CN106441159A - 一种基于平行成像的光学精细测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于平行成像的光学精细测量的方法，1）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：3）景深范围内放大倍率一致：4）采用正面平行背光照明：使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。

Description

一种基于平行成像的光学精细测量的方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于平行成像的光学精细测量的方法。

背景技术

1）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。

2）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。

3）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。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于平行成像的光学精细测量的方法，使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。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于平行成像的光学精细测量的方法，包括以下步骤：

1）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，在光学结构上保证物距在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：

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，使检测目标轮廓锐利，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。

所述的光学系统由BTMS测量设备、双远心镜头组件、平行背光组件、待检工装组建、工业相机、图像处理单元、工控机组成，双远心镜头组件通过定心卡箍固定于BTMS测量设备的检测台上，平行背光组件通过钣金外壳固定于BTMS测量设备的检测台上，双远心镜头组件、平行背光组件、待检工装组建安装于同一光轴上，双远心镜头组件后端设有工业相机，工业相机连接BTMS测量设备的图像处理单元，图像处理单元设有工控机。

所述的双远心镜头组件将5组不同折射率和阿贝系数等参数的光学镜片按照光学曲率冷加工出来，并根据光学间隔组合起来，通过结构控制单独每组镜片的通光孔径使得整个光学系统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，其中双远心镜头组件由前组、光阑中组、后组、C接口结构件组成，其中前组由前组压圈A、前组镜片A、前组压圈B、前组镜片B、前组压圈C、前组镜片C、前镜筒A、前镜筒B组成；光阑中组由中组镜筒、光阑组成；后组由后组胶合、后组隔圈、后组镜片、后组压圈、后镜筒组成。

所述的平行背光组件在背光发光模组上按集合阵列方式排布LED灯，并设有漫反射透光板及导光层。

所述的光阑设计在第三组胶合片和第四组镜片之间，第一片透镜的中心厚度34.6-34.7mm，第二片透镜的中心厚度28.8-29.8mm,第三片透镜的中心厚度16.94-17.06mm,第四片胶合镜片的中心厚度9.20-9.30mm,第五片透镜的中心厚度4.20-4.24mm。

本发明的有益效果是：

1、双远心系统小于0.1%的物方远心偏差使得在实际应用的时候不需要太精确的测量工件垂直度标定，530mm的物距，即使安装过程中垂直度偏差超过1%，即光学系统中心和工件几何中心位移偏差6mm左右，测量精度也可以保证在一个精度像素范围内。此外这个远心的远心度其实就是高准直性，它本身能实现对所有材质进行轮廓检测，不会出现一般的系统对玻璃、液体等透明物体轮廓无法捕捉的问题，轮廓细节特征的对比度也会大大增强，一般的系统轮廓像素灰度过渡是黑灰白，且灰色区域有大范围的渐变，宽度比较大，而我们做的双远心系统轮廓像素灰度过渡带只有一条，即介于黑色和白色边界的灰色像素过渡只有一条，大大增加了后期软件对轮廓提取的精度和准确性。

2、160mm的超大景深可以保证即使在剧烈震荡的环境下，光学系统依然能清晰的对焦，且可以同时聚焦清晰160mm以内的产品细节特征，保证尽可能多的同时检测到更多空间的细节信息。这些都是传统的光学系统没办法实现的。

该方法使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为本发明的光学系统总图。

图2为本发明的MTF（调制光学传递函数曲线）示意图。

图3为本发明的弥散圆分布图。

图4为本发明的场曲和畸变示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种基于平行成像的光学精细测量的方法，包括以下步骤：

1）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，在光学结构上保证物距在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：

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，使检测目标轮廓锐利，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。

所述的光学系统由BTMS测量设备、双远心镜头组件、平行背光组件、待检工装组建、工业相机、图像处理单元、工控机组成，双远心镜头组件通过定心卡箍固定于BTMS测量设备的检测台上，平行背光组件通过钣金外壳固定于BTMS测量设备的检测台上，双远心镜头组件、平行背光组件、待检工装组建安装于同一光轴上，双远心镜头组件后端设有工业相机，工业相机连接BTMS测量设备的图像处理单元，图像处理单元设有工控机。

所述的双远心镜头组件将5组不同折射率和阿贝系数等参数的光学镜片按照光学曲率冷加工出来，并根据光学间隔组合起来，通过结构控制单独每组镜片的通光孔径使得整个光学系统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，其中双远心镜头组件由前组、光阑中组、后组、C接口结构件组成，其中前组由前组压圈A、前组镜片A、前组压圈B、前组镜片B、前组压圈C、前组镜片C、前镜筒A、前镜筒B组成；光阑中组由中组镜筒、光澜组成；后组由后组胶合、后组隔圈、后组镜片、后组压圈、后镜筒组成。

所述的平行背光组件在背光发光模组上按集合阵列方式排布LED灯，并设有漫反射透光板及导光层。

所述的光阑设计在第三组胶合片和第四组镜片之间，第一片透镜的中心厚度34.6-34.7mm，第二片透镜的中心厚度28.8-29.8mm,第三片透镜的中心厚度16.94-17.06mm,第四片胶合镜片的中心厚度9.20-9.30mm,第五片透镜的中心厚度4.20-4.24mm。

Claims (1)

1.一种基于平行成像的光学精细测量的方法，其特征在于利用光学镜头物方和像方双侧远心光路的成像原理，通过高锐度（利用棋盘格标定板测试，物方锐度小于相机的一个像元大小除以镜头的光学倍率，过度锐度范围计算小于0.02mm）的轮廓边缘特征提取，从而实现精细的测量结果；

要想实现这个目标，整个光学镜头部分的光学设计需要重点解决以下及个方面的问题：

1）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；设计下来 系统物方远心度在0.03%-0.08%之间，像方远心度在0.06%-0.1%之间，通过1mm的分划板标定样品镜头实测是在这个范围内；

这样的远心度整体小于0.1%就可以保证整个系统的光学倍率偏差在0.1%范围内；

在设计的过程中要控制光学系统物面每一个发光点光轴几何中心和镜头主光轴的夹角，我们通过计算夹角的正切值来判断远心度对整个光学系统倍率变化的影响，确保远心度偏差范围内物距在景深范围内移动变化后的视场偏差在单位物方分辨率的范围内；

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，在光学结构上保证物距在160mm范围内的纵深都能成像且畸变小于0.08%；一般的成像镜头光学畸变都在6%及其以上，如果用在测量会造成大范围的误差；

我们在光学设计上重点优化了畸变的物理量，使得最大的畸变偏差小于0.08%，畸变是因为在同样的物距条件下不同视场区域产生了不同的光学倍率，我们一般会将系统分为5段视场区域去控制畸变的变化量，0、0.2、0.5、0.7、1，在这五个视场区域内分别计算，利用光学设计里优化这五个视场的畸变权重，分配和合理的像差系数，保证全视场范围内畸变最大偏差在0.08%范围内；

从而最终保证视场不同区域内倍率的变化范围在这个比例之内；

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：

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，使检测目标轮廓锐利，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。