CN114594596A - 物镜的光瞳像差的补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物镜的光瞳像差的补偿。一种包括物镜(20)的物镜系统，物镜(20)包括一组光学元件，光学元件的光学特性引起物镜的光学像差，光学像差至少包括引起光束的边缘光线相对于光束的主光线的像差的图像像差和引起第一交点相对于第二交点沿物镜(20)的光轴的横向偏移的光瞳像差，第一交点由光轴与具有第一入射角的第一主光线的交点来定义，第二交点由光轴和具有第二入射角的第二主光线的交点来定义，第一入射角不同于第二入射角。系统包括光学补偿元件(25)，光学补偿元件(25)被配置成操纵透过该光学补偿元件(25)的光的传播路径，其中该光学补偿元件(25)相对于物镜(20)被配置和设置成使得由光瞳像差引起的横向偏移减小。

Description

物镜的光瞳像差的补偿
技术领域
本发明涉及由用于测量目的的物镜引起的光瞳像差的补偿以及相关方法。
背景技术
在生产工件之后例如在诸如坐标测量机(CMM)之类的坐标定位装置上对工件进行检查以检查预定对象参数(例如对象的尺寸和形状)的正确性是通常做法。此外，对未知对象的表面的检测在许多工业应用中受到关注。这种测量通常也可以使用坐标测量机或任何其它合适类型的扫描装置来提供。
在传统的3D坐标测量机中，探头被支撑以沿三个相互垂直的轴线(沿X、Y和Z方向)移动。由此，可以将探头引导到坐标测量机的测量容积的空间中的任意点，并且可以利用由探头承载的测量传感器(探测单元)来测量对象。这种探测单元可以被设计成提供表面测量的触觉探测器或光学传感器，例如基于三角测量原理。
在机器的简单形式中，平行于各个轴线安装的合适的换能器能够确定探头相对于机器基座的位置，并因此确定对象上由传感器照射的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型的坐标测量机可以包括设置有探头的框架结构和用于使框架结构的框架部件相对于彼此移动的驱动装置。
使用光学传感器的优点在于其不与零件接触，因此在测量过程中不会像如触觉探头那样使零件变形或损坏。
使用(线)三角测量装置结合CMM来测量表面的另一优点是由一个时间步长(一次拍摄)接收的距离信息的量，即可以确定沿着整个投影三角测量线的距离值，并且可以得到相应的坐标。因此，通过沿着期望的测量路径移动传感器，可以显著地较快地完全扫描要测量的对象。
在过去的20年中，人工操作的便携式CMM系统(例如铰接臂式CMM)对于车间中的非重复测量任务已经变得流行，该系统典型地包括链接在一起的四个区段，各连杆一个或两个旋转轴线，总共六个或七个轴线。线三角测量装置也用在这种便携式CMM上，以大大增加数据捕获速度。
使用三角测量单元的其它便携式测量装置包括光学跟踪系统，使用多个相机来跟踪探头位置和定向，或者使用干涉距离跟踪装置，其中使用附加的相机来跟踪探头的旋转轴线。
线三角测量传感器的其它应用包括固定安装，其中将对象设置在一个或多个传感器的前方，并且进行静态对象的单线测量，使得在不需要昂贵的定位系统的情况下可以在单个步骤中捕获部件的关键特征。
此外，用于提供表面的形貌测量的装置可以被实现为包括三角测量传感器的(手持)装置，其中该装置被沿着待测量的表面引导(人工地或通过机器人)，并且在移动该装置的同时由该传感器获取距离数据。另外，可以在全局坐标系中连续地确定(例如跟踪)这种装置的位置和/或定向，从而能够确定对应于对象表面的绝对坐标。
通常，三角测量提供了一种以快速和精确的方式扫描表面的方法。根据该原理工作的测量装置例如从DE102004026090A1或WO2011/000435A1中已知。
特别地，在要测量的对象上产生由激光单元产生的线，例如通过沿着该线移动激光点或通过提供激光扇，并且由相机检测从表面反射的光，该相机包括光敏图像传感器(光检测器)和用于控制图像传感器和读出图像的电子器件。捕获反射光的图像，并且根据所检测的线的轮廓得到距离信息。基于此，可以确定对象表面的形貌。
对于高精度的测量，必须校准相应的光学计量系统。为此，典型地必须提供这种装置的相机的(几何)校准，其可以保证正确且准确地确定测量值，即在图像中确定的位置应该被以高精度分配给测量体积内的位置。因此，校准方法的目标是校准相机模型和/或校准装置的三角测量基线(在存在至少两个相机的情况下)。例如，可以用三角测量传感器测量对象处的基准坐标，并通过使用附加的测量系统来验证或校正。
这种基本校准关于设置校准装置而言通常是耗时的，并且由于必须提供精确的基准坐标信息因而相当复杂。
另选地，另一种校准方法利用捕获校准基准并且对在捕获的图像中识别的关注的点进行图像处理。为此，选择校准基准，其中已知某些特征(例如索引标记的中心)关于校准基准上的3D基准点的坐标方面具有优良的准确性。这种校准基准的示例是包括已知圆(及其中心)作为基准特征的校准板。
在不同位置(姿态)获取校准基准的图像，以覆盖系统的测量体积。然后，特别地通过图像处理算法，在图像中检测校准基准点的图像点。基于所识别的图像点，建立图像点与对应的校准基准点之间的映射(例如，也通过算法)。
在下一步骤中，校准一个或多个相机的定向(或三角测量基线)以及相机模型参数，使得获得图像点与校准基准点之间通过模型的最佳拟合。校准后的相机定向(三角测量基线)以及相机模型参数被存储并用于将来的测量。
光学计量系统，例如基于条纹投影的3D立体扫描器、摄影测量相机、3D激光扫描器和偏转测量是非接触式光学测量装置，其频繁用于检验所生产部件的尺寸质量。对于高精度应用，这些系统需要提供高达FOV的1：60000的准确性，而不管外部温度和重力影响。为了满足挑战性的要求，准确和可靠的校准概念是必要的。
根据现有技术的这种校准方案是基于软件的。发现使用所谓的针孔模型来描述待校准的光学器件不能令人满意地满足准确性要求，因为这种针孔模型假设所有的光线都穿过单个投影点，对于所使用的物镜而言这是不成立。因此，以后的方案应用所谓的非针孔模型进行校准，以以最佳可能的方式描述真实的光学器件。应用非针孔模型的已知示例是Kannala-Brandt通用相机模型、Gennery通用相机模型或Vision光线校准模型。
上述基于软件的方案的一个缺点是由于数学非线性模型引起的给定复杂性，导致较高的数值工作和计算开销。这导致校准过程的时间相对较长。此外，由于复杂性，也给出了校准失败的概率。此外，由于所应用的方案的特性，不存在允许进行有效立体匹配的对极几何。因此，用于立体匹配的复杂算法变得更加耗时。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的光学系统，通过使用该光学系统提供了增加的测量准确性。
本发明的另一目的是提供一种改进的光学系统，其允许根据设计光学系统所针对的要求而实现高效的校准效率。
本发明的另一目的是提供一种改进的测量装置，其提供相应的高效和精确的校准以及相应的测量准确性。
通过提供关于光学系统的测量准确性的进一步改进来驱动本发明。通常是为了提供适当的待处理图像数据，着眼于以最佳方式对待测对象成像而改进普通的光学系统。本方案是不同的。
本发明基于还改进校准过程以产生“从头开始”改进的测量数据的构思。与其它方案相比，本方案不关注于创建和使用校准模型，该校准模型以改进的方式表示要校准的光学器件即比其它模型更接近真实的光学特性和成像特性，而是关注于调节光束传播以适合所使用的校准模型。为避免高复杂性，在本发明的上下文中选择的校准模型是上面提及的针孔模型或准针孔模型。
准针孔模型应理解为描述或表示光学系统(例如物镜)的特性的模型，其中光学系统和/或相应模型包括接近针孔的特性，即例如可忽略程度的光瞳像差。
入射光瞳的位置根据视场角(物镜的光瞳像差的球面像差)而纵向变化。光瞳像差导致被测量位置与标称位置之间产生3D残差。例如，在视场(FOV)为700mm的情况下，会出现大于60μm的系统误差。该误差主要限制了测量准确性。
本发明的构思在于使用附加的光学部件来校正物镜的光瞳像差的球面像差，使得物镜的原始非针孔特性接近或转换成针孔特性。由此，针孔模型或准针孔模型可用于校准目的。
本发明涉及一种包括物镜和光学补偿元件的物镜系统。物镜包括一组光学元件，其中各个光学元件限定具体的光学特性，光学元件的光学特性引起物镜的光学像差，特别是球面像差。光学像差至少包括图像相差和光瞳像差，图像相差导致光束的边缘光线相对于光束的主光线的像差(例如彗差，像散，畸变等)，特别是关于所述光束经由所述物镜投射到的像平面。光瞳像差引起第一交点相对于第二交点沿物镜的光轴的横向偏移。第一交点由光轴与具有第一入射角的第一主光线的交点来定义，第二交点由光轴与具有第二入射角的第二主光线的交点来定义。第一入射角不同于第二入射角。
光轴与第一和/或第二主光线的交叉必须特别理解为关于主光线和光轴在一个公共平面上的几何投影的交叉以及这些元件在该平面中的交叉。
该光学补偿元件被配置成操纵透过该光学补偿元件的光的传播路径，其中该光学补偿元件相对于该物镜被配置和设置成使得由光瞳像差引起的横向偏移减小。
该光学补偿元件可被设置在待校正的物镜的前方。该部件的集成可以在设计和制造过程中直接进行，或者在镜头已经制造之后安装。为此，可以采用现有的软件解决方案来测量非针孔特性，并设计校正器以在以后将现成的物镜转换为服从针孔特性。
在一个实施方式中，光学补偿元件可以被配置成使得降低光瞳像差的程度显著大于降低图像像差的程度。光学补偿元件被实现成操纵照射光的主光线以在一个或接近于一个光瞳位置交叉。
此外，补偿元件可以配置成具有小的屈光能力。根据一个实施方式，光学补偿元件可以具有在-2至+2屈光度(dpt)之间的折射能力。
在一个实施方式中，光学补偿元件可以提供由光瞳像差引起的横向偏移的减小，而物镜的图像质量，特别是图像像差基本上保持不变。
在一个实施方式中，光学补偿元件可以安装到物镜，特别是其中光学补偿元件的光轴与物镜的光轴共轴或平行。
光学补偿元件可以被设计成使得其主要对或仅对用于光瞳成像的光线具有影响，并且在大多数情况或者全部情况下对用于动态成像的光线具有的影响可忽略。其可以按照相对宽松的公差制造和安装，因此也具有低成本。
根据另一实施方式，光学补偿元件可以被定位成使得光学补偿元件的入射光瞳的虚像位于距物镜的入射光瞳的虚像小于20mm的距离处。
在一个实施方式中，光学补偿元件可以包括至少两个光学部件，所述至少两个光学部件包括负弯月透镜和/或正弯月透镜以及在所述至少两个光学部件之间的至少一个间隙。光学部件可以包括特定的和不同的透镜，其具有例如不同折射能力和/或折射率。光学部件可包括光学间隔件或安全玻璃。
特别地，光学部件可以以特定的方式设置，以提供照射光的限定的操纵，来减小物镜的光瞳像差。
在一个实施方式中，至少一个间隙的范围(宽度，距离)是可调节的，以补偿例如彗差、像散、色差和/或畸变的其它光学像差效应和/或由另外的光学元件引入的另外的光学像差效应。
可以通过改变至少一个间隙距离来校正由附加光学元件(例如10mm玻璃窗)引入的附加像差。由此，可以提供可调校正器，其能够使光学器件适应测量环境而不损失测量准确性。
在一个实施方式中，该至少一个间隙的宽度由至少两个光学部件的限制表面来限制，在这些限制表面之间提供了该间隙，其中这些限制表面是平行的或同心的或包括至多5°的相对斜率差。
在一个实施方式中，该至少两个光学部件之间的距离是这些光学部件之一的直径的至多1/5(五分之一)，并且特别是至少0.005mm，该至少一个间隙的宽度由该距离限定。至少两个光学部件之间的上述最小距离特别是通过粘合(修补、胶合)两个光学部件而产生的。
根据实施方式，光学补偿元件包括第一端面和与第一端面相反的第二端面，端面是平行的或同心的或包括至多5°的相对斜率差。第一端面和第二端面尤其可以理解为限制补偿元件(沿光轴)延伸的两个表面。
在一个实施方式中，光学补偿元件可以提供总补偿光瞳像差赛德尔(Seidel)系数，其具有与物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数相反的符号。物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数可以由从物镜的孔径开始朝向物平面跟踪主光线来定义或计算。
通过这种方案，最初由物镜引起的光瞳像差可以在与光学补偿元件组合时减小或补偿，该光学补偿元件具有与总物镜光瞳像差赛德尔系数相比具有相反特征(符号)的总补偿光瞳像差赛德尔系数。
特别地，所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数可以为
Figure BDA0003363897000000061
其中k是表面折射率并且m是部分表面的总数，并且其中
Figure BDA0003363897000000062
其中A是折射不变量，h是主光线在与各个表面的交叉处的高度，并且Δ(u/n)是在所述主光线的折射期间u/n的变化，其中u是所述主光线与所述光轴之间的角度，并且n是折射率。
这种方案允许确定特定物镜的光瞳像差赛德尔系数。为此，例如应用光线跟踪，其中(仅)跟踪主光线而不是根据传统赛德尔方法跟踪边缘光线。
特别地，总物镜赛德尔系数的大小可以通过物镜的光学测量和/或仿真，特别是光线跟踪来得到。例如，可以从物镜的孔径开始朝向物平面(而不是朝向像平面)跟踪主光线(而不是边缘光线)。
在一个实施方式中，总补偿赛德尔系数的大小是总物镜赛德尔系数的大小的至少50％。例如当应用针孔模型来执行校准时，这种对初始光瞳像差的至少50％的补偿可以有助于显著地提高校准精度。
根据一个特定实施方式，该至少一个光学校正部件(例如，该校正部件的至少一个特定光学部件)包括：
球面折射表面，或
非球面折射表面，或
自由曲面折射表面，或
由衍射元件和/或折射元件构建的表面，或
光学亚表面。
本发明还涉及一种用于根据上述任一实施方式的物镜系统的光学补偿元件。光学补偿元件构造成可安装在物镜系统的物镜上，并且光学补偿元件构造成可相对于物镜安装，使得物镜的第一交点与第二交点之间的横向偏移减小，其中第一交点相对于第二交点沿物镜的光轴的横向偏移是由光瞳像差引起的。
第一交点由光轴与具有第一入射角的第一主光线的交点来定义，第二交点由光轴与具有第二入射角的第二主光线的交点来定义。第一入射角不同于第二入射角。
光学补偿元件提供对特定物镜的光瞳像差的补偿。换句话说，光学补偿元件可以与现有的(普通)物镜组合，并提供对现有物镜的光瞳像差的补偿。根据现有物镜的光学特性，即根据由现有物镜引起的光瞳像差设计光学补偿元件。现有物镜的光瞳像差可通过镜头系统的光学仿真或通过根据变化的视场角(横向偏移)测量镜头系统的相对光瞳位置z来确定。
上述方案允许通过将分别调整的补偿元件添加到现有的非针孔物镜来将非针孔光学器件(具有显著的光瞳像差)转换成针孔或准针孔光学器件(不具有光瞳像差或接近零的光瞳像差)。
本发明还涉及一种用于测量到对象的点的距离和/或角度的光学测量装置，其具有至少一个物镜和至少一个图像传感器，其中该光学测量装置提供基于三角测量的光学测量。
该光学测量装置可以具体实现为工业或大地测量装置或计量装置，具体为三角测量装置或条纹投影3D扫描仪。
光学测量装置包括根据上述任一实施方式的物镜系统。因此，物镜和光学补偿元件是物镜系统的一部分。
该光学测量装置特别适用于基于三角测量的3D光学测量系统，例如基于条纹投影的3D立体扫描仪、摄影测量相机、3D激光扫描仪和/或偏转测量系统。基于三角测量的测量使用至少两个部件的数据，其中至少一个是具有物镜的相机。系统部件可以包括立体相机装置和用于图案或线投影的投影仪。
基于三角测量的3D光学测量系统通常必须被校准，使得至少一个光学测量装置的测量可以用于得到物点的3D位置。
校准可以包括校准相机模型和/或校准三角测量基线。校准相机模型包括根据模型和相应参数定义相机的相关特征。校准三角测量基线包括定义相机彼此之间的相对定位和定向以及它们在上级坐标系统中的位置。
校准方法可以包括以下步骤：选择具有至少一个3D基准点的已知坐标的校准基准，拍摄校准基准的图像(从至少两个不同位置)，检测图像中的校准基准点的图像点，在图像点与对应的基准点之间进行映射，校准至少一个相机的位置和定向(三角测量基线)并且校准相机模型参数，使得获得图像点与校准基准点之间的最佳拟合。
对于这种校准，必须选择并应用合适的相机模型，以以最佳可能的方式表示相机的成像特性。基于本发明的方案，变得适合并可能使用针孔或准针孔模型来校准甚至最初的非针孔物镜，并得到高校准准确性。使用针孔或准针孔模型提供了较少计算工作量以及高校准准确性和小误差概率的优点。
本发明还涉及一种用于补偿(现有的或现成的)物镜的光瞳像差的方法。该方法包括通过确定所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数来得到所述物镜的光瞳像差，该赛德尔系数由从所述物镜的孔径开始朝向物平面的主光线的传播来定义。这里，可以修改传统的赛德尔方案(如本文所公开的)，以描述主光线在(虚拟)物平面和光学系统的孔径之间的传播。
在得到物镜的总物镜赛德尔光瞳像差系数之后，设计光学补偿元件，该光学补偿元件包括总补偿赛德尔光瞳像差系数，该总补偿赛德尔光瞳像差系数具有与物镜的总物镜赛德尔光瞳像差系数相反的符号，特别地，其中光学补偿元件根据上述实施方式中的任一个来配置。光学补偿元件安装于物镜上。这种组合产生根据本发明的补偿后的物镜系统。
本发明还涉及一种用于校准本文所述的光学测量装置的方法。该方法包括执行如上所述的用于补偿物镜的光瞳像差的方法。借以提供具有针孔或准针孔光学器件的物镜系统。
在连续的步骤中，提供校准基准，利用/从光学测量装置相对于校准基准的不同姿态捕获校准基准的图像，并且通过图像处理在图像中检测校准基准点的图像点。
此外，建立图像点与校准基准的相应校准基准点之间的映射。基于该映射，使用针孔模型计算图像点与校准基准点之间的最佳拟合，来校准光学测量装置的定向和/或相机模型参数。
执行上述步骤得到精确校准后的针孔光学器件，其中该光学器件最初被提供作为非针孔光学器件。
附图说明
下面参照附图中示意性示出的工作示例，仅通过示例的方式较详细地描述或解释根据本发明的光学装置和方法。在附图中，相同的元件用相同的附图标记来标记。所描述的实施方式通常未真实地按比例示出，并且也不应被解释为限制本发明。具体地，
图1示出了本发明所涉及的三角测量装置的工作原理；
图2示出了具有根据本发明的镜头系统的用于测量对象表面的测量装置的实施方式；
图3示出了作为根据本发明的物镜系统的一部分的普通物镜的实施方式；
图4示出了图3的物镜的光瞳的z位置随着视场角u'的变化；
图5示出了与根据本发明的光学补偿元件结合的物镜；
图6示出了对于根据图5的物镜系统，物镜光瞳的z位置随着视场角u'的变化；以及
图7a至图7d示出了根据本发明的光学补偿元件的各种实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的测量装置1的工作原理。装置1包括发光单元2和光接收单元3，其相对位置和定向是已知的。换句话说，三角测量是从已知位置沿一个已知方向发出光并从已知位置接收反射光并测量进入光的角度。
发光单元2包括可由用于发射激光的激光二极管表示的光源。此外，发光单元可以包括光学单元，该光学单元用于形成所发射的激光从而可以发射限定的测量光束4。优选地，这种测量光束根据第一方向(垂直)聚焦，并相对于与第一方向正交的第二方向(水平)漫射。通过这样做，可以产生激光线并将其投射到待测量的对象5上。激光线可以是至少在空间上部分相干的。
光接收或检测单元3还可以包括光学组件(例如物镜)，以形成反射光6并将其引导到该单元的图像传感器。传感器优选地设计为CCD或CMOS传感器，其提供线或面形式的像素阵列。传感器还优选地根据向甫鲁标准倾斜，使得相机的物平面与被照射平面重合，从而所有被照射点清晰地成像在传感器上。图像传感器被设计成至少对测量光5的波长的光敏感。图像传感器的像素被入射的反射光6曝光，并且可以基于传感器的被照射像素得到对象5处的线的路线。这允许基于发射器2和检测器3的相对位置以及所检测的线的知识，特别是另外基于光学组件的特性和所检测的线在图像传感器上的位置来确定到对象表面的距离。
根据这里未示出的另选实施方式，发射光束4沿垂直于外壳的方向发射，允许在发射单元2的左侧设置附加的接收单元，以产生附加的测量数据。还可以设置第三接收单元3，该第三接收单元3以与第一接收单元(和/或第二接收单元)相同的距离或以不同的距离设置在发射单元2的旁边，以实现对具有强对比度变化(引入检测到的强度质心的偏移)的对象的检测的更高的鲁棒性或对引起阴影效应的边缘的检测的更高的鲁棒性。
通过在对象5上方移动三角测量装置1，连续地接收反射光6并处理由图像传感器提供的信号，可以完整地测量对象5的表面。特别地，这种扫描由坐标测量机(机动的或手持的)执行，该坐标测量机承载三角测量装置1并使其沿期望的测量路径移动。
根据本发明，如下面进一步描述的，检测单元3及其光学系统被配置成提供与补偿光瞳像差有关的改进的光学特性。
图2示出了根据本发明的用于测量对象5的表面的测量装置10的实施方式。装置10包括投影单元12和两个光接收单元13a和13b。投影单元12和接收单元13a，13b相对于彼此设置在已知的位置和方位。
投影单元12限定光轴和视场，在该视场内投影光或图案(条纹投影)；结构化光可以被导向对象5。由此，可以在对象5上提供限定的图案投影。
相机13a和13b优选地对准，使得各个相机覆盖设置在对象5上的投影的公共部分(特别是整个)。两个相机13a和13b提供立体对。各个相机13a和13b包括用于将投影成像在相机的成像传感器上的物镜。
通过使用装置10的测量过程可以例如通过执行以下各项来提供：
条纹图案或不规则(例如随机)图案的阵列被投影在关注的表面上，特别是在规则图案的情况下通过数字或仿真投影仪。投影的图案在关注的对象5上产生纹理。控制两个(或更多)相机13a和13b以拍摄具有投影图案/条纹的对象5的图像。成像的纹理由图像处理算法处理，该算法在两个相机的两个相应图像中找到对应关系。通过基于三角测量的方法，结合相机的校准数据，识别并使用两个图像中的对应点来计算对象点。
为了使用基于三角测量的方法来计算(重建)物点，需要例如根据如上所述的校准来校准相机。
作为测量的另选方案，应当注意，如果关注对象不具有自然纹理，则特别需要图案/条纹投影。摄影测量系统通常还可以利用设置在对象上的物理标记。在数字投影仪的情况下，也可以仅使用一个相机来拍摄对象上的投影条纹图案的图像。然而，在这种情况下，需要类似于相机校准的投影仪校准。
相机13a和13b中的各相机包括物镜系统，该物镜系统包括物镜和根据本发明的光学补偿元件。
图3示出了(未补偿的)普通物镜20的实施方式，其是根据图1或图2的实施方式的物镜系统的一部分。物镜20包括一组光学元件，其中各个光学元件提供具体的光学特性。光学元件的光学特性的总和导致光朝向图像平面21的特定成像。在一些实施方式中，安全玻璃22可以设置在物镜20的入射侧上。
这里所示的物镜20通常被设计和优化为在图像平面21上提供光束的精确成像，即在平面21上提供优化的(例如锐利的)图像。因此，存在物镜20的光学像差，特别是球面像差。然而，可以针对图像像差(例如彗差、像散、畸变等)来优化物镜20，由此保持不考虑其他像差效应。
通常，由光学元件引起导致光束的边缘光线相对于光束的主光线的像差的图像像差。关于光束由物镜投射到的图像平面，光束的边缘光线典型地具有一些像差；换言之：边缘光线不遵循导致图像平面上的位置相对于主光线具有适当关系的路径。这种误差主要影响光学系统的成像特性，即在图像平面上提供优化的(例如清晰的)图像。
除了图像像差之外，光瞳像差通常也由光学物镜引起。光瞳像差涉及入射光瞳依赖于视场角的纵向变化(第一交点相对于第二交点沿物镜的光轴的偏移)。该误差的来源是光学器件中光瞳像差的球面像差部分。这种现象可以理解为当视场角增加时入射光瞳的位置不是恒定的。增大的视场角u'的入射光瞳的纵向行进距离Δz(图3)通过光瞳成像的赛德尔球面像差系数SApupil表征。
Figure BDA0003363897000000121
其中n'是折射率，u'是像侧的数值孔径角。
SApupil将光瞳像差表征为在朝向对象(与朝向图像平面成像相反)对物理孔径成像时存在的球面像差。它是通过从孔径(的中间)开始朝向物平面跟踪主光线来计算的，而针对动态成像的经典球面像差的赛德尔系数是通过从第一透镜表面到像平面跟踪通过所有透镜的边缘光线来计算的。光瞳像差的这种现象限制了测量准确性，因为通常使用的校准方法没有充分考虑这种影响。
在本发明的上下文中，物镜的SApupil也被称为物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数。
图4示出了图3的物镜光瞳的z位置随着照射光束(仅主光线)的视场角u'的变化。
图5示出了与根据本发明的光学补偿元件25组合的物镜20。如图所示的物镜20和光学补偿元件25的组合被理解为本发明的物镜系统。光学补偿元件25被设计成操纵穿过光学补偿元件25的光的传播路径。光学补偿元件25相对于物镜20特别地配置和设置成使得由物镜20的光瞳像差引起的横向偏移Δz减小。
从图5可以看出，补偿元件25提供以不同入射角照射的光束的主光线的传播，使得不同入射角的入射光瞳基本上相同。z位置没有变化(或仅有可忽略的小变化)(减少或消除了Δz)。通过这样做，非针孔光学器件被转换成针孔或准针孔光学器件。
本发明的构思是使用光学补偿元件25来校正物镜的光瞳像差的球面像差，从而将非针孔物镜转换为针孔物镜。通过这种转换，传统的针孔模型可以用于例如在测量装置(图1或图2)中的光学器件的校准，以实现改进的测量准确性，而不需要额外的数值工作和计算开销。
该光学补偿元件25设置在待校正的物镜20的前方。前方是指物镜20的光入射侧。该部件25的集成可以在设计和制造期间直接提供，或者在透镜已经制造之后通过安装来提供。为此，可以测量现有物镜的非针孔特性，并设计特定的补偿元件25，以在以后转换这种(现成的)物镜以服从针孔或准针孔特性。
光学补偿元件25被设计成使得该元件25主要(或甚至仅)对光瞳成像的光线具有影响(光瞳像差)并且对运动成像的光线具有可忽略的影响(图像像差)。这样，其可以以宽松的公差制造和安装，因此也具有低成本。具体地组偏心公差>100μm，组倾斜公差>5’。
光学补偿元件25特别地包括弱的正或负折射能力(在-2至+2dpt之间)。元件25优选地定位成使得通过该元件的入射光瞳的虚像以一定公差(<20mm)位于与入射光瞳相同的位置。
光学补偿元件25用于校正光瞳成像的光瞳像差的球面像差部分。该元件25的球面像差被设计成具有与待校正的物镜20的光瞳像差相反的符号(并且特别是相同或相似的大小)。特别地，物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数与补偿元件的总补偿光瞳像差赛德尔系数之和接近零或为零。
根据本发明的光学补偿元件，特别是图5的光学补偿元件25，可以通过考虑近零能力弯月透镜元件的弯曲和球面像差赛德尔系数SA来设计。
根据通常的方案，在第k个表面处的球面像差赛德尔系数是
Figure BDA0003363897000000131
其中A是折射不变量(A＝in，i：边缘光线与表面法线之间的角度，n：折射率)，h为边缘光线与各表面相交处的高度，
Figure BDA0003363897000000132
为边缘光线在各表面折射过程中u/n的变化(u：边缘光线与光轴之间的角度)。以上定义适用于运动成像的球面像差。
这里，对于光瞳成像(光瞳像差)，必须使用(跟踪)主光线而不是边缘光线来计算赛德尔系数。
物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数为：
Figure BDA0003363897000000133
其中k是表面指数，m是部分表面的总数。
因此，补偿元件25被设计成提供特定总补偿光瞳像差赛德尔系数。该总补偿赛德尔系数在这里被设计成与物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数(其可以根据上述原理来计算或测量)相比具有相反的符号。此外，这里的总补偿赛德尔系数的大小接近或对应于总物镜赛德尔系数的大小。
图6示出了根据图5的补偿后的物镜系统的物镜光瞳的z位置随着照射光束的视场角u'的变化。可以看出，由不同入射角产生的z光瞳位置没有变化或仅有很小程度的变化。
图7a至图7d示出了根据本发明的光学补偿元件25a至25d的各种实施方式。元件25a至25d中的各元件被配置成补偿特定倾斜物镜的光瞳像差的特定误差。
补偿元件的设计不仅可以依赖于物镜中存在的光瞳像差误差，而且还可以通过操纵进一步的光学效应/误差来驱动。
从图7a的单个元件开始，可以进一步将其延伸到如图7b至图7d所示的包括多个负弯月透镜和正弯月透镜的多元件校正器。这通过引入弯曲且平行(同心)或接近平行的间隙来实现。
两个连续光学元件之间的可能间隙可以提供进一步的自由度，例如间隙距离，间隙曲率、间隙平行度、不同的玻璃材料。这些自由度通过选择和设置特定的和匹配的间隙来补偿进一步的像差，例如彗差、像散、色差和畸变。
此外，通过改变间隙距离，可以由该部件提供镜头系统的调谐。这种调谐对于在测量期间使光学器件适应环境条件也是有利的。
此外，可以通过改变至少一个空气间隙的范围来调整校正幅度。
校正器25a至25d还可以由单个低折射能力弯月透镜或具有交替折射能力符号(例如正-负-正或负-正-负)的多个弯月透镜的组合构成。
相继/相邻弯月透镜之间的空气间隙可提供平行(或接近平行)或同心(或接近同心)表面。连续的透镜表面可以提供非常相似或相同的形状和空间直径。表面可具有5°的最大斜率差。
空气间隙尤其可以包括光学元件中的一个光学元件的最大直径的五分之一的厚度(宽度)。
在一个实施方式中，光学补偿元件可以被配置成使得连续的光学元件之间的距离是可变的，具体地该距离可以例如通过马达以受控的方式来调节。由此，可以提供对由另外的光学元件等引入的像差的主动补偿。
在特定实施方式中，校正器25a至25d的第一透镜表面和最后透镜表面可相对于彼此平行或同心。特别地，第一透镜表面和最后透镜表面可以提供5°的最大斜率差。
根据实施方式，补偿元件25a至25d的总折射能力可以在±2dpt(屈光度)之间。
如上所述，补偿元件25a至25d的光瞳像差可以具有与待校正的光学器件的光瞳像差相反的符号。补偿元件25a至25d的光瞳像差的量值具体是待校正的光学器件的光瞳像差的至少50％。
校正器25a至25d(补偿元件)优选地设置在物镜的物平面和物理孔径之间的任何位置。
虽然上面部分地参考一些特定实施方式说明了本发明，但是必须理解，可以对实施方式的不同特征进行许多修改和组合，并且不同特征可以彼此组合或与现有技术中已知的三角测量装置和/或坐标测量机组合。

Claims (15)

1.一种物镜系统，所述物镜系统包括：
物镜(20)，所述物镜包括一组光学元件，其中，各个光学元件限定具体的光学特性，所述光学元件的光学特性引起所述物镜的光学像差，特别是球面像差，所述光学像差至少包括：
图像像差，所述图像像差引起光束的边缘光线相对于所述光束的主光线的像差，特别是关于所述光束经由所述物镜投射到的像平面，以及
光瞳像差，所述光瞳像差引起第一交点相对于第二交点沿所述物镜(20)的光轴的横向偏移(Δz)，所述第一交点由光轴与具有第一入射角(u')的第一主光线的交点来定义，所述第二交点由所述光轴与具有第二入射角的第二主光线的交点来定义，所述第一入射角不同于所述第二入射角，其特征在于
光学补偿元件(25、25a至25d)，所述光学补偿元件被配置成操纵透过所述光学补偿元件(25、25a至25d)的光的传播路径，其中，所述光学补偿元件(25、25a至25d)相对于所述物镜(20)被配置和设置成使得由所述光瞳像差引起的所述横向偏移(Δz)减小。
2.根据权利要求1所述的物镜系统，其特征在于
所述光学补偿元件(25、25a至25d)被配置成使得减小所述光瞳像差的程度显著大于减小所述图像像差的程度。
3.根据权利要求1或2所述的物镜系统，其特征在于
在所述物镜(20)的所述图像像差基本保持不被改变的同时，所述光学补偿元件(25、25a至25d)提供由所述光瞳像差引起的横向偏移(Δz)的减小。
4.根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其特征在于
所述光学补偿元件(25、25a至25d)被安装于所述物镜(20)，具体地其中，所述光学补偿元件(25、25a至25d)的光轴与所述物镜(20)的光轴共轴或平行，和/或
所述光学补偿元件(25、25a至25d)被定位成使得所述光学补偿元件(25、25a至25d)的入射光瞳的虚像位于距所述物镜(20)的入射光瞳的虚像小于20mm的距离处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其特征在于
所述光学补偿元件(25、25a至25d)
具有在-2至+2屈光度(dpt)之间的折射能力，和/或
包括至少两个光学部件，所述至少两个光学部件包括负弯月透镜和/或正弯月透镜，和/或
包括位于所述至少两个光学部件之间的至少一个间隙。
6.根据权利要求5所述的物镜系统，其特征在于
所述至少一个间隙的范围是可调节的以补偿另外的光学像差效应，例如彗差、像散、色差和/或畸变，和/或由另外的光学元件引入的另外的光学像差效应，和/或
所述至少一个间隙的宽度由所述至少两个光学部件的限制表面来限制，其中，所述限制表面是平行的或同心的或包括至多5°的相对斜率差，和/或
所述至少两个光学部件之间的距离至多是所述光学部件之一的直径的五分之一，并且特别是至少0.005mm，所述至少一个间隙的宽度由该距离限定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其特征在于
所述光学补偿元件(25、25a至25d)包括第一端面和与所述第一端面相反的第二端面，所述第一端面和所述第二端面是平行的或同心的或包括至多5°的相对斜率差。
8.根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其特征在于
所述光学补偿元件(25、25a至25d)提供总补偿光瞳像差赛德尔系数，所述总补偿光瞳像差赛德尔系数具有与所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数相反的符号，所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数是由主光线从所述物镜的孔径开始朝向物平面的传播来定义的。
9.根据权利要求8所述的物镜系统，其特征在于
所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数为
Figure FDA0003363896990000021
其中k是表面折射率，m是部分表面的总数，并且其中
Figure FDA0003363896990000022
其中A是折射不变量，h是主光线在与各个表面的交叉处的高度，并且
Figure FDA0003363896990000023
是在所述主光线的折射期间
Figure FDA0003363896990000024
的变化，其中u是所述主光线与所述光轴之间的角度，并且n是折射率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其特征在于
所述总补偿光瞳像差赛德尔系数的大小至少是所述总物镜光瞳像差赛德尔系数的大小的50％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其特征在于
所述总物镜光瞳像差赛德尔系数的大小是通过对所述物镜(20)的光学测量和/或仿真，特别是光线跟踪得到的。
12.一种光学补偿元件(25、25a至25d)，所述光学补偿元件用于根据前述权利要求中任一项所述的物镜系统，其中，所述光学补偿元件(25、25a至25d)被配置成能够安装在所述物镜系统的物镜上，并且其中，所述光学补偿元件(25、25a至25d)被配置成能够相对于所述物镜(20)安装成使得减小所述物镜(20)的横向偏移(Δz)，其中，光瞳像差引起第一交点相对于第二交点沿所述物镜的光轴的横向偏移(Δz)，所述第一交点由所述光轴与具有第一入射角的第一主光线的交点来定义，所述第二交点由所述光轴与具有第二入射角的第二主光线的交点来定义，所述第一入射角不同于所述第二入射角。
13.一种用于测量到对象的点的距离和/或角度的光学测量装置(1、10)，特别是工业或大地测量装置或计量装置，特别是三角测量装置或条纹投影3D扫描仪，所述光学测量装置(1、10)具有至少一个物镜(20)和至少一个图像传感器，其中，所述光学测量装置(1、10)提供基于三角测量的光学测量，其特征在于
所述光学测量装置(1、10)包括根据权利要求1至11中任一项所述的物镜系统，其中，所述物镜(20)和所述光学补偿元件(25、25a至25d)是所述物镜系统的一部分。
14.一种用于补偿物镜(20)的光瞳像差的方法，所述方法包括以下步骤：
通过确定所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数来得到所述物镜(20)的光瞳像差，所述总物镜光瞳像差赛德尔系数是由主光线从所述物镜的孔径开始朝向物平面的传播来定义的，
设计光学补偿元件(25、25a至25d)，所述光学补偿元件包括总补偿光瞳像差赛德尔系数，所述总补偿光瞳像差赛德尔系数具有与所述物镜的总物镜光瞳像差赛德尔系数相反的符号，具体地其中，所述光学补偿元件(25、25a至25d)是根据前述权利要求中任一项配置的，并且
将所述光学补偿元件(25、25a至25d)安装于所述物镜(20)。
15.一种用于校准根据权利要求13所述的光学测量装置(1、10)的方法，所述方法包括以下步骤：
执行根据权利要求14所述的方法，并且通过该方法提供具有针孔光学器件或准针孔光学器件的物镜系统；
提供校准基准；
利用所述光学测量装置(1、10)相对于所述校准基准的不同姿态，捕获所述校准基准的图像；
通过图像处理来在所述图像中检测校准基准点的图像点；
建立所述图像点与所述校准基准的对应校准基准点之间的映射，以及
通过使用针孔模型计算所述图像点与所述校准基准点之间的最佳拟合，来校准所述光学测量装置(1、10)的定向和/或相机模型参数。
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