范围内)或者位置。这个特点非常适合机器视觉应用：在测量面积时，一个远心透镜能不用考虑物距或位置的变化，得到相同的测量结果。

Thorlabs提供具有0.051X放大率的远心透镜。每一个透镜都有一个可变光阑改变f/#值。此类透镜设计用于2/3英寸探头，比如CCD科研级相机上的探头。其它CCD相机中小于2/3英寸的探头也能使用此类透镜，但是视场有所减小。透镜外壳的外边带有C-Mount(1.000"-32)螺纹，也兼容我们的相机。使用SM1A10螺纹转接件，C-Mount能结合SM1(1.035"-40)内螺纹，用于兼容我们的透镜套筒或其他SM1螺纹安装座。

每一个透镜都有详细的测试报告，给出准确规格和透镜图表；下表中可获取PDF报告示例。图表展示的典型性能有场曲率、畸变、相对照度和调制转移函数(MTF)。

请注意，由于MVTC23005的大小和重量，用户必须小心地适当安装并支撑这些透镜。

MVTC23005装在结实耐用的箱子中。

工作距离定义为景深中心到透镜外壳的第一个机械表面。

设定在20 lp/mm，50% MTF, 最大通光孔径。

视场规定为沿探头对角线方向。

设定在70 lp/mm，穿过视场。

不包括C-Mount螺纹。

产品型号

公英制通用

MVTC23005

双远心透镜，带C-Mount螺纹，0.051X，用于最大规格2/3英寸探头