CN113483692A - 一种孔检测光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孔检测光学系统，涉及光学仪器技术领域，包括：相机、光源、沙姆镜头；相机与光源为共聚焦设计；光源的出射光斜向照射于深孔的孔壁；孔壁的反射光通过沙姆镜头进入相机，并在光电传感器上聚焦成像；孔壁至相机的反射光路满足沙姆定律；本发明优点在于，采用光源和相机共聚焦设计，同时和探测目标(深孔)成物像共轭关系，避免使用复杂的照明设备打光，从而减小系统成本和体积；结合沙姆镜头及光路满足沙姆定律，具备大景深倾斜目标成像功能，可以高分辨率下无死角检测深孔整个深度范围。

Description

一种孔检测光学系统
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种孔检测光学系统。
背景技术
随着光学、图像处理和计算机技术的发展，工业机器视觉检测技术得到广泛应用。它利用工业相机拍摄得到相应的图像信息，并对图像进行一系列的处理，提取出所需要的信息，最终达到检测的目的。尤其对深孔零件的检测，传统检验工具一般只能对孔靠近边缘，或者较浅深度检测，对于孔较深位置不能得到足够高分辨率图像，甚至不能拍摄到图像。现在机械设备中的零件要求越来越高，而深孔又是较常见的加工目标。
目前常见技术方案包括结构光直接视检孔底，但是由于光线不足导致测量结果精度不满足需求；同时，光源与相机的空间位置分布影响了图像拍摄，并不利于获得高质量图像。
中国专利CN112269242A公开了一种高分辨率斜像镜头。光轴从物侧至像侧依次分布具有正光焦度的第一球面透镜，正光焦度的第二球面透镜，光栏，负光焦度第三球面透镜，负光焦度第四球面透镜，正光焦度第五球面透镜，负光焦度第六球面透镜，正光焦度第七球面透镜，正光焦度第八球面透镜。上述技术方案满足沙姆定律的适应于视野为0-500mm的目标平面的八片球面式斜像镜头，对倾斜目标全视野高分辨率清晰成像，可用于解决斜向采集深孔图像，但是具体光源设置问题并没有解决。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种孔检测光学系统，能够解决上述问题。
为此目的，本发明由如下技术方案实施。
一种孔检测光学系统，包括：相机、光源、沙姆镜头；
所述光源出射光通过光学元件折射或反射进入所述沙姆镜头，出射光通过所述沙姆镜头后聚焦于待测孔的孔壁表面；所述孔壁的反射光通过所述沙姆镜头进入所述相机，并在光电传感器上聚焦成像；所述孔壁至所述相机的反射光路满足沙姆定律。
进一步，所述相机的工作波长为450nm-650nm，相机靶面为2/3英寸。
进一步，所述光学元件为分光棱镜；所述光源的出射光通过所述分光棱镜反射进入所述沙姆镜头，并照射于所述孔壁上；所述孔壁的反射光通过所述沙姆镜头后，经过所述分光棱镜透射至所述相机。
更进一步，所述分光棱镜的分光比为50：50。
进一步，所述沙姆镜头包括7片球面透镜，从物侧至像侧依次为：具有正光焦度的L1球面透镜，负光焦度的L2球面透镜，负光焦度的L3球面透镜，正光焦度的L4球面透镜，负光焦度的L5球面透镜，正光焦度的L6球面透镜，正光焦度的L7球面透镜；其中，所述L5球面透镜和所述L6球面透镜之间设置有光栏；
所述L1球面透镜和所述L2球面透镜用于消除场曲和畸变；所述L3透镜用于消除球差、彗差、轴向色差；所述L4透镜用于消除球差和轴向色差；所述L5透镜用于消除球差、彗差、畸变；所述L6透镜和所述L7透镜用于消除球差和彗差。
更进一步，所述沙姆镜头还包括滤光片；所述滤光片设置于所述L1球面透镜靠近所述孔壁的一侧；
其中，所述滤光片两侧表面分别为，位于物侧的第一面和位于像侧的第二面；
所述L1球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第三面和位于像侧的第四面；
所述L2球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第四面和位于像侧的第五面；
所述L3球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第七面和位于像侧的第八面；
所述L4球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第九面和位于像侧的第十面；
所述L5球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十一面和位于像侧的第十二面；
光栏，包括第十三面；
所述L6球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十四面和位于像侧的第十五面；
所述L7球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十六面和位于像侧的第十七面；
所述分光棱镜包括第十八面和第十九面。
更进一步，当深孔的深度为38mm时，所述沙姆镜头的各工作面参数如下：
Figure BDA0003129906250000031
其中，nd为材料折射率，vd为材料阿贝数；所述沙姆镜头的镜头焦距为f＝32.55mm，F/#＝5.6。
更进一步，当深孔的深度为50mm时，所述沙姆镜头的各工作面参数如下：
Figure BDA0003129906250000032
Figure BDA0003129906250000041
其中，nd为材料折射率，vd为材料阿贝数；所述沙姆镜头的镜头焦距为f＝29.9mm，F/#＝5.6。
本发明具有如下优点：
本发明由于采用光源和相机共聚焦设计，同时和探测目标(深孔)成物像共轭关系，避免使用复杂的照明设备打光，从而减小系统成本和体积；结合沙姆镜头及光路满足沙姆定律，具备大景深倾斜目标成像功能，可以高分辨率下无死角检测深孔整个深度范围。
进一步，分光棱镜的使用具备半透半反功能，很好的将光源和相机耦合进一套系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一个或几个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统简图；
图2为本发明实施例1中系统图及光路示意图；
图3为本发明实施例1中MTF曲线图；
图4为本发明实施例1中轴向球差曲线图；
图5为本发明实施例1中畸变曲线图；
图6为本发明实施例1中照度曲线图；
图7为本发明实施例2中系统图及光路示意图；
图8为本发明实施例2中MTF曲线图；
图9为本发明实施例2中轴向球差曲线图；
图10为本发明实施例2中畸变曲线图；
图11为本发明实施例2中照度曲线图。
图中：
1-相机；2-光源；3-沙姆镜头；4-孔壁；5-分光棱镜；301-滤光片。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图，对本发明做进一步说明。
一种孔检测光学系统，如图1所示，包括：相机1、光源2、沙姆镜头3。
其中，相机1与光源2为共聚焦设计；优选地，还包括分光棱镜5；光源2的出射光通过分光棱镜5反射进入沙姆镜头3，并照射于孔壁4上；孔壁4的反射光通过沙姆镜头3后，经过分光棱镜5透射至相机1的观测端。这样采用共聚焦设计，使物与像点对点，面对面共轭，再通过引入分光棱镜5，将光源2设置于侧向，不再遮挡相机1，且公用光路有利于缩小设备尺寸。
孔壁4的反射光通过沙姆镜头3进入相机1的观测端；孔壁4至相机1的反射光路满足沙姆定律；且光源2的出射光通过沙姆镜头3斜向照射于深孔的孔壁4。由于直接照射孔底，大部分光线经过漫反射后在孔壁间多次反射后被吸收，使实际光线反射量少，成像质量不达标；故本发明通过直接侧向照射孔壁4可以使检测的深孔的孔壁4收到更大的光强，增加反射光，且采集孔壁的图像质量更好。
优选地，相机1的工作波长为450nm-650nm，相机靶面为2/3英寸。分光棱镜5的分光比为50：50。
优选地，沙姆镜头3包括7片球面透镜，从物侧至像侧依次为：具有正光焦度的L1球面透镜，负光焦度的L2球面透镜，负光焦度的L3球面透镜，正光焦度的L4球面透镜，负光焦度的L5球面透镜，光栏，正光焦度的L6球面透镜，正光焦度的L7球面透镜；L1球面透镜和L2球面透镜用于消除场曲和畸变；L3透镜用于消除球差、彗差、轴向色差；L4透镜用于消除球差和轴向色差；L5透镜用于消除球差、彗差、畸变；L6透镜和L7透镜用于消除球差和彗差。进一步，沙姆镜头3还包括滤光片301；滤光片301设置于L1球面透镜靠近孔壁4的一侧。
为了便于说明各透镜具体设计参数，这里针对各透镜或光学器件位于光路中的工作面进行必要的标记。
其中，滤光片两侧表面分别为，位于物侧的第一面和位于像侧的第二面；
L1球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第三面和位于像侧的第四面；
L2球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第四面和位于像侧的第五面；
L3球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第七面和位于像侧的第八面；
L4球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第九面和位于像侧的第十面；
L5球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十一面和位于像侧的第十二面；
光栏，包括第十三面；
L6球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十四面和位于像侧的第十五面；
L7球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十六面和位于像侧的第十七面；
分光棱镜5包括第十八面和第十九面。
进一步地，焦距f不受限制：孔的深度、宽度、工作距离(镜头底部距离深孔的距离)，多个因素决定所需设计镜头的焦距。依据应用需求而定。
进一步地，孔的深度不受限制：取决于检测深孔的分辨率需求。分辨率由镜头、探测器等多个因素决定。在不违背光学原理的前提下，即分辨率要求在符合光学原理范围内，定制不同焦距、F数、视场的镜头可以满足任何深度需求。
进一步地，F数不受限制：F数的本质是焦距/入瞳直径，入瞳直径的本质是光阑的像。同时决定着镜头分辨率。根据不同的深孔条件需求，可以定制任何F数的镜头。
实施例1
基于上述具体实施方式，结合图2所示系统及光路图；当深孔的深度为38mm时，本实施例中沙姆镜头3的各工作面参数如下：
Figure BDA0003129906250000061
Figure BDA0003129906250000071
其中，nd为材料折射率，vd为材料阿贝数；沙姆镜头3的镜头焦距为f＝32.55mm，F/#＝5.6。图3中展示了本实施例的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.3；图4中展示了本实施例的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm；图5展示了本实施例的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.3％；图6中展示了本实施例的照度曲线，全视野下相对照度大于85％。综合评定，系统具有高的能量均匀性。
实施例2
基于上述具体实施方式，结合图7所示系统及光路图；当深孔的深度为50mm时，本实施例中沙姆镜头3的各工作面参数如下：
Figure BDA0003129906250000072
Figure BDA0003129906250000081
其中，nd为材料折射率，vd为材料阿贝数；沙姆镜头3的镜头焦距为f＝29.9mm，F/#＝5.6。图8中展示了本实施例的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.3；图9中展示了本实施例的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm；图10展示了本实施例的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.3％；图11中展示了本实施例的照度曲线，全视野下相对照度大于85％。综合评定，系统具有高的能量均匀性。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种孔检测光学系统，包括：相机(1)、光源(2)、沙姆镜头(3)；
其特征在于，所述光源(2)出射光通过光学元件折射或反射进入所述沙姆镜头(3)，出射光通过所述沙姆镜头(3)后聚焦于待测孔的孔壁(4)表面；所述孔壁(4)的反射光通过所述沙姆镜头(3)进入所述相机(1)，并在光电传感器上聚焦成像；所述孔壁(4)至所述相机(1)的反射光路满足沙姆定律。
2.根据权利要求1所述的孔检测光学系统，其特征在于，所述相机(1)的工作波长为450nm-650nm，相机靶面为2/3英寸。
3.根据权利要求1所述的孔检测光学系统，其特征在于，所述光学元件为分光棱镜(5)；所述光源(2)的出射光通过所述分光棱镜(5)反射进入所述沙姆镜头(3)，并照射于所述孔壁(4)上；所述孔壁(4)的反射光通过所述沙姆镜头(3)后，经过所述分光棱镜(5)透射至所述相机(1)。
4.根据权利要求3所述的孔检测光学系统，其特征在于，所述分光棱镜(5)的分光比为50：50。
5.根据权利要求3所述的孔检测光学系统，其特征在于，所述沙姆镜头(3)包括7片球面透镜，从物侧至像侧依次为：具有正光焦度的L1球面透镜，负光焦度的L2球面透镜，负光焦度的L3球面透镜，正光焦度的L4球面透镜，负光焦度的L5球面透镜，正光焦度的L6球面透镜，正光焦度的L7球面透镜；其中，所述L5球面透镜和所述L6球面透镜之间设置有光栏；
所述L1球面透镜和所述L2球面透镜用于消除场曲和畸变；所述L3透镜用于消除球差、彗差、轴向色差；所述L4透镜用于消除球差和轴向色差；所述L5透镜用于消除球差、彗差、畸变；所述L6透镜和所述L7透镜用于消除球差和彗差。
6.根据权利要求5所述的孔检测光学系统，其特征在于，所述沙姆镜头(3)还包括滤光片(301)；所述滤光片(301)设置于所述L1球面透镜靠近所述孔壁(4)的一侧；
其中，所述滤光片两侧表面分别为，位于物侧的第一面和位于像侧的第二面；
所述L1球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第三面和位于像侧的第四面；
所述L2球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第四面和位于像侧的第五面；
所述L3球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第七面和位于像侧的第八面；
所述L4球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第九面和位于像侧的第十面；
所述L5球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十一面和位于像侧的第十二面；
光栏，包括第十三面；
所述L6球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十四面和位于像侧的第十五面；
所述L7球面透镜两侧表面分别为，位于物侧的第十六面和位于像侧的第十七面；
所述分光棱镜(5)包括第十八面和第十九面。
7.根据权利要求6所述的孔检测光学系统，其特征在于，当孔的深度为38mm时，所述沙姆镜头(3)的各工作面参数如下：
Figure FDA0003129906240000021
其中，nd为材料折射率，vd为材料阿贝数；所述沙姆镜头(3)的镜头焦距为f＝32.55mm，F/#＝5.6。
8.根据权利要求6所述的孔检测光学系统，其特征在于，当孔的深度为50mm时，所述沙姆镜头(3)的各工作面参数如下：
Figure FDA0003129906240000031
其中，nd为材料折射率，vd为材料阿贝数；所述沙姆镜头(3)的镜头焦距为f＝29.9mm，F/#＝5.6。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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