在精密機器視覺中，即使相機感測器和影像處理軟體能夠解決微小的尺寸差異，鏡頭也可能成為限制因素。當物體靠近或遠離鏡頭時，傳統鏡頭會改變其表觀放大倍率。這種透視效果意味著即使物理尺寸沒有變化，影像中測量的孔直徑、邊緣位置或機械部件的寬度也可能會變化。

當零件沒有放置在完全相同的高度或生產線的物距存在不可避免的變化時，這個問題變得更加嚴重。影像失真可能會引入另一個測量誤差來源，特別是在視場邊緣。

遠心鏡頭透過其光學幾何結構解決了這些限制。透過控制主光線路徑，特別是在物體側，它可以在定義的工作距離範圍內保持更一致的放大倍率。對於尺寸檢測，這使得光學系統對物體位置的微小變化不太敏感，並為可重複測量提供更可靠的基礎。

遠心光學元件如何改善尺寸測量

使用遠心鏡頭的主要原因不僅僅是它能產生更清晰的影像。它的主要優點是控制物件位置如何影響影像。

對於傳統的機器視覺鏡頭，距離鏡頭不同距離的兩個相同組件可能看起來具有不同的尺寸。這是正常的透視投影。對於計數或一般存在檢查等應用，這種改變可能是可以接受的。然而，對於尺寸測量，它會直接影響結果。

物方遠心鏡頭採用物側主光線近似平行於光軸的光學佈置。因此，橫向影像尺寸對指定操作範圍內物體距離的微小變化的依賴性大大降低。這在測量孔徑、外徑、零件寬度、邊緣位置或模製和機械加工零件的尺寸時特別有用。

因此，遠心度應與放大倍率一起考慮。指定的放大倍率（例如 0.5X 或 1X）決定了物體尺寸和影像尺寸之間的關係，而遠心度則決定了當物體位置改變時該關係的保持程度。

畸變是另一個重要參數。即使標稱放大倍率合適，幾何畸變也會導致相同特徵會根據其在視野中的位置而以不同的表觀比例出現。因此，低畸變遠心光學元件對於在大影像區域而不是僅在光學中心進行測量的應用非常有價值。

景深也很重要。具有高度變化的組件可能無法相對於標稱工作平面保持完美定位。較大的可用景深有助於在這種變化中保持可接受的影像質量，儘管增加景深通常需要較小的光圈，並且可能會影響可用的光線和曝光設定。因此，F 值、照明強度、感測器靈敏度和所需的檢查速度必須一起考慮。

物方遠方心、像方遠方和雙遠心設計有不同的用途。物空間遠心度與尺寸檢測特別相關，因為它減少了物側與透視相關的放大倍率變化。像空間遠心度控制朝向感測器的主射線幾何形狀，並且可用於感測器側成像要求。雙遠心鏡頭結合了兩側的遠心行為，當需要極其穩定的成像幾何形狀時通常會考慮使用雙遠心鏡頭。合適的架構取決於檢測系統的測量容差、感測器配置、光路和機械佈置。

遠心鏡頭在機器視覺和精密檢測的應用

實際問題不僅僅是遠心鏡頭可以做什麼，而是機器視覺系統何時真正需要遠心鏡頭。

當測量公差足夠嚴格以至於與視角相關的尺寸變化與允許誤差相比變得顯著時，遠心鏡頭值得考慮。當零件無法定位在完全相同的高度時，當必須在相對較大的視野中測量多個特徵時，或者當必須一致地評估邊緣幾何形狀時，它也很有用。

例如，對於電子元件，檢查可能涉及測量封裝尺寸、引線間距、連接器幾何形狀或小特徵的位置。當組件高度變化時，傳統透鏡會產生明顯的尺寸變化。遠心成像減少了這種位置變化的影響，使影像處理軟體能夠使用更一致的幾何表示。

連接器檢查是另一種常見用途。引腳位置、外殼尺寸、開口尺寸和邊緣位置都可以從單一影像進行評估。所需的視場必須足夠大，以捕捉完整的組件，同時為所測量的最小特徵保持足夠的物體空間解析度。因此，在不考慮感測器尺寸的情況下選擇放大倍率可能會導致系統不合適。

精密機械零件也有類似的要求。當光學系統最大限度地減少透視效應時，可以更一致地測量孔徑、外徑、槽寬、倒角位置和組件尺寸。這對於自動化檢測尤其重要，其中必須使用相同的測量標準對數千個零件進行評估。

遠心鏡頭也用於半導體檢測、PCB 檢測、玻璃測量、成型零件檢測和自動尺寸分類。在這些應用中，鏡頭選擇應從測量任務開始，而不僅僅是相機。

關鍵參數是相互關聯的：

• 放大倍率決定了物體在感測器上顯示的大小。

• 視場 (FOV) 決定了相機捕捉的實體檢查區域。

• 工作距離 (WD) 定義了鏡頭和物體之間所需的機械空間。

• 感光元件尺寸決定鏡頭是否可以覆蓋相機而不會出現過度漸暈或遺失可用影像區域。

• 景深 (DOF) 決定了在可接受的成像範圍內可以保持多少物體高度變化。

• 畸變會影響整個視場的幾何測量。

• F 數影響景深、透光率和曝光需求。

• 分辨率必須足以滿足最小的特徵和測量公差。

例如，大型零件不會自動需要低放大倍率鏡頭。正確的選擇取決於感測器尺寸和所需的 FOV。同樣，選擇具有足夠解析度的鏡頭但工作距離或感測器覆蓋範圍不足可能會使整個光學系統不合適。

因此，實際選擇過程應從物體的尺寸、最小可測量特徵、允許的測量誤差、高度變化、所需的工作距離、相機感測器尺寸和檢查速度開始。

遠心鏡頭的價格由什麼決定？

遠心鏡頭價格差異很大，因為光學系統比傳統機器視覺鏡頭要求更高。因此，僅根據放大倍率或外觀來比較價格可能會產生誤導。

主要因素之一是放大倍率和視場角。為相對較小的視場設計的鏡頭可能需要與為覆蓋大的檢查區域而設計的鏡頭不同的光學配置。大視野遠心系統可能需要更大的光學元件和更複雜的機械結構，這增加了製造難度和材料成本。

工作距離也會影響設計。當系統包括同軸照明、環形照明、機械固定裝置或鏡頭和被檢查部件之間的其他組件時，可能需要長工作距離。在提供更長的工作距離的同時保持遠心性能可能需要額外的光學元件和更大的鏡頭結構。

感測器相容性是另一個成本因素。為較大感光元件設計的鏡頭必須提供足夠大的像圈以覆蓋該感光元件，同時保持所需的光學性能。因此，相機選擇和鏡頭選擇應被視為一項系統設計決策，而不是兩次獨立的購買。

所需的遠心度、畸變控制和光學解析度等級也會影響成本。具有嚴格測量公差的尺寸檢測系統可能需要比僅用於存在或方向檢測的檢測系統更好的幾何控制。

定制可以進一步影響價格。特殊放大倍率、非標準工作距離、更大的影像覆蓋範圍、客製化的機械介面、特定的光譜要求或與專用照明的整合可能需要光學重新設計和額外的驗證。

因此，價格最低的遠心鏡頭不一定是成本最低的解。感測器覆蓋範圍或工作距離不合適的鏡頭可能需要不同的相機、額外的光學元件、機械變化或修改的照明系統。校準和系統整合會進一步增加成本。

更有用的採購方法是先定義所需的測量公差，然後確定必要的放大倍率、FOV、感測器尺寸、工作距離、DOF、畸變程度、F 數和遠心度。這使得買家可以避免為對檢測任務沒有貢獻的規格付費，同時避免因規格不足而損害測量可靠性。

將鏡頭與完整的視覺系統相匹配

應選擇遠心光學元件作為完整測量系統的一部分。相機解析度、感光元件格式、照明、安裝幾何形狀、校準方法和影像處理演算法都會影響最終的測量結果。

例如，如果鏡頭引入過度失真或光學放大倍率與所需視野不匹配，則提高相機解析度不會自動提高尺寸精度。同樣，當檢查的邊緣不具有足夠的對比度以實現可靠的邊緣檢測時，高度遠心的鏡頭無法補償照明不足的情況。

這就是光學客製化對於具有非標準要求的工業應用變得重要的地方。

ECOPTIK研究光學元件製造技術15年，生產精密光學元件，包括球面透鏡、圓頂光學元件、微光學元件、柱面鏡、濾光片、稜鏡與窗口。其材料選項包括肖特、CDGM 和康寧玻璃，以及藍寶石、CaF2、MgF2、熔融石英、Si、ZnSe 和 ZnS。 ECOPTIK 也提供鏡頭組裝服務。

為了進行驗證和產品報告，ECOPTIK 使用的設備包括 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS。這些功能支援光學測試並為客製化光學產品提供測量報告。

對於遠心鏡頭應用，ECOPTIK 提供高性能遠心鏡頭以及工業視覺和精密測量的客製化解決方案。其光學設計方法著重於透過受控的遠心幾何結構、穩定的成像和特定應用的客製化來減少與視角變化和影像失真相關的測量誤差。

對於機器視覺公司、精密測量設備製造商、自動化整合商和工業研發組織來說，目標不僅僅是購買遠心鏡頭。目標是建立一種光學配置，其中遠心度、放大倍率、FOV、工作距離、DOF、畸變、感測器尺寸、F/# 和測量公差協同工作。

這種關係最終決定了遠心鏡頭是否適合該應用，以及其價格是否代表對完整測量系統的有效投資。