CN107615128A

CN107615128A - 远心透镜

Info

Publication number: CN107615128A
Application number: CN201680028049.5A
Authority: CN
Inventors: 克劳迪奥·塞达扎里
Original assignee: Opto Engineering SpA
Current assignee: Opto Engineering SpA
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2018-01-19
Also published as: EP3271770B1; US20180113284A1; KR102491377B1; JP2018508832A; US10690892B2; WO2016147071A1; JP6707557B2; EP3271770A1; WO2016147071A9

Abstract

一种远心透镜，包括：限定前光学轴线(k)的前光学组件(20)；限定后光学轴线(k’)的至少第一后光学组件(40)；以及定位在所述前光学组件20和相应的后光学组件之间的至少一个透镜孔径(30)。在所述前光学组件(20)和所述透镜孔径(30)之间插入至少两个反射或半反射元件，所述至少两个反射或半反射元件以这样的方式布置，使得至少一部分来自前光学组件的光线在到达所述后光学组件(40)之前经历至少一次双反射。

Description

远心透镜

本发明涉及一种用于在人工视觉装置中使用的远心透镜，特别是用于进行物体的尺寸测量(维度测量、空间测量，dimensional measurements)。

远心透镜是在人工视觉的领域中广泛使用的光学系统，以其收集来自被照亮物体的光线锥的特性而用于非接触地测量物体，被照亮物体的轴线、或主径与光学系统本身的轴线平行。这样，实际上，由透镜产生的图像的大小与所观察的物体的放置的距离无关，并且这允许更准确地图像的测量，因为没有其他类型的光学器件的透视效果影响。

如已知的，通过透镜来实现此特性(称为远心度)，在该透镜中，将透镜的孔径光瞳光学地放在相对于所观察的物体无穷远处。通过确保放在透镜的光阑(stop)(即，透镜孔径)和所观察的物体之间的光学元件作为整体产生正焦距的光学组件而使得此特征是可能的，该光学组件的焦点位置与光阑位置重合。

图1示出了光学器件中使用的惯用的具有主光学轴线k的远心透镜100的示意图，远心透镜通过前光学组件20和第二后光学组件40生成尺寸y1的物体10的图像50，该前光学组件具有正焦距f1和直径d1并且定位为使得其焦点与光阑30的位置重合，该第二后光学组件放置在光阑30与图像50之间。

实际上，两个光学组件(前光学组件20和后光学组件40)中的每个均由若干光学元件组成(图1a)，并且从而提供有一定的厚度且具有两个主平面，该主平面限定用于计算相同的两个组件与系统的其他元件之间的光程的参考平面。

在图1的示意图中，前光学组件20和后光学组件40用双箭头指示，该双箭头提供这样的理想化表示，其中，两个光学组件中的每个没有厚度并且每个组件的两个主平面的位置彼此重合且与同一双箭头的位置重合。因此，在此表示中，距离f1与气隙AS(位于最接近光阑30的前光学组件10的元件和光阑30本身之间的)重合，并且与前沿尺寸L1(即，前光学组件20的最外侧元件(即，最接近物体10的所述组件的元件)与光阑位置30之间的距离)重合。

根据此方案的一个具体实施例，可能获得双远心透镜，即，该透镜或其中的透镜中，在图像平面50上入射的光线锥具有与主光学轴线k平行的轴线或主半径。

仅如果至少一个形成前光学组件20的一部分的光学元件具有大于所观察的物体10的最大尺寸y1的直径d1，那么远心透镜的实现是可能的。此条件是必须的，使得前光学组件20能够收集来自物体10的光线。在常见做法中，d1可被认为是一个或多个作为前光学组件10的一部分的透镜的最大直径。

当物体10的尺寸y1增加时，不仅尺寸d1增加，而且焦距f1也增加。由于焦距f1的增加牵涉前沿尺寸L1的增加，所以结果是，当所观察的物体的大小增加时，透镜将不仅变得具有更大直径，而且具有越来越大的长度。

远心透镜的长度和总尺寸的减小是人工视觉系统的制造商的持续要求。当待观察物体10具有相当大的尺寸y1时，特别感受到该问题，因为，如上所述，y1的增加使得前光学组件20的焦距f1的随之增加、前沿尺寸L1的随之增加以及由此光学器件的总长度L1+L2的随之增加，其中，L2是光阑30或透镜孔径与图像平面50之间的距离。

对此必须增加一个事实：远心透镜的末端部分(靠近后光学组件40和形成图像50的平面)通常连接到照相机60，这有助于由此进一步增加组件的总长度。

一种限制此总长度的方式是限制焦距f1的尺寸及由此限制前沿尺寸L1的尺寸，如例如在图1b中示出的。然而，值f1和d1(其分别是前光学组件20的焦距和直径)之间的比值f1/d1越低，会使远心透镜的实现越复杂。因为尺寸d1由物体10的尺寸y1决定，由此得出，值f1越小，相同尺寸y1的远心透镜越复杂。实际上，比值f1/d1的减小涉及在光学系统中使用越来越多的光学部件，使得成本增加。

除了由数量增加的光学部件使得成本的增加以外，作为获得远心透镜的总尺寸的减小的方式，焦距f1的减小涉及远心透镜本身的性能的降低，因为远心透镜的前光学组件20的各个光学部件必须不可避免地具有更大的功率和更大的曲率，其特征是，尽管不是不可能，但使得维持适当的光学性能是复杂的。

本发明的目的是相当大地减小远心透镜的总尺寸，特别是由总长度L1+L2代表的光学器件的最大尺寸，不增加前光学组件的光学元件的数量且不使透镜的光学性能劣化。

如将根据权利要求1在下面示出的，通过在远心透镜本身的光路中(特别是在前光学组件和透镜孔径之间)引入反射或半反射光学元件，使得至少一部分来自前光学组件的光线在到达后光学组件之前经历至少一次双反射，以实现此目的。

在任何情况中，参考附图，从通过非限制性实例提供的其优选实施例的以下描述中，根据本发明的远心透镜的特征和优点将是显而易见的，其中：

图1示出了根据现有技术的远心透镜的光学方案；

图1a示出了根据现有技术的远心透镜的一个实施例；

图1b示出了一种远心透镜，其中，相对于图1a的组件，前光学组件20包括附加的光学元件以减小前光学组件的最外侧元件和透镜孔径之间的距离L1；

图2示出了根据本发明的远心透镜的第一实施例的光学配置；

图3示出了根据本发明的远心透镜的第二实施例的光学配置；

图4示出了根据本发明的远心透镜的第三实施例的光学配置的两个正交视图；

图5、图5a和图5b是根据本发明的远心透镜的第四实施例的光学配置的两个正交视图和一个透视图；

图6至图10示出了根据本发明的远心透镜的多个进一步实施例的光学配置；

图11是使用根据本发明的远心透镜的光学方案的准直光源的光学配置；并且

图12是设置有准直光源的根据本发明的远心透镜的光学图。

根据一个通常实施例，根据本发明的远心透镜包括：前光学组件20，其适合于接收来自所观察的物体10的光线并限定前光学轴线k；至少一个第一后光学组件40，其适合于朝向传感器60传送所述光线并限定后光学轴线k’；以及至少一个透镜孔径30，其定位在前光学组件20和相应的后光学组件40之间。

透镜孔径30至少位于前光学组件20的焦平面上，以这样的方式使得每个来自所观察的物体10的光线锥的轴线与前光学轴线k平行。

在传感器60的图像平面50上形成物体10的图像。

在图中示出的优选实施例中，远心透镜是双远心透镜，即，该透镜中，在图像平面50上入射的光线锥的轴线或主半径与主光轴k’平行。

根据本发明的一个方面，在位于前光学组件20和透镜孔径30之间的气隙(airspace，AS)中插入至少两个反射或半反射元件70、71，其以这样的方式布置，使得至少一部分来自前光学组件20的光线在到达后光学组件40之前经历至少一次双反射。

特别地，反射或半反射元件70、71以这样的方式布置，使得相对于没有这种元件的远心透镜，由它们产生的所述双反射涉及的前光学组件20和后光学组件40之间的距离的减小。

在图2中示出的实施例中，远心透镜140包括两个反射元件70、71。第一反射元件70适合于在一方向上反射从前光学组件20离开的光线，使得这些反射光线与从前光学组件20离开的光线相交。

优选地，第一反射元件70以这样的方式布置，使得由其反射的光线与从前光学组件20离开的光线相交而不干涉后者。通过在第一反射元件70的反射面和每次反射之前的前光学轴线k的方向之间采用第一反射角(α)，来获得此实施例，第一反射角的值大于25°且小于75°。

第二反射元件71在一方向上反射来自第一反射元件70的光线，使得允许将根据本方案实现的远心透镜140的总尺寸实现最小。在第二反射元件71的反射面和每次反射之前的前光学轴线k的方向之间的第一反射角(α)优选地具有大于30°且小于90°的绝对值。

根据此构造的一个具体实施例，在由第二反射元件71进行反射之后，后光学轴线k’与前光学轴线k的方向平行。

图3示出了根据本发明的远心透镜150的另一实施例，其中，由于使用两个如下所述定向和布置的反射元件72、73，以获得光学器件的总尺寸的减小。

第一反射元件72具有其自己的反射面，其相对于每次反射之前的前光学轴线k的方向形成第一反射角(α)，第一反射角具有包含在15°和75°之间的绝对值；第二反射元件73的反射面具有相对于每次反射之前的前光学轴线k的方向的第二反射角(β)，第二反射角的绝对值包含在0°和30°之间。然后将反射元件72、73在空间中定位成，使得由第二反射元件73进行的反射允许与后光学轴线k’重合的光线在前光学组件20附近和与前光学轴线k重合的光线交叉(intercept)。

反射元件72、73还以这样的方式定位，使得没有光学元件干扰除了形成图像50所必需的反射和折射以外的光线的光路。

在示出的实施例中，反射元件72、73的角度以这样的方式选择，使得在最后一次反射之后，后光学轴线k’与前光学轴线k垂直。

在刚刚描述的图2和图3的实施例中，后光学轴线k’和前光学轴线k彼此共面。

而在图4和图4a中示出的实施例中，后光学轴线k’和前光学轴线k位于不同的平面中。

在图4和图4a的远心透镜160中，通过使用按以下方式定向和布置的两个反射元件74和75来获得尺寸的减小。第一反射元件74具有其自己的反射面，其相对于每次反射之前的前光学轴线k的方向形成第一反射角(α)，第一反射角具有包含在25°和75°之间的绝对值；第二反射元件75具有其自己的反射面，考虑其由第一反射元件74反射之后的方向，该反射面与前光学轴线k形成第二反射角(β)，第二反射角具有包含在25°和75°之间的绝对值。由第二反射元件75进行的反射是这样的，引起前光学轴线k偏离出平面外，前光学轴线k的两区段S1、S2位于该平面上，这两区段S1、S2分别由物体10和第一反射元件74之间的光路和由第一反射元件74和第二反射元件75之间的光路限定。

在图5、图5a和图5b中示出的另一实施例中，通过三个反射元件76、77、78而使远心透镜170的总尺寸减小。

第一反射元件76具有其自己的反射面，其与其任何反射之前的前光学轴线k形成第一反射角(α)，第一反射角具有包含在25°和75°之间的绝对值。第二反射元件77具有其自己的反射面，在其由第一反射元件76进行的反射之后与前光学轴线k形成第二反射角(β)，第二反射角具有包含在25°和75°之间的绝对值。由第二反射元件77进行的反射是这样的，引起前光学轴线k偏离出平面外，前光学轴线k的两区段S1、S2位于该平面上，这两区段S1、S2分别由物体10和第一反射元件76之间的光路及由第一反射元件76和第二反射元件77之间的光路限定。第三反射元件78具有其自己的反射面，在其由第二反射元件77进行的反射之后与主光学轴线k形成第三反射角(γ)，第三反射角具有包含在10°和45°之间的绝对值。

在由第三反射元件78进行的反射之后，在这种反射之后前光学轴线K与后光学轴线K’重合，由此与在由第一反射元件76进行的反射之前的前光学轴线的曲段s1不共面。

此方案允许获得特别紧凑的远心透镜170，如在图5b的透视图中示出的。

根据该配置的一个优选实施例，反射角α等于45°，第二反射角β等于60°，并且第三反射角γ等于15°。这样，在由第一反射元件76进行的反射之前，后光学轴线k’与前光学轴线k正交但不共面，并且由于使用三个反射元件，所以相对于图3和图4中示出的具有两个反射元件的实施例，进一步减小前光学组件20和后光学组件40之间的距离。

在下述实际实施例中，在前光学组件和透镜孔径之间插入的光学元件是反射光学元件。在一些其他实施例中，可实现一个或多个光学元件，其通过平的、球面的、非球面的或不规则的反射光学元件来实现，例如反射镜或半反射镜，或者通过带有一个其自己的反射面或半反射面的光学棱镜来实现。

参考图6，远心透镜180具有反射光学元件80，其包括反射光学曲面81，或者设置有光功率。有利地，在此构造中，可能减小相同光学系统的其他光学元件的功率和数量，特别是使前光学组件20中和后光学组件40中存在的光(透镜)折射的元件的功率和数量，从而获得更紧凑且对色差更不敏感的光学系统，因为反射元件以对各种波长中立的方式表现。这种曲面可以是任何形状的，即，球面的、非球面的或不规则的，以能够以最佳的方式校正光学系统的剩余像差，或者校正其聚焦。

在图7中示出的远心透镜190的实施例中，光学系统的至少一个反射光学元件82包括反射光学表面83，其可机械地变形以使反射几何形状适合于特殊的光学要求，例如，最小光学像差的校正或透镜本身的其他光学元件的分散的补偿，或者进一步确保整个光学系统的聚焦的校正。

图8示出了远心透镜200，其中，用一个或多个例如球面的、非球面的或不规则的弯曲形状的反射光学元件84、85代替整个前光学组件20，以允许实现特别紧凑且简单的远心透镜且前部中没有任何色差。由于透镜的远心度取决于前光学组件20的特征，所以不存在色效应是最重要的，以确保光学器件在远心度方面具有相同的性能，与所使用的波长无关。

在图9中示出的实施例中，不仅用一个或多个球面的、非球面的或不规则的弯曲形状的反射光学元件86、87代替远心透镜210的整个前光学组件20，而且用一个或多个球面的、非球面的或不规则的弯曲形状的反射光学元件88代替后光学组件40。这样，获得完全没有反射元件且由此可具有相同性能地在任意范围的光学波长中使用的远心透镜的实施例。

在图10中示出的远心透镜220的另一实施例中，用半反射镜89实现至少一个反射光学元件，也称为分光器。此半反射镜89是这样的，例如以允许反射一部分入射光线并传送另一部分入射光线。这样，可能增加一个或多个后光学组件41，对应于由此实现的每个半反射元件89，以能够使用相同的前光学组件20，从而获得一个或多个所观察的物体10的附加图像51。

图11示出了如何可能使用本发明的教导来通过以下方式获得特别紧凑的准直光源310：以这样的方式用光源35代替根据到目前为止示出的任何构造而实现的远心透镜的后光学组件40，使得所述光源35的发射区域的中心与透镜孔径30的位置重合。

图12示出了如何根据任何以上举例说明的构造而可从两个或更多个反射光学元件(其中一个90实现为是半反射的)的组合获得特别紧凑的远心透镜320，其允许同时获得使用相同前光学组件20以朝向物体10投射光线的准直照明。

对于根据本发明的远心透镜的实施例的形式，为了满足依情况而定的要求，在不脱离以下权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可用其他功能上等价的构件进行构件的修改、改造和替换。每个描述为属于一个可能的实施例的特征可与其他所述实施例独立地实现。

Claims

1.远心透镜，包括：前光学组件(20)，所述前光学组件适于接收来自所观察的物体的光线并限定前光学轴线(k)；至少第一后光学组件(40)，至少所述第一后光学组件适于朝向传感器(60)传送所述光线并限定后光学轴线(k’)；以及至少一个透镜孔径(30)，所述透镜孔径定位在所述前光学组件和相应的所述后光学组件之间，其中，所述透镜孔径至少位于所述前光学组件的焦平面上，使得来自所观察的物体的每个光线锥的轴线与所述前光学轴线平行，其特征在于，在所述前光学组件(20)和所述透镜孔径(30)之间的气隙(AS)中插入至少两个反射元件或半反射元件，所述反射元件或半反射元件布置成使得至少一部分来自所述前光学组件的光线在到达所述后光学组件(40)之前经历至少一次双反射。

2.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，所述反射元件或半反射元件布置成使得所述双反射涉及的所述前光学组件和所述后光学组件之间的距离相对于没有这种元件的远心透镜而言减小。

3.根据权利要求1或2所述的远心透镜，包括两个反射元件(70、71)，第一反射元件(70)适于在一方向上反射从所述前光学组件(20)离开的光线，使这些反射的光线与从所述前光学组件(20)离开的光线相交。

4.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，所述第一反射元件布置成使得由所述第一反射元件(70)反射的光线与从所述前光学组件(20)离开的光线相交而不干涉所述前光学组件(20)。

5.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，所述第一反射元件(70)的反射面与所述前光学轴线形成第一反射角(α)，所述第一反射角在15°和75°之间。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的远心透镜，其中，第二反射元件(71)的反射面与所述前光学轴线(k)形成第二反射角(β)，所述第二反射角在30°和90°之间。

7.根据权利要求1所述的远心透镜，其中，所述反射元件或半反射元件布置成使所述后光学轴线(k’)与所述前光学轴线(k)基本上垂直。

8.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，所述前光学轴线和所述后光学轴线是共面的。

9.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，然后将所述反射元件或所述半反射元件(72)和(73)在空间中定位成，使得由第二反射元件或第二半反射元件(73)进行的反射允许与所述前光学轴线(k)重合的光线在所述前光学组件(20)附近和与所述前光学轴线重合的光线本身交叉。

10.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，所述第一反射元件或第一半反射元件(72)的反射面与所述前光学轴线(k)形成第一反射角(α)，所述第一反射角的绝对值在15°和75°之间，并且其中，所述第二反射元件或第二半反射元件(73)的反射面与所述前光学轴线(k)形成第二反射角(β)，所述第二反射角的绝对值在0°和30°之间。

11.根据权利要求7所述的远心透镜，其中，所述前光学轴线(k)和所述后光学轴线(k’)属于不同的平面。

12.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，所述第一反射元件或所述第一半反射元件(74)的反射面与所述前光学轴线(k)形成第一反射角(α)，所述第一反射角的绝对值在25°和75°之间，并且其中，所述第二反射元件或第二半反射元件(75)的反射面与在第一次反射之后的所述前光学轴线(k)形成第二反射角(β)，所述第二反射角的绝对值在25°和75°之间。

13.根据权利要求1所述的远心透镜，包括三个反射元件或半反射元件：第一反射元件或第一半反射元件(76)的反射面相对于任何反射之前的主光学轴线(k)的方向具有第一反射角(α)，所述第一反射角的绝对值在25°和75°之间；第二反射元件或第二半反射元件(77)的反射面相对于由所述第一反射元件或所述第一半反射元件(76)反射之后给出的所述前光学轴线(k)的方向具有第二反射角(β)，所述第二反射角的绝对值在25°和75°之间；第三反射元件或第三半反射元件(78)的反射面相对于由所述第二反射元件或所述第二半反射元件(77)反射之后给出的所述主光学轴线(k)的方向具有第三反射角(γ)，所述第三反射角的绝对值在10°和45°之间；由所述第二反射元件或所述第二半反射元件(77)进行的反射引起所述前光学轴线(k)偏离出平面外，在由所述第一反射元件(76)进行的第一次反射之前和之后，所述前光学轴线位于所述平面上。

14.根据权利要求1所述的远心透镜，其中，所述第一反射角(α)等于45°，所述第二反射角(β)等于60°，并且所述第三反射角(γ)等于15°。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的远心透镜，其中，一个或多个光学的所述反射元件或半反射元件包括弯曲的反射光学表面(81)，例如球面的、非球面的或不规则的，以校正光学系统的剩余像差或者焦距。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的远心透镜，其中，一个或多个光学的所述反射元件或半反射元件包括能机械变形的反射光学表面(83)。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的远心透镜，其中，至少一个光学的所述反射元件或所述半反射元件是半反射光学元件(89)，并且其中，所述远心透镜包括至少一个第二后光学组件(41)和至少一个第二透镜孔径(31)，所述第二透镜孔径定位在所述前光学组件和所述第二后光学组件(41)之间且适合于将部分来自所述前光学组件的光线传送至第二传感器(61)。