CN108802965A

CN108802965A - 基于机器视觉的高分辨率物方远心系统

Info

Publication number: CN108802965A
Application number: CN201810049827.XA
Authority: CN
Inventors: 金钊; 高兴宇; 萧泽新
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公了基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，其特征是，包括从光线入射方向顺序排列的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑面、第二负透镜、第三正透镜和第四正透镜，所述各透镜、光阑面与物面中心同轴，第一正透镜的顶点到物面的距离为工作距离。这种物方远心系统能有效解决因调焦不准而造成的测量误差问题，并且拥有较大的景深，能够对锚夹片的待测区域进行更大范围的检测，其入瞳在无穷远处，满足远心系统设计要求。

Description

基于机器视觉的高分辨率物方远心系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术中机器视觉检测设备，具体是一种基于机器视觉的高分辨率物方远心系统。

背景技术

伴随着现代社会科学水平的进步，计算机技术与图像处理等算法的发展，机器视觉技术有了飞速的提高和越发广泛的应用。而随着世界工业4.0的趋势和中国制造2025计划的提出，机器视觉系统在我国的制造业中将会占有越来越重要的地位。其中，对产品零件表面缺陷的检测，是机器视觉系统的重点应用之一。

然而，在现代工业生产中，对曲面零件的表面缺陷检测是其中的一个重点和难点。由于曲面零件形状较为复杂，对其表面图像的获取往往具有一定难度，例如锚夹片。

针对锚夹片这种形状复杂的曲面零件，传统的缺陷检测方法是依靠人眼。然而仅凭人眼难以判别复杂背景图案上的缺陷，同时也无法完成高速生产在线检测。因此，用“机器”来取代人眼，进行表面缺陷检测，已成为现代工业发展的一个重要趋势。

2010年，桂林电子科技大学的湛滨洲针对锚夹片设计了一套基于机器视觉的在线检测系统。根据对样品的检测，得到实际检测区域面积为31.2mm× 15.9mm，检测区域深度为7.2mm。另外根据仪器所占空间，物像共轭距在200mm 到500mm。该系统由成像光学系统，照明系统，图像传感器(CCD)，PC机，控制电路和执行部件等机构组成，可以对锚夹片工作面的缺陷进行实时在线检测。

但是，该检测系统的光学部分，仍然存在大量改进空间。其一，该系统的景深刚刚达到检测标准的8mm，有待进一步提高；其二，在检测系统中，常会因视差而影响测量精度，而用远心光路系统就可以消除视差对读数的影响。因此，设计一款更大景深并且能够有效避免因调焦不准而造成误差的成像光学系统，即大景深远心系统，具有重要的实用意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于机器视觉的高分辨率物方远心系统。这种物方远心系统能有效解决因调焦不准而造成的测量误差问题，并且拥有较大的景深，能够对锚夹片的待测区域进行更大范围的检测，其入瞳在无穷远处，满足远心系统设计要求。

实现本发明目的的技术方案是：

基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，包括从光线入射方向顺序排列的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑面、第二负透镜、第三正透镜和第四正透镜，所述各透镜、光阑面与物面中心同轴，第一正透镜的顶点到物面的距离为工作距离。

所述第一正透镜厚度为5.38mm、第二正透镜厚度为5.10mm、第一负透镜厚度为1.63mm、第二负透镜厚度为7.50mm、第三正透镜厚度为7.50mm、第四正透镜厚度为7.50mm。

所述第一正透镜到第二正透镜距离为0.52mm；第二正透镜到第一负透镜距离为2.73mm；第一负透镜到光阑面距离为14.58mm；光阑到第二负透镜距离为 2.55mm；第二负透镜到第三正透镜距离为0.50mm；第三正透镜到第四正透镜距离为12.30mm；第四正透镜到像面距离为20.69mm。

所述物方远心系统的物方视场为27mm×40mm,像方视场为6.4×4.8mm。

所述物方远心系统的工作距离为350mm，焦距f＝53.5mm，数值孔径NA＝0.004，景深为12mm，畸变小于0.5％，这种系统较好地校正了各种像差，系统分辨率达到87.5lp/mm，拥有较好的分辨能力。

这种系统仅用6片透镜组成，因此生产成本较低，在此基础上，还同时拥有大视场，高分辨率，大景深和低畸变的优点，成像质量能够满足实际生产检测的需求。

这种物方远心系统能有效解决因调焦不准而造成的测量误差问题，并且拥有较大的景深，能够对锚夹片的待测区域进行更大范围的检测，其入瞳在无穷远处，满足远心系统设计要求。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中系统的初始结构示意图；

图3(为实施例中系统结构初始参数；

图4为实施例中优化后的物方远心光路结构图；

图5为实施例中系统的入瞳及出瞳图；

图6为实施例中优化后的光学系统赛德尔像差图；

图7为实施例系统的MTF曲线图；

图8为实施例系统的点列图；

图9为实施例系统场曲畸变图；

图10为实施例中后景深为6mm时的点列图；

图11为实施例中后景深为6mm时的MTF图；

图12为实施例中前景深为6mm时的点列图；

图13为实施例中前景深为6mm时的MTF图；

图14为实施例远心系统最终结构参数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，包括从光线入射方向顺序排列的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑面、第二负透镜、第三正透镜和第四正透镜，所述各透镜、光阑面与物面中心同轴，第一正透镜的顶点到物面的距离为工作距离。

具体地：

初始结构的构建：

首先，根据锚夹片被测区域尺寸与CCD的尺寸之比(选用6.4mm×4.8mm尺寸的1/2CCD)，得出光学系统的放大倍率为β＝-0.160；再考虑到实际的工程需要，设定物像共轭距为L＝450mm，通过物镜焦距计算公式f'＝βL/(β-1)²计算得出光学系统焦距为f'＝53.5mm。然后根据系统焦距和要求的放大倍率对光学系统初始结构进行成比例缩放，最后再根据被测工件的大小设置物方视场，入瞳直径和工作波长。

在对镜头优化设计的过程中，通常需要考虑几个主要问题：

1)合理的光学结构；

2)优化变量的设定。这需要将各个面的曲率半径，玻璃厚度和透镜之间的间隙设为变量；

3)几何像差和传递函数的优化。

通过调整各个面的曲率半径，透镜厚度和透镜间的间隙，构建出光学系统的初始结构，如图2所示。

初始结构的优化：

考虑到实际工程中对锚夹片表面缺陷检测的需要，光学系统需要有较高的分辨率和较大的景深，同时，为了保证检测精度，对光学系统的畸变要求也比较高，根据物方远心系统的定义，无论物体的位置在景深范围内发生什么变化，成像的放大倍率也不会发生变化，因此需要严格控制物面各个视场的主光线与光轴平行，确保光学系统的远心度。

综合考虑以上问题后，由于初始结构的光学性能满足不了以上条件，必须再对系统的光学结构进行更进一步的优化，此时将初始结构中的双胶合结构改为双分结构后进一步优化，将胶合面打开，从而增加了四个变量，两个曲率半径和两个空气间隙，系统结构参数如图3所示，通过设置各面曲率半径和厚度为变量，利用ZEMAX的自动优化函数，经过多循环优化调整后的最终结构如图4所示，

ZEMAX软件的入瞳距计算如图5所示，此时系统入瞳距为无穷远，满足远心系统设计要求。

像质分析：

经过设计优化后，本实施例系统的焦距为53.5mm，物方视场为45mm，物方数值孔径为0.004，物像共轭距为450mm，工作距离为350mm，系统长度为90mm。

由于实施例采用了近似对称结构，因此能较好的平衡各种垂轴像差。根据被测工件的实际尺寸，选取的物方物高为0mm，15.65mm和22.35mm，分别对应0 视场，0.7视场和1视场，波长选取了可见光范围的F光(486nm)，D光(587nm) 以及C光(656nm)，主波长为587mm。

赛德尔像差分析图：

经过ZEMAX软件优化后的光学系统赛德尔像差图如图6所示。从图上可以看出，系统除了有少许畸变以外，其余的像差都被控制在极小的范围之内。第4 个面的负像散较大，但是由于其他面的补偿，最终像面上各个像差都得到了较好的平衡。

调制传递函数MTF图分析：

调制传递函数MTF是对光学系统成像质量进行综合评价的函数，它可以全面反映光学系统的成像性质，图7所示为实施例系统的MTF曲线图，由图中曲线可以看出，当截止频率设定为50lp/mm时基本可以达到0.2，虽然略有像散，但整体来说仍然比较均匀，根据分辨率公式Δθ＝1.22λ/D计算得出，系统的分辨率可以达到87.5lp/mm，满足检测系统对高分辨率的要求。

点列图分析：

点列图是用几何光线追迹的方法来评价光学系统的成像质量，它表示来自点目标的光线在像面上的交点的集中程度和弥散程度，因此，用点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣，图8为系统的点列图，从图中可以看出，在 0.7视场和全视场略微有位置色差和彗差，但基本都集中在艾里斑的范围之内，因此并不影响成像质量，从点列图上来看，系统的成像质量总体来说比较好，可以满足设计的需求。

场曲畸变分析：

畸变与其他像差不同，仅由轴外物点的主光线光路决定，引起像的变形，但并不影响成像的清晰度，然而在远心系统中，对畸变有着很高的要求，因此必须将畸变控制在一定范围之内，如图9所示，由图上可以看出，系统的最大畸变为 0.5％，基本不影响成像质量，满足在线检测的需求。

景深分析：

锚夹片被测区域的表面性质，决定了光学系统需要有足够大的景深，至少需要大于8mm，通过景深技术公式T＝FCL²/(f'²+FCL)+FCL²/(f'²-FCL)，式中F为光圈数，C为容许弥散圆直径，L为工作距离计算得出，本实施例系统的景深为 11.86mm，满足设计需求的8mm最小值。

如图10、11所示，由图10和图11可以看出，当被测物体后移6mm时，点列图中弥散斑仍然处于艾里斑范围之内，而MTF曲线虽略微有所下降，场曲略微增大，但成像质量基本不受影响。

同样地，如图12、13所示，由图12和图13可以看出，当被测物体前移6mm 时，像质也依然不受影响。因此，可以得出结论，当被测物体的位置在12mm的景深范围之内变化时，系统的成像效果依然可以满足设计需求，与理论计算的景深值一致。

Claims

1.基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，其特征是，包括从光线入射方向顺序排列的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑面、第二负透镜、第三正透镜和第四正透镜，所述各透镜、光阑面与物面中心同轴，第一正透镜的顶点到物面的距离为工作距离。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，其特征是，所述第一正透镜厚度为5.38mm、第二正透镜厚度为5.10mm、第一负透镜厚度为1.63mm、第二负透镜厚度为7.50mm、第三正透镜厚度为7.50mm、第四正透镜厚度为7.50mm。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，其特征是，所述第一正透镜到第二正透镜距离为0.52mm；第二正透镜到第一负透镜距离为2.73mm；第一负透镜到光阑面距离为14.58mm；光阑到第二负透镜距离为2.55mm；第二负透镜到第三正透镜距离为0.50mm；第三正透镜到第四正透镜距离为12.30mm；第四正透镜到像面距离为20.69mm。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，其特征是，所述物方远心系统的物方视场为27mm×40mm,像方视场为6.4×4.8mm。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高分辨率物方远心系统，其特征是，所述物方远心系统的工作距离为350mm，焦距f=53.5mm，数值孔径NA=0.004，景深为12mm，畸变小于0.5％。