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【光學(xué)知識】雙遠(yuǎn)心鏡頭與遠(yuǎn)心鏡頭的區(qū)別

  • 來源:光虎

 在機器視覺領(lǐng)域,遠(yuǎn)心鏡頭發(fā)揮著重要的作用,而雙遠(yuǎn)心鏡頭更是其中的一種特殊類型。遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)計初衷是為了克服傳統(tǒng)鏡頭在測量和成像過程中因透視誤差和景深變化導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確和圖像變形等問題。隨著機器視覺技術(shù)不斷發(fā)展,對成像精度和質(zhì)量要求日益提高,遠(yuǎn)心鏡頭家族中的雙遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)運而生。二者雖然都屬于遠(yuǎn)心鏡頭范疇,但在諸多方面存在明顯區(qū)別。

遠(yuǎn)心鏡頭通常采用單遠(yuǎn)心設(shè)計,其光學(xué)結(jié)構(gòu)主要由一組前組鏡片和一組后組鏡片組成。前組鏡片負(fù)責(zé)將物體成像在一個特定的像平面上,后組鏡片則對這個像進行進一步的處理和優(yōu)化。其核心原理是通過使主光線平行于光軸,從而消除因物距變化而產(chǎn)生的透視誤差。在這種結(jié)構(gòu)下,當(dāng)物體在一定范圍內(nèi)前后移動時,像的大小基本保持不變,并且成像位置相對固定,這使得遠(yuǎn)心鏡頭在測量物體尺寸等應(yīng)用中具有較高的精度。

雙遠(yuǎn)心鏡頭則在結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜和特殊。它在前后組鏡片之間增加了一組中間鏡片,形成了前遠(yuǎn)心和后遠(yuǎn)心兩個遠(yuǎn)心區(qū)域。前遠(yuǎn)心區(qū)域保證了從物體不同位置發(fā)出的主光線在經(jīng)過前組鏡片后以平行光軸的方向進入中間鏡片組;中間鏡片組對光線進行特殊的處理和調(diào)整后,后遠(yuǎn)心區(qū)域確保光線在經(jīng)過后組鏡片成像時,像方主光線依然平行于光軸。這種獨特的雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)使得雙遠(yuǎn)心鏡頭在整個景深范圍內(nèi)都能保持很低的透視誤差和近乎恒定的放大倍率,大大地提高了成像的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)心鏡頭雖然能夠有效減小因物距變化引起的透視誤差,但在景深范圍的邊緣部分,仍可能存在一定程度的透視變形。例如,當(dāng)測量一個具有一定深度的物體時,遠(yuǎn)離鏡頭中間軸的部分可能會出現(xiàn)輕微的形狀失真,這是由于其單遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)在處理邊緣光線時的局限性所致。

雙遠(yuǎn)心鏡頭由于其前后雙遠(yuǎn)心的設(shè)計,在整個景深范圍內(nèi)都能將透視誤差控制在很低水平,幾乎可以忽略不計。無論是物體的中間區(qū)域還是邊緣部分,成像的形狀和尺寸都能高度準(zhǔn)確地還原,這使得雙遠(yuǎn)心鏡頭在對精度要求很高的測量和檢測應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢,如半導(dǎo)體芯片檢測、機械零件測量等。

遠(yuǎn)心鏡頭的放大倍率在景深范圍內(nèi)相對穩(wěn)定,但并非完全恒定。隨著物距的微小變化,放大倍率可能會有一定的波動,尤其是在景深較大的情況下,這種波動可能會對測量精度產(chǎn)生一定影響。例如,在對一些具有一定高度差的物體進行測量時,不同高度位置的物體成像尺寸可能會有細(xì)微差異。

雙遠(yuǎn)心鏡頭的放大倍率在其設(shè)計的景深范圍內(nèi)具有很高的穩(wěn)定性,幾乎保持恒定不變。這意味著無論物體在景深范圍內(nèi)如何移動,其成像的大小比例都能準(zhǔn)確保持一致,為高精度的尺寸測量和物體識別提供了可靠保障。例如,在自動化生產(chǎn)線中對微小零部件進行在線檢測時,雙遠(yuǎn)心鏡頭能夠確保每次檢測的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和一致性。

遠(yuǎn)心鏡頭的景深通常相對較小,其景深大小取決于鏡頭的光圈、焦距以及設(shè)計參數(shù)等因素。在一些需要較大景深的應(yīng)用場景中,可能需要頻繁調(diào)整鏡頭參數(shù)或者采用特殊的照明和對焦技術(shù)來滿足成像要求,這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

雙遠(yuǎn)心鏡頭一般具有較大的景深,能夠在較大的物距范圍內(nèi)保持清晰成像。這使得它在一些對景深要求較高的場合,如三維物體檢測、大尺寸物體表面缺陷檢測等應(yīng)用中表現(xiàn)突出。較大的景深也有利于簡化機器視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作,降低了對機械運動控制和對焦系統(tǒng)的要求。

遠(yuǎn)心鏡頭常用于測量二維平面物體的尺寸、形狀、位置等參數(shù),如電子線路板上元器件的尺寸檢測、汽車零部件的平面尺寸測量等。在這些應(yīng)用中,遠(yuǎn)心鏡頭能夠提供相對準(zhǔn)確的測量結(jié)果,并且可以適應(yīng)一定程度的物體位置變化。還在一些簡單的外觀缺陷檢測應(yīng)用中,如產(chǎn)品表面劃痕、污漬檢測等,遠(yuǎn)心鏡頭可以清晰地成像物體表面特征,配合圖像處理算法實現(xiàn)缺陷的快速識別和分類。

雙遠(yuǎn)心鏡頭在半導(dǎo)體制造、光學(xué)加工、醫(yī)療器械制造等對精度要求很高的行業(yè)中廣泛應(yīng)用。例如,半導(dǎo)體芯片的微觀結(jié)構(gòu)檢測、高精度光學(xué)鏡片的表面質(zhì)量檢測等,雙遠(yuǎn)心鏡頭能夠提供很高的成像精度,確保微小缺陷和尺寸偏差都能被準(zhǔn)確檢測到。

雙遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心鏡頭在結(jié)構(gòu)原理、成像特性、應(yīng)用場景和性能優(yōu)缺點等方面都存在明顯的區(qū)別。遠(yuǎn)心鏡頭以其相對簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本,在一般工業(yè)視覺應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用;而雙遠(yuǎn)心鏡頭憑借其成像精度、大景深和高穩(wěn)定性等特點,成為高精度測量、檢測以及三維成像等領(lǐng)域的首要選擇。在實際應(yīng)用中,工程技術(shù)人員需要根據(jù)具體的項目需求,綜合考慮精度要求、成本預(yù)算、物體特征和應(yīng)用環(huán)境等因素,合理選擇雙遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心鏡頭,以構(gòu)建快速、準(zhǔn)確的機器視覺系統(tǒng),推動相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步和生產(chǎn)質(zhì)量提升。

 

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