CN110100197A - 远心透镜 - Google Patents

Abstract

一种远心透镜，包括适于接收来自被观察物体的光线的前光学组(20)、适于将所述光线朝传感器(60)的成像平面(50)传送的后光学组(40)、以及定位在前光学组与后光学组之间的透镜光圈(30)，其中，透镜光圈处于至少前光学组的焦平面上。前光学组(20)没有透镜并且由凹形弯曲的主反射镜(202)和至少一个次反射镜(204)组成，该主反射镜适于接收和反射来自被观察物体的光线，该至少一个次反射镜适于接收和朝后光学组反射来自主反射镜(202)的光线。

Description

远心透镜

技术领域

本发明涉及一种远心透镜，其用于人工视觉的器具，特别是用于进行物体的尺寸测量。

背景技术

远心透镜是在人工视觉领域中广泛用于由于其收集来自被照射物体的光线锥的特殊性质来进行物体的非接触式测量的光学系统，该被照射物体的轴线或主光束平行于光学系统本身的轴线。事实上，以这种方式，由该透镜产生的图像的大小与被观察物体的放置距离无关，这允许了对其进行更准确的测量，因为该透镜没有任何其他类型的光学器件的特征透视效果。

众所周知，这种称为远心度的性质是使用一种透镜来实现的，其中该透镜的光圈光瞳相对于被观察物体光学地放置在无限远处。通过确保放置在透镜的光阑(或透镜光圈)与被观察对象之间的光学元件作为整体形成了焦点位置与光阑位置重合的正焦点的光学组，使得该特征成为可能。

图1示出了遵循光学器件中使用的惯例具有主光轴k的远心透镜100的示图，该远心透镜借助于前光学组20和第二后光学组40产生了尺寸为y1的物体10的图像50，该前光学组具有正焦距f1和直径d1、被定位成使其焦点与光阑30(stop)的位置重合，该第二后光学组被放置在光阑30与图像50之间。

实际上，前光学组20和后光学组40这两者中的每一者都由若干光学元件组成(图1a)，因此具有一定厚度并具有两个主平面，这两个主平面限定了用于计算这两组和系统的其他元件之间的光学距离的参考平面。

在图1的示图中，前光学组20和后光学组40用提供理想化表示的双箭头来指示，其中这两个光学组中的每一者都没有厚度，并且每个组的两个主平面的位置彼此重合并与双箭头本身的位置重合。因此，在该表示中，距离f1与空气空间AS且与前部尺寸L1两者一致，该空气空间存在于最靠近光阑30的前光学组10的元件与光阑30本身之间，该前部尺寸即在前光学组20的最外侧元件(其为最靠近物体10的所述组的元件)与光阑30的位置之间的距离。

根据本方案的特定实施方式，可以获得双远心透镜、或其中入射在成像平面50上的光线锥具有其轴或主光束平行于主光轴k的透镜。

只有当形成前光学组20的一部分的至少一个光学元件的直径d1大于被观察物体10的最大尺寸y1时，才能实现远心透镜。该条件对于使得前光学组20能够收集来自物体10的光线是必要的。在通常的实践中，d1可以被认为是作为前光学组10的一部分的一个或多个透镜的最大直径。

应注意，随着物体10的尺寸y1的增加，尺寸d1以及焦距f1也增加。由于焦距f1的增加涉及前尺寸L1的增加，结果是，随着被观察物体的大小增加，透镜的直径和长度将变大。

这加上在后光学组40和通常形成图像50所在的平面附近的远心透镜的末端部分通常与相机60相连的事实，还有助于进一步增加组件的总长度。

远心透镜的重量、大小和成本的减少是人工视觉系统制造商的重复要求。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种与根据上述现有技术的远心透镜相比在不使透镜的光学性能劣化的情况下具有较低重量、整体大小和制造成本的远心透镜来满足这种要求。

通过根据权利要求1所述的远心透镜来实现该目的。

附图说明

参考附图，根据本发明的远心透镜的特征和优点将从仅通过非限制性实例提供的其优选实施方式的以下描述中变得显而易见，在附图中：

a.图1示出了根据现有技术制造的远心透镜的光学图；

b.图1a示出了根据现有技术的远心透镜的实施方式；

c.图2示出了根据本发明的在其第一实施方式中的远心透镜的光学方案；

d.图3和图3a示出了根据本发明的在实施方式变体中的远心透镜的光学方案的透视图和平面图；

e.图4示出了图2中的光学方案的三维模型；

f.图5、图5a和图5b示出了根据本发明的远心透镜的主反射镜的实例的透视图、前视图和侧视图；以及

g.图6至图6c是根据本发明的远心透镜的机械配置的实例的相同数量的视图。

具体实施方式

在所述附图中，参考数字1指示根据本发明的作为整体的远心透镜。

根据一般实施方式，远心透镜包括适于接收来自被观察物体10的光线的前光学组20、适于将所述光线传送到传感器60的后光学组40、以及定位在前光学组20与后光学组40之间的透镜光圈30。

透镜光圈30至少位于前光学组20的焦平面上，以这种方式使得来自被观察物体10的每个光锥的轴线平行于光轴x，其中，光轴是指透镜的光学元件的共同旋转轴线(除非在前光学组20与后光学组40之间存在反射，如图3中的光学方案)。

物体10的图像形成在传感器60的成像平面50上。

根据本发明的一个方面，前光学组20没有透镜，并且由适于接收和反射来自被观察物体的光线的凹形弯曲的主反射镜202和适于接收且将来自主反射镜202的光线反射到后光学组40的至少一个次反射镜204组成。

换句话说，通常形成前光学组的前透镜(大、昂贵又重)已被两个反射镜202、204代替，这两个反射镜中的至少第一个具有动力、或是弯曲的。

在一些实施方式中，主反射镜202是由球面反射镜或非球面反射镜的外周部分获得。

在非球面反射镜中，非球面表面被定义为轮廓既不是球体的一部分也不是具有圆形底部的圆柱体的表面。

非球面的数学定义由下式给出：

其中，C是曲率并被定义为C＝1/R，其中R是曲率半径，K是圆锥常数，A和B是系数，y是沿旋转轴线的坐标(其在这种情况下与光学轴线x重合)，并且z是垂直于光轴的径向轴线。

例如，主反射镜202的反射表面是椭圆形或球形或非球形的帽部分。

在一些实施方式中，次反射镜204是由凸形球面反射镜或凸形非球面反射镜的一部分或者由平面镜的一部分获得。

在一个实施方式中，远心透镜设置有放置在前光学组20的前方的保护窗口12。

在一个实施方式中，在主反射镜与次反射镜之间的反射角α在5度至45度之间。

在一个实施方式中，在次反射镜与后光学组之间的反射角β在5度至45度之间。

这样的角度允许在透镜的光学品质和其紧凑性之间获得良好的折衷。

在图3和图3a所示的一个实施方式中，远心透镜还包括在次反射镜204与后光学组40之间的至少一个平面镜300。该平面镜300适于进一步偏离光线，从而减小透镜的总长度。在这种情况下，光学组40具有相对于如上定义的光轴X倾斜(例如正交)的光轴x'。

在一个实施方式中，在透镜光圈30的前方存在光学补偿组70，其包括至少一个补偿透镜，适于朝向后光学组40会聚从次反射镜204出射的任何发散光线。

在一个实施方式中，远心透镜1包括限定成像平面50的传感器60，来自后光学组40的光线在该成像平面上传送。成像平面相对于后光学组40的光轴x；x’可以是正交的、或者具有不同的倾度。传感器平面倾斜除90°以外的角度的效果是减小由场曲率引起的像差。

应注意的是，在远心透镜中(其中物体靠近透镜而不是在无限远处定位)，不可能沿着主反射镜的光轴插入次反射镜，因为该次反射镜将完全阻挡来自物体的光线。因此将获得具有大的圆形中心障碍物的图像。

因此，需要产生一种分散式系统，其中主反射镜202以这样的方式配置以反射光线，使它们会聚在次反射镜204上，该次反射镜相对于由主反射镜202收集的光线束在外部地并偏心地定位。

这种配置引入的像差已经优选地使用椭圆反射镜或非球面反射镜、在透镜光圈之前的任何补偿透镜以及必要时的倾斜成像平面来修正。

在一个实施方式中，主反射镜可以用CNC技术或电成型或其他技术制造。与用于产生母版的较高初始成本相比，电成型的优点是更具成本效益。电成型还有利地允许产生复杂的形状，该形状可以进一步包括参考及安装表面。

在图5至图5b中的实例中，主反射镜202在弯曲且凹形的反射表面202’周围包括外周平板202”，该外周平板用作参考及安装表面。在该实例中，主反射镜202是通过电成型来一体制成。

电成型反射镜可以由镍制成，但也可以由铜或其他金属制成。反射表面例如涂覆有反射材料层(例如铝或银以及典型地抗氧化层)。

图6至图6c示出了主反射镜202和次反射镜204以及后光学组40的机械安装和定位配置的实例。

特别要注意的是，主反射镜202(诸如图5至图5b中所示的电成型反射镜)借助于其参考及安装板202”来安装在主板206上。支撑臂208、209进一步附接到该主板206，这些支撑臂稳定地保持支撑次反射镜204的次板210。

例如，这种支撑臂208、209可以是铰接臂和/或设置有铰接连接接头，以便允许调节次板210的位置并因此调节次反射镜204相对于主反射镜202的位置。

在主板206的底部中进一步示出了光圈212，由次反射镜204发送至后光学组40的光线可以通过该光圈。

在一个实施方式中，后光学组40被合并在机械支撑结构214中(行话中也称为“目镜”)，在这种情况下，其通过圆柱形联接器插入光圈212中并例如通过螺钉来附接到主板25。

在不背离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以对根据本发明的远心透镜的实施方式进行若干改变、调整以及用具有其他功能等同元件进行元件替换，以满足附带的需要。被描述为属于可能实施方式的每个特征可以独立于所描述的其他实施方式获得。

Claims (12)

1.一种远心透镜，包括：前光学组(20)，所述前光学组适于接收来自被观察物体的光线；后光学组(40)，所述后光学组适于将所述光线朝传感器(60)的成像平面(50)传送；以及透镜光圈(30)，所述透镜光圈被定位在所述前光学组与所述后光学组之间，其中，所述透镜光圈至少处于所述前光学组的焦平面上，其特征在于，所述前光学组(20)没有透镜并且由凹形弯曲的主反射镜(202)和至少一个次反射镜(204)组成，所述主反射镜适于接收和反射来自所述被观察物体的光线，所述至少一个次反射镜适于接收并朝所述后光学组反射来自所述主反射镜(202)的光线。

2.根据权利要求1所述的远心透镜，其中，所述主反射镜(202)是由球面反射镜或非球面反射镜的外周部分获得。

3.根据权利要求1或2所述的远心透镜，其中，所述次反射镜(204)是由凸形球面反射镜或凸形非球面反射镜的一部分或者由平面镜的一部分获得。

4.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，在所述主反射镜与所述次反射镜之间的反射角在5度至45度之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，在所述次反射镜与所述后光学组之间的反射角在5度至45度之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，还包括在所述次反射镜(204)与所述后光学组(40)之间的至少一个平面镜(300)，所述平面镜适于使所述光线进一步偏转以减小透镜长度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，包括光学补偿组(70)，所述光学补偿组被放置在所述透镜光圈(30)的前方并且适于朝所述后光学组(40)会聚从所述次反射镜出射的发散光线。

8.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，包括限定所述成像平面(50)的传感器(60)，来自所述后光学组的光线被传送在所述成像平面上，所述成像平面相对于所述后光学组(40)的光轴(x；x’)具有不同于90°的倾度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述次反射镜(204)相对于从所述主反射镜接收的光线束在外部并偏心地定位。

10.根据前述权利要求中任一项所述的远心透镜，其中，所述主反射镜(202)在弯曲且凹形的反射表面(202’)周围包括外周平板(202”)，所述外周平板用作参考及安装表面。

11.根据前述权利要求所述的远心透镜，其中，外周参考及安装板(202”)被安装在主板(206)上，支撑次反射镜(204)的次板(210)的支撑臂(208)被固定至所述主板。

12.根据权利要求10或11所述的远心透镜，其中，光圈(212)被形成在所述主板中以用于使由所述次反射镜发送至所述后光学组的光线通过。