CN106017318A - 视觉测量光学系统装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了视觉测量光学系统装置。包括视觉采集硬件、图像处理单元及机柜，所述机柜承载所述视觉采集硬件和图像处理单元置于其顶部，所述视觉采集硬件包括双远心镜头组件、平行光源组件及工业相机，所述双远心镜头组件和平行光源组件分别设于所述待测工件两侧，且三者安装在同一光轴，所述工业相机设于所述双远心镜头组件远离所述平行光源组件的一端；所述图像处理单元包括图像处理模块及控制模块，所述控制模块与所述工业相机数据信号连接。本发明采用双远心镜头光学系统，采用物方远心和像方远心结合的光学结构来设计整个镜头的光学系统，物方远心的像面和像方远心的物面重合在整个系统的光阑处，控制光阑的通光孔径满足整个光学系统的远心度要求。

Description

视觉测量光学系统装置
【技术领域】
本发明涉及非标自动化测量项目，具体涉及一种视觉测量光学系统装置。
【背景技术】
现有技术的工件每次装夹偏差引起的精度偏差的问题。虽然有固定工装确定工件的装夹位置，但由于每次都会有不确定的毫米级偏差，这种偏差对精度在缪级的测量需求来说就有非常大的影响。
工件由于本身的轮廓或是特征点无法集中在同一平面上，但需要一次性将所有的轮廓曲线或特征点高精度的提取出来，由于一般的光学系统都存在一定的景深，采集图像的时候聚焦平面往往需要确定在纵深很短的某一个平面上，这样的工件在空间范围内测量时就无法达到测试的精度要求，往往需要多个工位分范围的拆分测量任务，这样就增大了硬件成本，由于各个工位之间需要协同工作，这样对软件控制和硬件安装精度也有很高的要求，所以成功的概率非常低。
一般的工件非接触式测量对外界照明环境要求很高。一般的光学镜头因为边缘入射光线和主光轴有较大偏角的原因，拍摄工件时需要保证镜头和工件的垂直度。如果垂直度无法保证，镜头和工件沿光轴夹角的角度区域就会有不同程度的阴影产生。如果用户使用的是黑白相机做尺寸测量，那么取灰度图的过程中就很难找到工件的边缘轮廓，这样测量精度就无法保证。
因此，有必要提供一种视觉测量光学系统装置。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种视觉测量光学系统装置，包括视觉采集硬件、图像处理单元及机柜，所述机柜承载所述视觉采集硬件和图像处理单元置于其顶部，所述视觉采集硬件包括双远心镜头组件、平行光源组件及工业相机，所述双远心镜头组件和平行光源组件分别设于所述待测工件两侧，且三者安装在同一光轴，所述工业相机设于所述双远心镜头组件远离所述平行光源组件的一端；所述图像处理单元包括图像处理模块及控制模块，所述控制模块与所述工业相机数据信号连接。
优选的，所述双远心镜头组件包括依次连接的前组镜头、中组光澜及后组镜头，所述前组镜头包括依次叠设于第一前镜筒和第二前镜筒的第一前组压圈、第一前组镜片、第二前组压圈、第二前组镜片、第三前组压圈、第三前组镜片、；所述中组光澜包括中组镜筒和光澜；所述后组镜头包括后镜筒及依次叠设于所述后镜筒的后组胶合镜片、后组隔圈、后组镜片、后组压圈。
优选的，所述第一前组镜片中心厚度34.6-34.7mm；所述第二前组镜片的中心厚度28.8-29.8mm；所述第三前组镜片的中心厚度16.94-17.06mm；后组胶合镜片的中心厚度9.20-9.30mm；所述后组镜片的中心厚度4.20-4.24mm。
优选的，所述第一前组镜片为H-K9L光学玻璃；所述第二前组镜片为H-K9L光学玻璃；所述第三前组镜片为H-F13光学玻璃；后组胶合镜片为H-ZK3或H-ZF1光学玻璃；所述后组镜片为H-BAK8光学玻璃。
优选的，所述平行光源组件包括具LED的背光发光模组和具导光层的漫反射透光板，所述LED外包覆透光层，所述LED与所述导光层间隔相对。
优选的，所述工业相机为CCD相机。
本发明的有益效果在于：
1、采用双远心镜头光学系统，采用物方远心和像方远心结合的光学结构来设计整个镜头的光学系统，物方远心的像面和像方远心的物面重合在整个系统的光阑处，控制光阑的通光孔径满足整个光学系统的远心度要求。
2、大景深近乎零畸变；物方远心结构可以保证镜头在固定物距的情况下有较大的景深，镜头只有物方平行于主光轴的光线经过光学系统的折射后汇聚通过光阑，所以在光学结构上可以保证物距在160mm范围内的纵深都能成像且畸变小于0.08％。
3、景深范围内放大倍率一致；整系统的远心度控制在0.1％范围内，放大倍率0.046最大匹配2/3"成像芯片。镜头的弥散圆直径0.02mm,按镜头物距530±10mm的物距加上镜头景深160mm来计算，整个镜头在景深范围内任意移动物距，镜头的视场的变化<0.1％,远远小于整个镜头弥散圆直径。这也就是说整个镜头在景深范围内随便移动，镜头视场和倍率的变化可以忽略。
4、采用正面平行背光照明；减小整机测量硬件的外形轮廓尺寸的同时，并保证了极佳的外置照明。在设计光学系统的时候，主要考虑应用于工业检测中，在平衡像差的过程中重点权衡了畸变和远心度的参数。配合平行光源使用，是的检测目标轮廓锐利，使得镜头最后的成像质量得到最大限度的优化，保证了测试数据的精准。
【附图说明】
图1为本发明视觉测量光学系统装置的结构框图；
图2为图1所示双远心镜头组件的结构框图；
图3为图1所示平行光源组件的结构框图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请同时参阅图1至图3，本发明公开一种视觉测量光学系统装置1，包括视觉采集硬件11、图像处理单元13及机柜15，所述机柜15承载所述视觉采集硬件11和图像处理单元13置于其顶部。
所述视觉采集硬件11包括双远心镜头组件111、平行光源组件113及工业相机115，所述双远心镜头组件111和平行光源组件113分别设于所述待测工件两侧，且三者安装在同一光轴，所述工业相机115设于所述双远心镜头组件111远离所述平行光源组件113的一端。
所述图像处理单元13包括图像处理模块131及控制模块133，所述控制模块133与所述工业相机115数据信号连接。
在本实施例中，所述工业相机115为CCD相机。
所述双远心镜头组件111包括依次连接的前组镜头1111、中组光澜1113及后组镜头1115，所述前组镜头1111包括依次叠设于第一前镜筒11111和第二前镜筒11113的第一前组压圈11114、第一前组镜片11115、第二前组压圈11116、第二前组镜片11117、第三前组压圈11118、第三前组镜片11119；所述中组光澜1113包括中组镜筒11131和光澜11133；所述后组镜头1115包括后镜筒11151及依次叠设于所述后镜筒11151的后组胶合镜片11152、后组隔圈11153、后组镜片11154、后组压圈11155。
采用双远心镜头组件111，用物方远心和像方远心结合的光学结构来设计整个镜头的光学系统，物方远心的像面和像方远心的物面重合在所述视觉测量光学系统装置1的中组光澜1113处，控制所述中组光澜1113的通光孔径满足所述视觉测量光学系统装置1的远心度要求。
所述第一前组镜片11115中心厚度34.6-34.7mm；所述第二前组镜片11117的中心厚度28.8-29.8mm；所述第三前组镜片11119的中心厚度16.94-17.06mm；后组胶合镜片11152的中心厚度9.20-9.30mm；所述后组镜片11154的中心厚度4.20-4.24mm。
所述第一前组镜片11115为H-K9L光学玻璃；所述第二前组镜片11117为H-K9L光学玻璃；所述第三前组镜片11119为H-F13光学玻璃；后组胶合镜片11152为H-ZK3或H-ZF1光学玻璃；所述后组镜片11154为H-BAK8光学玻璃。
具体的，将不同折射率和阿贝系数等固有参数的所述第一前组镜片11115、所述第二前组镜片11117、所述第三前组镜片11119、后组胶合镜片11152、所述后组镜片11154按照一定的光学曲率，经过设定好的工艺流程冷加工出来，再将其遵照设计好的的光学间隔组合起来，通过结构控制好单独每组镜片的通光孔径使得所述视觉测量光学系统装置1的主光线能够将平行于光轴，物距530±10mm的光线收集到镜头靶面视场上。
大景深近乎零畸变；物方远心结构可以保证镜头在固定物距的情况下有较大的景深，镜头只有物方平行于主光轴的光线经过光学系统的折射后汇聚通过光阑，所以在光学结构上可以保证物距在160mm范围内的纵深都能成像且畸变小于0.08％。
景深范围内放大倍率一致；所述视觉测量光学系统装置1的远心度控制在0.1％范围内，放大倍率0.046最大匹配2/3"成像芯片。镜头的弥散圆直径0.02mm,按镜头物距530±10mm的物距加上镜头景深160mm来计算，整个镜头在景深范围内任意移动物距，镜头的视场的变化<0.1％,远远小于整个镜头弥散圆直径。这也就是说整个镜头在景深范围内随便移动，镜头视场和倍率的变化可以忽略。
所述平行光源组件113包括具LED11311的背光发光模组1131和具导光层11331的漫反射透光板1133，所述LED11311外包覆透光层11313，所述LED11311与所述导光层11331间隔相对。
具体的，将LED11311按照一定的几何阵列排布在背光发光模组1131上，通过计算每组LED11311发光角度，阵列计算出背光发光模组1131的光线发散角度，通过特有的二次配光设计，设计出LED11311外包覆透光材质和形状的透光层11313，最后通过漫反射透光板1133外的导光层11331将各种发散角度的光线滤成平行光射出。
采用平行光源组件113；减小整机测量硬件的外形轮廓尺寸的同时，并保证了极佳的外置照明。在设计光学系统的时候，主要考虑应用于工业检测中，在平衡像差的过程中重点权衡了畸变和远心度的参数。配合平行光源使用，是的检测目标轮廓锐利，使得镜头最后的成像质量得到最大限度的优化，保证了测试数据的精准。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种视觉测量光学系统装置，其特征在于，包括视觉采集硬件、图像处理单元及机柜，所述机柜承载所述视觉采集硬件和图像处理单元置于其顶部，所述视觉采集硬件包括双远心镜头组件、平行光源组件及工业相机，所述双远心镜头组件和平行光源组件分别设于所述待测工件两侧，且三者安装在同一光轴，所述工业相机设于所述双远心镜头组件远离所述平行光源组件的一端；所述图像处理单元包括图像处理模块及控制模块，所述控制模块与所述工业相机数据信号连接。
2.根据权利要求1所述的视觉测量光学系统装置，其特征在于：所述双远心镜头组件包括依次连接的前组镜头、中组光澜及后组镜头，所述前组镜头包括依次叠设于第一前镜筒和第二前镜筒的第一前组压圈、第一前组镜片、第二前组压圈、第二前组镜片、第三前组压圈、第三前组镜片、；所述中组光澜包括中组镜筒和光澜；所述后组镜头包括后镜筒及依次叠设于所述后镜筒的后组胶合镜片、后组隔圈、后组镜片、后组压圈。
3.根据权利要求2所述的视觉测量光学系统装置，其特征在于：所述第一前组镜片中心厚度34.6-34.7mm；所述第二前组镜片的中心厚度28.8-29.8mm；所述第三前组镜片的中心厚度16.94-17.06mm；后组胶合镜片的中心厚度9.20-9.30mm；所述后组镜片的中心厚度4.20-4.24mm。
4.根据权利要求2所述的视觉测量光学系统装置，其特征在于：所述第一前组镜片为H-K9L光学玻璃；所述第二前组镜片为H-K9L光学玻璃；所述第三前组镜片为H-F13光学玻璃；后组胶合镜片为H-ZK3或H-ZF1光学玻璃；所述后组镜片为H-BAK8光学玻璃。
5.根据权利要求1所述的视觉测量光学系统装置，其特征在于：所述平行光源组件包括具LED的背光发光模组和具导光层的漫反射透光板，所述LED外包覆透光层，所述LED与所述导光层间隔相对。
6.根据权利要求1所述的视觉测量光学系统装置，其特征在于：所述工业相机为CCD相机。
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