CN115718365A - 一种基于透镜补偿的成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于透镜补偿的成像方法及系统，成像方法包括：确定待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面之间的水平距离；当所述水平距离大于或等于预设距离，在成像装置与第二特征面之间设置第一厚度的第一平面透镜；其中，所述第一平面透镜用于改变所述第二特征面到所述成像装置之间光程，第二特征面为相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面。本发明实施例通过透镜补偿相邻两个不同高度特征面到成像装置之间的光程差，采用较小景深的成像装置一次拍摄可得到不同高度特征面清晰的像，可广泛应用于光学检测成像技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测成像技术领域，尤其涉及一种基于透镜补偿的成像方法及系统。
背景技术
在现代工业自动化生产中，涉及各种检查、测量或零件识别应用，例如电子产品各种零部件的尺寸检测、缺陷检测、清洁度检测、自动装配完整性检测等。此类应用的共同特征是连续大批量生产以及对外观质量都有很高的要求。随着工业自动化的发展，机器视觉检测系统被越来越多的应用在工业自动化的检测中，成为了提高检测效率，增加测试准确性以及降低人工成本的重要方法。
现有的视觉测试方案，对于测试不同深度的特征时采用两种方案：选用大景深的镜头，或多次拍照方案。但是，大景深镜头价格贵，还会损失一些图像质量，而且当特征高度差超高一定距离时，大部分大景深镜头效果不明显；多次拍照会增加测试时间而降低效率。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于透镜补偿的成像方法及系统，通过透镜补偿相邻两个不同高度特征面到成像装置之间的光程差，采用较小景深的成像装置一次拍摄可得到不同高度特征面清晰的像。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于透镜补偿的成像方法，包括以下步骤：
确定待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面之间的水平距离；
当所述水平距离大于或等于预设距离，在成像装置与第二特征面之间设置第一厚度的第一平面透镜；其中，所述第一平面透镜用于改变所述第二特征面到所述成像装置之间光程，第二特征面为相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面。
可选地，所述方法还包括：
当所述水平距离小于所述预设距离，在所述成像装置与相邻两个不同高度特征面之间设置透镜组合；其中，所述透镜组合包括第二平面透镜和第三透镜，所述第二平面透镜用于将入射光线分成两路光，两路光中的其中一路光为所述第三透镜的入射光，所述第三透镜用于改变所述入射光到所述成像装置之间的光程，第三透镜用于还用于改变所述反射光的角度。
可选地，所述第二平面透镜的第一平面包括反射膜和透射膜，所述第一平面为待拍摄物体表面光线的入射面，所述第二平面透镜与所述不同高度特征面的平行方向成预设角度。
可选地，所述第二平面透镜为半透半反镜。
可选地，所述第三透镜包括三角反射镜，所述三角反射镜的斜边镀有反射膜。
可选地，所述第三透镜还包括第三平面透镜，所述第三平面透镜设置在所述三角反射镜的出射光方向，所述第三平面透镜用于改变所述三角反射镜与所述成像装置之间的光程。
可选地，所述第一厚度的计算公式如下：
h＝d*n1*(n1-n0)/sinθ
其中，h表示第一厚度，d表示当所述水平距离大于或等于所述预设距离时相邻两个不同高度特征面之间的高度差，n1表示第一平面透镜的折射率，n0表示环境的折射率，θ表示第一平面透镜的光线入射角。
可选地，所述第二平面透镜的透射光到所述成像装置的光程为第四光程，所述第二平面透镜的反射光到所述三角反射镜的入射点的光程为第一光程，所述三角反射镜内的光程为第二光程，所述三角反射镜的光线出射点到所述成像装置的光程为第三光程，各光程满足以下关系式：
D＝L1+L2+L3-L4
其中，D表示当所述水平距离小于所述预设距离时相邻两个不同高度特征面之间的高度差，L1表示第一光程，L2表示第二光程，L3表示第三光程，L4表示第四光程。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于透镜补偿的成像系统，包括第一平面透镜或透镜组合中的任一种、成像装置；其中，
所述第一平面透镜，用于改变第二特征面到所述成像装置之间光程，其中，所述第二特征面为待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面；
所述透镜组合，用于将入射光线分成两路光并改变其中一路光到所述成像装置之间光程；
所述成像装置，用于同时对待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面进行成像。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中当待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面之间的水平距离大于或等于预设距离，在成像装置与第二特征面之间设置第一厚度的第一平面透镜；通过第一平面透镜补偿相邻两个不同高度特征面到成像装置之间的光程差，改变第二特征面的聚焦位置，从而实现相邻两个不同高度特征面在同一聚焦平面，实现采用较小景深的成像装置一次拍摄可得到不同高度特征面清晰的像，无需采用大景深的成像装置，成本低，同时一次拍摄不同高度特征面并成清晰的像，节省时间以提高测试效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于透镜补偿的成像方法的步骤流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于透镜补偿的成像系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于透镜补偿的成像系统的光路图；
图4是本发明实施例提供的一种基于透镜补偿的成像方法的成像结果示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种基于透镜补偿的成像系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种基于透镜补偿的成像方法的成像结果示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种基于透镜补偿的成像系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于透镜补偿的成像方法，其包括的步骤如下所示。
S100、确定待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面之间的水平距离；
S200A、当所述水平距离大于或等于预设距离，在成像装置与第二特征面之间设置第一厚度的第一平面透镜；其中，所述第一平面透镜用于改变所述第二特征面到所述成像装置之间光程，第二特征面为相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面。
需要说明的是，预设距离根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
需要说明的是，第一特征面为相邻两个不同高度特征面中距离成像装置较近的特征面。
具体地，第一平面透镜可以是透射镜，第一平面透镜对入射光全部透射。
可选地，所述第一厚度的计算公式如下：
h＝d*n1*(n1-n0)/sinθ (1)
其中，h表示第一厚度，d表示当所述水平距离大于或等于所述预设距离时相邻两个不同高度特征面之间的高度差，n1表示第一平面透镜的折射率，n0表示环境的折射率，θ表示第一平面透镜的光线入射角。
参阅图2和图3，在一个具体的实施例中，待拍摄产品表明分布有特征1和特征2，成像装置采用CCD相机，特征1所在面和特征2所在面的高度不同，且特征1所在面和特征2所在面之间的水平距离大于预设距离，其中，特征2所在面距离相机的CCD面更远。
特征1与特征2之间具有一定的区域，这个区域内没有需要采集的特征，若想同时拍摄清楚2个特征，则可以将平面透镜补偿块放置在特征2位置上方，通过改变特征2的光程，对光线聚焦的位置进行调节，经过适当的调节，在同一视野中，能同时获得特征1与特征2清晰的像。假设当未加平面透镜补偿块时，相机镜头组成的视觉系统可以在特征1所在面的位置聚焦，能够拍摄清楚特征1所在面的特征；加了一定厚度的平面透镜补偿块之后，特征2所在面的聚焦位置改变，进而拍摄清楚特征2所在面的特征。
参阅图4，当第一特征面和第二特征面的水平距离大于或等于预设距离，在第二特征面与成像装置之间加入透镜补偿块以改变光程，在成像装置上可以同时呈现特征1和特征2清晰的像。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中当待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面之间的水平距离大于或等于预设距离，在成像装置与第二特征面之间设置第一厚度的第一平面透镜；通过第一平面透镜补偿相邻两个不同高度特征面到成像装置之间的光程差，改变第二特征面的聚焦位置，从而实现相邻两个不同高度特征面在同一聚焦平面，实现采用较小景深的成像装置一次拍摄可得到不同高度特征面清晰的像，无需采用大景深的成像装置，成本低，同时一次拍摄不同高度特征面并成清晰的像，节省时间以提高测试效率。
可选地，所述基于透镜补偿的成像方法还包括：
S200B、当所述水平距离小于所述预设距离，在所述成像装置与相邻两个不同高度特征面之间设置透镜组合；其中，所述透镜组合包括第二平面透镜和第三透镜，所述第二平面透镜用于将入射光线分成两路光，两路光中的其中一路光为所述第三透镜的入射光，所述第三透镜用于改变所述入射光到所述成像装置之间的光程，第三透镜用于还用于改变所述反射光的角度。
需要说明的是，当第一特征面和第二特征面之间的水平距离小于所述预设距离，单独在第二特征面上面加平面透镜不易操作；因此，先通过第二平面透镜将入射光线分成两路光，然后将两路光分别用于第一特征面和第二特征面的成像，在操作上更容易实现。
可选地，所述第二平面透镜的第一平面包括反射膜和透射膜，所述第一平面为待拍摄物体表面光线的入射面，所述第二平面透镜与所述不同高度特征面的平行方向成预设角度。
在一个具体的实施例中，通过第二平面透镜的反射膜和透射膜将入射光线分成两束光，通过改变反射膜和透射膜的比例以改变改变进入第一特征面和第二特征面的光线比例。
可选地，所述第二平面透镜为半透半反镜。
需要说明的是，半透半反镜即表明第二平面透镜的反射膜和透射膜的比例为50％：50％，第一特征面和第二特征面的光线比例相同。
可选地，所述第三透镜包括三角反射镜，所述三角反射镜的斜边镀有反射膜。
需要说明的是，三角反射镜既可以改变光线的传播方向，也可以改变经过三角反射镜的光线的光程。具体地，通过改变三角反射镜的厚度以改变光程的大小。
可选地，所述第三透镜还包括第三平面透镜，所述第三平面透镜设置在所述三角反射镜的出射光方向，所述第三平面透镜用于改变所述三角反射镜与所述成像装置之间的光程。
需要说明的是，当第三透镜还包括第三平面透镜时，第三平面透镜与三角反射镜组合可以更加灵活地改变光程的大小，成本更低。
可选地，所述第二平面透镜的透射光到所述成像装置的光程为第四光程，所述第二平面透镜的反射光到所述三角反射镜的入射点的光程为第一光程，所述三角反射镜内的光程为第二光程，所述三角反射镜的光线出射点到所述成像装置的光程为第三光程，各光程满足以下关系式：
D＝L1+L2+L3-L4 (2)
其中，D表示当所述水平距离小于所述预设距离时相邻两个不同高度特征面之间的高度差，L1表示第一光程，L2表示第二光程，L3表示第三光程，L4表示第四光程。
需要说明的是，当光程已知，可以根据公式(1)计算各透镜的厚度。
参阅图5，在一个具体的实施例中，当特征1与特征2紧密连接在一起时，或者待测特征本身很小时，无法在特征2上面单独添加平面透镜补偿块进行焦距调节，这时可以通过另外一种补偿的方法进行调节。利用半透半反镜将光路分成两路，一路直接透过半透半反镜，投射到CCD面实现图像采集，另外一路经半透半反镜反射到三角反射棱镜上面，经三角反射镜的侧边再次反射后，又经过一定厚度的平面透镜补偿块，最终投射到CCD上，实现图像采集。
参阅图6，设特征1与特征2紧密相连，待测特征经过半透半反镜透射部分直接在CCD上成像，获得特征1清晰特征2模糊的像；经过半透半反镜反射部分，经过三角反射镜与平面透镜补偿块之后，在CCD上呈现出特征1模糊，特征2清晰的像；两次的像一起呈现在CCD上面，获得双图像，可以同时解决特征1与特征2的拍摄问题。
参阅图7，本发明实施例提供了一种基于透镜补偿的成像系统，包括第一平面透镜或透镜组合中的任一种、成像装置；其中，
所述第一平面透镜，用于改变第二特征面到所述成像装置之间光程，其中，所述第二特征面为待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面；
所述透镜组合，用于将入射光线分成两路光并改变其中一路光到所述成像装置之间光程；
所述成像装置，用于同时对待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面进行成像。
具体地，对于所述成像装置，其可为不同类型的成像设备，包含但不限于CCD相机等。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种基于透镜补偿的成像方法，其特征在于，包括：
确定待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面之间的水平距离；
当所述水平距离大于或等于预设距离，在成像装置与第二特征面之间设置第一厚度的第一平面透镜；其中，所述第一平面透镜用于改变所述第二特征面到所述成像装置之间光程，第二特征面为相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述水平距离小于所述预设距离，在所述成像装置与相邻两个不同高度特征面之间设置透镜组合；其中，所述透镜组合包括第二平面透镜和第三透镜，所述第二平面透镜用于将入射光线分成两路光，两路光中的其中一路光为所述第三透镜的入射光，所述第三透镜用于改变所述入射光到所述成像装置之间的光程，第三透镜用于还用于改变所述反射光的角度。
3.根据权利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述第二平面透镜的第一平面包括反射膜和透射膜，所述第一平面为待拍摄物体表面光线的入射面，所述第二平面透镜与所述不同高度特征面的平行方向成预设角度。
4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，所述第二平面透镜为半透半反镜。
5.根据权利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述第三透镜包括三角反射镜，所述三角反射镜的斜边镀有反射膜。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述第三透镜还包括第三平面透镜，所述第三平面透镜设置在所述三角反射镜的出射光方向，所述第三平面透镜用于改变所述三角反射镜与所述成像装置之间的光程。
7.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述第一厚度的计算公式如下：
h＝d*n1*(n1-n0)/sinθ
其中，h表示第一厚度，d表示当所述水平距离大于或等于所述预设距离时相邻两个不同高度特征面之间的高度差，n1表示第一平面透镜的折射率，n0表示环境的折射率，θ表示第一平面透镜的光线入射角。
8.根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述第二平面透镜的透射光到所述成像装置的光程为第四光程，所述第二平面透镜的反射光到所述三角反射镜的入射点的光程为第一光程，所述三角反射镜内的光程为第二光程，所述三角反射镜的光线出射点到所述成像装置的光程为第三光程，各光程满足以下关系式：
D＝L1+L2+L3-L4
其中，D表示当所述水平距离小于所述预设距离时相邻两个不同高度特征面之间的高度差，L1表示第一光程，L2表示第二光程，L3表示第三光程，L4表示第四光程。
9.一种基于透镜补偿的成像系统，其特征在于，包括第一平面透镜或透镜组合中的任一种、成像装置；其中，
所述第一平面透镜，用于改变第二特征面到所述成像装置之间光程，其中，所述第二特征面为待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面中距离所述成像装置较远的特征面；
所述透镜组合，用于将入射光线分成两路光并改变其中一路光到所述成像装置之间光程；
所述成像装置，用于同时对待拍摄物体表面相邻两个不同高度特征面进行成像。
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| CN115718365B (zh) | 2024-02-23 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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