CN111750780A - 一种高分辨曲面工业成像设备及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高分辨曲面工业成像设备及成像方法。本发明包括计算机、曲面扫描运动子系统、扫描位置传感器、光学镜头和场曲自适应线阵探测器模块；所述曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置；计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算,得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置,实现高分辨率成像。本发明能够实现对曲面的高效率高分辨率成像。
Description
技术领域：
本发明涉及一种高分辨曲面工业成像设备及成像方法，属于光学制造领域和超精密机械制造领域。
背景技术：
工业成像检测技术对产品的关键尺寸以及质量进行检测对于工业生产具有重要意义。随近年工业检测及机器视觉技术发展, 各类产品工业检测技术已经日益成熟, 但曲面类产品, 尤其是对检测分辨率要求高的曲面类产品, 其高效率高分辨率成像方法仍是限制其工程应用的关键技术障碍。
曲面的高分辨率成像对于多个制造领域均有重要意义, 对于光学制造领域和超精密机械制造领域尤为重要。目前的几种主流技术，如在光学镜头设计中被动补偿场曲、分区域成像与图像拼接、焦深扩展技术等，在工程应用中因通用性差、成本高、效率偏低等各原因，均具有较大的局限性。因此对于光学元件和高精密机械元件其表面质量检测，目前仍以人工目视检测为主。曲面的高分辨率成像问题的解决, 对于光学制造领域和超精密机械制造领域具有重要的工程意义。
发明内容：
本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种分辨率优于20微米或角度分辨率优于5角秒的高分辨曲面工业成像设备及成像方法，解决曲面成像中高分辨率与窄景深两者的矛盾，实现对曲面的高效率高分辨率成像。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种高分辨曲面工业成像设备，包括计算机、曲面扫描运动子系统、扫描位置传感器、光学镜头和场曲自适应线阵探测器模块；所述曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置； 计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置, 实现高分辨率成像。
所述的高分辨曲面工业成像设备，所述光学镜头采用物方和像方30倍景深/焦深的离焦范围的光学镜头。
所述的高分辨曲面工业成像设备，所述场曲自适应线阵探测器模块包括促动器,机械结构和若干条线阵探测器，所述促动器与计算机相连以接受来自计算机的运动控制指令，所述机械结构用于将多条线阵探测器和促动器进行连接,并在促动器运动下带动线阵探测器运动。
所述的高分辨曲面工业成像设备，所述线阵探测器分为两组, 在垂直于线阵和光轴方向上以线阵探测器宽度的1-2倍间距开, 并在沿线阵方向上有10%-40%重叠。
用上述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，该方法包括如下步骤：
（1）曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置；
（2）计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；
（3）场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置, 实现高分辨率成像。
所述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，步骤（2）中所述计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置的具体方法是：
计算机计算得到弯曲后像面上各点的焦深范围,焦深为y=x×F#, 其中x为像方分辨率,F#为所用镜头的光圈数 弯曲像面在扩展至其焦深范围内后所形成的体积范围内,获得符合成像分辨率要求的图像。
所述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，步骤（3）中场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置，具体是：
使用多条直线段的线阵探测器接收该图像时, 线阵探测器完全位于上述体积范围内的部分才可获得符合要求的图像分辨率, 通过分别调整各线阵扫描片段位置以及方向,在全直线段范围内均满足,或使得满足该范围的线段长度最大, 以尽可能扩大对曲面的单帧成像范围,单段线阵探测器的成像线段长度为max(XI, y^2/R’), 其中max为取最大值,XI为单段线阵探测器的感光区有效长度,y为焦深,R’为像面曲率半径；
将线阵探测器分为两组, 在垂直于线阵和光轴方向上以线阵探测器宽度的1-2倍间距间距错开, 并在沿线阵方向上有10%-40%重叠时：
在物体曲率半径使得关系式y^2/R’>=XI满足的情况下, 整个探测器范围内均可实现高分辨率成像；
当上述关系式不能满足y^2/R’<XI, 扫描成像模式下获得多条带状区域, 在路径规划中每扫描一组带状区域后沿线阵方向移动ΔX, ΔX<y^2/R’, 进行n次扫描,n>=X/(y^2/R’), 引入错位的准平行路径并通过拼接仍可获得完整图像。
有益效果：
针对曲面成像中的高分辨率和窄景深矛盾,提出了可主动调整以适应曲面成像光路中像面弯曲的 ”场曲自适应线阵模块” ,有效地补偿了成像光路中的离焦,主动扩展了曲面的单帧成像的有效范围; 通过与线阵扫描成像技术结合,对工程应用中的典型曲面可进行高分辨率高速成像, 大幅度提高曲面工业检测的检测精度和检测效率。
附图说明：
图1是一种高分辨曲面工业成像设备原理图。
图2是曲面成像时的像面弯曲示意图。
图3是焦深范围以及线阵拼接方式示意图。
其中：图3（a）是理论的像面形状示意图，其中虚线为焦深范围。
图3（b）是采用多条线阵进行拼接示意图，其中虚线为焦深范围。
图3（c）是采用多条线阵进行拼接俯视图。
具体实施方式：
实施例1：
如图1-2所示：本发明的高分辨曲面工业成像设备，包括计算机1、曲面扫描运动子系统2、扫描位置传感器3、光学镜头4和场曲自适应线阵探测器模块5；所述曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置； 计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置, 实现高分辨率成像。
所述的高分辨曲面工业成像设备，所述光学镜头采用物方和像方30倍景深/焦深的离焦范围的光学镜头。引入的场曲之外的像差较小,对系统调整传递函数的影响小于30%, 从而可在场曲被自适应补偿后该光学镜头的设计残差小,达到理论传递函数的70%以上水平, 具有良好的理论成像分辨率
所述的高分辨曲面工业成像设备，所述场曲自适应线阵探测器模块促动器,机械结构和若干条线阵探测器，所述促动器与计算机相连以接受来自计算机的运动控制指令，所述机械结构用于将多条线阵探测器和促动器进行连接,并在促动器运动下带动线阵探测器运动。本实施例中的场曲自适应线阵探测器模块采用开环控制方式,也可在机械结构上附加传感器,基于传感器进行闭环运动控制,从而提高线阵探测器的运动精度
本实施例中所述的高分辨曲面工业成像设备，为了实现线阵之间的无缝衔接,所述线阵探测器分为两组, 在垂直于线阵和光轴方向上以线阵探测器宽度的1-2倍间距开, 并在沿线阵方向上有10%-40%重叠。
用上述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，该方法包括如下步骤：
（1）曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置；
（2）计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；
（3）场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置, 实现高分辨率成像。
所述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，步骤（2）中所述计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置的具体方法是：
计算机计算得到弯曲后像面上各点的焦深范围,焦深为y=x×F#, 其中x为像方分辨率,F#为所用镜头的光圈数 弯曲像面在扩展至其焦深范围内后所形成的体积范围内,获得符合成像分辨率要求的图像。
所述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，步骤（3）中场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置，具体是：
使用多条直线段的线阵探测器接收该图像时, 线阵探测器完全位于上述体积范围内的部分才可获得符合要求的图像分辨率, 通过分别调整各线阵扫描片段位置以及方向,在全直线段范围内均满足,或使得满足该范围的线段长度最大, 以尽可能扩大对曲面的单帧成像范围,单段线阵探测器的成像线段长度为max(XI, y^2/R’), 其中max为取最大值,XI为单段线阵探测器的感光区有效长度,y为焦深,R’为像面曲率半径；
将线阵探测器分为两组, 在垂直于线阵和光轴方向上以线阵探测器宽度的1-2倍间距间距错开, 并在沿线阵方向上有10%-40%重叠时：
在物体曲率半径使得关系式y^2/R’>=XI满足的情况下, 整个探测器范围内均可实现高分辨率成像；
当上述关系式不能满足y^2/R’<XI, 扫描成像模式下获得多条带状区域, 在路径规划中每扫描一组带状区域后沿线阵方向移动ΔX, ΔX<y^2/R’, 进行n次扫描,n>=X/(y^2/R’), 引入错位的准平行路径并通过拼接仍可获得完整图像。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (7)
1.一种高分辨曲面工业成像设备，其特征在于：包括计算机、曲面扫描运动子系统、扫描位置传感器、光学镜头和场曲自适应线阵探测器模块；所述曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置； 计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置, 实现高分辨率成像。
2.根据权利要求1所述的高分辨曲面工业成像设备，其特征在于：所述光学镜头采用物方和像方30倍景深/焦深的离焦范围的光学镜头。
3.根据权利要求1所述的高分辨曲面工业成像设备，其特征在于：所述场曲自适应线阵探测器模块包括促动器,机械结构和若干条线阵探测器，所述促动器与计算机相连以接受来自计算机的运动控制指令，所述机械结构用于将多条线阵探测器和促动器进行连接,并在促动器运动下带动线阵探测器运动。
4.根据权利要求1所述的高分辨曲面工业成像设备，其特征在于：所述线阵探测器分为两组, 在垂直于线阵和光轴方向上以线阵探测器宽度的1-2倍间距开, 并在沿线阵方向上有10%-40%重叠。
5.一种用上述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）曲面扫描运动子系统用于根据计算机规划的扫描路线实现其曲面相对光学镜头的相对运动，扫描位置传感器用于实时探测曲面扫描运动子系统的曲面的当前扫描位置；
（2）计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置；
（3）场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置, 实现高分辨率成像。
6.根据权利要求5所述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，其特征在于：步骤（2）中所述计算机根据曲面扫描运动子系统的曲面的实时扫描位置对经过光学镜头后的弯曲像面进行计算, 得到场曲自适应线阵探测器模块中的各个线阵探测器与弯曲像面相匹配的位置的具体方法是：
计算机计算得到弯曲后像面上各点的焦深范围,焦深为y=x×F#, 其中x为像方分辨率,F#为所用镜头的光圈数，弯曲像面在扩展至其焦深范围内后所形成的体积范围内,获得符合成像分辨率要求的图像。
7.根据权利要求5所述的高分辨曲面工业成像设备进行成像的方法，其特征在于：步骤（3）中场曲自适应线阵探测器模块控制其各线阵探测器运动到与弯曲像面重合位置，具体是：
使用多条直线段的线阵探测器接收该图像时, 线阵探测器完全位于上述体积范围内的部分才可获得符合要求的图像分辨率, 通过分别调整各线阵扫描片段位置以及方向,在全直线段范围内均满足,或使得满足该范围的线段长度最大, 以尽可能扩大对曲面的单帧成像范围,单段线阵探测器的成像线段长度为max(XI, y^2/R’), 其中max为取最大值,XI为单段线阵探测器的感光区有效长度,y为焦深,R’为像面曲率半径；
将线阵探测器分为两组, 在垂直于线阵和光轴方向上以线阵探测器宽度的1-2倍间距错开, 并在沿线阵方向上有10%-40%重叠时：
在物体曲率半径使得关系式y^2/R’>=XI满足的情况下, 整个探测器范围内均可实现高分辨率成像；
当上述关系式不能满足y^2/R’<XI, 扫描成像模式下获得多条带状区域, 在路径规划中每扫描一组带状区域后沿线阵方向移动ΔX, ΔX<y^2/R’, 进行n次扫描,n>=X/(y^2/R’), 引入错位的准平行路径并通过拼接仍可获得完整图像。
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