RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 遠(yuǎn)心鏡頭
各種類型的物鏡，如用于光學(xué)儀器的望遠(yuǎn)鏡、攝影物鏡和激光掃描儀，都具有遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。物鏡的遠(yuǎn)心本質(zhì)上意味著對(duì)于遠(yuǎn)處的觀察者來(lái)說(shuō)它具有正投影視角。這意味著主光線水平于光學(xué)系統(tǒng)的左側(cè)和右側(cè)，入瞳和出瞳在無(wú)窮遠(yuǎn)處。通過(guò)使用適當(dāng)放置的光學(xué)孔徑（如光闌）來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心。在某些情況下，由于對(duì)入射光線已經(jīng)給出了限制，這甚至是不必要的。 vNA~EV02
人們區(qū)分物側(cè)和像側(cè)或兩側(cè)的遠(yuǎn)心度；下一節(jié)將解釋這些情況。 'QP~uK
實(shí)際上，遠(yuǎn)心條件（例如，通過(guò)水平主光線形成的條件）從未完全滿足。因此，遠(yuǎn)心鏡頭可能有一個(gè)關(guān)于遠(yuǎn)心角的附加規(guī)范，它表征與完美遠(yuǎn)心的偏差。 oIJ.Tv@N(
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物方遠(yuǎn)心透鏡 tLD(%s_
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通過(guò)在后焦平面插入光闌（光圈），可以使透鏡或物鏡在物方空間具有遠(yuǎn)心，如圖1所示為簡(jiǎn)單的單透鏡配置。（同樣的原理可以很容易地應(yīng)用于多鏡頭物鏡——它也有一個(gè)后焦平面。）只有部分光線（顯示為藍(lán)色）可以穿過(guò)光闌并對(duì)圖像產(chǎn)生影響。 h{Zd, 9H
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圖1:來(lái)自聚焦平面上的物體的光線部分通過(guò)光闌并在像平面上相遇。 [b?[LK}.
現(xiàn)在考慮一個(gè)距離更遠(yuǎn)的物體(見圖2)，在不調(diào)整焦點(diǎn)的情況下觀察。在這里，透射光線不再在原像面上相遇；如果圖像傳感器停留在原平面上，圖像會(huì)有些模糊。然而，模糊區(qū)域的中心與之前保持一致。這是因?yàn)楣怅@只選擇那些在透鏡前近似水平的光線。在這些條件下，物體的位置只影響圖像的清晰度，而不影響其位置；模糊關(guān)于常量中心是對(duì)稱的。然而，需要注意的是，只有當(dāng)光闌放置在透鏡的焦平面上時(shí)，這種方法才有效。 D-S"?aO-
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圖2：對(duì)于距離較小的物體，圖像失焦。然而，光斑仍然集中在同一位置。（原始對(duì)象的位置仍然被標(biāo)記，并且我們保持圖像傳感器的位置不變。） H!81Pq~
光圈如何影響圖像大��？ n a3st*3V_
盡管光圈不會(huì)像圖1中那樣影響真實(shí)焦點(diǎn)的位置，但在散焦的情況下，它會(huì)影響模糊區(qū)域的大小和中心。以同樣的方式解釋了攝影鏡頭的孔徑光闌對(duì)景深的影響。若以所選像平面(獨(dú)立于像平面的真實(shí)位置)上的尺寸定義放大率，則放大率與物距無(wú)關(guān)。如果將物體移到離鏡頭較近或較遠(yuǎn)的位置，只會(huì)損失圖像的清晰度，但表觀尺寸保持不變。通過(guò)減小光圈直徑可以減小(即增加了景深)的模糊效應(yīng)，但這會(huì)降低圖像的亮度。 2Sha&Z*CE
需要注意的是，如果改變鏡頭的調(diào)焦，放大率當(dāng)然會(huì)發(fā)生變化。因此，人們通常不會(huì)使用這種帶有自動(dòng)對(duì)焦裝置的鏡頭。 S_|VlI
通過(guò)將光闌向左成像得到透鏡的入瞳和出瞳。由于光闌在焦平面內(nèi)，因此入瞳在無(wú)窮遠(yuǎn)處。這再次強(qiáng)調(diào)了所獲得的正字法視角：對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)處的觀察者而言，物體縱向位置的變化無(wú)關(guān)緊要。 )Bb:?!EuEH
相比之下，大多數(shù)其他（非遠(yuǎn)心）透鏡或物鏡（就像人眼一樣）的入瞳更靠近光學(xué)入口的中心，因此看到的物體就像是從該平面上的參考點(diǎn)看到的一樣（內(nèi)中心透視）。結(jié)果是更遠(yuǎn)的物體看起來(lái)比更近的物體小。此外，一個(gè)小的近距離物體可以完全隱藏一個(gè)更大但更遠(yuǎn)的物體。遠(yuǎn)心系統(tǒng)不是這種情況。 DOa%|H'P
所解釋的操作原理有一些限制: )/Mk\``j
•它要求像平面離光闌有一段距離。因此，設(shè)備不能聚焦到無(wú)限遠(yuǎn)，而是要聚焦到更近的平面。因此，人們不能通過(guò)使用超焦距獲得大的景深；相反，必須限制孔徑大小。 'Cp]Q@]\
•視場(chǎng)——這里定義的不是角度范圍，而是距離，最多與鏡頭的入口直徑一樣大。因此，物方空間遠(yuǎn)心透鏡通常必須相對(duì)較大，并且相應(yīng)地較重和昂貴。對(duì)于較大物體的攝影，遠(yuǎn)心鏡頭通常不可用——除非是非常大的型號(hào)，可以通過(guò)在入口處安裝菲涅耳鏡頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。 +FGw)>g8'm
物方遠(yuǎn)心鏡頭的一個(gè)重要應(yīng)用是機(jī)器視覺，其中正投影視角(具有低失真和無(wú)視差誤差)可以大大簡(jiǎn)化圖像處理。也有遠(yuǎn)心測(cè)量望遠(yuǎn)鏡，它允許測(cè)量真實(shí)物體的大小，而對(duì)它們的距離沒有顯著的敏感性。 AB0>|.
一些遠(yuǎn)心鏡頭中含有同軸照明的附加裝置。從本質(zhì)上講，這意味著準(zhǔn)直光通過(guò)光學(xué)元件被傳送到成像物體上。在其他情況下，當(dāng)檢查透明物體(例如,用于檢驗(yàn)光學(xué)玻璃)時(shí)，使用來(lái)自相反方向(即朝向成像系統(tǒng))的準(zhǔn)直光。注意，此時(shí)相機(jī)并沒有對(duì)光源成像；取而代之的是光源對(duì)像面的均勻照明。 \Q~HL_fy|Y
使用這種定向照明，有時(shí)也被稱為遠(yuǎn)心照明，當(dāng)涉及到精確捕獲邊緣和表面結(jié)構(gòu)時(shí)，最精確的遠(yuǎn)心成像是可能的。此時(shí)曝光時(shí)間可以相對(duì)較短，因?yàn)榇蟛糠值娜肷涔饩�都在相機(jī)可以使用的方向上。 1oS U>I_i
注意到遠(yuǎn)心照明并不一定需要遠(yuǎn)心鏡頭；通過(guò)使用相對(duì)較小的光源(例如一個(gè)小型的發(fā)光二極管)和準(zhǔn)直透鏡，可以簡(jiǎn)單地獲得準(zhǔn)直光束。 |{j\7G*5
顯微物鏡有時(shí)也被制成物空間遠(yuǎn)心物鏡。這就避免了厚試樣中離焦面的明顯尺寸變化。還有具有遠(yuǎn)心光學(xué)的光學(xué)輪廓儀。 #$ ?!P1
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像空間遠(yuǎn)心透鏡 ;&~9k?v7L
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通過(guò)在前焦平面上放置合適的光闌，也可以在圖像空間中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心。這一點(diǎn)在圖2中顯示，再加上一個(gè)包含單個(gè)透鏡的簡(jiǎn)化設(shè)置。由于引入了光闌，當(dāng)光闌孔徑較小時(shí)，光線在透鏡后基本上是水平的。 U~l.%mui
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圖3：從某一物方向射出的光線在前焦平面上可以部分通過(guò)光闌，而在透鏡后它們幾乎是平行的。如果像平面向左或向右偏移，則像平面的垂直位置不會(huì)改變；人們只會(huì)得到一幅稍微散焦的圖像。 ebTwU]Nb
到達(dá)像素的垂直位置與圖像傳感器的選定縱向位置無(wú)關(guān)；如果只是傳感器失焦，像素會(huì)有點(diǎn)模糊。當(dāng)然，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地減小光圈直徑來(lái)增加景深，但這會(huì)導(dǎo)致圖像亮度的損失。 d+iV19
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