CN115826231B - 一种成像模组及双目立体视觉系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种成像模组及双目立体视觉系统，涉及光学系统技术领域，本申请的成像模组，包括并排设置的应用于双目立体视觉系统的两个光学镜头，光学镜头的出光侧设置有相机，光学镜头包括沿主光轴方向依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组，光阑的孔径在8‑10mm之间，两束光束分别经过前透镜组校正像差后透过光阑，经过光阑后入射后透镜组，经过后透镜组再次校正像差并会聚后出射，相机接收两个后透镜组出射的光束并分别成像。本申请提供的成像模组及双目立体视觉系统，能够提高成像模组的成像清晰度。

Description

一种成像模组及双目立体视觉系统

技术领域

本申请涉及光学系统技术领域，具体而言，涉及一种成像模组及双目立体视觉系统。

背景技术

双目立体视觉是机器视觉的一个重要分支,通过直接模拟人眼观察和处理景物的方式来进行测量,是一种速度快、精度高、操作简便的非接触式测量方法,在农业、工业及军事等领域均有着广阔的应用前景，它是基于视差原理并利用成像设备从不同位置获取被测量物体的两幅图像，通过计算图像对应点的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。特别的，对于运动物体的测量，由于图像获取是瞬间完成的，因此双目立体视觉测量是一种更有效的测量方法。

现有技术中的双目立体视觉系统，两个镜头设置于相机和被测物之间，对应两个镜头设置一个或者两个相机。其中，双镜头单相机方案明显会降低相机个数而可以直接降低成本，成为较为吸引人的空间布局方式，但是由于相机的靶面尺寸有限，使得双镜头单相机方案需要压缩镜头尺寸，否则并排摆放的两个镜头的成像会超出有限尺寸的相机靶面；另外，如果想要进一步提升被测物观测分辨率，需要更多的光线通过镜头进入相机靶面，通常情况下会采用增大镜头接收物体发出光线的发散角，这需要增大孔径光阑的孔径，而当孔径光阑的孔径较大时，形成的像差就越大，使得在双镜头单相机方案时不能获得较高的成像清晰度。

发明内容

本申请的目的在于提供一种成像模组及双目立体视觉系统，能够提高成像模组的成像清晰度。

本申请的实施例一方面提供了一种成像模组，包括并排设置的应用于双目立体视觉系统的两个光学镜头，光学镜头的出光侧设置有相机，光学镜头包括沿主光轴方向依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组，光阑的孔径在8-10mm之间，两束光束分别经过前透镜组校正像差后透过光阑，经过光阑后入射后透镜组，再经过后透镜组再次校正像差并会聚后出射，相机接收两个后透镜组出射的光束并分别成像。

作为一种可实施的方式，前透镜组包括沿物方到像方依次设置的具有正光焦度的第一透镜和第一消像差透镜组；后透镜组包括沿物方到像方依次设置的第二消像差透镜组和具有正光焦度的第二透镜。

作为一种可实施的方式，第一透镜和第二透镜采用火石玻璃材料制成。

作为一种可实施的方式，第一透镜靠近光阑的侧面与光阑在主光轴上的距离和第二透镜靠近光阑的侧面与光阑在主光轴上距离相等，第一消像差透镜组靠近光阑的侧面与光阑在主光轴上的距离和第二消像差透镜组靠近光阑的侧面与光阑在主光轴上的距离相等。

作为一种可实施的方式，前透镜组的焦距为f1，后透镜组的焦距为f2,f1和f2满足关系式：

。

作为一种可实施的方式，第一消像差透镜组包括沿物方到像方依次设置的平凸透镜和平凹透镜，平凹透镜的平面和平凸透镜的平面相互胶合；第二消像差透镜组包括沿物方到像方依次设置的双凹透镜和双凸透镜，双凸透镜和双凹透镜胶合设置。

作为一种可实施的方式，平凸透镜和双凸透镜的折射率在1.55-1.6之间；平凹透镜和双凹透镜的折射率在1.6-1.62之间。

作为一种可实施的方式，第一透镜和第二透镜为凹凸透镜，且第一透镜的凸面朝向物侧，第二透镜的凸面朝向像侧。

作为一种可实施的方式，凹凸透镜的凹面的曲率半径在140-200mm之间，凹凸透镜的凸面的曲率半径在25-31mm之间。

本申请的实施例另一方面提供了一种双目立体视觉系统，包括上述成像模组以及与成像模组的相机信号连接的图像处理器，图像处理器获取相机的图像信号并处理。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的成像模组，包括并排设置的应用于双目立体视觉系统的两个光学镜头，光学镜头的出光侧设置有相机，相机同时接受两个光学镜头的出射的光束并成像，从而减少相机的数量，其中，光学镜头包括沿主光轴方向依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组，光阑的孔径在8-10mm之间，两束光束分别经过前透镜组校正像差后透过光阑，经过光阑后入射后透镜组，由于光阑的孔径设置的比较大，能够使得具有较大的发散角的光束透过，从而使得经过光阑出射的光束具有较大的发散角，继而使得更多的光线通过光学镜头进入相机，提高成像模组的成像清晰度，经过光阑的光束再经过后透镜组再次校正像差并会聚后出射，相机接收两个后透镜组出射的光束并分别成像。光束由前透镜组入射成像模组，前透镜组接收光束对光束的像差进行初步校正，再经后透镜组再次校正像差并会聚，使得光线会聚至相机的接收面，在有限的相机接收面内接收较大发散角的光束,其中,光阑的孔径越大，会聚光线的发散角越大，使得进入相机的光线越多，成像越清晰，另外，光束经过前透镜组和后透镜组两次校正像差，能够校正因为发散角过大带来的像差，提高光学镜头的成像质量。因此，本申请提供的成像模组，能够提高成像模组的成像清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种成像模组的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光学镜头的结构示意图；

图3为本申请实施例提供一种光学镜头的像质测试图之一；

图4为本申请实施例提供一种光学镜头的像质测试图之二。

图标：10-成像模组；11-光学镜头；111-前透镜组；112-光阑；113-后透镜组；114-第一透镜；115-第一消像差透镜组；117-平凸透镜；118-平凹透镜；119-第二消像差透镜组；120-双凹透镜；121-双凸透镜；123-第二透镜；13-相机。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

当双目视觉系统的两个光学镜头共用一个相机时，需要两个尺寸足够小巧光学镜头并排摆放，并把两个光学镜头的像同时透射到该相机的有限尺寸靶面上，这就需要光学镜头在小尺寸的前提下具有清晰的成像。在光学镜头的设计中，影响光学镜头尺寸的两个比较重要的参数为发散角和视场角，而对于双目视觉应用中主要是大发散角的设计需求。

本申请实施例提供了一种成像模组10，如图1、图2所示，包括并排设置的应用于双目立体视觉系统的两个光学镜头11，光学镜头11的出光侧设置有相机13，光学镜头11包括沿主光轴方向依次设置的前透镜组111、光阑112和后透镜组113，光阑112的孔径在8-10mm之间，两束光束分别经过前透镜组111校正像差后透过光阑112，经过光阑112后入射后透镜组113，再经过后透镜组113再次校正像差并会聚后出射，相机13接收两个后透镜组113出射的光束并分别成像。

本申请实施例提供的成像模组10，应用于双目立体视觉系统，包括相机13以及设置于相机13接收侧的两个光学镜头11，两个光学镜头11并排设置，分别用于接收同一物体的光线，两束光线分别进入两个光学镜头11，光线进入光学镜头11时首先入射前透镜组111，经过前透镜组111的校正像差后出射至光阑112位置，光阑112的孔径较大，使得具有较大的发散角的光束透过后出射至后透镜组113，后透镜组113再一次对光束进行会聚和校正像差后出射至相机13，在此过程中，光学镜头11中的前透镜组111和后透镜组113分别对入射光束进行校正像差，使得具有较大的发散角的光束透过，从而使得在相同的相机13接收面的情况下，光学镜头11可以接收发散角较大的光线，使得更多的光线进入相机13被接收，从而增加成像模组10的成像清晰度，另外，在此过程中，光学镜头11中的前透镜组111和后透镜组113分别对入射光束进行校正像差，避免了大发散角引起的像差，从而提高光学镜头11的成像质量。

其中，本申请中的光阑112采用孔径光阑，孔径光阑的孔径越大，使得穿过光阑112的光束的发散角越大，从而使得更多角频的光线传递至相机13，成像越清晰。

另外，本申请中的光束经过后透镜组113的会聚，即可增大光学镜头11的光圈，又可以缩短光学镜头的总长，使所述光学镜头11更紧凑，使得所述光学镜头11具有相对较短的镜头总长。

本申请提供的成像模组10，应用于双目立体视觉系统，包括并排设置的两个光学镜头11，光学镜头11的出光侧设置有相机13，相机13同时接受两个光学镜头11的出射的光束并成像，从而减少相机13的数量，其中，光学镜头11包括沿主光轴方向依次设置的前透镜组111、光阑112和后透镜组113，光阑112的孔径在8-10mm之间，两束光束分别经过前透镜组111会聚并校正像差后透过光阑112，经过光阑112后入射后透镜组113，由于光阑112的孔径设置的比较大，能够使得具有较大的发散角的光束透过，从而使得经过光阑112出射的光束具有较大的发散角，继而使得更多的光线通过光学镜头11进入相机13，提高成像模组10的成像清晰度，经过光阑112的光束再经过后透镜组113再次校正像差并会聚后出射，相机13接收两个后透镜组113出射的光束并分别成像。光束由前透镜组111入射成像模组10，前透镜组111接收光束对光束的像差进行初步校正，再经后透镜组113再次校正像差并会聚，使得光线会聚至相机13的接收面，在有限的相机13接收面内接收较大发散角的光束,其中,光阑112的孔径越大，会聚光线的发散角越大，使得进入相机13的光线越多，成像越清晰，另外，光束经过前透镜组111和后透镜组113两次校正像差，能够校正因为发散角过大带来的像差，提高光学镜头11的成像质量。因此，本申请提供的成像模组10，能够提高成像模组10的成像清晰度。

可选的，如图1、图2所示，前透镜组111包括沿物方到像方依次设置的具有正光焦度的第一透镜114和第一消像差透镜组115；后透镜组113包括沿物方到像方依次设置的第二消像差透镜组119和具有正光焦度的第二透镜123。

光束首先透过具有正的光焦度的第一透镜114，对光束进行初步会聚，由于第一透镜114具有正的光焦度，而且具有较大的视场角，光束由第一透镜114出射时会产生球差等像差，由第一透镜114的透过的光束经过第一消像差透镜组115对上述像差进行校正，当光束由第一消像差透镜组115出射至光阑112时，光阑112能够使得光束以较大的发散角通过，透过光阑112的光束入射第二消像差透镜，第二消像差透镜对光束进行进一步校正，并经过第二透镜123会聚后出射，光束经过第二透镜123出射时，第二透镜123在对光束进行会聚时，难以避免也会产生像差，在第一消像差透镜组115和第二消像差透镜组119进行校正时，需要考虑到光束经过第二透镜123时产生的像差，从而在第一消像差透镜组115和第二消像差透镜组119设计时，提前将第二透镜123产生的像差进行校正。

本申请实施例的一种可实现的方式中，第一透镜114和第二透镜123采用火石玻璃材料制成。

光学材料按照折射率和阿贝系数的大小为两类：一类是火石玻璃材料，火石玻璃材料具有较高的折射率和较低的阿贝数，另一类是冕牌玻璃材料：冕牌玻璃材料具有较低的折射率和较高的阿贝数。具体的，在本发明中，第一透镜114和第二透镜123采用火石玻璃材料制成，使得最靠近物方和像方的透镜采用高折射率材质，从而可以快速汇聚光束，产生较小球差等像差。

可选的，如图1、图2所示，第一透镜114靠近光阑112的侧面与光阑112在主光轴上的距离和第二透镜123靠近光阑112的侧面与光阑112在主光轴上距离相等，第一消像差透镜组115靠近光阑112的侧面与光阑112在主光轴上的距离和第二消像差透镜组119靠近光阑112的侧面与光阑112在主光轴上的距离相等。

第一透镜114靠近光阑112的侧面与光阑112之间的距离和第二透镜123靠近光阑112的侧面与光阑112之间的距离相等，且第一透镜114和第二透镜123均具有正的光焦度，使得第一透镜114和第二透镜123以光阑112为中心对称排布，可以很好的校正非对称像差，其中，非对称像差包括慧差、垂直像差、畸变等等，提高光学镜头11的成像质量。

第一消像差透镜组115靠近光阑112的侧面与光阑112之间的距离和第二消像差透镜组119靠近光阑112的侧面与光阑112之间的距离相等，第一消像差透镜组115和第二消像差透镜对以光阑112为中心对称布置，也可以很好的校正非对称像差，其中，非对称像差包括慧差、垂直像差、畸变等等，提高光学镜头11的成像质量。

本申请实施例的一种可实现的方式中，前透镜组111的焦距为f1，后透镜组113的焦距为f2，f1和f2满足关系式：

。当前透镜组111和后透镜组113的焦距满足上述关系式时，使得光学镜头11的成像倍数在1.0-3.0之间。

可选的，如图1、图2所示，第一消像差透镜组115包括沿物方到像方依次设置的平凸透镜117和平凹透镜118，平凹透镜118的平面和平凸透镜117的平面相互胶合；第二消像差透镜组119包括沿物方到像方依次设置的双凹透镜120和双凸透镜121，双凸透镜121和双凹透镜120胶合设置。

平凸透镜117和平凹透镜118胶合形成第一消像差透镜组115，经过第一透镜114形成的像差，平凸透镜117和平凹透镜118能够补偿光束经过第一透镜114形成的像差。双凹透镜120和双凸透镜121能够进一步校正宽光谱带来的轴向色差和垂轴色差。

本申请实施例的一种可实现的方式中,平凸透镜117和双凸透镜121的折射率在1.55-1.6之间；平凹透镜118和双凹透镜120的折射率在1.6-1.62之间。

由上述光学材料的描述可知，冕牌玻璃材料具有较低的折射率和较高阿贝数，其中，阿贝数与色散的关系是阿贝数越小，色散越严重，当平凸透镜117、双凸透镜121、平凹透镜118和双凹透镜120的折射率较小时，阿贝数相对较大，能够对第一透镜114和第二透镜123处形成的像差等像差进行校正，从而提高光学镜头11的成像质量。

为了实现平凸透镜117和双凸透镜121对光束的第一次消像差，需要采用折射率较低、阿贝数较大的冕牌玻璃材料制成。同理，为了实现平凹透镜118和双凹透镜120对光束的第二次消像差，也需要采用折射率较低、阿贝数较大的冕牌玻璃材料制成。

可选的，如图1、图2所示，第一透镜114和第二透镜123为凹凸透镜，且第一透镜114的凸面朝向物侧，第二透镜123的凸面朝向像侧。

第一透镜114和第二透镜123为凹凸透镜，具有正的光焦度，能够实现对光束的快速会聚，使得光束的视场角减小的较快，从而在照射至相机13处光束的视场角不变的情况下进一步增大了入射光学镜头11的光束的视场角，从而增大了光学镜头11的视场角，使得更多的光线进入光学镜头11，从而增加成像模组10的成像清晰度。具体的，第一透镜114和第二透镜123可以为弯月透镜。

本申请实施例的一种可实现的方式中，凹凸透镜的凹面的曲率半径在140-200mm之间，凹凸透镜的凸面的曲率半径在25-31mm之间。

凹凸透镜的凹面的曲率半径在140-200mm之间，使得凹凸镜的凹面的曲率较大，凹面的弯曲程度较大，能够对光束进行较大角度的折射，从而使得光束的视场角减小的较快。凸面的曲率半径在25-31mm之间，使得凸面的曲率较小，凸面的弯曲程度较小，避免光束入射第一透镜114时产生较大像差以及光束出射第二透镜123时产生较大像差，而影响成像质量。

为了便于理解本申请实施例光学镜头11的情况，本申请实施例将光学镜头11中各个镜片的参数及位置关系沿物方到像方归纳为表1，其中，半径列是指每个镜片端面的曲率半径，第一行表示靠近物方的端面的曲率半径，第二行表示靠近像方的端面的曲率半径，曲率半径中的正值是指镜片端面的曲率中心在端面靠近像方的一侧，负值是指镜片端面的曲率中心在端面靠近物方的一侧，infinity表示此面为平面；厚度列是指各个镜片的厚度或者间隙沿物方到像方的方向的厚度，间隙是指各个镜片之间的间隔，填充的气体为空气，其中，厚度是指主光轴上的厚度。

表1光学镜头11参数表

具体的，上述实施例中的大视场光学镜头11中，物方的工作距离大于110mm，能够满足成像镜组对工作距离的要求，光学镜头11的总长小于等于160mm，放大倍率为-0.3X，物方的数值孔径NA小于等于0.03，物方的视场直径大于80mm，实现光学镜头11尺寸小巧，镜筒长度短，结构简单，满足双目立体视觉系统的空间需求，同时，能够有效实现大发散角像差的校正至衍射极限，大发散角像差包括慧差、像散、场曲、畸变、倍率像差等等，从而使得本申请实施例中的光学镜头11同时兼顾小尺寸和大像差得以校正的优点成为单相机双目视觉系统中的成像镜头。

为进一步说明本申请实施例中的光学镜头11的大发散角像差校正结构，对上述光学镜头11的像质进行检测，图3表示本申请实施例的光学镜头11在全波长全视场像面的场曲，由图3可以看出，本申请实施例的光学镜头11在全波长全视场像面的场曲小于等于0.2mm；图4表示本申请实施例的光学镜头11的畸变，由图4可以看出，本申请实施例的光学镜头11的畸变缩小至0.5%以内，上述大视场像差均可满足双目视觉系统的像质要求。

另外，需要说明的是，本申请实施例中提供的成像模组10中的光学镜头11具有结构紧凑、尺寸较小并可对较大的视场范围内的物体成清晰的像的优点，也可以应用于其他需要上述特点的镜头的场景中。

本申请实施例还公开了一种双目立体视觉系统，包括上述成像模组10以及与成像模组10的相机13信号连接的图像处理器，图像处理器获取相机13的图像信号并处理。该双目立体视觉系统包含与前述实施例中的成像模组10相同的结构和有益效果。成像模组10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种成像模组，其特征在于，包括并排设置的应用于双目立体视觉系统的两个光学镜头，所述光学镜头的出光侧设置有相机，所述光学镜头由沿主光轴方向依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组组成，所述光阑的孔径在8-10mm之间，两束光束分别经过所述前透镜组校正像差后透过所述光阑，经过所述光阑后入射所述后透镜组，经过所述后透镜组再次校正像差并会聚后出射，所述相机接收两个所述后透镜组出射的光束并分别成像；

所述前透镜组由沿物方到像方依次设置的具有正光焦度的第一透镜和第一消像差透镜组组成；所述后透镜组由沿物方到像方依次设置的第二消像差透镜组和具有正光焦度的第二透镜组成；

所述前透镜组的焦距为f1，所述后透镜组的焦距为f2,f1和f2满足关系式：

；

所述第一消像差透镜组由沿物方到像方依次设置的平凸透镜和平凹透镜组成，所述平凹透镜的平面和所述平凸透镜的平面相互胶合；所述第二消像差透镜组由沿物方到像方依次设置的双凹透镜和双凸透镜组成，所述双凸透镜和所述双凹透镜胶合设置。

2.根据权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜采用火石玻璃材料制成。

3.根据权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述第一透镜靠近所述光阑的侧面与所述光阑在主光轴上的距离和所述第二透镜靠近所述光阑的侧面与所述光阑在主光轴上的距离相等，所述第一消像差透镜组靠近所述光阑的侧面与所述光阑在主光轴上的距离和所述第二消像差透镜组靠近所述光阑的侧面与所述光阑在主光轴上的距离相等。

4.根据权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述平凸透镜和所述双凸透镜的折射率在1.55-1.6之间；所述平凹透镜和所述双凹透镜的折射率在1.6-1.62之间。

5.根据权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜为凹凸透镜，且所述第一透镜的凸面朝向物侧，所述第二透镜的凸面朝向像侧。

6.根据权利要求5所述的成像模组，其特征在于，所述凹凸透镜的凹面的曲率半径在140-200mm之间，所述凹凸透镜的凸面的曲率半径在25-31mm之间。

7.一种双目立体视觉系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的成像模组以及与所述成像模组的相机信号连接的图像处理器，所述图像处理器获取所述相机的图像信号并处理。

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