4.4_远心光路

1.1.5远心物镜

在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；另一方面，即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。为了解决上述问题，可以采用远心物镜。其中像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

1）物方远心物镜

物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，图1.1－23示出，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化；图1.1－24清楚地显示出物方远心光路的原理，其中孔径光阑位于像方焦面上，物方主光线平行于光轴。如果物体B1B2正确地位于与CCD表面M共轭的位置A1上，那么它在CCD表面上的像为M1M2。如果由于物距改变，物体B1B2不在位置A1而在位置A2，那么它的像B´1B´2偏离CCD表面，B´1和B´2点在CCD表面上投影为一个弥散斑，其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。这就是说，上述物距改变并不影响测量精度。

图1－23

2）像方远心光路

像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。如图1.1－25所示。如果物体B1B2的像B´1B´2不与CCD表面M重合，则在CCD表面M上得到的是B´1B´2的投影像，其散斑中心距离M1M2＝B´1B´2。因此，不管CCD表面M是否和B´1B´2相重合，它和标尺所对应的长度总是B1B2，所以没有测量误差。

图1－24

图1.1－25 像方远心光路

1.1.6远距物镜

远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。 远距型结构采取正负光焦度分离的型式，正光焦度的透镜组在前，负光焦度的透镜组在后，如图1.1－26所示。整个系统的主面移出物镜之外，使得物镜的筒长—物镜前表面到焦面的距离小于焦距，从而缩小了物镜的结构尺寸。在这里，筒长与焦距之比L/f´称为远距比。远距比是远距物镜的重要指标，通常远距比小于1，并且越小越好。

应用光学试题

一、问答题

1、在几何光学框架内，光的传播规律可归纳为四个基本定律，请分别简述其内容。

（1）光的直线传播定律：在各向同性介质中，光沿直线传播。

（2）光的独立传播定律：从不同的光源发出的光束以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。

（3）反射定律：入射光线、反射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角和反射角二者绝对值相等且符号相反，即入射光和反射光在法线两侧。

（4）折射定律：入射光线、折射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比与入射角的大小无关，而与两种介质的性质有关。对一定波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一常数，等于折射光线所在介质的折射率ｎ＇和入射光线所在介质的折射率ｎ之比。

2、何为马吕斯定律？光学系统成完善像的条件是什么？

（1）马吕斯定律：光线在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性；并且入射波面和出射波面对应点之间的光程均为定值。

（2）光学系统成完善像的条件：

光束一致（入射、出射光束均为同心光束）；波面一致（入射、出射波面均为球面波）；物、像点间任意光路的光程相等。

3、何为阿贝不变量和拉赫不变量？它们的物理意义是什么？

（1）阿贝不变量：1111''Qnnrlrl ；其物理意义是，近轴区，一折射面的物空间和像空间的一对共轭点的位置是确定的。

（2）拉赫不变量：'''nyunyuJ ，'''nytgunytguJ ；进入光学系统的总能量是保持不变的（前者针对近轴区而言，后者是对前者的推广，是系统对任意大小物体用任意光束成像的普式）。

4、光学系统对轴上点成像时会存在哪些像差？它们有什么特点？

会存在球差和位置色差。

（1）球差：轴上点发出的同心光束经过光学系统后，不在是同心光束，不同入射高度（h）的光线将于光轴于不同的位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称轴向球差。轴上点的球差，具有关于光轴对称性，其只与系统的孔径有关。

远心镜头知识大全

内容摘要：远心镜头知识大全详细介绍了远心镜头概念、设计原理、技术参数、选择方法和应用优势，方便读者对远心技术及镜头应用有个全面了解。

一、概念概述

1.远心镜头发展历程

工业镜头是机器视觉系统中十分重要的成像元件，系统若想完全发挥其功能，工业镜头必须要能够满足要求才行。21世纪初，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。

远心镜头依据其独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等，给机器视觉精密检测带来质的飞跃。目前世界知名的镜头厂商有美国Navitar、德国施乃德、意大利Opto Engineering、日本Kowa、中国艾菲特（Aftvision）等都已经有了自己品牌的远心镜头产品线。

2.什么是远心镜头

远心镜头（Telecentric），主要是为纠正传统工业镜头视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。

二、原理优势

1.远心镜头设计原理

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。根据远心镜头分类设计原理分别为：

1）物方远心光路设计原理及作用：

物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无限远，称之为：物方远心光路。其作用为：可以消除物方由于调焦不准确带来的，读数误差。

2）像方远心光路设计原理及作用：

像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，称之为：像方远心光路。其作用为：可以消除像方调焦不准引入的测量误差。

3）两侧远心光路设计原理及作用：

综合了物方/像方远心的双重作用。主要用于视觉测量检测领域。

[ 考试要求 ]

要求考生了解三种典型的目视光学仪器中的光束限制、系统的景深和远心

光路。

[ 考试内容 ]

与光阑相关的定义，光阑的种类和作用，照相系统、显微系统、望远系统

中的光束限制和特点，远心光路的定义、光路和应用，景深的定义等。

［作业］

P73： 1、 3、 4

第四章 光学系统中的光束限制§4－1 光阑在光学系统中的作用

一、光阑

1、定义：光学系统中设置的带有内孔的金属薄片，是专用光阑。

光阑一般垂直于光轴放置，且其中心与光轴中心相重合。

2、形状：光阑多为圆形、正方形、长方形，有些光阑的尺寸大小是可以调节的

（即可变光阑）。

例如：人眼瞳孔就是光阑，瞳孔的大小随着外界明亮程度的不同是可以变化的，白天最小 D＝2mm,晚上最大，可达 D=8mm。

3、光阑作用 ：是用内孔限制成像光束大小的，提高成像质量。

孔径光阑

图 4— 1 孔径光阑对轴上点光束的限制

二、光阑种类

主要分为：孔径光阑和视场光阑。

1、孔径光阑（有效光阑）：指限制进入系统的成像光束口径的光阑。

1）对轴上点：孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。

结论 1：轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响，孔径角 U 由光阑决定，

光阑的位置不同，其口径应不同。

2）对轴外点：

M

A M' A'

N

L N' L

(a) (b)

图 4— 2 孔径光阑对轴外点光束的限制

结论 2：对轴外点 B 发出的宽光束而言，在保证轴上点 U 不变的情况下，光阑

处于不同位置时， 将选择不同部分的光参与成像， 这样通过改变光阑的位置， 就

可以选择成像质量较好的部分光束参与成像，提高（改善）成像质量。

小孔

A A'

图 4—3 孔径光阑和物体位置的关系

结论 3：在保证成像质量的前提下，合理选取光阑的位置，可使整个系统的横向