CN218273045U - 一种应用于金属表面异色检测的光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种应用于金属表面异色检测的光学系统，包括成像模块、镜头模块和同轴侧光源模块；同轴侧光源模块出射的光线经镜头模块内的半透半反镜反射后照射在待测物表面再经待测物表面反射后透过半透半反镜进入成像模块，成像模块生成所述待测物表面图像；同轴侧光源模块包括位于同一中心轴线依次排列的光源、第一透镜、第二透镜和光阑；第一透镜具有正光焦度，且为半球结构，其中，第一透镜朝向所述光源的表面为平面，背离所述光源的表面为凸面；第二透镜为平板结构。使用同轴侧光源模块的照明方式，异色成像背景单一，极大提高了异色缺陷的成像效果，解决了异色检测效率低下的问题，提高了金属表面异色检测的检测准确性。

Description

一种应用于金属表面异色检测的光学系统

技术领域

本实用新型实施例涉及照明技术领域，尤其涉及一种应用于金属表面异色检测的光学系统。

背景技术

在产品生产过程中，任何产品都会产生一些不良外观，金属表面在化学抛光后会有些区域会出现发白，发蒙这种表面异色的品质不良现象，一般为化学抛光时在表面形成氧化膜所导致。这种异色品质不良的产品使用磁控溅射镀膜机在产品表面镀彩色膜层后产品表面颜色差异变的更为明显。

目前这种品质不良现象主要靠人眼在灯管下通过不断变换观察角度对其进行检测，一方面由于异色缺陷面积很小一般≤2mm×2mm，另一方面此种缺陷宏观表现为和金属本身颜色几乎无差异，淡淡雾状或轻微发白的状态，导致检测困难，效率低下。

在目前现有的光学系统一般采用不同角度的暗场照明+远心镜头+面阵相机，通过极高的曝光50000us以上对异色进行成像。但是，这种方式存在以下几点不足：1.过高的曝光无法进行动态拍照，检测效率低下；2.不同角度照明加上极高曝光将金属表面一些可允许的灰尘颗粒同时成像，成像背景复杂容易造成过检。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种应用于金属表面异色检测的光学系统，该光学系统采用多方位的同轴侧光的照明方式，异色成像背景单一，可以极大提高异色缺陷的成像效果，解决异色检测效率低下的问题，提高金属表面异色检测的检测准确性。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种应用于金属表面异色检测的光学系统，包括成像模块、镜头模块和同轴侧光源模块；

所述成像模块、所述镜头模块和所述同轴侧光源模块依次设置，所述成像模块和所述镜头模块同轴，所述同轴侧光源模块的中心轴线与所述镜头模块的中心轴线垂直；所述镜头模块包括半透半反镜，所述同轴侧光源模块出射的照明光线经所述半透半反镜反射后照射在待测物表面再经所述待测物表面反射后透过所述半透半反镜进入所述成像模块，所述成像模块生成所述待测物表面图像；

所述同轴侧光源模块包括位于同一中心轴线依次排列的光源、第一透镜、第二透镜和光阑，其中，所述第一透镜具有正光焦度，且为半球结构，其中，所述第一透镜朝向所述光源的表面为平面，背离所述光源的表面为凸面；所述第二透镜为平板结构。

可选的，所述光源包括发光二极管光源，所述发光二极管光源的尺寸为C，0＜C≤3mm×3mm。

可选的，所述第一透镜的折射率为n1，所述第一透镜的阿贝数为V1，1.461＜n1＜1.650，40＜V1＜70。

可选的，所述第二透镜的折射率为n2，所述第二透镜的阿贝数为V2，1.461＜n2＜1.650，40＜V2＜70。

可选的，所述第二透镜包括扩散板，所述扩散板的透过率为T，T≥70％。

可选的，所述光阑的直径为

可选的，所述成像模块包括相机，所述相机的像元尺寸为A，所述相机的帧率为B，A≤3.45um×3.45um，B≥23fps。

可选的，所述镜头模块包括0.5倍远心镜头，所述0.5倍远心镜头靠近所述待测物的端面与所述待测物的表面之间的距离为100±2mm。

可选的，所述0.5倍远心镜头包括侧边开口，所述同轴侧光源模块的出光口与所述侧边开口对接。

本实用新型实施例提供的应用于金属表面异色检测的光学系统，提供了一种使用多方位的同轴侧光的照明方式及远心镜头+高速相机的飞拍的光学系统，使用特殊的照明方式，异色成像背景单一，极大提高了异色缺陷的成像效果，解决了异色检测效率低下的问题，提高了金属表面异色检测的检测准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请提供的一种应用于金属表面异色检测的光学系统的示意图；

图2为图1中提供的光学系统的应用示意图；

图3为本申请提供的一种同轴侧光源模块的结构示意图；

图4为图3中提供的同轴侧光源模块的光照明能量分布图；

图5为采用本申请提供的光学系统获得的异色缺陷实测图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本实用新型实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本实用新型的技术方案。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本实用新型的保护范围之内。

实施例

图1为本申请提供的一种应用于金属表面异色检测的光学系统的示意图；图2为图1中提供的光学系统的应用示意图；图3为本申请提供的一种同轴侧光源模块的结构示意图；图4为图3中提供的同轴侧光源模块的光照明能量分布图；图5为采用本申请提供的光学系统获得的异色缺陷实测图。结合图1-图5所示，本申请实施例提供了一种应用于金属表面异色检测的光学系统，光学系统包括成像模块1、镜头模块2和同轴侧光源模块3；成像模块1、镜头模块2和同轴侧光源模块3依次设置，成像模块1和镜头模块2同轴，同轴侧光源模块3的中心轴线L1与镜头模块2的中心轴线L2垂直；镜头模块2包括分光镜21，同轴侧光源模块3出射的光线经镜头模块2内的分光镜21反射后照射在待测物4表面再经待测物4表面反射后透过镜头模块2进入成像模块1，成像模块1生成待测物4表面图像；同轴侧光源模块3包括在中心轴线上依次排列的光源31、第一透镜32、第二透镜33和光阑34；第一透镜32具有正光焦度，且为半球结构，其中，第一透镜32朝向光源31的表面为平面，背离光源31的表面为凸面；第二透镜33为平板结构。

具体的，本申请通过对磨砂金属表的电子产品特性的研究，根据实际微弱缺陷理论分析与测试验证，提供了一种使用多方位的同轴侧光的照明方式及远心镜头+高速相机的飞拍的光学系统。结合图1和图2所示，成像模块1可以采用高速相机，采集待测物4表面的图像；镜头模块2可以采用远心镜头，远心镜头(Telecentric)主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用；远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。具体的，结合图1所示，镜头模块2包括分光镜21，分光镜21对光线的透过率和反射率的比值可以根据实际光路需要调整，这里不做具体限制。例如，分光镜21可以是半透半反镜21，半透半反镜21与同轴侧光源模块3的中心轴线L1的锐角夹角以及半透半反镜21与成像模块1的中心轴线L2的锐角夹角均为45°，用于改变照明光线的传播方向。

同轴侧光源模块3的光源31发出的照明光线依次经过第一透镜32、第二透镜33和光阑34后进入镜头模块2，经镜头模块2内的半透半反镜21反射后照射在待测物4表面再经待测物4表面反射后透过半透半反镜21进入成像模块1，成像模块1接收待测物4表面反射的照明光线生成待测物4表面图像。

进一步，由于第一透镜32朝向光源31的表面为平面，背离光源31的表面为凸面，形成如图3所示的半球结构，第一透镜32具有正光焦度，可以起到对照明光线的聚焦作用，提高照明光线的利用效率。其中，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。

同时将光源31、第一透镜32、第二透镜33和光阑34均位于同一光轴方向上，设置第二透镜33为平板结构，通过调节光阑34的大小，可以控制照明光线的照明能量分布，实现多方位的同轴侧光的照明方式，该种照明方式，异色成像背景单一，有利于成像模块1对待测金属表面成像，提高待测金属表面的异色缺陷的成像效果。

其中，待测物4可以是待测金属，如磨砂金属表面的电子产品，也可以是其他待测材料，这里不做具体限制；本申请提供的光学系统，也可应用在其他材料表面的图像采集和检测，这里不再做一一列举示出。

综上，本申请通过对磨砂金属表的电子产品特性的研究，根据实际微弱缺陷理论分析与测试验证，提供了一种使用多方位的同轴侧光的照明方式及远心镜头+高速相机的飞拍的光学系统，使用特殊的照明方式，异色成像背景单一，极大提高了异色缺陷的成像效果，解决了异色检测效率低下的问题，提高了金属表面异色检测的检测准确性。

可选的，继续参照图1-4所示，光源31包括发光二极管光源(LED source)，发光二极管光源的尺寸为C，0＜C≤3mm×3mm。

具体的，光源31可以采用一个或者多个发光二极管光源(LED source)，多个发光二极管光源可以阵列排布形成面光源，或者线性排布形成线光源。采用尺寸较小的发光二极管光源，有利于提供均匀的光照，提高金属表面异色缺陷的成像效果。

一种可行的实施方式，结合图3所示，第一透镜32的折射率为n1，第一透镜32的阿贝数为V1，1.461＜n1＜1.650，40＜V1＜70。

一种可行的实施方式，结合图3所示，第二透镜33的折射率为n2，第二透镜33的阿贝数为V2，1.461＜n2＜1.650，40＜V2＜70。

具体的，折射率是光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，主要用来描述材料对光的折射能力，不同的材料的折射率不同。折射率越大，材料对光的折射能力越强；反之，折射率越小，材料对光的折射能力越弱。阿贝数是用以表示透明介质色散能力的指数；阿贝数越小，介质色散越严重；反之，阿贝数越大，介质的色散越轻微。

通过合理选择第一透镜32和第二透镜33的折射率，使得光源31出射的光线尽可能多的被第一透镜32和第二透镜33聚集，提高光线利用效率；合理选择第一透镜32和第二透镜33的阿贝数，在光线聚集的过程中减小光线的色散，减小第一透镜32和第二透镜33对照明光线的色散作用，保证异色成像背景单一，提高待测金属表面的成像效果。

一种可行的实施方式，结合图3所示，第二透镜33包括扩散板，扩散板的透过率为T，T≥70％。第二透镜33为平面扩散板，扩散板也可以称为散光板，第二透镜33靠近光阑34的一面具有散光(Diffuser)的作用，可以使照明光线散布较为均匀；同时设置第二透镜33的透过率T大于等于70％，确保照明光线的出射效率，提高待测金属表面的成像效果。

一种可行的实施方式，结合图1-图4所示，光阑34的直径为

光阑34起到控制照射到待测物表面光线数量的作用；通过设置光阑34位于光源31的中心轴线上，光阑34的直径

在0.5mm～6mm之间可调。可以通过调节光阑孔径

的大小控制照明能量分布，形成如图5所示的M型照明能量分布，M型照明能量照射在待测物表面，形成了多方位的同轴侧光的照明。M型照明能量分布指的是照明能量沿某一方向匀速滑动，积分后的能量均匀分布成M型，即形成一条能量均匀分布的窄直线。其中，图4中，横坐标的单位为毫米(mm)；纵坐标为辐照度/毫米的平方。经光阑34调整后的M型照明能量分布有利于提高待测物背景成像的灰度，提高异色缺陷的成像效果照明效率，便于对成像模块1获得的待测物表面图像进行处理，解决异色检测效率低下以及异色成像背景单一不易造成过检的问题。

一种可行的实施方式，结合图1-图4所示，成像模块1包括相机(camera)，相机的像元尺寸为A，相机的帧率为B，A≤3.45um×3.45um，B≥23fps。

具体的，选用500万高速相机，其像元尺寸A最大为3.45um×3.45um，其帧率B大于等于23fps，可以提高待测物表面微小异物的检测转确性和检测效率。其中，相机领域常用术语，帧率(Frame rate)是以帧称为单位的位图像连续出现在显示器上的频率(速率)。该术语同样适用于胶片和摄像机，计算机图形和动作捕捉系统。

一种可行的实施方式，结合图1-图4所示，镜头模块2包括0.5倍远心镜头，0.5倍远心镜头的靠近待测物4的端面与待测物4的表面之间的距离为110±2mm。

可选的，结合图3所示，0.5倍远心镜头包括侧边开口，同轴侧光源模块3的出光口与侧边开口对接。

具体的，结合图2所示，采用500万高速相机和0.5倍远心镜头2装配在一起，0.5倍远心镜头2的靠近待测金属的端面到金属表面的距离为110±2mm，将同轴侧光源模块3的出光口插入到镜头2的接口处，同时设置同轴侧光源模块3中心轴线与0.5倍远心镜头的中心轴线垂直。

下面列举一个具体的实施例，结合图2-图5以及表1所示，本申请实施例提供的光学系统中，采用500万高速相机1和0.5倍远心镜头2装配在一起，同轴侧光3插入到镜头2的接口处。

表1为同轴侧光源模块中各个元件的光学物理参数

面序号	曲率半径/R	厚度/T	折射率/nd	阿贝数/V
					光源/LED source	Infinty	6.230
1	Infinty	5.000	1.517	64.167
					2	-5	7.000
3	Infinty	2.000	1.517	64.167
					4/Diffuser	Infinty	1.000
光阑/Aperture stop	Infinty	7.200
					IMA	Infinty	0.000

其中，面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，面序号1代表第一透镜32的靠近光源31的一面，面序号2代表第一透镜32的靠近第二透镜33的一面，面序号3代表第二透镜33的靠近第一透镜32的一面，面序号4代表第二透镜33的靠近光阑34的一面；R为曲率半径，代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧；T为厚度，代表当前表面到下一表面的中心轴线距离，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)；n为折射率，空格代表当前位置为空气，折射率为1；V为阿贝数，空格代表当前位置为空气，阿贝数为0；Infinty为无穷大；IMA为像面。需要说明的是，表1中相机、镜头、光源的参数可以根据实际情况进行调整，不限于以上所述。

结合图2-图5以及表1所示，整个光学系统的工作距离为110mm，视野为16.9mm×14.1mm。结合图5的(a)图中虚框和图5的(b)图中虚框所示，图5的(a)图中的异色点相对图5的(b)的图异色点更清晰，本申请采用多方位的同轴侧光的照明及远心镜头和高速相机组合的飞拍成像方式，照明光线成M型照明能量分布，异色成像背景单一，极大提高了异色缺陷的成像效果，可提高异色检测效率。其中，图5的(a)图为同轴侧光高速拍摄异色图片，图5的(b)图为非同轴侧低速拍摄异色图片。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，本实用新型的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种应用于金属表面异色检测的光学系统，其特征在于，包括成像模块、镜头模块和同轴侧光源模块；

所述成像模块、所述镜头模块和所述同轴侧光源模块依次设置，所述成像模块和所述镜头模块同轴，所述同轴侧光源模块的中心轴线与所述镜头模块的中心轴线垂直；所述镜头模块包括分光镜，所述同轴侧光源模块出射的照明光线经所述镜头模块内的分光镜反射后照射在待测物表面再经所述待测物表面反射后透过所述镜头模块进入所述成像模块，所述成像模块生成所述待测物表面图像；

所述同轴侧光源模块包括位于同一中心轴线依次排列的光源、第一透镜、第二透镜和光阑，其中，所述第一透镜具有正光焦度，且为半球结构，其中，所述第一透镜朝向所述光源的表面为平面，背离所述光源的表面为凸面；所述第二透镜为平板结构。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源包括发光二极管光源，所述发光二极管光源的尺寸为C，0＜C≤3mm×3mm。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率为n1，所述第一透镜的阿贝数为V1，1.461＜n1＜1.650，40＜V1＜70。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜的折射率为n2，所述第二透镜的阿贝数为V2，1.461＜n2＜1.650，40＜V2＜70。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜包括扩散板，所述扩散板的透过率为T，T≥70％。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光阑的直径为

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像模块包括相机，所述相机的像元尺寸为A，所述相机的帧率为B，A≤3.45um×3.45um，B≥23fps。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述镜头模块包括0.5倍远心镜头，所述0.5倍远心镜头靠近所述待测物的端面与所述待测物的表面之间的距离为100±2mm。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述0.5倍远心镜头包括侧边开口，所述同轴侧光源模块的出光口与所述侧边开口对接。

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