Что такое телецентрический объектив: принцип, типы и когда его применять

Краткий ответ: телецентрический объектив спроектирован так, что главные лучи со стороны предмета выходят параллельно оптической оси. Практическое следствие: размер изображения не меняется, когда деталь приближается к плоскости фокуса или удаляется от неё. Для измерений это значит, что кромка детали на другой высоте не смещается, а один и тот же размер, измеренный в центре и на краю поля, даёт одно и то же число.

Какую задачу он решает

В обычном объективе световой конус, формирующий каждую точку изображения, приходит на сенсор под углом, который зависит от положения в поле. В центре главный луч почти перпендикулярен, на краю он может отклоняться на 15–20°. Если у детали есть рельеф — ступенька, фаска, цилиндр, — верхняя и нижняя кромки проецируются не в одно место, и на изображении видна боковая стенка, которой быть не должно. Это смещение называют ошибкой перспективы; оно растёт с высотой и с углом луча.

Кроме того, эффективное увеличение обычного объектива меняется с расстоянием наводки. Перефокусировка на деталь выше по высоте слегка меняет масштаб всего изображения: калибровка, сделанная на одной высоте, на другой уже неверна. Для визуального контроля это несущественно; для размерных измерений с допуском в микрометры это доминирующая ошибка.

Как это достигается

Обычная конструкция ставит апертурную диафрагму в фокальную плоскость передней группы. Все главные лучи проходят через эту точку и выходят из группы параллельно оси, а задняя группа строит изображение на сенсоре. Система телецентрична со стороны предмета.

Если диафрагма стоит также в фокусе задней группы, система телецентрична и со стороны изображения: тогда сенсор можно слегка сместить, и размер изображения не изменится, а виньетирование не появится. Это двойное условие и называют бителецентриком; его применяют в требовательной оптической метрологии.

Типы на практике

Телецентрик со стороны предмета. Большинство промышленных измерительных объективов. Устраняет ошибку перспективы и стабилизирует увеличение по высоте.

Бителецентрик. Добавляет устойчивость к положению сенсора. Производитель указывает круг изображения и числовую апертуру с обеих сторон; такой объектив крупнее и дороже.

Макротелецентрик. Увеличения от 0,5X до 5X при коротком рабочем расстоянии, для деталей меньше 5 мм. Передняя линза небольшая, но рабочее расстояние падает до 40–80 мм, что усложняет освещение.

Что означает телецентричность в градусах

Это максимальное отклонение главного луча от оси, обычно на краю поля. Значение 0,02° даёт при разбросе высоты 1 мм боковое смещение 1 × tan(0,02°) ≈ 0,35 мкм. Значение 0,5° даёт 8,7 мкм — это уже порядок типичного допуска при точной механообработке. Поэтому именно телецентричность, а не увеличение, определяет, годится ли объектив для измерений.

Когда применять и когда не применять

Применять, когда измеряют размер на детали с рельефом, когда деталь лежит неидеально, когда нужно измерять на краю поля с той же точностью, что в центре, или когда смотрят в глубокое отверстие и хотят видеть дно, а не стенки. Также когда важна повторяемость между операторами — объектив убирает зависимость от наводки.

Не применять, когда нужное поле больше 100 мм (передняя линза становится несоразмерной), когда нужно только обнаружить наличие или положение без жёсткого допуска, или когда деталь настолько зеркальна, что реальная проблема в освещении, а не в геометрии лучей. В последнем случае решение — телецентрик с коаксиальным освещением, а не другой объектив.

Частые вопросы

У телецентрика больше глубина резкости, чем у обычного объектива?

Не обязательно. Глубина резкости определяется числовой апертурой и увеличением, а не телецентричностью. Меняется другое: внутри этой глубины увеличение не меняется, поэтому она пригодна для метрологии на всей своей протяжённости.

Нужна ли калибровка, если объектив телецентрический?

Да. Телецентричность убирает зависимость от высоты, но не задаёт масштаб. Нужна калибровка по эталонной мере или аттестованной сфере, чтобы перевести пиксели в миллиметры, и проверка калибровки в центре и минимум в двух точках края поля.

Подходит ли для глубоких отверстий?

Да, это один из самых понятных случаев: лучи идут параллельно, и дно видно без того, чтобы стенки закрывали кромку. Ограничение — отношение диаметра отверстия к числовой апертуре: очень узкие и глубокие отверстия начинают дифрагировать и теряют контраст.

Почему передняя линза такая большая?

Потому что для параллельности лучей по всему полю передняя группа должна быть не меньше диаметра поля, а на практике больше. Отсюда рост габарита и цены вместе с полем.

Можно ли использовать с подсветкой на просвет?

Да, и это самое точное сочетание для измерения контуров: деталь видна силуэтом на светлом фоне, а кромка определяется с субпиксельной точностью. Нужно, чтобы деталь находилась между источником и объективом и хватало места в механике.

Смотрите также

• Руководство по выбору: четыре расчёта
• Телецентрик против FA-объектива
• Расчёт увеличения и поля зрения
• Коаксиальное освещение