CN109471244B - 一种基于机器视觉的大视场双远心镜头 - Google Patents

一种基于机器视觉的大视场双远心镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于机器视觉的大视场双远心镜头，包括：以光路入射方向从左至右依次设置的第一组透镜、第二组透镜、第三组透镜、第四组透镜和第五组透镜；其中，第一组透镜为具有正光焦度的平凸透镜；第二组透镜为具有正光焦度的凸凹透镜；第三组透镜为负光焦度的双凹透镜；第四组透镜双胶合透镜；第五组透镜为具有正光焦度的双凸透镜；且第三组透镜和第四组透镜中间为孔径光阑。该基于机器视觉的大视场双远心镜头克服现有技术中的双远心镜头存在结构复杂，镜片数量多，造价成本高等问题，在应用上存在检测的视野范围较小，在边缘存在较大的畸变，而在近工作距离处工作的景深范围较小，不适用于被测物表面复杂、环境变化复杂的情形等问题。

Description

一种基于机器视觉的大视场双远心镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，具体地，涉及一种基于机器视觉的大视场双远心镜头。
背景技术
当今社会，随着计算机技术、人工智能等科学技术的发展和研究的不断深入，基于机器视觉的技术应用越来越广泛。该技术在工业领域中的应用有效的提高了生产作业的效率，极大的降低了劳动力成本。而工业镜头在基于机器视觉的检测中是一个重要的光学部件，传统的工业镜头具有视角差，因此随着镜头与物体之间的距离增加，放大倍率也会增加。这是人类视觉的行为，有助于我们感知景深。这一视角差会导致像差(也称为角度误差)，使得检测会存在较大的偏差，从而降低检测的准确性。因为如果物体由于放大倍数变化而移动(即使其余部分在景深内)，则观察到的视觉系统测量值会改变。远心镜头与传统的工业镜头相比较，可以消除检测视角差，即在成像范围内被测物体具有相同的放大倍率，有助于检测精度的提高。固定的工作距离和放大倍率，有助于视觉算法的标定，也极大的降低了算法的编写难度，减少后期图像处理的工作量。
目前所存在的双远心镜头大多数从国外进口，在光机结构上，存在结构复杂，镜片数量多，造价成本高等问题，在应用上存在检测的视野范围较小，在边缘存在较大的畸变，而在近工作距离处工作的景深范围较小，不适用于被测物表面复杂、环境变化(震动、移动)复杂的情形等问题。
因此，提供一种检测视野大、成像景深大、成像畸变小、分辨率高的基于机器视觉的大视场双远心镜头是本发明亟需解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是克服现有技术中的双远心镜头大多数从国外进口，在光机结构上，存在结构复杂，镜片数量多，造价成本高等问题，在应用上存在检测的视野范围较小，在边缘存在较大的畸变，而在近工作距离处工作的景深范围较小，不适用于被测物表面复杂、环境变化(震动、移动)复杂的情形等问题，从而提供一种检测视野大、成像景深大、成像畸变小、分辨率高的基于机器视觉的大视场双远心镜头。
为了实现上述目的，本发明提供了基于机器视觉的大视场双远心镜头，所述大视场双远心镜头包括：以光路入射方向从左至右依次设置的第一组透镜、第二组透镜、第三组透镜、第四组透镜和第五组透镜；其中，所述第一组透镜为具有正光焦度的平凸透镜；所述第二组透镜为具有正光焦度的凸凹透镜；所述第三组透镜为负光焦度的双凹透镜；所述第四组透镜双胶合透镜；所述第五组透镜为具有正光焦度的双凸透镜；且所述第三组透镜和所述第四组透镜中间为孔径光阑。
优选地，所述大视场双远心镜头的物方工作距离小于400mm。
优选地，所述大视场双远心镜头的光学系统总长为480-490mm。
优选地，所述大视场双远心镜头的放大倍率为0.060-0.062；像面尺寸为2/3英寸。
优选地，所述大视场双远心镜头的远心度小于0.05°；景深为88-92mm；畸变小于0.08％。
优选地，所述大视场双远心镜头的镜头口径为175-185mm。
优选地，所述第一组透镜和所述第二组透镜的玻璃材质为H-K9L冕牌玻璃。
优选地，所述第三组透镜的玻璃材质为为H-F4的火石玻璃。
优选地，所述第四组透镜包括：前组玻璃和后组玻璃；其中，
所述前组玻璃材质为H-LAK61的冕牌玻璃，所述后组玻璃的材质为H-ZLAF76的火石玻璃。
优选地，所述第五组透镜的玻璃材质为H-ZLAF69的火石玻璃。
根据上述技术方案，本发明提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头克服现有技术中的双远心镜头大多数从国外进口，在光机结构上，存在结构复杂，镜片数量多，造价成本高等问题，在应用上存在检测的视野范围较小，在边缘存在较大的畸变，而在近工作距离处工作的景深范围较小，不适用于被测物表面复杂、环境变化(震动、移动)复杂的情形等问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种优选的是是是方式中提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头的光学结构原理图；
图2是本发明的一种优选的是是是方式中提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头的MTF曲线图；
图3是本发明的一种优选的是是是方式中提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头的场曲畸变图；
图4是本发明的一种优选的是是是方式中提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头的点列图；
图5是本发明的一种优选的是是是方式中提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头的倍率色差曲线图。
附图标记说明
1 第一组透镜 2 第二组透镜
3 第三组透镜 4 第四组透镜
5 第五组透镜
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于机器视觉的大视场双远心镜头，所述大视场双远心镜头包括：以光路入射方向从左至右依次设置的第一组透镜1、第二组透镜2、第三组透镜3、第四组透镜4和第五组透镜5；其中，所述第一组透镜1为具有正光焦度的平凸透镜；所述第二组透镜2为具有正光焦度的凸凹透镜；所述第三组透镜3为负光焦度的双凹透镜；所述第四组透镜4双胶合透镜；所述第五组透镜5为具有正光焦度的双凸透镜；且所述第三组透镜3和所述第四组透镜4中间为孔径光阑。
根据上述技术方案，本发明提供的基于机器视觉的大视场双远心镜头克服现有技术中的双远心镜头大多数从国外进口，在光机结构上，存在结构复杂，镜片数量多，造价成本高等问题，在应用上存在检测的视野范围较小，在边缘存在较大的畸变，而在近工作距离处工作的景深范围较小，不适用于被测物表面复杂、环境变化震动、移动复杂的情形等问题。
远心度作为双远心光学系统的特有的衡量指标，对于系统测量精度有非常大的影响。远心度可以保证系统放大倍率不变，从而使物体在一定的景深范围内，成像大小保持不变，这样就确保了系统的测量精度。所以远心度越小，测量的误差就越小。
景深是衡量双远心镜头成清晰像的景物空间深度的重要指标。景深越大，成像的空间深度越大。景深的大小取决于镜头的光圈、焦距和工作距离。
畸变是衡量双远心镜头精度的重要指标，它不会影响系统成像像质的清晰度，但是会使物体的成像产生变形。因为双远心镜头用于检测系统中，因此对畸变有非常高的要求；所以必须将畸变限制在一定的范围内使其趋近于零。
根据上表的技术指标数值可知所设计的镜头具有大视场、大景深、小畸变的优点。本发明采用ZEMAX光学软件进行设计，根据以上光学指标，首先确定以双高斯结构作为光学系统的初始结构进行设计，然后再对光学系统中各个镜头的曲率半径、口径大小、玻璃间隔等进行相应的调整，将调整后的结构作为优化设计的初步模型。
由于双远心光学系统是应用于表面质量检测，所以要保证检测的精度，这对光学系统的畸变要求比较高，因此在优化成像质量中要加重控制畸变的操作数的权重。双远心系统中另一个重要的性能指标是远心度。所谓的远心度就是用来衡量物方主光线和像方主光线与光轴平行程度的参量，远心度的作用就是无论像或者物体的位置怎么变，放大率是保持不变的。因此在进行成像质量优化时，要严格控制物面和像面上各个视场的主光线，使其与光轴平行，从而确保光学系统的远心度。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述大视场双远心镜头的物方工作距离小于400mm；所述大视场双远心镜头的光学系统总长为480-490mm，优选地为485mm；所述大视场双远心镜头的放大倍率为0.060-0.062，优选地为0.061；像面尺寸为2/3英寸；所述大视场双远心镜头的远心度小于0.05°；景深为88-92mm，优选地为90mm；畸变小于0.08％；所述大视场双远心镜头的镜头口径为175-185mm，优选地为180mm。
对调整后的结构进行优化设计，在ZEMAX软件中建立默认优化函数，并在优化函数编辑器中添加着重优化的操作参量。所添加的优化操作数如下表1所示：
表1：操作数参量
操作数 单位 含义 作用
RAID (°) 实际光线的入射角 控制光学系统的远心度
DISC (％) 归一化的畸变 控制整个视场内的畸变
PMAG 无 近轴放大率 像高与物高的比率
TOTR (mm) 镜头的总长度 控制光学系统的整体长度
MNCA (mm) 最小空气中心厚度 控制玻璃间隙最小距离
MXCA (mm) 最大空气中心厚度 控制玻璃间隙最大距离
MNEA (mm) 最小空气边缘厚度 控制非玻璃边缘厚度
MNCG (mm) 最小玻璃中心厚度 控制玻璃最小厚度
MNXG (mm) 最大玻璃中心厚度 控制玻璃最大厚度
MNEG (mm) 最小玻璃边缘厚度 控制玻璃边缘厚度
整个优化流程为：
步骤1，选择软件中提供的弥散圆型式的默认评价函数：RMS+Spot Radius+Centroid，并在优化函数编辑器中添加表中的操作数语句作为评价函数；选择透镜的曲率半径和空气间隔作为优化变量；进行初步优化。(此过程需要根据像差矫正的情况逐步进行)。
步骤2，选择软件中提供的波像差型式的默认评价函数：RMS+Wavefront+Centroid，并在优化函数编辑器中添加表中的操作数语句作为评价函数；选择透镜的曲率半径和空气间隔作为优化变量；进行再次优化。(此过程需要根据像差矫正的情况逐步进行)。
步骤3，上述优化完后，再将玻璃材料设置为“S”替代类型，进行“Hammer”方式的优化。优化结束后，根据折射率和阿贝数从玻璃库中选择相应玻璃材料。因为是实际项目需要，所以在选择玻璃材料时一定要考虑它的生产厂家、性价比等因素。
步骤4，优化过程中要考虑透镜的曲率半径和厚度是否符合加工要求，尽可能减少透镜的口径和厚度，这样可以降低制造成本。
通过优化设计后最终得到的光学系统如图1所示共有五组六块透镜，物方工作距离小于400mm，光学系统总长为485mm。其中第四组为双胶合透镜。透镜玻璃材质选用成都光明玻璃，第一组透镜和第二组透镜均为单透镜，由于两组透镜口径相对较大，为了减少成本，选用性价比高的H-K9L冕牌玻璃，该玻璃具有高均匀性、低气泡度、良好的物理和化学性能；第三组透镜也为单透镜，采用型号为H-F4的火石玻璃，该种玻璃折射率大、色散性大，与冕牌玻璃配合使用，有利于成像质量的提高；第四组透镜为双胶合透镜，其中前组玻璃材质为H-LAK61的冕牌玻璃，后组玻璃材质为H-ZLAF76的火石玻璃，两种玻璃材质结合有利于像差的消除；第五组透镜的玻璃材质为H-ZLAF69的火石玻璃，其折射率大、光学性能好，在可见光范围内透光性好。以上玻璃均为安全环保型材质，不含铅、砷、镉及放射性元素。该镜头的各项透镜参数值如下表2所示：
面序列号 面型 曲率半径 厚度(间距) 有效半口径
OBJ 标准 Infinity 388 90
1 标准 246.8 35 89.2
2 标准 Infinity 300 89.5
3 标准 86.3 32 27.9
4 标准 178.6 57.2 22.3
5 标准 -23.8 8.3 4.1
6 标准 30.1 2.67 3.2
STO 标准 Infinity 3.22 3.19
8 标准 190.2 5 3.4
9 标准 -13.5 3 4.1
10 标准 -22.8 15.32 4.92
11 标准 72.3 4.4 7.22
12 标准 -35.6 33.2 7.35
IMG Infinity 5.4
由上表可知，该发明设计仅通过六个球面透镜即可做到大口径双远心光学镜头，使整个光学系统的结构更加简单，降低了制作加工成本，系统重量和体积更加轻小。
所谓的MTF所示表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度(即振幅)的衰减程度。它可以全面反映光学系统的成像性质。如图2所示为系统的MTF曲线图，由图可知光学系统的所有视场的空间频率在170lp/mm处均超过0.1。根据分辨率公式求得该镜头可以分辨的最小像元为2.94μm。
从图3中可以看出系统的畸变小于0.05％，而从ZEMAX软件的系统文件中得知系统的最大畸变实际上只有0.02％。
如下表3所示为系统各归一化视场下的远心度。符合设计所要求的远心度小于0.05°：
表3
Figure BDA0001924058530000081
点列图是根据追击的光线分布密度程度衡量光学系统的成像质量，这是在光学设计阶段评价系统成像质量比较简单的方法。如图4所示为双远心系统的点列图。
(1)进行定性分析，观察点列图可知，除在0.7视场和全视场有较小的倍率色差和慧差外(色差和慧差均在合理范围内)，其他视场的像差均得到了很好的矫正。符合成像质量要求。
(2)进行定量分析，RMS RADIUS表示径向尺寸的均方根，用来评估优化好的各视场聚焦后光斑大小；艾利斑AIRY用来描述系统在无像差时能达到的最小光斑大小。艾利斑半径R＝2λ*F，系统的F数为8，主波长为0.587μm，算出R＝5.736μm，而所设计的系统在全视场下的RMS为1.341μm，并且已经处于衍射极限状态。
倍率色差会影响物体边缘的成像质量，使像的边缘呈现颜色，降低了成像的清晰度；因此对于视场较大的光学系统必须矫正。如图5所示为倍率色差曲线图。由图可知全视场下的倍率色差最大，其值为1.04μm，小于CCD的最小像元，所以该系统的倍率色差对光学系统成像测量几乎没有影响。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的大视场双远心镜头，其特征在于，所述大视场双远心镜头包括：以光路入射方向从左至右依次设置的第一组透镜(1)、第二组透镜(2)、第三组透镜(3)、第四组透镜(4)和第五组透镜(5)；其中，
所述第一组透镜(1)为具有正光焦度的平凸透镜；所述第二组透镜(2)为具有正光焦度的凸凹透镜；所述第三组透镜(3)为负光焦度的双凹透镜；所述第四组透镜(4)双胶合透镜；所述第五组透镜(5)为具有正光焦度的双凸透镜；且所述第三组透镜(3)和所述第四组透镜(4)中间为孔径光阑；
所述大视场双远心镜头的物方工作距离小于400mm；
所述大视场双远心镜头的光学系统总长为480-490mm；
所述大视场双远心镜头的放大倍率为0.060-0.062，像面尺寸为2/3英寸；
所述大视场双远心镜头的远心度小于0.05°；景深为88-92mm；畸变小于0.08％；
所述大视场双远心镜头的镜头口径为175-185mm。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第一组透镜(1)和所述第二组透镜(2)的玻璃材质为H-K9L冕牌玻璃。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第三组透镜(3)的玻璃材质为H-F4的火石玻璃。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第四组透镜(4)包括：前组玻璃和后组玻璃；其中，
所述前组玻璃材质为H-LAK61的冕牌玻璃，所述后组玻璃的材质为H-ZLAF76的火石玻璃。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第五组透镜(5)的玻璃材质为H-ZLAF69的火石玻璃。
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