CN105765339A

CN105765339A - 远心透镜

Info

Publication number: CN105765339A
Application number: CN201480064463.2A
Authority: CN
Inventors: 克劳迪奥·塞达扎里
Original assignee: Individual
Current assignee: Opto Engineering Ag
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: ITBS20130179A1; CN105765339B; WO2015079335A1; EP3074720A1; KR20160091909A; EP3074720B1; JP2016540265A; JP6567542B2; US20160291297A1; US10394005B2

Abstract

一种远心透镜(100)，包括适配为接收来自所观察的物体的射线的前光学组(112)和适配为向传感器(30)传输所述射线的后光学组(114)。前光学组(112)与后光学组(114)中的至少一个光学组仅由两个正焦透镜(112’、114’)组成。人工视觉设备(1)包括远心透镜(100)和具有抛物面的半反射器元件(22)的照明设备(20)。

Description

远心透镜

本发明涉及一种远心透镜，该远心透镜在用于人工视觉的装置中使用，尤其是用于执行物体的尺寸测量。

众所周知，人工视觉通常使用远心透镜以用于尺寸测量应用。图1示出了根据现有技术的远心透镜的光学示图。

远心透镜10具有主光机械轴线(mainopto-mechanicalaxis)X并且包括适配为接收来自待观察的物体的射线的前光学组12和适配为将所述射线向视觉装置的传感器传输的后光学组14。远心透镜10与惯用的、或者“近心(entocentric)”透镜的不同之处在于，远心透镜仅从被观察的物体接收重力射线(gravityray)(或者主射线)的中心与主光机械轴线X平行的射线锥束(coneofray)R。为此，远心透镜必须具有至少与聚焦的物体的对角线一样宽的前透镜FL。在远心透镜中，孔口(aperture，孔径)16定位在前光学组的焦点中：这意味着通过进入光学系统的射线可以看到入瞳(entrypupil)，好像入瞳在无限的空间中。事实上，这类透镜准确地被称为远心透镜，因为入瞳(或者光学系统的“中心”)是虚拟无限的。

使用远心透镜主要因为它们允许在光学上校正视差，即，与观察者更接近的物体好像相对较大的现象。事实上，不管工作距离，利用远心透镜，框起来的物体的尺寸保持不变。

借助于孔口16当前使用的尺寸并且为了校正远心透镜的光学像差，远心透镜需要很多透镜，通常每个透镜成形为不同于另一透镜，并且特别地，通常使用高色散玻璃(也称为“火石(flint)”玻璃)制造一个或多个负焦透镜(negativefocallense)30和32，例如在图1中示出的。应注意，负焦透镜的制造通常比正焦透镜的制造更复杂并且昂贵，因为首先需要至少一个光学表面制成凹形。另外，火石玻璃通常比普通的低色散玻璃(也称为“冕”玻璃)更昂贵，并且成本中的这种差异对透镜的制造很显著。

为了校正像差(chromaticaberration)，需要使用火石玻璃以使每个远心透镜在可见光谱范围中或者任何情况下在足以引起相同的远心透镜的分辨率的严重损失的足够大的光谱范围中操作，如果仅使用冕玻璃，通常不足以提供这种像差的校正。

制造这种负透镜30和32的复杂度，结合需要的形状的种类和制造远心透镜需要的光学组件的总体数量，除了高的成本之外，还会使其制造复杂，这是因为这些构造因素导致更难以获得透镜组件的最佳对准。

本发明的目标是提出一种能够避免参考现有技术的上述缺点的远心透镜。

本发明的另一目标是提出一种具有简单结构的远心透镜，并且因此与目前已知的远心透镜相比，在不影响获得的数字图像的质量的情况下更可靠、更便宜并且体积更小。

利用根据权利要求1的远心透镜实现了上述目标。从属权利要求描述了本发明的优选实施方式。

根据本发明的远心透镜的特征和优点会从下文对本发明优选实施方式的描述中变得容易明显，这些优选实施方式参考附图，仅通过非限制性实例的方式提供，在附图中：

-图1示出了根据现有技术制成的远心透镜的光学示图；

-图2示出了根据本发明的远心透镜的光学示图；

-图3是具体实施方式中的根据本发明的远心透镜的前光学组和后光学组的放大图；并且

-图4是包括图2的远心透镜的视觉装置的光学示图。

参考图2，根据本发明的远心透镜100具有主光机械轴线X并且包括适配为接收来自待观察的物体2的射线的前光学组112和适配为将所述射线向视觉装置的传感器30传输的后光学组114。远心透镜孔口(用参考标号16表示)位于前光学组112与后光学组114之间。

前光学组112旨在以这样的方式收集来自物体2的射线，即，使每个射线锥束的轴线借助于本身位于前光学组112的焦平面中的孔口16的位置而平行于主光机械轴线X。另一方面，后光学组114收集穿过孔口16的射线并且使射线聚焦在传感器30上以允许图像形成。根据该光学方案的优选实施方式，后光学组114定位为通过这样的方式使得孔口16也布置在后光学组114的焦平面上，即，确保透镜是双远心的。在双远心透镜的情况下，从物体2发起并且通过前光学组112收集的射线锥束，一旦穿过孔口16和后光学组114到达传感器30，则使得所述射线锥束的轴线垂直于传感器30本身的平面。

与远心透镜结合使用的照明设备和照相机的最近改进允许增加远心透镜可以收集并且因此传输到照相机的传感器上的光的量，并且允许增加照相机在即使传感器具有低照明度的情况下将通过远心透镜在传感器上生成的图像转换为具有很小噪声的数字信号的效率。

根据本发明的一个方面，前光学组112与后光学组114中的一个光学组仅由两个正焦透镜112’、114’组成。

更优选地，前光学组和后光学组均由两个正焦透镜112’、114’组成。

在优选实施方式中，前光学组112的透镜和/或后光学组114的透镜彼此相等。

在优选实施方式中，前光学组112的透镜和/或后光学组114的透镜是平凸透镜。

在优选实施方式中，前光学组112的透镜和/或后光学组114的透镜由冕玻璃(crownglass)制成。

在图3中示出的优选实施方式中，前光学组112的前透镜112’是平凸透镜并且定向为凸面面向被观察的物体，而后光学组114的后透镜114’是各个凸表面面向彼此的平凸透镜。远心透镜的该实施方式在透镜的形状和布置上的具体构造允许即使在没有由火石玻璃制成的透镜的情况下也能获得以校正像差为特征的图像。

在实用的实施方式中，由冕玻璃制成的前透镜112’彼此相同，具有187mm的第一曲率半径Rl和8.2mm的第一最大厚度Tl。由冕玻璃制成的后透镜114’彼此相同，具有32.4mm的第二曲率半径R2和8.5mm的第二最大厚度T2。

因此，有利地，远心透镜100不包括具有负焦距的光学元件并且不包括由火石玻璃制成的光学元件。

这种设计确保了非常紧密并且明显比目前出售的更便宜的具有远心照明的远心透镜的制造。

在一个实施方式中，远心透镜的这种简化设计与等于f/12或者更小的远心透镜的孔口16相关联并且可能由该孔口制成。

上述远心透镜100可以有利地用于视觉装置1，尤其用于与如下所述的照明设备20协作结合做出物体的尺寸测量。因此，这种视觉装置1包括远心透镜100和适配为照亮待观察的物体2的照明设备20。

根据本发明的另一方面，照明设备20包括半反射器元件22，已知的技术术语中也称为“分束器”，沿着待观察的物体2的方向定位成超过前光学组112。该半反射器元件22具有大体上抛物面的表面的一部分的形状。照明设备20还包括定位在所述抛物面的焦点中的照明源24。

如在图4中所示，以这种方法，来自照明源24的光线被半反射器元件22反射并且彼此平行且平行于主光机械轴线X地向待观察的物体2传送。因此，物体的照明被准直(collimated)并且因此适用于远心视觉。

应注意，光线在其前向路径中没有穿过远心透镜100的光学系统，尤其光线没有穿过前光学组112。

一旦到达物体，光线就被反射并且向远心透镜100返回，穿过半反射器元件22。

以这种方法，获得以下优点：

-光学系统内没有杂散光；

-光学系统不需要为了减少杂散光现象的偏振器/分析器对；

-减小图像的散光的影响，因为半反射器元件放置在远心光学器件的外部。

在一个实施方式中，半反射器元件22由玻璃或者透明塑料制成。然后其表面可以被处理具有使其部分反射的涂层。

在优选实施方式中，半反射器元件22的表面所具有的延伸部至少等于远心透镜100的前光学组112(或者前透镜)的最大延伸的光学元件的延伸部。

另外，半反射器元件22的光的接受角(acceptanceangle)β大于前光学组112的射线的接受角α。因此，如果半反射器元件定位在前光学组与远心透镜孔口之间，如现有技术中发生的，那么半反射器元件22收集照明源24发出的大量光(大于前光学组能够收集的光)然后将光反射在物体2上。

由于这种照明系统，远心透镜100由上述不普通的、简化的光学设计制成不会影响视觉装置的性能。

具体地，因为照明设备定位在远心透镜的前光学组的下游，所以不再需要防止由透镜本身的前组透镜所引起的内部反射。

而且，不需要实施具有大孔口的透镜来补偿亮度损失。

根据本发明的另一方面，当从前面观察时，半反射器元件22可以制成矩形形状。换言之，抛物面的表面部分通过四个边(两两平行且相对)界定。以这种方法，获得以下优点：

-照明设备的机械尺寸减小；

-半反射器元件的制造成本降低；

-矩形光区域中的待观察的物体上的突出部清楚地表示远心透镜的观察目标，远心透镜与具有也是矩形的传感器的照相机相结合。

应注意，照明设备20可以实施为在与容纳远心透镜100的光学系统相同的外壳中，因此与相同的远心透镜形成单个体，或者实施为仅在必要时耦接至远心透镜100的附件的形式。

因此，本发明的又一目标是，用于远心透镜的照明设备包括具有大体上抛物面的表面的一部分的形状的半反射器元件和定位在所述椭圆抛物面的焦点中的照明源。照明设备设置有用于耦接至远心透镜的前光学组的接合部，以使得来自照明源并且通过半反射表面反射的光线彼此平行并且平行于远心透镜的主光机械轴线。

本领域的技术人员为了满足偶然的需要在不违背所附权利要求的范围的情况下，可以利用其他功能等效的元件对根据本发明的远心透镜的实施方式做出元件的多种变化、调整和替换。描述为属于可能的实施方式的特征的每一个可以独立于描述的其他实施方式获得。

Claims

1.远心透镜(100)，所述远心透镜包括适配为接收来自所观察物体的射线的前光学组(112)和适配为向传感器(30)传输所述射线的后光学组(114)，其特征在于，所述前光学组(112)和所述后光学组(114)中的至少一个光学组由两个正焦透镜(112’、114’)组成。

2.根据权利要求1所述的远心透镜，其中，所述前光学组和所述后光学组两者均由两个正焦透镜(112’、114’)组成。

3.根据权利要求1或2所述的远心透镜，其中，所述前光学组的透镜和/或所述后光学组的透镜彼此相等。

4.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述前光学组的透镜和/或所述后光学组的透镜是凸透镜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述前光学组的透镜和/或所述后光学组的透镜是平凸透镜。

6.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述前光学组的透镜和/或所述后光学组的透镜由冕玻璃制成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述前光学组的透镜是平凸的并且定向为凸表面面向所观察的物体，并且其中，所述后光学组的透镜是平凸的，其中各个凸表面面向彼此。

8.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，所述远心透镜所具有的孔口(16)等于或小于f/12。

9.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述孔口位于所述后光学组(114)的焦平面上。

10.用于人工视觉的装置，所述装置特别地用于执行物体的尺寸测量，所述装置包括根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜(10)和适于照亮待观察物体的照明设备(20)，其中，所述远心透镜具有主光机械轴线(X)，其中，所述照明设备(20)包括半反射器元件(22)，所述半反射器元件在待观察物体的方向上定位成超过所述前光学组(12)，并且所述半反射器元件大体上具有抛物面的表面的一部分的形状，所述照明设备包括照明源(24)，所述照明源定位在所述抛物面的焦点中，使得来自所述照明源并通过所述半反射器元件反射的光线彼此平行并且平行于所述主光机械轴线(X)。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述半反射器元件(22)具有的延伸部至少等于所述远心透镜的所述前光学组(12)的具有最大延伸的光学元件的延伸部。

12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述半反射器元件的光的接受角大于所述前光学组的射线的接受角。

13.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，当从前方观看时，所述半反射器元件(22)是矩形形状的。