机器视觉中的远心镜头：什么时候真的需要
远心镜头只解决一个问题，而且解决得彻底。如果您遇到的正是那个问题，别的都替代不了。如果不是，那您就是花了标准镜头数倍的钱，换来更窄的视野和固定的工作距离。
下面直白地讲清楚它解决的是什么问题、如何判断您正遇到这个问题，以及为此要付出什么代价。
问题所在：物体越近看起来越大
普通镜头的正式名称是入心镜头，其成像方式和人眼一样。它的视锥随距离扩张，因此物体离镜头越近显得越大，越远显得越小。您见过的每一张照片都依赖这一点，对大多数检测来说也无害。
但一旦要测量，它就不再无害了。那个视锥直接带来两个后果：
放大倍率随高度变化
在工装上高出 2 毫米的零件成像会略大一些。测量时，同一个零件会得到不同的结果，仅仅因为它没有以同样的方式落座。
会看到物体的侧面
远离光学中心的位置，镜头是略微从侧面看物体的，于是圆孔变成椭圆，插针向外倾斜。离中心越远，情况越严重。
远心镜头把这两个问题都消除了。它的光线是平行而非收敛的，因此放大倍率不受距离影响，每一点都是正对着看的。圆孔无论落在画面何处都是圆的，高度发生变化的零件测出来也一样。
什么时候它是唯一正确的答案
有四种情况是真正需要远心光学，而不只是用了会更好。
按真实公差进行尺寸测量
如果您要报出一个图纸上有公差要求的数值，那么透视误差就是测量误差。标准镜头引入的这种变动无法通过标定消除，因为它取决于零件恰好落在什么位置。
有真实高度、从上方检测的零件
任何有深度的物体透过普通镜头都会露出内壁，于是孔看起来带锥度，连接器外壳看起来是歪的。远心光学在整个画面里都是垂直向下看的，这也是插针和孔类检测以它为标准配置的原因。
需要跨画面比较的特征
当一项检测要把边缘的特征与中间的特征作比较时，还没轮到零件本身，透视就已经让它们不一样了。宽连接器上的插针间距是典型例子。
无法完全控制的零件位置
如果零件到位时存在一定的高度或落座差异，而重做工装又不现实，远心光学会用光学方式吸收这种差异，省得您用机械手段去消除它。
连接器检测是我们遇到最多的例子。多针排针正是难点所在：有真实高度、有需要在整个画面里比较的特征，还有插针位置的公差。在一个连接器项目中，我们专门用远心镜头来消除透视变形，随后模型仅凭两张训练图像（一张全好、一张全坏）就在测试集上达到了完全准确。光学做完了本来要落到模型头上的工作。
要付出什么代价
远心镜头不是免费的升级，它带来四项实实在在的代价。
| 限制 | 实际意味着什么 |
|---|---|
| 视野固定 | 镜头只有一个视野，由其光学结构决定。您无法往后退一点来看得更多，所以只能让零件去适配镜头，而不是反过来。 |
| 光学口径必须覆盖零件 | 平行光线意味着前端镜片至少要和视野一样宽。大零件就需要一只物理尺寸大、价格高的镜头，这也是远心应用集中在小零件上的原因。 |
| 工作距离固定 | 安装高度由镜头决定，而不是由您的防护和检修通道决定。定下来之前先确认它装得进工位。 |
| 成本 | 是同级标准镜头的数倍。当替代方案是一个不可信的测量结果时，这笔钱值得花；其他情况下就很难说得通。 |
景深也值得核算，而不要凭想象。远心镜头常在小光圈下工作，这有帮助，但得到的景深仍然是有限的，仍然必须覆盖零件的高度变化范围。
什么时候不需要它
大多数检测是检出，而不是测量，而检出并不在意透视。如果问题是有没有划痕、污渍、漏装元件或不良焊缝，那么配上合适照明的标准镜头才是正确且便宜得多的答案。透视误差只会让特征出现的位置偏移不到一毫米，它不会把缺陷藏起来。
值得记住的区分是：明明需要检出却按测量来立规格，是检测项目上最常见的过度采购方式之一。先确定您要问的是哪个问题，再为那个问题采购光学。
具体怎么决定
- 写下您是要检出缺陷还是要报出尺寸。如果是检出，到此为止，用标准镜头。
- 如果是尺寸，找出公差。然后估算零件的高度变化，以及特征距画面中心有多远。
- 把由此推算出的透视误差与公差作比较。如果它占去了公差中相当可观的一部分，那您需要远心光学。
- 确认镜头的视野容得下您的零件，且其固定工作距离装得进您的工位。
- 确认景深覆盖了您的高度变化范围。
我们的光学计算器会把两条路线的算术都算好，包括带固定工作距离的远心方案，这样在有人报价硬件之前，您就能把选定安装距离下的标准镜头与远心方案作对比。工业相机指南涵盖同一决策中传感器那一侧的内容，而机器视觉系统指南则把两者放进整个工位的语境里。照明是任何光学决策的另一半，见我们关于机器视觉照明.
常见问题
什么是远心镜头？
远心镜头是一种光线平行而非收敛的镜头，因此放大倍率不随物距变化，画面中每一点都是正对着看的。实际效果是它消除了透视：孔无论落在图像何处都是圆的，位置略高的零件测出的尺寸也一样。标准镜头的正式名称是入心镜头，其视锥随距离扩张，因此这两点都做不到。
什么时候需要远心镜头？
当您要按公差报出一个尺寸时、当零件有真实高度且从上方检测时、当一项检测要跨画面比较特征（例如宽连接器上的插针间距）时，或当零件的高度和落座存在无法用工装消除的差异时。除这些情况之外，配好照明的标准镜头通常才是正确选择。
远心镜头和标准镜头有什么区别？
标准入心镜头的视野随距离扩张，因此物体越近显得越大，远离中心的特征会被略微从侧面看到。远心镜头的光线是平行的，在整个画面里都给出恒定的放大倍率和正对视角。代价是远心镜头的视野固定、工作距离固定、前端光学至少要和视野一样宽，而且价格高得多。
远心镜头为什么贵？
因为平行光线要求前端光学元件至少和所成像的视野一样大。视野翻倍，所需精密玻璃的直径大约也翻倍，而成本随直径迅速上升。这也是远心光学集中用于小零件的原因，以及为什么大口径远心镜头往往不只是贵，而是根本不现实。
远心镜头的景深更好吗？
它们的表现通常不错，因为常在小光圈下使用，但景深仍然有限，应当核算而不是凭想象。要求和任何镜头都一样：在您的工作距离上，保持可接受清晰度的那段区间必须覆盖零件的高度变化范围。
能用远心镜头做缺陷检出而不是测量吗？
可以，也能用，但很少值得这笔钱。透视误差只让特征出现的位置偏移不到一毫米，它不会掩盖划痕、污渍或漏装元件。对检出而言，把预算花在照明几何上比花在远心光学上带来的提升更大。
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