在尺寸计量中使用视频测量系统需要采用远心设计的光学元件，远心是一种特殊的镜头特性，可以在“机器视觉”应用中产生最准确和最可靠的图像。

　　远心镜头组件已使用多年。但与所有光学设计一样，要完美地将其用于计量学，需要光学专业知识、专门的镜头组件、精细调节的照明和复杂的软件算法来补偿成像过程中的失真。

　　自 1945 年成立以来，Optical Gaging Products (OGP) 一直致力于追求全远心光学设计的完美，因为它们是获得高吞吐量视频测量系统最佳精度的必要条件。如今，OGP 远心光学组件已在全球大多数 OGP 视频和多传感器测量机中使用。

　　什么是远心度?

　　远心度是光学组件中的一种特殊属性，其中主光线与光轴平行。光学元件经过专门设计，可消除透视角，并在整个景深 (DOF) 内保持物体图像大小恒定，无论镜头与物体之间的距离如何。

　　相反，最常用的镜头——近心相机光学系统使用非平行主光线和视场角 (AFOV) 来模拟深度感知，其方式与我们的眼睛类似。视场内的物体会随着焦点的变化而改变大小。

　　以这样的方式思考远心性 - 如果您在红绿灯处开车与另一辆车相遇，随着您靠近，汽车会显得更大，让您能够感知到碰撞前所需的停车距离。但是，如果您通过远心光学元件观察汽车，它不会随着您靠近而显得更大。相反，无论您距离汽车 100 英尺还是 10 英尺，汽车看起来都完全相同。

　　远心镜头如何工作?

　　该图说明了计量应用中远心镜头和近心镜头之间的差异。在低放大倍率下成像，此时景深最大，每种镜头类型在单个视场中成像的具有九个相同等距方形柱的部件可能如图所示。

　　采用近心镜头的图像(左);采用远心镜头的相同图像(右)

　　近心镜头(左图)显示外柱的侧面和柱之间的不同间距(请注意蓝色角之间的不同距离)。这引入了测量的几个不良特征。根据镜头的位置，改变景深会恶化或改善这些不良特征。模糊的边缘、壁面效应和其他类型的失真会改变获得最准确测量所需的清晰图像。

　　相反，远心镜头(右)仅显示所有九个柱子的顶部，尺寸和间距相同。由于远心光学元件在整个景深范围内保持物体图像的大小恒定，因此改变相机位置不会对测量产生影响。

　　远心度在变焦放大下如何发挥作用?

　　远心度在所有放大倍数下都很重要，但从实际目的来看，它在景深最大的低放大倍数下最为重要。焦点与最佳焦点的偏差越大，出错的可能性就越大。当景深较大时，图像可能看起来聚焦良好，即使实际上并非如此，因此当系统在低放大倍数下不远心时，出错的可能性更大。

　　远心镜头在高放大倍数和浅景深下具有不同的优势。在近心镜头设计中，当进入镜头系统的光线不平行时，会发生两种光学现象——“壁面效应”和“环绕效应”。在圆柱体和球体等棱柱形部件上，光线往往会有效地“环绕”曲面，而光线会从垂直于物体平面的表面边缘反射——“壁面”。这会导致图像对比度降低，或者在壁面效应的情况下，边缘图像上会出现光影。

　　这些影响经常成为视频测量系统的障碍。然而，远心镜头系统可以最大限度地减少这些影响，提高图像质量，从而提高测量精度和重复性。

　　全远心与部分远心有何区别?

　　人们可能认为被评为远心的光学组件在 a.) 整个放大范围内和 b.) 整个视野范围内都是完全远心的。然而，事实并非如此。

　　如果系统仅在一种放大倍率设置下具有远心性，而不是在整个放大倍率范围内具有远心性，则光学元件可以部分远心。虽然单倍放大远心性通常是系统制造商的常见做法，但 OGP 工程师于 2002 年为SmartScope Quest 和 Vantage型号发明了 TeleStar® 10:1 变焦镜头*。这是第一个专为光学计量设计的电动机械变焦光学配置，至今在业内仍然是独一无二的。TeleStar 在整个变焦范围内具有远心性，在生成最高精度图像方面取得了巨大进步。它的几项光学和机械创新获得了专利。

　　除了放大倍率范围内的部分远心度外，目前市场上的许多视频测量系统都将远心度限制在制造商指定的视野范围内。指定区域外的图像可能会出现不适合测量的失真。

　　例如，下图显示了使用部分远心光学元件成像的零件上的孔特征。左侧图像显示远心性，因为孔位于视场中心，在制造商指定的远心性区域内。但是，右侧图像显示相同的孔位于制造商指定区域之外，位于视场外缘。由于远心性仅限于视场中心，视场外缘的孔图像显示孔内有一堵墙，这对于计量使用来说会造成问题。

　　相反，完全远心光学设计可在整个视野范围内提供无失真的精度。在上面的图像中，如果光学元件完全远心，即使在视野的外边缘，孔也会在两个图像中显示完全相同。

　　OGP 一直追求全远心光学设计的完美，因为它们对于在高通量视频测量系统中获得最佳精度是必不可少的。

　　OGP 在远心镜头开发方面的历史

　　除了光学优势之外，使用全远心设计的实际意义在于方便、快速，以及最终更高的测量吞吐量。由于全远心设计可在整个视野和整个放大范围内进行精确测量，因此用户可以轻松地将零件放置在舞台上的任何位置并在几秒钟内拍摄图像。视频测量本质上已经很快，当用作主传感器时，可以大大缩短测量运行时间。

　　OGP 对完善全远心光学设计的追求始于 1945 年，当时这家新成立的公司与 Eastman Kodak 合作生产和销售轮廓投影仪。柯达早期的投影仪具有远心同轴表面照明，从零件到接收镜头的工作距离恒定。事实证明，这种光学设计特性对 OGP 非常重要，因为它开发了现代比较器和基于视频的测量系统。

　　为了将全远心作为最佳实践，OGP 光学工程师花费了数十年时间开发和试验全远心镜头设计、照明和能够处理最精确图像的软件。获得的知识产权使 OGP 成为视频测量市场的差异化因素。

　　除了开发上述 TeleStar 10:1 变焦镜头外，OGP 于 2011 年推出了SNAP 大视场视频测量系统，该系统专门用于在大视场内进行具有完全远心度的即时 2D 视频测量。SNAP 系统还具有大景深，旨在在制造车间测量小型、复杂的部件。

　　同年，OGP 推出了c-vision 视频轮廓投影仪，将 SNAP 系统中的相同全远心视频光学元件与传统光学比较仪的坚固外形和高负载能力相结合。转向视频测量的用户很快意识到速度、更高精度和自动化软件测量的优势。

　　2014 年推出的Fusion 大视场 3D 多传感器系统为用户提供大视场的全远心视频光学系统，并结合激光和探针功能。2017 年发明的TurnCheck 轴测量系统也受益于大视场的全远心接收光学系统。

　　2022 年，OGP 工程师创造了全新的 IntelliCentric 光学系统，该系统将全远心设计与固定镜头和自动数码变焦相结合。IntelliCentric 光学元件具有极低的失真度、瞬时放大倍数变化和出色的低倍率性能。它们可用于SmartScope E 系列系统，这是下一代 SmartScope 多传感器计量系统中的第一个。

　　结束语

　　总之，专门为远心度开发的光学组件可在“机器视觉”应用中产生最准确、最可靠的图像，因为它们消除了近心度设计中使用的角视场相关的图像失真。全远心光学元件优于部分远心光学元件，因为它们可在景深内的所有放大倍数和视场的所有区域提供准确的图像，而不是制造商指定的有限中心区域。

　　全远心光学系统是 OGP 视频测量和多传感器系统的基础设计元素。我们相信远心光学设计是未来更快、更易于使用的计量系统的关键。