Телецентрические линзы: принцип работы и применение

Введение

Телецентрическая линза — это специальная оптическая линза (часто объектив или линза камеры), у которой входной или выходной зрачок, или оба, находятся в бесконечности. Размер изображений, формируемых телецентрической линзой, не зависит от расстояния между объектом съемки и линзой, от расстояния между плоскостью изображения и линзой, или от обоих этих факторов; такое оптическое свойство называется телецентричностью. Телецентрические линзы используются для прецизионных оптических двухмерных измерений, воспроизведения (например, фотолитографии) и других применений, чувствительных к увеличению изображения или углу падения света. Самый простой способ сделать линзу телецентрической — расположить диафрагму в одной из фокусных точек линзы. Это позволяет проходить через оптическую систему только лучам, включая главные лучи (световые лучи, проходящие через центр диафрагмы), которые будут приблизительно параллельны оптической оси с другой стороны линзы, для любой точки объекта в поле зрения. Коммерчески доступные телецентрические линзы часто являются сложными, состоящими из нескольких линзовых элементов для повышения оптических характеристик. Телецентричность — это не свойство отдельных линз внутри сложной линзы, а определяется положением диафрагмы в линзе. Диафрагма отбирает лучи, проходящие через линзу, и именно этот отбор делает линзу телецентрической. Если линза не телецентрическая, она является либо энтоцентрической, либо гиперцентрической. Обычные линзы обычно энтоцентричны. В частности, одиночная линза без отдельной диафрагмы является энтоцентрической. Для такой линзы главный луч, исходящий из любой точки, не лежащей на оптической оси, никогда не параллелен оптической оси, ни перед линзой, ни за ней. Нетелецентрическая линза демонстрирует различное увеличение для объектов, находящихся на разных расстояниях от линзы. Энтоцентрическая линза имеет меньшее увеличение для более удаленных объектов; объекты одного размера кажутся меньше по мере удаления. Гиперцентрическая линза формирует увеличенные изображения по мере удаления объекта. Телецентрическая линза может быть телецентрической в пространстве объектов, телецентрической в пространстве изображений или бителецентрической (также двойной телецентрической). В объективно-телецентрической линзе размер изображения не изменяется при изменении расстояния до объекта, а в изобразительно-телецентрической линзе размер изображения не изменяется при изменении расстояния до плоскости изображения от линзы.

Optical lens

A telecentric lens is a special optical lens (often an objective lens or a camera lens) that has its entrance or exit pupil, or both, at infinity. The size of images produced by a telecentric lens is insensitive to either the distance between an object being imaged and the lens, or the distance between the image plane and the lens, or both, and such an optical property is called telecentricity. Telecentric lenses are used for precision optical two dimensional measurements, reproduction (e. g., photolithography), and other applications that are sensitive to the image magnification or the angle of incidence of light. The simplest way to make a lens telecentric is to put the aperture stop at one of the lens's focal points. This allows only rays including the chief rays (light rays that pass through the center of the aperture stop), that will be about parallel to the optical axis on the other side of the lens, to pass the optical system for any object point in the field of view. Commercially available telecentric lenses are often compound lenses that include multiple lens elements, for improved optical performance. Telecentricity is not a property of the lenses inside the compound lens but is established by the location of the aperture stop in the lens. The aperture stop selects the rays that are passed through the lens and this specific selection is what makes a lens telecentric. If a lens is not telecentric, it is either entocentric or hypercentric. Common lenses are usually entocentric. In particular, a single lens without a separate aperture stop is entocentric. For such a lens the chief ray originating at any point off of the optical axis is never parallel to the optical axis, neither in front of nor behind the lens. A non telecentric lens exhibits varying magnification for objects at different distances from the lens. An entocentric lens has a smaller magnification for objects farther away; objects of the same size appear smaller the farther they are away. A hypercentric lens produces larger images the farther the object is away. A telecentric lens can be object space telecentric, image space telecentric, or bi telecentric (also double telecentric). In an object space telecentric lens the image size does not change with the object distance, and in an image space telecentric lens the image size does not change with the image side distance from the lens.

Телецентрические объективные линзы

Телецентрическая объективная линза имеет входной зрачок (образ диафрагмы линзы, сформированный оптикой перед ней) в бесконечности и обеспечивает орфографическую проекцию вместо перспективной проекции в энтоцентрической линзе. Телецентрические объективы имеют рабочее расстояние. Объекты, находящиеся на этом расстоянии, находятся в фокусе и четко отображаются на матрице изображения на фокальном расстоянии фланца в камере. Объект, расположенный ближе или дальше, будет вне фокуса и может быть размытым, но его размер останется неизменным независимо от расстояния. Телецентрические линзы, как правило, крупнее, тяжелее и дороже, чем обычные линзы с аналогичным фокусным расстоянием и светосилой. Это частично связано с дополнительными компонентами, необходимыми для достижения телецентричности, и частично с тем, что первый элемент в объективной телецентрической линзе должен быть по крайней мере таким же большим, как самый большой объект, который предстоит снять. Передний элемент объективной телецентрической линзы часто значительно больше байонета камеры. В отличие от энтоцентрических линз, где линзы увеличивают в диаметре для увеличения апертуры с целью увеличения светосилы или уменьшения глубины резкости, телецентрическая линза большего диаметра (но в остальном аналогичная) не является более светосильной, чем меньшая линза. Благодаря области применения, телецентрические линзы часто обладают более высоким разрешением и пропускают больше света, чем обычные фотообъективы. Коммерческие объективные телецентрические линзы обычно характеризуются увеличением, рабочим расстоянием и максимальным диаметром изображения или размером матрицы. У истинно телецентрической линзы отсутствует кольцо фокусировки для регулировки положения плоскости фокусировки. Однако некоторые коммерческие телецентрические линзы все же оснащены кольцом фокусировки, которое можно использовать для незначительной регулировки рабочего расстояния и увеличения, при этом несколько теряя телецентричность. Иногда производители указывают разрешение сенсора или размер пикселя для описания оптического качества объектива и максимального оптического разрешения, которое он может достичь из-за аберраций объектива. Поскольку их изображения имеют постоянное увеличение и постоянный угол обзора во всем поле зрения, объективные телецентрические линзы используются в метрологических приложениях, где системе машинного зрения необходимо определять точный размер и форму объектов независимо от их точного расстояния и положения в поле зрения. Для оптимизации телецентрического эффекта при освещении объектов сзади можно использовать дополнительную телецентрическую линзу пространства изображения в качестве телецентрического (или коллимированного) осветителя, который создает параллельный световой поток, часто от светодиодных источников.

An object space telecentric lens has the entrance pupil (the image of the lens's aperture stop, formed by optics before it) at infinity and provides an orthographic projection instead of the perspective projection in an entocentric lens. Object space telecentric lenses have a working distance. Objects at this distance are in focus and imaged sharply onto the image sensor at flange focal distance in the camera. An object that is closer or farther is out of focus and may be blurry but will be the same size regardless of distance. Telecentric lenses tend to be larger, heavier, and more expensive than normal lenses of similar focal length and f number. This is partly due to the extra components needed to achieve telecentricity, and partly because the first element in an object space telecentric lens must be at least as large as the largest object to be imaged. The front element in an object space telecentric lens is often much larger than the camera mount. In contrast to entocentric lenses where lenses are made larger to increase the aperture for increased collection of light or shallower depth of field, a larger diameter (but otherwise similar) object space telecentric lens is not faster than a smaller lens. Because of their intended applications, telecentric lenses often have higher resolution and transmit more light than normal photographic lenses. Commercial object space telecentric lenses are often characterized by their magnification, working distance and maximum image circle or image sensor size. A truly telecentric lens has no focus ring to adjust the position of the focal plane. Some commercial telecentric lenses, however, do feature a focus ring. This can be used to slightly adjust the working distance and magnification while losing a little bit of telecentricity. Sometimes, manufacturers specify a sensor resolution or pixel size to describe the optical quality of the lens and the maximum optical resolution it can achieve due to the lens's aberrations. Because their images have constant magnification and constant viewing angle across the field of view, object space telecentric lenses are used for metrology applications, where a machine vision system must determine the precise size and shape of objects independently from their exact distance and position within the field of view. In order to optimize the telecentric effect when objects are illuminated from behind, an additional image space telecentric lens can be used as a telecentric (or collimated) illuminator, which produces a parallel light flow, often from LED sources.

Телецентрические линзы для изображения

Телецентрическая линза пространства изображения имеет выходной зрачок (образ диафрагмы, сформированный оптикой после нее) в бесконечности и создает изображения одного и того же размера независимо от расстояния между линзой и пленкой или сенсором изображения. Это позволяет линзе фокусировать свет от объекта или образца на разные расстояния, не изменяя размер изображения. Телецентрическая линза пространства изображения является обратной к объективной телецентрической линзе пространства, и наоборот. Поскольку главные лучи (лучи света, проходящие через центр диафрагмы) после телецентрической линзы пространства изображения всегда параллельны оптической оси, такие линзы часто используются в приложениях, чувствительных к углу падения света. Интерференционные цветоселективные разделители или фильтры, а также интерферометры Фабри-Перо – два примера, где применяется телецентричность пространства изображения. Другой пример – минимизация перекрестных помех между пикселями в сенсорах изображения и максимизация квантовой эффективности сенсора. Система Four Thirds изначально требовала телецентрических линз для формирования изображения, но с улучшением сенсоров требование к углу падения было ослаблено. Поскольку каждый пиксель освещается под одним и тем же углом телецентрической линзой пространства изображения, они также используются для радиометрических и колориметрических измерений, где необходимо, чтобы облучение было одинаковым независимо от положения в поле зрения.

Бителецентрические линзы

В бителецентрической (или двойной телецентрической) линзе как входной, так и выходной зрачки находятся в бесконечности. Увеличение остаётся постоянным, несмотря на изменения расстояния как до наблюдаемого объекта, так и до матрицы изображения от объектива, что обеспечивает более точные измерения размеров объекта по сравнению с монотелецентрической линзой (то есть измерения нечувствительны к ошибкам позиционирования объекта и матрицы). Бителецентрическая линза является афокальной (система без фокусировки), поскольку изображение объекта в бесконечности, сформированное первой частью линзы, коллимируется второй частью. Коммерческие бителецентрические линзы часто оптимизированы для очень низкого уровня искажений изображения и кривизны поля, что обеспечивает точные измерения по всему полю зрения с высоким разрешением. Такие линзы обычно состоят более чем из 10 элементов. Крупные и тяжёлые бителецентрические линзы с большим количеством оптических элементов широко используются в оптической литографии (процессе переноса рисунка электрической схемы на полупроводниковую пластину для массового производства полупроводниковых приборов), поскольку даже незначительные искажения изображения и ошибки позиционирования могут критически повлиять на функциональность изготавливаемого устройства.