RP 系列激光分析设计软件 | 远心镜头

各种类型的物镜,如用于光学仪器的望远镜、摄影物镜和激光扫描仪,都具有远心设计。物镜的远心本质上意味着对于远处的观察者来说它具有正投影视角。这意味着主光线水平于光学系统的左侧和右侧,入瞳和出瞳在无穷远处。通过使用适当放置的光学孔径(如光阑)来实现远心。在某些情况下,由于对入射光线已经给出了限制,这甚至是不必要的。

人们区分物侧和像侧或两侧的远心度;下一节将解释这些情况。

实际上,远心条件(例如,通过水平主光线形成的条件)从未完全满足。因此,远心镜头可能有一个关于远心角的附加规范,它表征与完美远心的偏差。

 


物方远心透镜

通过在后焦平面插入光阑(光圈),可以使透镜或物镜在物方空间具有远心,如图1所示为简单的单透镜配置。(同样的原理可以很容易地应用于多镜头物镜——它也有一个后焦平面。)只有部分光线(显示为蓝色)可以穿过光阑并对图像产生影响。

图1:来自聚焦平面上的物体的光线部分通过光阑并在像平面上相遇。

现在考虑一个距离更远的物体(见图2),在不调整焦点的情况下观察。在这里,透射光线不再在原像面上相遇;如果图像传感器停留在原平面上,图像会有些模糊。然而,模糊区域的中心与之前保持一致。这是因为光阑只选择那些在透镜前近似水平的光线。在这些条件下,物体的位置只影响图像的清晰度,而不影响其位置;模糊关于常量中心是对称的。然而,需要注意的是,只有当光阑放置在透镜的焦平面上时,这种方法才有效。

图2:对于距离较小的物体,图像失焦。然而,光斑仍然集中在同一位置。(原始对象的位置仍然被标记,并且我们保持图像传感器的位置不变。)

光圈如何影响图像大小?

尽管光圈不会像图1中那样影响真实焦点的位置,但在散焦的情况下,它会影响模糊区域的大小和中心。以同样的方式解释了摄影镜头的孔径光阑对景深的影响。若以所选像平面(独立于像平面的真实位置)上的尺寸定义放大率,则放大率与物距无关。如果将物体移到离镜头较近或较远的位置,只会损失图像的清晰度,但表观尺寸保持不变。通过减小光圈直径可以减小(即增加了景深)的模糊效应,但这会降低图像的亮度。

需要注意的是,如果改变镜头的调焦,放大率当然会发生变化。因此,人们通常不会使用这种带有自动对焦装置的镜头。

通过将光阑向左成像得到透镜的入瞳和出瞳。由于光阑在焦平面内,因此入瞳在无穷远处。这再次强调了所获得的正字法视角:对于无穷远处的观察者而言,物体纵向位置的变化无关紧要。

相比之下,大多数其他(非远心)透镜或物镜(就像人眼一样)的入瞳更靠近光学入口的中心,因此看到的物体就像是从该平面上的参考点看到的一样(内中心透视)。结果是更远的物体看起来比更近的物体小。此外,一个小的近距离物体可以完全隐藏一个更大但更远的物体。远心系统不是这种情况。

所解释的操作原理有一些限制:

•它要求像平面离光阑有一段距离。因此,设备不能聚焦到无限远,而是要聚焦到更近的平面。因此,人们不能通过使用超焦距获得大的景深;相反,必须限制孔径大小。

•视场——这里定义的不是角度范围,而是距离,最多与镜头的入口直径一样大。因此,物方空间远心透镜通常必须相对较大,并且相应地较重和昂贵。对于较大物体的摄影,远心镜头通常不可用——除非是非常大的型号,可以通过在入口处安装菲涅耳镜头来实现。

物方远心镜头的一个重要应用是机器视觉,其中正投影视角(具有低失真和无视差误差)可以大大简化图像处理。也有远心测量望远镜,它允许测量真实物体的大小,而对它们的距离没有显著的敏感性。

一些远心镜头中含有同轴照明的附加装置。从本质上讲,这意味着准直光通过光学元件被传送到成像物体上。在其他情况下,当检查透明物体(例如,用于检验光学玻璃)时,使用来自相反方向(即朝向成像系统)的准直光。注意,此时相机并没有对光源成像;取而代之的是光源对像面的均匀照明。

使用这种定向照明,有时也被称为远心照明,当涉及到精确捕获边缘和表面结构时,最精确的远心成像是可能的。此时曝光时间可以相对较短,因为大部分的入射光线都在相机可以使用的方向上。

注意到远心照明并不一定需要远心镜头;通过使用相对较小的光源(例如一个小型的发光二极管)和准直透镜,可以简单地获得准直光束。

显微物镜有时也被制成物空间远心物镜。这就避免了厚试样中离焦面的明显尺寸变化。还有具有远心光学的光学轮廓仪。

 


像空间远心透镜

通过在前焦平面上放置合适的光阑,也可以在图像空间中实现远心。这一点在图2中显示,再加上一个包含单个透镜的简化设置。由于引入了光阑,当光阑孔径较小时,光线在透镜后基本上是水平的。

 

图3:从某一物方向射出的光线在前焦平面上可以部分通过光阑,而在透镜后它们几乎是平行的。如果像平面向左或向右偏移,则像平面的垂直位置不会改变;人们只会得到一幅稍微散焦的图像。

到达像素的垂直位置与图像传感器的选定纵向位置无关;如果只是传感器失焦,像素会有点模糊。当然,可以通过简单地减小光圈直径来增加景深,但这会导致图像亮度的损失。

图2假设来自远处物体的平行入射光线,但同样的配置也适用于较近的物体,只是焦点位置略微向右移动。

对于应用来说,图像大小与传感器位置无关可能并不重要,而是光总是以近似正入射的方式到达传感器,不仅在中心,而且在外围区域。这对于具有微透镜阵列的图像传感器尤为重要。因此,像方远心镜头被应用于一些数码相机中。

远心光学的另一个应用是激光扫描仪的扫描透镜。远心扫描透镜可以将激光束发射到目标表面的不同点,但每次的传播方向大致相同。通常不需要使用光圈;入射光挡是由扫描装置有效地产生的,例如多边形镜轮或声光偏转器。这种扫描应用包括激光材料加工,包括微光刻等特殊领域。

 


双远心系统

你也可以制作双远心系统(或双远心系统),这意味着物方和像方的远心。然而,这只有在无焦光学系统中才有可能实现。图3显示了一个例子。主光线(穿过孔径光阑的中心)水平于第一透镜的左侧和第二透镜的右侧。请注意,只有当镜头之间的距离是它们的焦距之和时,这才能起作用。

图4:具有光阑的双远心无焦系统,位于第一个透镜的后焦平面和第二个透镜的前焦平面。

例如,在需要图像传感器上的正交透视和接近垂直入射光的情况下,可以使用双远心成像系统。

 


远心变焦镜头

大多数远心镜头都有固定的焦距和放大率。然而,也有远心变焦镜头,其中焦距以及视场和放大率可在一定范围内调节。为了保持远心,变焦装置不仅必须调整焦距,还须将光阑保持在焦平面内。在某些情况下,远心条件无法在整个变焦范围内保持。

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