工业机器视觉中的远心镜头技术解析

在工业自动化和精密测量的发展历程中，机器视觉系统逐渐成为不可或缺的质量控制手段。而作为这一系统的眼睛，工业镜头的选择直接影响着整个视觉系统的性能。

随着机器视觉系统在精密检测领域的广泛应用，普通工业镜头难以满足检测要求，为弥补普通镜头应用之不足，适应精密检测需求，远心镜头应运而生。

这种高端光学元件凭借其独特的光学特性，正在改变工业精密检测的面貌。

一、 机器视觉的瓶颈，远心镜头的崛起

在工业视觉检测中，我们常常会遇到这样的困扰，当被测物体不在同一平面或存在厚度时，普通镜头产生的图像会因视角变化而导致边缘失真，测量结果自然不可靠。

这种视觉偏差在精密测量领域是完全无法接受的。

远心镜头的出现正是为了解决这一痛点。它主要通过特殊的光学设计，在一定物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。

这对于被测物不在同一物面上的情况至关重要。

远心镜头凭借其高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等光学特性，为机器视觉精密检测带来了质的飞跃，迅速成为高精度测量应用的首选方案。

二、 光学设计革新，远心镜头的工作原理

远心镜头与普通镜头的根本区别在于其独特的光路设计。普通工业镜头目标物体越靠近镜头，所成的像就越大，这会导致测量误差。

而远心镜头通过精确控制光路，有效解决了这一问题，根据光路设计的不同，远心镜头主要分为三类。

物方远心镜头

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，使物方主光线平行于光轴。

这样即使物距发生改变，像高并不会发生改变，测得的物体尺寸也不会变化。

像方远心镜头

像方远心镜头则是在物方焦平面上放置孔径光阑，使像方主光线平行于光轴。这种设计使得即使CCD芯片的安装位置有改变，在CCD芯片上投影成像大小也保持不变。

双侧远心镜头

双侧远心镜头综合了物方和像方远心的双重优势。它在物方和像方均采用远心设计，使得无论是物体距离的变化还是相机芯片位置的不确定性，都不会影响成像尺寸的准确性，特别适用于高精度测量场景。

这种平行光路设计的核心价值在于消除了透视误差，使得远心镜头在测量应用中表现出色。无论物体在景深范围内如何移动，其成像大小都保持一致，这为精确测量提供了坚实基础。

三、 精密测量保障，远心镜头的核心优势

远心镜头在工业测量中的应用价值主要体现在其一系列优异的光学性能上。

近乎零失真度是远心镜头的显著特点之一。普通机器镜头通常有高于1~2%的畸变，可能严重影响测量时的精确水平。

而远心镜头通过严格的加工制造和质量检验，将畸变误差严格控制在0.1%以下，甚至高性能的可以达到无畸变，为精密测量提供了可靠保障。

无透视误差是另一个关键优势。在计量学应用中进行精密线性测量时，经常需要从物体标准正面观测。

远心镜头的入射光瞳位于无穷远处，成像时只会接收平行光轴的主射线，从而完全避免了普通镜头存在的近大远小问题。

放大倍数恒定的特性使远心镜头在检测有厚度或不在同一平面的物体时表现卓越。在一定物距范围内移动物体时，成像不变，即放大倍率不变。

这一特性使得即使物体位置有微小变化，也不会影响测量结果。

高分辨率和超宽景深同样是远心镜头的价值所在。双远心镜头不仅能利用光圈与放大倍率增强自然景深，更有非远心镜头无可比拟的光学效果。

这意味着它可以同时对不同平面的特征保持清晰成像，大大提高了检测效率。

四、种类与应用场景，远心镜头的实际价值

上文已经提到远心镜头根据其设计特点，主要分为物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头三大类。而在工业视觉检测中，一般只使用物方远心镜头，偶尔也有使用两侧远心镜头的，而像方远心镜头在这个领域基本是不用的。

物方远心镜头主要用于工业精密测量，其畸变极小。它能够消除因物距变化导致的测量误差，适用于物体位置不确定或存在轻微波动的检测环境。

双侧远心镜头作为高端选择，综合了物方和像方远心的双重优点。它具有零畸变、无透视误差的特点，特别适用于高精度检测和测量的行业应用。虽然成本更高，但在要求极高的测量场景中无可替代。

在实际应用中，当遇到以下情况时，最好选用远心镜头，当需要检测有厚度的物体时，厚度大于1/10 FOV直径，需要检测不在同一平面的物体时，当不清楚物体到镜头的距离究竟是多少时。

还有当需要检测带孔径、三维的物体时，当需要低畸变、图像效果亮度几乎完全一致时，以及当缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。

五、 工业实践，远心镜头的典型应用案例

远心镜头在工业领域的应用十分广泛，尤其是在需要高精度测量的场景中表现出色。

在半导体芯片检测领域，双远心镜头凭借其高精度、高稳定性的成像系统，确保了产品的质量和可靠性。芯片检测一般所需要的视野较小，且精度要求较高，普通FA镜头无法达到较高的精度。

这就需要镜头具备大景深，可以同时看到不同高度的清晰图像，提高测量效率。

透明材料检测是另一个典型应用。透明玻璃瓶材质易受外界环境光线干扰，容易出现遮挡或泛白的情况。

双远心镜头具有特殊光学设计，可以有效解决光线干扰现象，清晰准确地识别细小瑕疵，如划痕、白点等。

在电子连接器检测中，当从上面观察时，普通微距镜头的中心部分无歪斜，但两端位置发生歪斜，导致部分无法观察。而使用远心镜头时，中心部分及四周均无歪斜，可测量正确尺寸。

汽车零部件检测同样受益于双远心镜头技术。在汽车零部件的制造中，会涉及很多精确的光学检测和测量应用。

双远心镜头可以在不同工作距离上，同时获得清晰的视觉图像，从而在不同距离上实现高精度光学测量，提高装配和质检的效率与准确性。

六、总结

回顾远心镜头的发展历程，从最初为纠正传统镜头视差而设计，到如今成为精密光学测量的关键组件，其技术演进始终围绕着工业界对精度不断提升的需求。

正如摩尔定律推动半导体产业前进一样，测量精度的要求也在持续提高，而远心镜头正是这一进程中的重要推动力。

随着工业4.0时代的到来，智能制造对质量控制提出了更高要求，远心镜头的应用范围必将进一步扩展。

从微小的半导体芯片到精密的汽车零部件，从透明的玻璃容器到复杂的电子连接器，远心镜头正在各行各业中扮演着不可或缺的角色。