在工業(yè)自動(dòng)化和精密測(cè)量的發(fā)展歷程中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)逐漸成為不可或缺的質(zhì)量控制手段。而作為這一系統(tǒng)的眼睛，工業(yè)鏡頭的選擇直接影響著整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的性能。

隨著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在精密檢測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，普通工業(yè)鏡頭難以滿足檢測(cè)要求，為彌補(bǔ)普通鏡頭應(yīng)用之不足，適應(yīng)精密檢測(cè)需求，遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)運(yùn)而生。

這種高端光學(xué)元件憑借其獨(dú)特的光學(xué)特性，正在改變工業(yè)精密檢測(cè)的面貌。

一、 機(jī)器視覺(jué)的瓶頸，遠(yuǎn)心鏡頭的崛起

在工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)中，我們常常會(huì)遇到這樣的困擾，當(dāng)被測(cè)物體不在同一平面或存在厚度時(shí)，普通鏡頭產(chǎn)生的圖像會(huì)因視角變化而導(dǎo)致邊緣失真，測(cè)量結(jié)果自然不可靠。

這種視覺(jué)偏差在精密測(cè)量領(lǐng)域是完全無(wú)法接受的。

遠(yuǎn)心鏡頭的出現(xiàn)正是為了解決這一痛點(diǎn)。它主要通過(guò)特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)，在一定物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會(huì)隨物距的變化而變化。

這對(duì)于被測(cè)物不在同一物面上的情況至關(guān)重要。

遠(yuǎn)心鏡頭憑借其高分辨率、超寬景深、超低畸變以及獨(dú)有的平行光設(shè)計(jì)等光學(xué)特性，為機(jī)器視覺(jué)精密檢測(cè)帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，迅速成為高精度測(cè)量應(yīng)用的首選方案。

二、 光學(xué)設(shè)計(jì)革新，遠(yuǎn)心鏡頭的工作原理

遠(yuǎn)心鏡頭與普通鏡頭的根本區(qū)別在于其獨(dú)特的光路設(shè)計(jì)。普通工業(yè)鏡頭目標(biāo)物體越靠近鏡頭，所成的像就越大，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

而遠(yuǎn)心鏡頭通過(guò)精確控制光路，有效解決了這一問(wèn)題，根據(jù)光路設(shè)計(jì)的不同，遠(yuǎn)心鏡頭主要分為三類。

物方遠(yuǎn)心鏡頭

物方遠(yuǎn)心鏡頭將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，使物方主光線平行于光軸。

這樣即使物距發(fā)生改變，像高并不會(huì)發(fā)生改變，測(cè)得的物體尺寸也不會(huì)變化。

像方遠(yuǎn)心鏡頭

像方遠(yuǎn)心鏡頭則是在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行于光軸。這種設(shè)計(jì)使得即使CCD芯片的安裝位置有改變，在CCD芯片上投影成像大小也保持不變。

雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭

雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭綜合了物方和像方遠(yuǎn)心的雙重優(yōu)勢(shì)。它在物方和像方均采用遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，使得無(wú)論是物體距離的變化還是相機(jī)芯片位置的不確定性，都不會(huì)影響成像尺寸的準(zhǔn)確性，特別適用于高精度測(cè)量場(chǎng)景。

這種平行光路設(shè)計(jì)的核心價(jià)值在于消除了透視誤差，使得遠(yuǎn)心鏡頭在測(cè)量應(yīng)用中表現(xiàn)出色。無(wú)論物體在景深范圍內(nèi)如何移動(dòng)，其成像大小都保持一致，這為精確測(cè)量提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、 精密測(cè)量保障，遠(yuǎn)心鏡頭的核心優(yōu)勢(shì)

遠(yuǎn)心鏡頭在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在其一系列優(yōu)異的光學(xué)性能上。

近乎零失真度是遠(yuǎn)心鏡頭的顯著特點(diǎn)之一。普通機(jī)器鏡頭通常有高于1~2%的畸變，可能嚴(yán)重影響測(cè)量時(shí)的精確水平。

而遠(yuǎn)心鏡頭通過(guò)嚴(yán)格的加工制造和質(zhì)量檢驗(yàn)，將畸變誤差嚴(yán)格控制在0.1%以下，甚至高性能的可以達(dá)到無(wú)畸變，為精密測(cè)量提供了可靠保障。

無(wú)透視誤差是另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。在計(jì)量學(xué)應(yīng)用中進(jìn)行精密線性測(cè)量時(shí)，經(jīng)常需要從物體標(biāo)準(zhǔn)正面觀測(cè)。

遠(yuǎn)心鏡頭的入射光瞳位于無(wú)窮遠(yuǎn)處，成像時(shí)只會(huì)接收平行光軸的主射線，從而完全避免了普通鏡頭存在的近大遠(yuǎn)小問(wèn)題。

放大倍數(shù)恒定的特性使遠(yuǎn)心鏡頭在檢測(cè)有厚度或不在同一平面的物體時(shí)表現(xiàn)卓越。在一定物距范圍內(nèi)移動(dòng)物體時(shí)，成像不變，即放大倍率不變。

這一特性使得即使物體位置有微小變化，也不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

高分辨率和超寬景深同樣是遠(yuǎn)心鏡頭的價(jià)值所在。雙遠(yuǎn)心鏡頭不僅能利用光圈與放大倍率增強(qiáng)自然景深，更有非遠(yuǎn)心鏡頭無(wú)可比擬的光學(xué)效果。

這意味著它可以同時(shí)對(duì)不同平面的特征保持清晰成像，大大提高了檢測(cè)效率。

四、種類與應(yīng)用場(chǎng)景，遠(yuǎn)心鏡頭的實(shí)際價(jià)值

上文已經(jīng)提到遠(yuǎn)心鏡頭根據(jù)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要分為物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭三大類。而在工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)中，一般只使用物方遠(yuǎn)心鏡頭，偶爾也有使用兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭的，而像方遠(yuǎn)心鏡頭在這個(gè)領(lǐng)域基本是不用的。

物方遠(yuǎn)心鏡頭主要用于工業(yè)精密測(cè)量，其畸變極小。它能夠消除因物距變化導(dǎo)致的測(cè)量誤差，適用于物體位置不確定或存在輕微波動(dòng)的檢測(cè)環(huán)境。

雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭作為高端選擇，綜合了物方和像方遠(yuǎn)心的雙重優(yōu)點(diǎn)。它具有零畸變、無(wú)透視誤差的特點(diǎn)，特別適用于高精度檢測(cè)和測(cè)量的行業(yè)應(yīng)用。雖然成本更高，但在要求極高的測(cè)量場(chǎng)景中無(wú)可替代。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)遇到以下情況時(shí)，最好選用遠(yuǎn)心鏡頭，當(dāng)需要檢測(cè)有厚度的物體時(shí)，厚度大于1/10 FOV直徑，需要檢測(cè)不在同一平面的物體時(shí)，當(dāng)不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時(shí)。

還有當(dāng)需要檢測(cè)帶孔徑、三維的物體時(shí)，當(dāng)需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時(shí)，以及當(dāng)缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測(cè)到時(shí)。

五、 工業(yè)實(shí)踐，遠(yuǎn)心鏡頭的典型應(yīng)用案例

遠(yuǎn)心鏡頭在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，尤其是在需要高精度測(cè)量的場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

在半導(dǎo)體芯片檢測(cè)領(lǐng)域，雙遠(yuǎn)心鏡頭憑借其高精度、高穩(wěn)定性的成像系統(tǒng)，確保了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。芯片檢測(cè)一般所需要的視野較小，且精度要求較高，普通FA鏡頭無(wú)法達(dá)到較高的精度。

這就需要鏡頭具備大景深，可以同時(shí)看到不同高度的清晰圖像，提高測(cè)量效率。

透明材料檢測(cè)是另一個(gè)典型應(yīng)用。透明玻璃瓶材質(zhì)易受外界環(huán)境光線干擾，容易出現(xiàn)遮擋或泛白的情況。

雙遠(yuǎn)心鏡頭具有特殊光學(xué)設(shè)計(jì)，可以有效解決光線干擾現(xiàn)象，清晰準(zhǔn)確地識(shí)別細(xì)小瑕疵，如劃痕、白點(diǎn)等。

在電子連接器檢測(cè)中，當(dāng)從上面觀察時(shí)，普通微距鏡頭的中心部分無(wú)歪斜，但兩端位置發(fā)生歪斜，導(dǎo)致部分無(wú)法觀察。而使用遠(yuǎn)心鏡頭時(shí)，中心部分及四周均無(wú)歪斜，可測(cè)量正確尺寸。

汽車零部件檢測(cè)同樣受益于雙遠(yuǎn)心鏡頭技術(shù)。在汽車零部件的制造中，會(huì)涉及很多精確的光學(xué)檢測(cè)和測(cè)量應(yīng)用。

雙遠(yuǎn)心鏡頭可以在不同工作距離上，同時(shí)獲得清晰的視覺(jué)圖像，從而在不同距離上實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)測(cè)量，提高裝配和質(zhì)檢的效率與準(zhǔn)確性。

六、總結(jié)

回顧遠(yuǎn)心鏡頭的發(fā)展歷程，從最初為糾正傳統(tǒng)鏡頭視差而設(shè)計(jì)，到如今成為精密光學(xué)測(cè)量的關(guān)鍵組件，其技術(shù)演進(jìn)始終圍繞著工業(yè)界對(duì)精度不斷提升的需求。

正如摩爾定律推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前進(jìn)一樣，測(cè)量精度的要求也在持續(xù)提高，而遠(yuǎn)心鏡頭正是這一進(jìn)程中的重要推動(dòng)力。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，智能制造對(duì)質(zhì)量控制提出了更高要求，遠(yuǎn)心鏡頭的應(yīng)用范圍必將進(jìn)一步擴(kuò)展。

從微小的半導(dǎo)體芯片到精密的汽車零部件，從透明的玻璃容器到復(fù)雜的電子連接器，遠(yuǎn)心鏡頭正在各行各業(yè)中扮演著不可或缺的角色。