📢 前言（Introduction）
光学镜头有很多的品类，包含FA镜头、微距镜头和远心镜头等，当机器视觉项目需要用到精密测量的场景时，经常需要从物体标准正面观测，此外，许多机械零件并无法精确放置，测量时间距也在不断变化，而视觉工程师却需要能够精确反映实物的图像来对其进行测量。这就需要用远心镜头来完成 — 高远心度、无透视误差。一般意义上的机器视觉远心镜头指的是物方远心镜头，偶尔也有使用双远心镜头（当然价格更高）。而像方远心镜头大多不会起作用的，一般不做项目考虑。
远心镜头设计目的就是消除由于被测物体（或CCD芯片）离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样。相比一般镜头而言，它在放大倍率、畸变、视差、解析度等方面都具有绝对优势。
- 远心度
远心度是远心镜头一个重要的技术指标，它主要描述主光线偏离于光轴的角度，角度越小远心度越好，成像就越精确。一个理想的远心镜头没有梯形畸变，远心度是0°，但实际上肯定还是会有一些畸变的，即使是双远心镜头也保证不了不存在畸变，只是说它的畸变控制的比较小，基本不需要对成像进行畸变校正，
远心镜头有两种类型的远心度：物方远心度和像方远心度（区别在于孔径光阑在光学系统上的焦点位置不同）。因此，根据远心度的不同，远心镜头又分为：物方远心镜头，像方远心镜头、双远心镜头。
✨ 物方远心镜头（Object-Space Telecentric）
物方远心镜头将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，下面来了解一下两个参数以及物方远心镜头成像示意图：
- 主光线：物点发出的通过孔径光阑中心的光线（图中的线）。
- 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（相机里面的光圈）。
这个孔径光阑的作用就是只让物体发出平行于光轴的很细的一束主光线参与成像。所以，无论物体位于位置AB还是A1B1，他们的主光线都是重合的，这就保证了像高（成像大小）并不会发生改变（A1’’ B1’’=A’B’）。换句话说，物距（工作距离）的改变并会不影响成像的大小，也就不会影响测量精度。之所以叫物方远心，是因为接收平行光成像，相当于物体在无穷远处，所以不会出现普通FA镜头：物体距离近，成像大；物体距离远，成像小的问题了。
此外，孔径光阑还有一个作用是限制入射光束的粗细，从而影响成像的照度、清晰程度和景深。具体关系是：光阑的孔径越小，成像越清晰，景深越大，但像的明亮程度越弱（进光量少），反之。
- 工程师Tips：
由于远心镜头是平行光进出，所以需要多的大拍摄面积，就需要多大面积的平行光进入，因此就需要多大面积的镜筒。所以远心镜头通常比较大，而且视场越大，体积越大。
在实际应用中，由于孔径光阑的开口不可能做到无限小，那样会影响进入镜头参与成像光束的亮度，所以还是会存在一定程度的近大远小的透视误差，随着工作距离的变化大概有几毫米的视野变化，但对像素精度没什么影响的，所以工作距离改变不需要重新进行标定像素尺寸。这种透视误差通常使用远心度来衡量，远心镜头的远心度一般小于0.1°，理论上当远心度为0，我们认为成像不会出现畸变和透视误差(目前不可能)。物距也不是任意的，但是它比普通的镜头的景深要大得多。
⭐️ 像方远心镜头（Image-Space Telecentric）
我们知道光路是可逆的，那么将物方远心镜头的光路反过来就成了像方远心镜头的光路。像方远心镜头将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，下面是像方远心镜头的光路示意图：
这种镜头的特点是放大倍数与像距无关，即相机和镜头间的距离或大或或小（加接圈），成像大小都不会改变，因为定义像高的主光线与光轴完全平行。由于CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样会产生测量误差。所以它的放大倍数与像距无关的特点可以消除CCD位置不准带来的测量误差，这意味着传感器位置允差对相机不像对像方远心镜头那么重要。
此外，因为光线垂直于整个区域内的传感器。这是有利的，因为假设镜头设计内没尚未构建选择性光晕，它能使图像的相对照明分布更加均匀。像方远心度并非远心镜头所独有，因为也可以在传统镜头（如固定焦距镜头）中指定像方远心度。不过，市场上大部分固定焦距镜头都未设计为像方远心，因为它们通常需要额外的元件（因此需要更多成本）来实现远心度，并且根据所使用的传感器尺寸，可能需要相当大的直径。如果非远心镜头是像方远心，通常会有标注。
💫 双侧远心镜头（Bi-Telecentric）
尽管物方远心度能提供大大高于传统镜头的测量准确性，但如果镜头是物方和像方远心（双远心），还能获得更高的准确性。像方和物方远心度的相同原理同样适用，结合物方远心和像方圆心的光路就成为了双侧远心镜头的光路，下面是其光路示意图：
双远心镜头拥有上面两种远心镜头的优点，即①有着固定的成像倍率、②像方有着均匀的照度。在工业机器视觉应用中，一般只使用物方远心镜头，要求更高的话就需要使用双远心镜头（当然价格更高）。
- 应用场景
- 当被检测物体厚度较大,需要检测不止一个平面时,典型应用如食品盒,饮料瓶等；
- 当被测物体的摆放位置不确定,可能跟镜头成一定角度时；
- 当被测物体在被检测过程中上下跳动,如生产线上下震动导致工作距离发生变化时；
- 当被测物体带孔径、或是三维立体物体时；
- 当需要低畸变率、图像效果亮度几乎完全一致时；
- 当需要检测的缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时；
- 当需要超过检测精度时,如容许误差为1um；
📋 总结（Summary）
- 1、远心镜头主要解决的问题（相较于FA）：
- 🌺 由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同（物方远心、双远心）；
- 🌻 镜头畸变大；
- 🌹 视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变（物方远心、双远心）；
- 🍀 由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性（像方远心、双远心）；
- 🌷 镜头的解析度不高；
- 2、物方远心、像方远心和双远心镜头的对比
- 💦 物方远心和双远心镜头的优势在于物方有着固定的成像倍率，放大倍率不受物距影响；
- 💤 像方远心和双远心镜头的优势在于像方有着均匀的照度和放大倍率不受像距影响；
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