遠心鏡頭

各種類型的物鏡，如用于光學儀器的望遠鏡、攝影物鏡和激光掃描儀，都具有遠心設計。物鏡的遠心本質上意味著對于遠處的觀察者來說它具有正投影視角。這意味著主光線水平于光學系統的左側和右側，入瞳和出瞳在無窮遠處。通過使用適當放置的光學孔徑（如光闌）來實現遠心。在某些情況下，由于對入射光線已經給出了限制，這甚至是不必要的。

人們區分物側和像側或兩側的遠心度；下一節將解釋這些情況。

實際上，遠心條件（例如，通過水平主光線形成的條件）從未完全滿足。因此，遠心鏡頭可能有一個關于遠心角的附加規范，它表征與完美遠心的偏差。

物方遠心透鏡

通過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心，如圖1所示為簡單的單透鏡配置。（同樣的原理可以很容易地應用于多鏡頭物鏡——它也有一個后焦平面。）只有部分光線（顯示為藍色）可以穿過光闌并對圖像產生影響。

圖1:來自聚焦平面上的物體的光線部分通過光闌并在像平面上相遇。

現在考慮一個距離更遠的物體(見圖2)，在不調整焦點的情況下觀察。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，圖像會有些模糊。然而，模糊區域的中心與之前保持一致。這是因為光闌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；模糊關于常量中心是對稱的。然而，需要注意的是，只有當光闌放置在透鏡的焦平面上時，這種方法才有效。

圖2：對于距離較小的物體，圖像失焦。然而，光斑仍然集中在同一位置。（原始對象的位置仍然被標記，并且我們保持圖像傳感器的位置不變。）

光圈如何影響圖像大小？

盡管光圈不會像圖1中那樣影響真實焦點的位置，但在散焦的情況下，它會影響模糊區域的大小和中心。以同樣的方式解釋了攝影鏡頭的孔徑光闌對景深的影響。若以所選像平面(獨立于像平面的真實位置)上的尺寸定義放大率，則放大率與物距無關。如果將物體移到離鏡頭較近或較遠的位置，只會損失圖像的清晰度，但表觀尺寸保持不變。通過減小光圈直徑可以減小(即增加了景深)的模糊效應，但這會降低圖像的亮度。

需要注意的是，如果改變鏡頭的調焦，放大率當然會發生變化。因此，人們通常不會使用這種帶有自動對焦裝置的鏡頭。

通過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，因此入瞳在無窮遠處。這再次強調了所獲得的正字法視角：對于無窮遠處的觀察者而言，物體縱向位置的變化無關緊要。

相比之下，大多數其他（非遠心）透鏡或物鏡（就像人眼一樣）的入瞳更靠近光學入口的中心，因此看到的物體就像是從該平面上的參考點看到的一樣（內中心透視）。結果是更遠的物體看起來比更近的物體小。此外，一個小的近距離物體可以完全隱藏一個更大但更遠的物體。遠心系統不是這種情況。

所解釋的操作原理有一些限制:

?它要求像平面離光闌有一段距離。因此，設備不能聚焦到無限遠，而是要聚焦到更近的平面。因此，人們不能通過使用超焦距獲得大的景深；相反，必須限制孔徑大小。

?視場——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，物方空間遠心透鏡通常必須相對較大，并且相應地較重和昂貴。對于較大物體的攝影，遠心鏡頭通常不可用——除非是非常大的型號，可以通過在入口處安裝菲涅耳鏡頭來實現。

物方遠心鏡頭的一個重要應用是機器視覺，其中正投影視角(具有低失真和無視差誤差)可以大大簡化圖像處理。也有遠心測量望遠鏡，它允許測量真實物體的大小，而對它們的距離沒有顯著的敏感性。

一些遠心鏡頭中含有同軸照明的附加裝置。從本質上講，這意味著準直光通過光學元件被傳送到成像物體上。在其他情況下，當檢查透明物體(例如,用于檢驗光學玻璃)時，使用來自相反方向(即朝向成像系統)的準直光。注意，此時相機并沒有對光源成像；取而代之的是光源對像面的均勻照明。

使用這種定向照明，有時也被稱為遠心照明，當涉及到精確捕獲邊緣和表面結構時，最精確的遠心成像是可能的。此時曝光時間可以相對較短，因為大部分的入射光線都在相機可以使用的方向上。

注意到遠心照明并不一定需要遠心鏡頭；通過使用相對較小的光源(例如一個小型的發光二極管)和準直透鏡，可以簡單地獲得準直光束。

顯微物鏡有時也被制成物空間遠心物鏡。這就避免了厚試樣中離焦面的明顯尺寸變化。還有具有遠心光學的光學輪廓儀。

像空間遠心透鏡

通過在前焦平面上放置合適的光闌，也可以在圖像空間中實現遠心。這一點在圖2中顯示，再加上一個包含單個透鏡的簡化設置。由于引入了光闌，當光闌孔徑較小時，光線在透鏡后基本上是水平的。

 

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改變；人們只會得到一幅稍微散焦的圖像。

到達像素的垂直位置與圖像傳感器的選定縱向位置無關；如果只是傳感器失焦，像素會有點模糊。當然，可以通過簡單地減小光圈直徑來增加景深，但這會導致圖像亮度的損失。

圖2假設來自遠處物體的平行入射光線，但同樣的配置也適用于較近的物體，只是焦點位置略微向右移動。

對于應用來說，圖像大小與傳感器位置無關可能并不重要，而是光總是以近似正入射的方式到達傳感器，不僅在中心，而且在外圍區域。這對于具有微透鏡陣列的圖像傳感器尤為重要。因此，像方遠心鏡頭被應用于一些數碼相機中。

遠心光學的另一個應用是激光掃描儀的掃描透鏡。遠心掃描透鏡可以將激光束發射到目標表面的不同點，但每次的傳播方向大致相同。通常不需要使用光圈；入射光擋是由掃描裝置有效地產生的，例如多邊形鏡輪或聲光偏轉器。這種掃描應用包括激光材料加工，包括微光刻等特殊領域。

雙遠心系統

你也可以制作雙遠心系統（或雙遠心系統），這意味著物方和像方的遠心。然而，這只有在無焦光學系統中才有可能實現。圖3顯示了一個例子。主光線（穿過孔徑光闌的中心）水平于第一透鏡的左側和第二透鏡的右側。請注意，只有當鏡頭之間的距離是它們的焦距之和時，這才能起作用。

圖4:具有光闌的雙遠心無焦系統，位于第一個透鏡的后焦平面和第二個透鏡的前焦平面。

例如，在需要圖像傳感器上的正交透視和接近垂直入射光的情況下，可以使用雙遠心成像系統。

遠心變焦鏡頭

大多數遠心鏡頭都有固定的焦距和放大率。然而，也有遠心變焦鏡頭，其中焦距以及視場和放大率可在一定范圍內調節。為了保持遠心，變焦裝置不僅必須調整焦距，還須將光闌保持在焦平面內。在某些情況下，遠心條件無法在整個變焦范圍內保持。