CN114199143A - 一种适用于曲面测量的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种测量效果好且能够对具有曲面的产品进行测量的适用于曲面测量的光学系统。本发明包括光源和成像组件，并提供了三个技术方案：方案一，采用分光棱镜和光线处理镜组与光源和成像组件配合，通过分光棱镜和光线处理镜组的作用使得所有的主光线对待测曲面入射角均为90°；方案二，采用第一光路模块和第二光路模块与光源和成像组件配合，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于被测表面；方案三，采用照明镜组和第二成像镜组与光源和成像组件配合，入射光经待测曲面反射进入成像组件。本发明可应用于曲面测量的技术领域。

Description

一种适用于曲面测量的光学系统
技术领域
本发明涉及曲面测量的技术领域，特别涉及一种适用于曲面测量的光学系统。
背景技术
在工业测量领域，对于具有弯曲表面的产品高度测量是一项具有挑战性的工作，特别是当弯曲表面为镜面反射或者具有较大散射时，照明光很大一部分被反射到测量镜头之外，造成测量信号信噪比低甚至信号缺失，从而使得测量镜头无法有效接收反射的照明光，不能够准确得出测量曲面的高度信息。
一般在测量时，光学成像的主光线即中心光线是主要测量光线，边缘光线为辅助测量光线，如图1所示，图中三种测量方式为现有的测量系统对平面、凸面和凹面测量时照明光的反射路径，可以看出只有平面能够顺利进行测量，凸面和凹面两种曲面均会有照明光反射外溢，外溢部分无法被接收。针对这一问题，很多镜头厂商或者传感器厂商的做法是提高镜头的数值孔径，以增大镜头的集光角度范围。镜头的集光角度增加，在一定程度上提高了系统的信噪比，但是代价是镜头的体积增大。与此同时，增加数值孔径的同时系统的景深减小，可能无法覆盖弯曲表面的成像深度范围。不仅如此，有些测量曲面曲率较大，法线角度变化范围超过180°，这种情况通过单纯地增加镜头的数值孔径也是无能为力的。因此，亟需一种适用于曲面测量的光学系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种测量效果好且能够对具有曲面的产品进行测量的适用于曲面测量的光学系统。
本发明所采用的一种技术方案是：它包括光源和成像组件，还包括分光棱镜和光线处理镜组，所述光源的光线射入所述分光棱镜，光线透过所述分光棱镜射入所述光线处理镜组并经所述光线处理镜组折射后，所有的主光线均垂直照射待测曲面，待测曲面使主光线垂直反射形成反射光，反射光按原来的射入路径射入所述光线处理镜组并经所述光线处理镜组射入所述分光棱镜，反射光经所述分光棱镜的反射作用进入所述成像组件进行图像或者光谱测量。
由上述方案可见，通过采用所述分光棱镜和所述光处理镜组对所述光源射出的主光线进行处理，从而使得所有的主光线对照射的待测曲面的入射角都为90°，即垂直状态，从而令待测曲面能够将每条主光线都按照射入的方向反射回去并射入成像组件中，所述成像组件根据射入的主光线成像，再根据成像结果即可测量出曲面的形貌。垂直入射和反射的过程中，光能利用率得到提升，可以降低对于镜头相对孔径的要求，减小镜头结构的体积，能够对待曲面的产品进行形貌测量，测量效果好。由此可见，本发明具有测量效果好且能够对具有曲面的产品进行测量的优点。
一个优选方案是，所述光线处理镜组为成像镜组。
由上述方案可见，所述光线处理镜组采用成像镜组能够将光线聚焦到待测曲面，提高测量系统的光学分辨率和能量利用率。
一个优选方案是，所述光线处理镜组为色散镜组。
由上述方案可见，所述光线处理镜组采用色散镜组可作为光谱共焦镜头，能够将射入的光线分解成若干单色光线，从而使得所述色散镜组射出各颜色主光线垂直待测曲面反射后最终射入所述成像组件，所述成像组件根据射入的光线进行光谱测量，再根据测量果即可计算曲面的高度，与普通镜头相比优势在于，光谱共焦镜头可以提供3D测量能力。
本发明所采用的另一种技术方案是：它包括光源和成像组件，还包括第一光路模块和第二光路模块，所述光源的光线射入所述第一光路模块并经所述第一光路模块倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜射入所述第二光路模块并经所述第二光路模块进入所述成像组件进行图像或者光谱测量。
由上述方案可见，通过采用第一光路模块和第二光路模块与光源及成像组件配合作为三角形式光谱共焦镜头，光源射出的光线经所述第一光路模块倾斜照射在待测曲面，即倾斜射入，而待测曲面将以射入点为中心射出反射光线，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光线与射入光线对称并进入第二光路模块，最后射入成像组件，成像组件根据射入的光线进行光谱测量，再根据测量结果即可计算出曲面的高度，由此形成三角形式光谱共焦测量。
一个优选方案是，所述第一光路模块包括第一准直镜组、第一色散棱镜和第一聚焦镜组，所述第二光路模块包括第二聚焦镜组、第二色散棱镜、第二准直镜组，所述成像组件包括第一反射镜、第三准直镜组、第二反射镜、第三色散棱镜和第三聚焦镜组，所述光源的光线垂直射出依次经过所述第一准直镜组、所述第一色散棱镜和所述第一聚焦镜组并经所述第一聚焦镜组后倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜反射依次经过所述第二聚焦镜组、所述第二色散棱镜、所述第二准直镜组、所述第一反射镜、所述第三准直镜组、所述第二反射镜、所述第三色散棱镜和所述第三聚焦镜组并经所述第三聚焦镜组进入相机进行光谱测量。
由上述方案可见，所述第一光路模块和所述第二光路模块的组成部件相互配合，从而组成双轴光谱共焦系统，在对被测物体测量时，光源的光线行走路径形成三角形式。
本发明所采用的第三种技术方案是：它包括光源和成像组件，还包括照明镜组和第二成像镜组，所述光源的光线垂直射出依次经过所述照明镜组后倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜反射依次经过所述第二成像镜组进入所述成像组件进行图像或者光谱测量。
由上述方案可见，所述照明镜组与第二成像镜组的对称中心均为待测曲面的中心线，因此能够对光线射入待测曲面后的反射光线进行对应，从而形成三角形式光路。
附图说明
图1是现有技术对平面、凸面和凹面进行测量时照明光线的反射方向示意图；
图2是本发明对平面、凸面和凹面进行测量时照明光线的反射方向示意图；
图3是本发明实施例一中所述光线处理镜组为色散镜组时的工作原理示意图；
图4是本发明实施例一中所述光线处理镜组为成像镜组时的工作原理示意图；
图5是本发明实施例二所述光学系统采用光谱共焦系统时的工作原理示意图；
图6是本发明实施例三所述光源采用三角线激光时的工作原理图。
具体实施方式
实施例一：
如图2至图4所示，在本实施例中，本发明包括光源1和成像组件2，还包括分光棱镜3和光线处理镜组4，所述光源1的光线射入所述分光棱镜3，光线透过所述分光棱镜3射入所述光线处理镜组4并经所述光线处理镜组4折射后，所述光源1的所有主光线均垂直照射待测曲面，待测曲面使主光线垂直反射形成反射光，反射光按原来的射入路径射入所述光线处理镜组4并经所述光线处理镜组4射入所述分光棱镜3，反射光经所述分光棱镜3的反射作用进入所述成像组件2进行图像或者光谱测量。通过采用所述分光棱镜3和所述光线处理镜组4对所述光源1射出的主光线进行处理，从而使得所有的主光线都能够与照射的待测曲面入射角为90°，即垂直状态，从而令待测曲面能够将每条主光线都按照射入的方向反射回去并射入成像组件2中，所述成像组件2根据射入的光线成像，再根据成像结果即可测量出曲面的形貌。垂直入射和反射的过程中，光能利用率得到提升，从而降低了对于镜头相对孔径的要求，以便于减小整体结构的体积，同时，由于镜头的像面弯曲和待测曲面重合，整体的景深需求也会比普通镜头降低。当所述光线处理镜组4采用成像镜组时，整体组成一普通成像系统，采用成像镜组能够提将光线聚焦到待测曲面，提高测量系统的光学分辨率和能量利用率；当所述光线处理镜组4采用色散镜组时，整体组成一同轴光谱共焦系统，所述色散镜组能够将射入的光线分解成若干单色光线，从而使得光线从所述色散镜组射出各颜色主光线垂直待测曲面反射后最终射入所述成像组件2，所述成像组件2根据射入的光线进行光谱测量，再根据测量结果即可测计算出曲面的高度；与普通成像系统相比优势在于，光谱共焦系统可以提供3D测量能力。由图2可以明显看出，本发明在测量时射出的光主线能够与曲面的每一个射入点都是垂直关系，因此能保证照射在曲面的反射光原路折返。
实施例二：
如图5所示，在本实施例中，本发明包括光源1、成像组件2、第一光路模块5和第二光路模块6，所述光源1的光线射入所述第一光路模块5并经所述第一光路模块5倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于被测曲面，反射光倾斜射入所述第二光路模块6并经所述第二光路模块6进入所述成像组件2进行图像或者光谱测量。所述第一光路模块5包括第一准直镜组51、第一色散棱镜52和第一聚焦镜组53，所述第二光路模块6包括第二聚焦镜组61、第二色散棱镜62、第二准直镜组63，所述成像组件2包括第一反射镜21、第三准直镜组22、第二反射镜23、第三色散棱镜24、第三聚焦镜组25和相机26，所述光源1的光线垂直射出依次经过所述第一准直镜组51、所述第一色散棱镜52和所述第一聚焦镜组53并经所述第一聚焦镜组53后倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜反射依次经过所述第二聚焦镜组61、所述第二色散棱镜62、所述第二准直镜组63、所述第一反射镜21、所述第三准直镜组22、所述第二反射镜23、所述第三色散棱镜24和所述第三聚焦镜组25并经所述第三聚焦镜组25进入所示相机26成像，再根据成像结果即可计算出曲面的高度。所述第一光路模块5和所述第二光路模块6的组成部件相互配合，从而组成双轴光谱共焦系统，在对被测物体测量时，所述光源1射出的光线所行走的路径形成三角形，同样可以进行3D测量。
实施例三：
如图6所示，在本实施例中，本发明包括光源1、成像组件2、照明镜组7和第二成像镜组8，所述光源1的光线垂直射出依次经过所述照明镜组7后倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜反射依次经过所述第二成像镜组8进入所述成像组件2进行图像或者光谱测量。此测量方法应用于三角线激光测量，所述光源1采用线激光，线激光聚焦于被测物体上，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于被测曲面，经待测曲面反射进入所述成像组件2。
本发明的工作原理是：光源1射出光线，使用分光棱镜3分光，待测产品的表面为曲面，光线处理镜组使主光线垂直照射待测曲面，入射光垂直入射，反射光垂直反射，反射进入分光棱镜3后并再度反射垂直进入成像组件2，成像组件2根据射入光线成像后可根据成像结果判断待测曲面的形貌。在实际应用中，曲面即为产品的表面，从而能够对具有曲面的产品进行形貌测量。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种适用于曲面测量的光学系统，它包括光源（1）和成像组件（2），其特征在于：它还包括分光棱镜（3）和光线处理镜组（4），所述光源（1）的光线射入所述分光棱镜（3），光线透过所述分光棱镜（3）射入所述光线处理镜组（4）并经所述光线处理镜组（4）折射后，所述光源（1）的所有主光线均垂直照射待测曲面，待测曲面使主光线垂直反射形成反射光，反射光按原来的射入路径射入所述光线处理镜组（4）并经所述光线处理镜组（4）射入所述分光棱镜（3），反射光经所述分光棱镜（3）的反射作用进入所述成像组件（2）进行图像或者光谱测量。
2.根据权利要求1所述的一种适用于曲面测量的光学系统，其特征在于：所述光线处理镜组（4）为成像镜组。
3.根据权利要求1所述的一种适用于曲面测量的光学系统，其特征在于：所述光线处理镜组（4）为色散镜组。
4.一种适用于曲面测量的光学系统，它包括光源（1）和成像组件（2），其特征在于：它还包括第一光路模块（5）和第二光路模块（6），所述光源（1）的光线射入所述第一光路模块（5）并经所述第一光路模块（5）倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜射入所述第二光路模块（6）并经所述第二光路模块（6）进入所述成像组件（2）进行图像或者光谱测量。
5.根据权利要求4所述的一种适用于曲面测量的光学系统，其特征在于：所述第一光路模块（5）包括第一准直镜组（51）、第一色散棱镜（52）和第一聚焦镜组（53），所述第二光路模块（6）包括第二聚焦镜组（61）、第二色散棱镜（62）、第二准直镜组（63），所述成像组件（2）包括第一反射镜（21）、第三准直镜组（22）、第二反射镜（23）、第三色散棱镜（24）、第三聚焦镜组（25）和相机（26），所述光源（1）的光线垂直射出依次经过所述第一准直镜组（51）、所述第一色散棱镜（52）和所述第一聚焦镜组（53）并经所述第一聚焦镜组（53）后倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜反射依次经过所述第二聚焦镜组（61）、所述第二色散棱镜（62）、所述第二准直镜组（63）、所述第一反射镜（21）、所述第三准直镜组（22）、所述第二反射镜（23）、所述第三色散棱镜（24）和所述第三聚焦镜组（25）并经所述第三聚焦镜组（25）进入所示相机（26）进行光谱测量。
6.一种适用于曲面测量的光学系统，它包括光源（1）和成像组件（2），其特征在于：它还包括照明镜组（7）和第二成像镜组（8），所述光源（1）的光线垂直射出依次经过所述照明镜组（7）后倾斜照射在待测曲面，待测曲面使光线倾斜反射形成反射光，入射光和反射光的主光线在待测曲面的法平面内的投影线均垂直于待测曲面，反射光倾斜反射依次经过所述第二成像镜组（8）进入所述成像组件（2）进行图像或者光谱测量。
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