Телецентрическая линза — это специальная оптическая линза (часто объектив или объектив фотоаппарата ), входной или выходной зрачок которой или оба расположены на бесконечности. Размер изображений, создаваемых телецентрической линзой, нечувствителен ни к расстоянию между отображаемым объектом и линзой, ни к расстоянию между плоскостью изображения и линзой, либо к тому и другому, и такое оптическое свойство называется телецентричностью . Телецентрические линзы используются для прецизионных оптических двумерных измерений, воспроизведения (например, фотолитографии ) и других приложений, чувствительных к увеличению изображения или углу падения света.
Самый простой способ сделать объектив телецентрическим — поместить диафрагму в одну из фокусных точек объектива . Это позволяет только лучам, включая главные лучи (световые лучи, проходящие через центр диафрагмы), которые будут примерно параллельны оптической оси на другой стороне линзы, проходить через оптическую систему для любой точки объекта в поле зрения . Коммерчески доступные телецентрические линзы часто представляют собой составные линзы , включающие несколько линзовых элементов для улучшения оптических характеристик. Телецентричность не является свойством линз внутри составной линзы, а определяется расположением диафрагмы в линзе. Стопор диафрагмы выбирает лучи, проходящие через объектив, и именно этот выбор делает объектив телецентрическим.
Если линза не телецентрична, она либо энтоцентрическая , либо гиперцентрическая . Обычные линзы обычно энтоцентрические. В частности, одиночная линза без отдельной диафрагмы является энтоцентрической. Для такой линзы главный луч, исходящий в любой точке оптической оси, никогда не бывает параллелен оптической оси ни перед линзой, ни позади нее. Нетелецентрическая линза обеспечивает различное увеличение объектов, находящихся на разных расстояниях от линзы. Энтоцентрическая линза имеет меньшее увеличение для более удаленных объектов; объекты одинакового размера кажутся меньшими по мере удаления от них. Гиперцентрическая линза создает более крупные изображения по мере удаления объекта.
Телецентрический объектив может быть телецентрическим в объектном пространстве , телецентрическим в пространстве изображения или бителецентрическим (также дважды телецентрическим ). В телецентрическом объективе в пространстве объекта размер изображения не меняется с увеличением расстояния до объекта, а в телецентрическом объективе в пространстве изображения размер изображения не меняется в зависимости от расстояния до объектива со стороны изображения.
Телецентрическая линза в объектно-пространственном пространстве имеет входной зрачок (изображение диафрагмы линзы, сформированное оптикой перед ней) на бесконечности и обеспечивает ортогональную проекцию вместо перспективной проекции в энтоцентрической линзе. Объектно-пространственные телецентрические линзы имеют рабочее расстояние . Объекты на этом расстоянии находятся в фокусе и четко отображаются на датчике изображения с фокусным расстоянием фланца камеры. Объект, находящийся ближе или дальше, не в фокусе и может быть размытым, но будет одинакового размера независимо от расстояния.
Телецентрические объективы, как правило, больше, тяжелее и дороже, чем обычные объективы с таким же фокусным расстоянием и числом f . Частично это связано с дополнительными компонентами, необходимыми для достижения телецентричности, а частично с тем, что первый элемент телецентрической линзы в пространстве объекта должен быть по крайней мере такого же размера, как самый большой объект, который нужно отобразить. Передний элемент телецентрического объектива в объектном пространстве часто намного больше, чем крепление камеры. В отличие от энтоцентрических линз, в которых линзы делаются больше, чтобы увеличить апертуру для увеличения сбора света или меньшей глубины резкости , телецентрическая линза большего диаметра (но в остальном аналогичная) в объектном пространстве не быстрее , чем линза меньшего размера. Из-за своего предполагаемого применения телецентрические объективы часто имеют более высокое разрешение и пропускают больше света, чем обычные фотообъективы.
Коммерческие телецентрические объективы в пространстве объекта часто характеризуются увеличением, рабочим расстоянием и максимальным кругом изображения или размером датчика изображения. По-настоящему телецентрический объектив не имеет кольца фокусировки для регулировки положения фокальной плоскости. Однако некоторые коммерческие телецентрические объективы имеют кольцо фокусировки. Это можно использовать для небольшой регулировки рабочего расстояния и увеличения, при этом немного теряя телецентричность. Иногда производители указывают разрешение сенсора или размер пикселя, чтобы описать оптическое качество объектива и максимальное оптическое разрешение, которого он может достичь из-за аберраций объектива .
Поскольку их изображения имеют постоянное увеличение и постоянный угол обзора по всему полю зрения, телецентрические линзы в объектном пространстве используются в метрологических приложениях, где система машинного зрения должна определять точный размер и форму объектов независимо от их точного расстояния и положения в пределах поля зрения. поле зрения.
Для оптимизации телецентрического эффекта при освещении объектов сзади в качестве телецентрического (или коллимированного) осветителя можно использовать дополнительную телецентрическую линзу пространства изображения , создающую параллельный световой поток, часто от светодиодных источников.
Телецентрический объектив в пространстве изображения имеет выходной зрачок (изображение диафрагмы, формируемое оптикой после него) на бесконечности и создает изображения одинакового размера независимо от расстояния между объективом и пленкой или датчиком изображения . Это позволяет линзе фокусировать свет от объекта или образца на разные расстояния без изменения размера изображения. Телецентрическая линза в пространстве изображения представляет собой перевернутую телецентрическую линзу в пространстве объекта, и наоборот.
Поскольку главные лучи (лучи света, проходящие через центр апертуры, останавливаются) после телецентрической линзы в пространстве изображения всегда параллельны оптической оси, эти линзы часто используются в приложениях, чувствительных к углу падения света. Цветоселективные светоделители или фильтры на основе интерференции , а также интерферометры Фабри – Перо являются двумя примерами использования телецентричности пространства изображения. Другой пример — минимизация перекрестных помех между пикселями в датчиках изображения и максимизация квантовой эффективности датчика. Система « Четыре трети» изначально требовала телецентрических линз в пространстве изображения, но с усовершенствованием датчиков требования к углу падения были смягчены. [1] Поскольку каждый пиксель освещается под одним и тем же углом телецентрической линзой в пространстве изображения, они также используются для радиометрических и цветовых измерений , где необходимо, чтобы освещенность была одинаковой независимо от положения поля.
В бителецентрической (или двойной телецентрической) линзе входной и выходной зрачки обращены к бесконечности. Увеличение остается постоянным, несмотря на изменения как расстояния наблюдаемого объекта, так и датчика изображения от объектива, что позволяет более точно измерять размер объекта, чем при использовании монотелецентрического объектива (т. е. измерения нечувствительны к ошибкам размещения объекта и датчик изображения). Бителецентрическая линза является афокальной (системой без фокуса), поскольку изображение объекта на бесконечности, формируемое первой частью линзы, коллимируется второй частью.
Коммерческие бителецентрические объективы часто оптимизированы для обеспечения очень низкого искажения изображения и кривизны поля зрения для точных измерений по всему полю зрения с высоким разрешением . Эти линзы часто содержат более 10 элементов.
Большие и тяжелые бителецентрические линзы со множеством оптических элементов обычно используются в оптической литографии (которая копирует шаблон электрической схемы для печати или изготовления на полупроводниковых пластинах для массового производства полупроводниковых устройств), поскольку небольшие искажения изображения и ошибки размещения могут иметь решающее значение для функциональность изготовленного устройства. [2]