CN107250870B - 具有主柱面柱镜的远心光学物镜的图像获取设备 - Google Patents

Abstract

一种用于获取物体的没有透视视差的图像的图像获取设备，所述设备包括：照明设备(34)；具有线性传感器的照相机(24)；以及远心光学物镜(27)，该远心光学物镜包括：光学组件(13)，其用于形成物体的真实图像(16)并被放置在照相机(30)和物体之间；光阑(20)，其被放置在光学组件(13)和物体之间；主透镜，所述主透镜由柱面透镜(23)构成以使得：柱面透镜(23)的通过光阑(20)的孔(21)和光学组件(13)的光轴(AO)在图像传感器中心点处与图像传感器的平面垂直相交；以及柱面透镜(23)的柱轴线与光轴正交，所述光轴也是图像传感器的主轴线。

Description

具有主柱面柱镜的远心光学物镜的图像获取设备

技术领域

本发明涉及一种配备有具有主柱面透镜的远心光学物镜的图像获取设备。

特别地，本发明涉及一种新型的远心光学物镜，其中主透镜由简单或组合柱面透镜构成，该柱面透镜与一系列技术装置一起适用于构造基于线性照相机的使用的图像获取系统。

背景技术

如本领域现有技术中已知的，远心光学器件是能够在照相机的获取传感器上形成几乎没有透视效果的真实图像的物镜，就好像其视点被置于无穷远处。以这种方式，当物体拍摄距离至少在由远心光学器件本身的景深给出的距离范围内变化时，物体的尺寸通过远心光学器件看起来几乎恒定。

因此，本发明的主要应用领域是基于线性照相机的使用的观察系统，通过使用图像处理技术进行的“非接触”措施来执行形状和尺寸的几何检查。

已知技术的一个限制是由于高成本和难以制造用于当前远心光学器件的前透镜或主透镜，由于这种原因，前透镜或主透镜很少超过300mm的直径。本发明允许大大超越这种结构限制，这是因为柱面折射元件的操作允许获得更大的尺寸，甚至大于2000mm。因此，所发现的光学组合可以应用于可使用远心光学器件但由于测量领域具有比300mm大的尺寸而不能使用的所有情况。

在大多数情况下，远心光学器件由屈光系统制成，即仅由折射表面或球面透镜构成的系统。远心光学器件的经典方案可以在专利US-A-6,324,016的图1中找到，如在本说明书的图1中近似地示出，且具有新的附图标记。在图1的图中，可以看出，由于具有孔21的不透明光阑20插入到主透镜12的焦点F中，仅分别平行并几乎平行于光轴AO的光线18和19被控制以穿过孔21，从而得到被观察物体15的真实图像16。相反，不平行于光轴AO的光线17被光阑20阻挡。术语“真实图像”是指根据几何光学定律由光线的相交点形成的图像。远心光学器件被工业生产，即使是非常知名的公司，如卡尔蔡司；它们在技术领域中被称为特殊物镜，其特征在于形成被观察物体的真实图像，其中透视视差被实际上取消：作为简化，可以指出远心光学器件提供某一物体的视图，就像该视点被放置在与物体本身无限远的距离处。

从构造的角度来看，远心光学器件由主会聚透镜12以及光学组件13构成，该主会聚透镜12通常由多个简单的透镜构成以形成放置在被观察物体前方的消色差或消多色差组件，该光学组件13用于形成真实图像并且在构造实践中始终被整合在远心光学器件10本身的本体中。这意味着，在相同视场的情况下，该构造尺寸比传统的光学器件大得多。操作距离WD通常较小，并且在大多数情况下具有与前透镜的直径相同的数量级。

已知用于减小远心光学器件的整体尺寸的装置，特别是使用反射镜来使得光路完全并使得所得到的整体尺寸更小。这种装置是上述专利US-A-6,324,016中公开的发明的一部分。反射折射远心解决方案也是已知的，其中，代替主折射透镜，使用抛物面镜。这种远心光学器件具有与制造天文望远镜已知的图相似的图。通过使用轴外抛物面镜可以获得反射折射远心系统的更好的实施例。反射折射远心实施例尚未成为观察系统的构造实践，使得可用的远心光学器件实际上是所有的屈光式光学器件。

通常，在远心光学器件的图像形成点中，放置照相机11的传感器14，以获取放置在视场中的物体15的数字图像。产生几乎完全没有透视效果的图像的特性使远心光学器件能够用于人工观察系统中以进行几何和尺寸检查，从而获得非接触式计量控制系统。

基于光学物理定律，很明显，在远心光学器件中，主透镜12(或反射折射组合中的反射镜)的尺寸A必须大于或至少等于其图像被获取的物体的尺寸。目前，市场销售的远心光学器件(Zeiss)具有高达240×240毫米的视场，该视场如果与线性照相机配合使用允许约300毫米宽的获取表面。即使可以获得具有视场且因此主透镜的直径大于300mm的远心实施例，其构造成本较高，以至于比其它测量系统(例如机械探测器)的成本都要大。对大远心光学器件的构造的进一步限制是通常可用的折射组件的小尺寸的光学玻璃：例如，实际上在市场上不可能找到具有长于500mm的侧边的光学硼硅酸盐玻璃Schott BK7制成的坯料。

已知远心光学器件实施例，其中主透镜是具有16″(即400mm)的视场的菲涅尔透镜(公司Light Work LCC)；根据制造商，这种光学器件的质量不足以进行计量检查。对主透镜的最小尺寸的光学物理约束决定了已知远心光学器件的主要结构限制，该结构限制可以理解为：除了昂贵的定制的实施例之外，不可能获得用于300mm以上的视场的物镜。

已知现有技术的另一个限制是用于形成真实图像13的光学组件与远心物镜10本体的整合。这种整合意味着固定的放大倍数，该放大倍数不能被修改且由远心光学器件产生的真实图像的宽度d与视场的尺寸D之间的比率给出。例如，如果远心物镜具有等于120mm的视场D，并且在焦平面上产生12mm的真实图像，则其特征在于具有0.1倍的放大倍率。为了充分利用这种远心光学器件，有必要将其与照相机耦合在一起，该照相机包括具有12mm对角线的图像获取传感器：由于缺乏照相机的传感器与用于所提供的应用的技术特征之间的尺寸对应关系，或者由于照相机的性能不足，尽管配备有适合尺寸的传感器，可能也无法找到有效的耦合。在市场上存在具有最广范围的传感器规格的多种照相机，这迫使远心光学器件的制造商具有非常广泛的可用商品目录，以便最佳地使得不同的开度(理论上可以达到的视场)适应许多规格的图像传感器。例如，为了形成具有10个开度的视场的远心光学器件的完整商品目录，以与20种图像传感器耦合，该商品目录将必须提供10×20＝200个不同的产品代码。

发明内容

为了解决现有技术的不便，并且获得这些和进一步的目的和优点，申请人已经研究、试验并完成了本发明。

在本发明的独立权利要求中公开并表征了本发明。

从属权利要求公开了本发明的其他特征或变体。

意图是所有所附权利要求是本说明书的一体组成部分。

为了克服对大尺寸透镜的制造的已知限制，因此不可获得开度A大于300mm的远心光学器件，申请人已经设计出了一种用于线性型图像传感器的新的光学远心方案，如图2所示，其中主透镜23是柱形的。

在这种光学方案中，透镜23必须放置成使得其光轴在图像传感器26的中心点处正交地入射在图像传感器26上；此外，透镜的柱轴线AC必须相对于线性图像传感器26正交地布置；最后，该透镜的焦线LF必须落在光阑20的孔21附近。

众所周知，通过在物体(或物件)和照相机之间产生沿着线性传感器的正交方向的相对扫描运动，而发生利用线性照相机进行图像获取。因此，沿着与透镜的柱轴线AC平行的Y轴发生扫描运动。

参照图2、4、5和6，本发明的具有柱面透镜的光学方案仅沿着由线性传感器给出的轴线(因此与轴线X平行)是严格远心的。尽管如此，可以证明，如果用线性照相机通过图2所示的光学器件且通过利用平行于轴线Y的运动进行扫描而获取某个物体的图像，那么所述图像没有透视效果。通过以下实证论证证明了这种说法。

考虑到如图3所示的一对物体或物件28和29。如果通过装备有传统的非远心光学器件的传感器阵列装置，将物件28和29从其垂直线上的高点照射到平面XY上，其中光学照射轴线平行于所述垂直线，则它们获得的图像类似于图4所示的图像。在具有透视效果的这种图像中，孔30的内壁和物件29的侧壁31是部分可见的。此外，由于物件28和29的厚度S1和S2不同，图4所示的图像中的视觉测量值MVL1和MVL2(属于具有相同测量值L的尺寸)是不同的，具体地，MVL2＞MVL1。

如果为了获取物件28和29的图像，则使用配备有线性传感器的照相机，该线性传感器总是配备有共用光学器件，假设扫描运动平行于轴线Y，则可以获得图5所示的图像。可以观察到：所述图像沿着扫描方向Y没有透视效果，具体地，MVL2＝MVL1：对于通过线性扫描获得的所有图像，该事实总是正确的，只要正交于线性传感器所定位于的直线并且在与光轴正交的平面上发生扫描。

现在，为了消除如图5所示的仅沿着轴线X的剩余透视效果，提供如图2所示布置的柱面透镜23就足够了；具体地说，透镜必须布置为使得其轴线AC与由线性传感器给出的线正交。以这种方式，本发明的远心光学器件27沿着X和Y两者产生没有透视效果的图像。与传统的远心物镜的主要区别是它们瞬间产生图像，而不需要扫描，而所述扫描会导致形成具有一系列时间上分离的事件的图像。

诸如23的柱面透镜可以沿着方向Y特别薄，例如具有包括在1mm和60mm之间的厚度：以这种方式，通过水射流切割，这种类型的透镜的坯料可以容易地从相同厚度且具有良好的光学质量的商业玻璃板获得。由于可以在市面上发现由冕玻璃(crown glass)制成的板，其玻璃具有低色散度且其尺寸约为6000×3000mm，可以容易地制造具有许多开度尺寸的柱面透镜的坯料。即使从板坯(例如但不限于：Schott BOROFLOAT 33，

33，

等)中可购得的玻璃在严格意义上不被归类为光学玻璃，但是它们具有诸如透明度，折射率等的光学属性，这些属性非常好，并且足以制造本发明的远心光学器件。

根据本发明的远心光学器件27的一个实施例，为了解决柱面透镜以与球面透镜受球面像差影响方式相同的方式受柱面像差影响的问题，有利地提供透镜23的变形体，在该变形体中，表面中的一个被成形为具有足够的“非柱面”轮廓(图9)。由申请人计算出的非柱面轮廓在“光线跟踪”模拟和两个制造的原型下都被证明是极好的：所述原型是两个柱面透镜，具有500mm的开度和1000mm的焦点，在执行测试中，所述柱面透镜实际上导致没有柱面像差。

如本领域已知的那样，柱面透镜(即由柱表面限定的透镜)具有柱面像差，该柱面相差由平行于透镜的光轴入射到透镜上的光线束的成像点在焦点附近的分散构成。这种像差相当于球面透镜(即由球面界定的透镜)的球面像差。可以使用已知的数字计算程序来计算允许去除柱面像差的几何轮廓。

通过对主透镜23采用双凸形轮廓(图9)来提供有利的方案，其中内轮廓40是非柱面的，而外轮廓41是柱面式的，且半径使远心物镜27的失真最大化。进一步的改进是对外部轮廓41也采用非柱面轮廓，该非柱面轮廓被计算以使得主透镜23具有与用于形成真实图像33的光学组件的几何失真相同但相反的几何失真。以这种方式，可以获得如下的远心光学器件，该远心光学器件除了消除透视视差之外还没有几何失真，其具有非接触式光学检查应用的巨大优点。

本发明的另一实施例可以通过将柱面透镜23形成为两个或更多个元件的组成来获得，以形成消色差或消多色差式光学组件。

本发明的远心物镜27的相当有利的实施例提供了用于形成真实图像16的光学组件13的替换方案，该替换方案具有已知类型的适当被选择的照相物镜33，其执行相同的功能。为了引入这样的变形体，在本发明的光学方案中，必须在照相物镜和照相机25的主体之间添加机械装配元件32。

在这种变形体中，照相光学器件33的可调光圈替代上述第一实施例的具有孔21的光阑20，从而获得结构简化。

通过适当地选择物镜33的焦点，主透镜的开度A可以适应于照相机的不同规格的图像采集传感器。通过引入用于形成图像的光学组件13与照相物镜的插入的可互换性，对于给定尺寸的视场的远心产品代码的数量被大大减少，从而超过了现有技术产品代码的扩散的限制。

通过插入用于形成真实图像16的照相光学器件33、以及变焦物镜，可以获得进一步的改进。因此，在前透镜23的最大开度A处或者在具有期望的视场(低于开度A)的情况下，可以最佳地适应多种形式的图像传感器26。

相对于现有技术，使用商业照相光学器件33作为用于形成真实图像的组件的优点是多方面的并且总结如下：

在主透镜23的开度A处适应具有不同形式的图像传感器的多个照相机的可能性，或者获得小于A的期望视场的可能性，使所获取图像的分辨率最大化的可能性；

容易调节聚焦的可能性；

通过作用于光学器件33的光圈上来调节景深的可能性；

对于本发明的远心光学器件的给定开度，具有单个物品代码的可能性。

附图说明

参照附图，从作为非限制性示例提供的本发明的一些实施例的以下描述中，将清楚地表现本发明的这些和其它特征：

图1是现有技术的远心物镜的示意图；

图2示出了根据本发明的第一实施例的柱面式主透镜23，其中该实施例规定，柱面透镜具有用于去除柱面像差的非柱面轮廓，此外，透镜23由适于减少其他形式的像差(例如色差)的多个元件构成；

图3、图4和图5示出了如前所述的本发明的操作；

图6示出了本发明的另一实施例，其包括已知类型的照相光学器件33用作在照相机24的传感器26上形成真实图像16的组件，其中该图包括装配在光学器件33的连接件和照相机25主体之间的适配器；

图7示出了作为非限制性示例的用于获取和处理图像的通用设备，其在本领域中被称为“观察系统”，该通用设备包括本发明，利用产生几乎没有透视视差的图像的属性来执行几何、尺寸和计量检查；

图8示出了作为非限制性示例的具有广角视场的通用图像获取和处理设备，其中在该图中，具有第一表面的合适的反射镜已经被插入以在三个部分中折叠光路，并且广泛地包含包括本发明的设备的尺寸；和

图9示出了作为非限制性示例的本发明的光学器件的一种应用，其用作用于生成适合于在3D图像获取方案中使用的一维准直束的系统，其具有相对于这种类型的已知系统的更好的性能。

具体实施方式

术语“具有第一表面的镜子”是指具有放置在前面的反射表面的反射镜，使得入射光线和反射光线不会穿过构成反射镜主体的玻璃。

必须注意的是，在所有附图中，为了使得附图更加清楚，省略了用于支撑和承载拉伸部件的元件，并且因为容纳和支撑元件不是关于本发明的创新。无论如何，支持和容纳元件是实践本发明所必需的，并且在本说明书中包括所有信息的益处的情况下，本领域的任何技术人员将能够实践本发明。

很清楚，在这里描述的具有柱面透镜23的远心光学器件27中，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以对部件进行修改和/或添加。

还清楚的是，虽然已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员将一定能够创造具有在权利要求中表达的特征的远心光学器件的许多其它等效实施例，并且因此这些等效实施例全部落在在此限定的保护范围内。

图7示意性地示出了用于获取放置在工业大规模生产环境中的各种类型的物件的图像的设备35。该设备包括本发明的远心光学器件27、照明系统34、带式传输系统38和照相机24。如果柱面透镜23是简单的柱面透镜，则照明23可以是具有窄光谱带的单色光源，例如40nm，以获得没有色度的图像，因此更清晰。因此，使用如下的照明器是有利的：该照明器具有LED源和具有单色发射，或基于具有几乎单色发射(钠，氩，氖等)的荧光管。传输带使得物件37移动。在传输带38的一定的前进间距之后，通过与滑轮(未示出)与所述带耦合的编码器产生一串脉冲，该脉冲驱动照相机24获取相同数量的图像扫描线。包含构型为一串二进制字(Byte)的图像扫描线的照相机信号通过通信端口被送到处理器的RAM存储器。这组扫描线形成物镜27的数字图像。在这样的图像中，物镜看起来没有视差：因此，通过处理图像本身，可以提取物件37的一系列测量值，例如：孔的数量和位置、每个孔的直径、物件尺寸。

在完成本发明时使用柱面透镜23相对于现有技术也是有利的，即减小所得到的远心光学器件的体积，特别是沿方向Y。可以相对容易地获得大规格(big-format)柱面透镜，例如开度A等于1米，无论如何使得本发明沿着平行于图5的光轴的轴线Z非常大。

为了减小沿轴线Z的尺寸，平面反射镜可用于将光路折叠一定次数，如图8所示。例如，通过使用两个反射镜，可以将光路分成三个部分，从而大大减小了本发明的总体空间尺寸。根据申请人的经验，建议使用第一平面反射镜，以避免形成光晕和双重图像；此外，建议不要引入三个以上的反射镜，以防止必须获取的物体的图像质量的劣化/衰减。

参考图9，其中所示的新光学器件可用于产生完全准直的发光线，即由平行光线的传播组成的线。

用于3D映射图像的已知技术基于发光线的发生器(通常是激光)以及照相机的使用，该照相机从一定角度拍摄投射在要被3D映射的物体上的发光线。通常，发光线的光轴通常入射在物平面上，而3D轮廓照相机的光轴相对于该平面的法线倾斜20-40度。在这种情况下，重要的现有技术限制是形成发光线的发光光线的发散。由于这种发散，光不能到达位于光轴外侧的盲孔凹部46的底部；当远离发光线的光轴移动时，发光光线可以越来越浅地到达凹部(例如孔)的底部。图9示出了如何使用本发明的光学器件以在平行于光轴的光线45中能够获得发光线的准直。这样的光线可以独立于孔深度且独立于其与光轴的距离，到达盲孔46的底部，从而形成发光线47。另一方面，可以看出，在没有本发明的透镜23的情况下，由发光线发生器43(由光源42和光学组件33构成)产生的发散光线44不能到达类似的盲孔的底部。

如果为了拍摄待被3D被映射的物体所投射的发光线，则使用阵列照相机，该阵列照相机与本发明的又一个远心光学器件相结合，盲孔也可以被映射，这些盲孔相对于其直径具有高深度，例如具有3mm的直径15mm的深度的孔，这通常不能被传统的3D扫描仪所映射。因此，本发明能够大大改进已知的3D扫描系统。

Claims (11)

1.一种适于获取物体(15、37)的没有透视视差的图像的图像获取设备，所述图像获取设备包括：

照明设备(34)；

物体(15、37)的保持系统(38)；

其特征在于，所述图像获取设备还包括：

配备有线性图像传感器(26)的线性照相机(24)；

远心光学物镜(27)，所述远心光学物镜包括：

光学组件(13)，其用于形成物体(15、37)的真实图像(16)并被放置在线性照相机(24)和物体(15、37)之间；

光阑(20)，其被放置在光学组件(13)和物体(15、37)之间，所述光阑(20)具有孔(21)；和

由柱面透镜(23)构成的主透镜，所述主透镜放置在光阑(20)和物体(15、37)之间，使得：

柱面透镜(23)的穿过光阑(20)的孔(21)和光学组件(13)的光轴(AO)在图像传感器(26)中心点处与图像传感器(26)的平面垂直相交；以及

柱面透镜(23)的柱轴线(AC)与光轴(AO)正交，所述光轴也是图像传感器(26)的主轴线，

其中所述柱面透镜(23)具有至少一个光学分离表面，所述至少一个光学分离表面具有非柱面形状，即不同于具有恒定半径的柱形表面的形状的形状，所述至少一个光学分离表面被计算以去除所述透镜(23)的柱面像差。

2.根据权利要求1所述的图像获取设备，其中，所述柱面透镜(23)为双凸形轮廓，其中所述柱面透镜(23)的内部轮廓(40)具有非柱面形状，即不同于具有恒定半径的柱形表面的形状的形状，而所述柱面透镜(23)的外部轮廓(41)是柱面的，且具有最大化远心物镜(27)的失真的半径，以使得柱面透镜(23)的柱轴线与所述光轴正交。

3.根据权利要求2所述的图像获取设备，其特征在于，所述外部轮廓(41)还具有非柱面形状，并且被计算以使得所述柱面透镜(23)具有与用于形成真实图像的所述照相组件(33)的几何失真相等但相反的几何失真。

4.根据前述权利要求中任一项所述的图像获取设备，其特征在于，所述柱面透镜(23)由两个或以上柱面透镜构成以形成消色差或消多色差组件。

5.根据权利要求1所述的图像获取设备，其特征在于，用于形成真实图像(16)的光学组件(13)由具有固定焦距的照相物镜(33)构成，所述照相物镜(33)通过配件(32)被施加到照相机(24)的主体(25)，其中所述照相物镜(33)的焦距被选择以使得用于传感器(26)的规格的最终视角(Phi)覆盖主透镜(23)的开度(A)的至少80％。

6.根据权利要求1所述的图像获取设备，其特征在于，用于形成真实图像(16)的光学组件(13)由可变焦距的照相物镜构成，所述照相物镜通过配件(32)被施加到照相机(24)的主体(25)，焦距的范围被选择以获得覆盖主透镜的开度(A)的100％的视角(Phi)。

7.根据权利要求1所述的图像获取设备，其特征在于，所述照明设备(34)由具有窄光谱带的发光源形成。

8.根据权利要求7所述的图像获取设备，其特征在于，所述照明设备(34)由具有单一色彩的LED源形成。

9.根据权利要求1所述的图像获取设备，其特征在于，所述设备具有大于300mm的视场。

10.根据权利要求1所述的图像获取设备，其特征在于，所述图像获取设备包括至少一个反射镜(39)，所述至少一个反射镜适于将所述设备的总体尺寸减小近似等于所使用的反射镜的数量加1的因子。

11.根据权利要求10所述的图像获取设备，其特征在于，所述反射镜(39)是具有第一表面的反射镜。

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