物方远心光路【几何光学】

(a)是一个测高仪器，用于测量移动物体的高度。当物体在AB 处时，经过光学系统成像为A'B'，用一个刻度尺直接丈量A'B'的长度可以算得AB 的高度。如果物体发生了移动，从AB 移动到A1B1，经过光学系统后成像为 A'1B'1，很显然，A'1B'1和 A'B'的长度不一样，用同样的刻度尺去丈量将获得不同的数据。此时无法使用高斯光学的物像关系去计算物体的高度，因为物体在不断地变化。如何寻找一种特殊的光学系统，它对物体的移动“不敏感”，或者物体移动不影响测量结果呢? 那就是物方远心光路。

(b)在光学系统的像方焦平面上安放一个孔径光阑。很显然，系统的入瞳在物方无限远。因为主光线是穿过入瞳中心的光线，那么不管物体AB 在哪里，物体两端的A点和B 点的主光线相当于无限远轴上点发出的光线，所以两点的主光线平行于光轴，并且经过光学系统后通过像方焦点。如图(b)，我们把刻度尺置于A'B'，无论物体AB 在哪里，它们的主光线都保持穿过像方焦点不变。由于主光线不变，而其他光线是绕着主光线对称的，所以在A'B'上投射的光斑虽然会变大或缩小，但是光斑中心保持不变。这样，无论物体AB 怎么移动，都会获得相同的像高。建立像高与物高的对应关系，就可以直接得到物体AB 的高度。

传统的成像光路中，相同大小的物体会因为与成像系统的物距不同而导致成像的放大倍率大小不同，这样的光学系统在测量时会导致“远小近大”问题，物体相对成像系统后移，测量结果偏小，反之，物体相对成像系统前移，测量结果偏大，即存在通常所说的视差，普通成像光路如图3所示。

如果在像方焦平面上加上一个孔径光阑，使物方主光线平行于光轴入射，不同物距的相同大小物体，经过成像系统后在接受面（如刻度板或 CCD 靶面）上成一样大小 的像，远小近大的问题就被消除了。因为这样的光路入瞳在无穷远处，所以被称为物方远心光路，物方远心光路消除了视差所带来的测量误差，其系统光路图如图 4所示。

物方远心光路是在系统像方焦平面的恰当位置处设置了一个孔径光阑，此时，物面上参与成像的光束经过系统后，因孔径光阑的存在，均通过像方焦点，且物方主光 线平行于系统光轴。如图 2.10 所示，在 S1处的物体 B1B2经成像系统后成像在 C'1C'2， 将物体 B1B2移至 S2处，它所成的像会偏离刻度板或 CCD 靶面，实际成像在 D'1D'2，在 理想成像面（刻度板表面或 CCD 靶面）上呈现的是一个像斑。由于物方同一点的成像 光束主光线是始终平行于光轴的，不随物体的位置改变而发生变化，经过像斑的主光线仍通过 C'1、C'2，在刻度板的表面或 CCD 相机靶面上的读数仍是 C'1C'2，不会带来测量误差。

物方远心光路在成像系统中的优点有：当像面位置确定之后，放大倍率只和物体大小有关，从而解决了检测的景深问题。而它的不足在于：像面的位置直接受放大 倍率影响，所以刻度板和 CCD 相机的位置对于测量结果存在很大影响，所以每次使用 都需要重新标定放大倍率。

物方远心镜头使用物方远心光路结构设计，相较于普通镜头，物方远心镜头以低 畸变、大景深、高分辨率为主要特征。