三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其前置物鏡組和后置物鏡組構(gòu)成雙遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)，前置物鏡組、分光棱鏡和照明物鏡組構(gòu)成雙遠(yuǎn)心同軸照明光學(xué)系統(tǒng)；孔徑光闌AS1位于前置物鏡組的像方焦平面上和后置物鏡組的物方焦平面上，孔徑光闌AS2位于前置物鏡組的像方焦平面上和照明物鏡組的物方焦平面上。本發(fā)明將兩個雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)耦合而成為三遠(yuǎn)心系統(tǒng)，具有同軸照明和成像雙重作用。成像系統(tǒng)視場達(dá)到180mm，成像畸變小于-0.1%；全視場分辨率達(dá)到200lp/mm，且成像質(zhì)量均勻，照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)整個視場的均勻化照明，避免了同軸環(huán)形光照明產(chǎn)生的照明不均勻的缺陷。
【專利說明】三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)，特別是應(yīng)用于大視場、高分辨率、低畸變的機器視覺檢測的光學(xué)系統(tǒng)，具體是三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]用機器視覺代替人眼來進行高精度、高速度的光電自動在線檢測是近十幾年來工業(yè)在線檢測領(lǐng)域發(fā)展最主要的方向之一。用傳統(tǒng)的定焦或變焦鏡頭進行成像方法簡單、成本低，但是有下列缺陷:1、圖像畸變較大，尤其對于大視場成像時大的畸變會嚴(yán)重影響測量精度；2、對有一定深度的物體成像會把物體的側(cè)面投影成像，容易與需要檢測面的圖像混淆，降低測量精度；3、普通定焦或變焦鏡頭離焦成像會引起較大測量誤差。
[0003]遠(yuǎn)心光路能夠克服以上缺點，非常適用于機器視覺自動在線檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，因而近幾年來對遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的使用越來越多。
[0004]遠(yuǎn)心光路分為物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路，其原理就是將孔徑光闌分別放置于像方焦平面和物方焦平面，使得物方和像方的主光線都平行于光軸。將這兩種遠(yuǎn)心光路結(jié)合起來就構(gòu)成了雙遠(yuǎn)心成像光路，即中間的孔徑光闌位置既是前物鏡組的像方焦平面，也是后物鏡組的物方焦平面。這樣物像方的主光線都平行于光軸，將物方遠(yuǎn)心和像方遠(yuǎn)心光路的優(yōu)點相結(jié)合，物方崎變和像方崎變都消除，使得檢測精度進一步提聞。遠(yuǎn)心光路照明分夕卜照明和同軸內(nèi)照明兩種方式。外照明實現(xiàn)較簡單，但容易出現(xiàn)照明不均勻現(xiàn)象，對于大視場照明尤其如此。同軸內(nèi)照明由于要利用部分光路，設(shè)計較為復(fù)雜，成本高，而且亮度略低，但是均勻性很好，在要求較高的檢測場合需要用內(nèi)照明。
[0005]中國專利200710038508.0中提出了一種對稱式雙遠(yuǎn)心投影光學(xué)系統(tǒng)，其優(yōu)點是在放大倍率為-1時分辨率達(dá)到了 7001p/mm，適用于高精度光刻領(lǐng)域應(yīng)用。缺點是整個系統(tǒng)使用了 18片鏡片，裝調(diào)難度較大，而且采用了價格較昂貴的SFPL51Y等特種玻璃，成本較高。視場為31.446mm,工作距離29mm,不適用于大視場檢測場合。
[0006]中國專利201010242686.7中提出了一種同軸雙遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)，其優(yōu)點是使用較少的鏡片實現(xiàn)高倍率雙遠(yuǎn)心成像，畸變低于0.1%;照明系統(tǒng)采用內(nèi)落射同軸柯勒照明，均勻性較好；柯勒照明視場光闌可變，可以控制照明視場大小。缺點是視場只有19.2mm，不適用于大視場零件的檢測；柯勒照明結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝調(diào)困難。
[0007]在美國專利US5715050中，提出了一種同軸照明雙遠(yuǎn)心光學(xué)測量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是物象面位置誤差對測量精度影響低，但該系統(tǒng)的放大倍率低，照明面積大小不能控制，因此不能得到高的測量精度并且它在雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)后面還需要額外的光學(xué)系統(tǒng)來保證好的對比圖像，增加了設(shè)計成本和裝校難度。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明目的在于克服已有技術(shù)的缺陷，提供一種大視場、低倍率、高分辨率、同軸內(nèi)照明的機器視覺檢測的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)對直徑為180mm以內(nèi)的被測物體進行聞精度成像和檢測。
[0009]本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，包括將孔徑光闌放置于像方焦平面和物方焦平面而形成的雙遠(yuǎn)心成像光路，其特征在于:包括前置物鏡組G1、分光棱鏡BS、后置物鏡組G2和照明物鏡組G3，前置物鏡組Gi和后置物鏡組G2構(gòu)成雙遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)，前置物鏡組匕、分光棱鏡BS和照明物鏡組G3構(gòu)成雙遠(yuǎn)心同軸照明光學(xué)系統(tǒng)；
孔徑光闌ASi位于前置物鏡組匕的像方焦平面上和后置物鏡組G2的物方焦平面上，從而使前物鏡組Gi和后物鏡組G2構(gòu)成雙遠(yuǎn)心成像光路?？讖焦怅@AS2位于前置物鏡組G:的像方焦平面上和照明物鏡組G3的物方焦平面上，從而使前物鏡組^和照明物鏡組G3構(gòu)成雙遠(yuǎn)心照明光路。
[0010]所述的前置物鏡組Gi，從物面至分光棱鏡BS之前，依次設(shè)置一個正雙凸透鏡U、一個負(fù)彎月透鏡L2、一個正彎月透鏡l3、一個負(fù)彎月透鏡l4和一個負(fù)彎月透鏡l5，其中正彎月透鏡l3和負(fù)彎月透鏡l4組成正彎月雙膠合組。
[0011]所述的分光棱鏡BS為兩個直角棱鏡雙膠合而成，反射透射比為1:1，用來將從照明光源發(fā)出的、通過照明物鏡組G3的光反射進入前置物鏡組G1;從而實現(xiàn)對物面的大視場均勻照明；從被測物體反射回來的光經(jīng)過前置物鏡組匕后通過分光棱鏡進入后置物鏡組G2到達(dá)(XD靶面成像。
[0012]所述的后置物鏡組G2由6片透鏡組成，從分光棱鏡BS至(XD靶面，依次設(shè)置可變成像孔徑光闌AS1、一個負(fù)彎月透鏡L6、一個負(fù)彎月透鏡L7、一個正彎月透鏡L8、一個正雙凸透鏡L9、一個負(fù)彎月透鏡L1(l和一個正彎月透鏡Ln，其中正雙凸透鏡L9和負(fù)彎月透鏡L1(l組成正雙膠合組。
[0013]所述的照明物鏡組G3由3片透鏡構(gòu)成，從孔徑光闌AS2開始沿光軸依次設(shè)置包括一個正雙凸透鏡L12、一個負(fù)彎月透鏡l13和一個正平凸透鏡l14，其中正雙凸透鏡l12和負(fù)彎月透鏡L13組成正雙膠合組。
[0014]所述的雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)配合使用靶面為1〃、像元為4.5μπιΧ4.5μπι面陣C⑶相機。
[0015]所述的雙遠(yuǎn)心照明成像系統(tǒng)的照明光源為直徑7_的LED面光源，全視場照明均勻度在10%以內(nèi)。
[0016]本發(fā)明中的雙遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)，其物距為288.2mm，物方視場為175mm ;像距為23.58mm，像方視場為16mm，放大倍率為0.0914 X ;全視場像方成像分辨率達(dá)到2001p/mm，
畸變小于0.1%。
[0017]本發(fā)明將兩個雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)耦合而成為三遠(yuǎn)心系統(tǒng)，具有同軸照明和成像雙重作用。雙遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)通過分光棱鏡BS與雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)耦合，前置物鏡組&是雙遠(yuǎn)心成像光路和雙遠(yuǎn)心同軸照明光路的公共部分，起到照明和成像的雙重作用。
[0018]從成像光路來看，系統(tǒng)視場達(dá)到180mm，在雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)中屬于大視場；成像崎變小于-0.1% ;全視場分辨率達(dá)到2001p/mm，且成像質(zhì)量均勻。從照明光路來看，采用雙遠(yuǎn)心內(nèi)落射同軸照明可以實現(xiàn)整個視場的均勻化照明，避免了同軸環(huán)形光照明產(chǎn)生的照明不均勻的缺陷。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1:本發(fā)明三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2:前置物鏡組結(jié)構(gòu)圖；
圖3:前置物鏡組的像差曲線圖；
圖4:后置物鏡組結(jié)構(gòu)圖；
圖5:后置物鏡組的像差曲線圖；
圖6:雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖7:雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的像差曲線圖；
圖8:雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的MTF曲線圖；
圖9:照明物鏡組結(jié)構(gòu)圖；
圖10:雙遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖11:雙遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)照明質(zhì)量分析圖。

【具體實施方式】
[0020]首先根據(jù)物方視場D=175mm,分辨率要求為0.05mm的要求，確定相接收器件使用1〃CCD相機，像元尺寸為4.5 μ mX4.5 μ m，因而計算放大倍率為β =16/175=0.0914Χ。然后根據(jù)放大倍率要求，確定前置物鏡組&焦距為f’ 1=45.5mm,后置物鏡組G2焦距為f’ 2=497mm。分別對前置物鏡組匕和后置物鏡組G2分別進行光學(xué)設(shè)計，前置物鏡組匕像方焦點處放置孔徑光闌ASi，與后置物鏡組G2物方焦點重合，構(gòu)成雙遠(yuǎn)心光路。
[0021]前置物鏡組匕采用反向光路設(shè)計，如圖2所示。沿光軸從左到右依次為孔徑光闌AS1、負(fù)彎月透鏡L5、負(fù)彎月透鏡L4、正彎月透鏡L3、負(fù)彎月透鏡L2、正雙凸透鏡Lp其中正彎月透鏡L3和負(fù)彎月透鏡匕組成雙膠合組。入射平行光視場角為2 ω =20°，出射光線主光線平行于光軸。經(jīng)過像差優(yōu)化設(shè)計，由圖3可以看出前置物鏡組匕在像面上的球差、像散、場曲在0.5mm以內(nèi)，畸變小于-0.2%。
[0022]后置物鏡組G2用正向光路設(shè)計，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。沿光軸從左到右依次為孔徑光闌AS1、負(fù)彎月透鏡L6、負(fù)彎月透鏡L7、正彎月透鏡L8、正雙凸透鏡L9、負(fù)彎月透鏡L1(l和正彎月透鏡Ln，其中正雙凸透鏡L9和負(fù)彎月透鏡L1(l組成正雙膠合組?？讖焦怅@ASi位于物方焦面處，入射平行光視場角為2 ω =20°，出射光線的主光線平行于光軸。經(jīng)過像差優(yōu)化設(shè)計，由圖5可以看出后置物鏡組G2像面上的球差、像散、場曲在0.1mm以內(nèi)，畸變小于-0.2%。
[0023]將前置物鏡組匕鏡頭翻轉(zhuǎn)，與后置物鏡組G2在孔徑光闌ASi處相對接，組成圖6所不雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)為無焦系統(tǒng)，入射光主光線平行于光軸，出射光主光線也平行于光軸，構(gòu)成雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)。由圖7的像差分析曲線可見，球差、像散、場曲都在0.1mm以內(nèi)；由于前物鏡組Gi和后物鏡組G2畸變異號相等，所以總畸變小于-0.1%,小于普通物方遠(yuǎn)心和像方遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的畸變。由圖8的MTF曲線可見，全視場分辨率達(dá)到2001p/mm，對應(yīng)的像接收器件的分辨率只要高于1001p/mm，即像元尺寸小于10 μ m，都可以配合本系統(tǒng)使用。
[0024]照明物鏡組G3設(shè)計方法與后置物鏡組G2設(shè)計類似，但是由于照明系統(tǒng)對像差要求不高，而且考慮到成本因素，只采用了三片透鏡，結(jié)構(gòu)如圖9所示。沿光軸從左到右依次為孔徑光闌AS2、正雙凸透鏡L12、負(fù)彎月透鏡L13和正平凸透鏡L14，其中正雙凸透鏡L12和負(fù)彎月透鏡L13組成正雙膠合組。照明物鏡組G3與前置物鏡組匕在孔徑光闌處相對接，組成圖10所示雙遠(yuǎn)心同軸照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)從照明面光源面出射光線的主光線平行于光軸，出射光線的主光線也平行于光軸，構(gòu)成雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)。圖11為被照明物面的亮度分析圖。由圖中可以看出全視場照明亮度都比較均勻，在X軸和Y軸上照明均勻度基本在10%以內(nèi)，因此可以對整個物面提供均勻照明。
[0025]將圖2所示前置物鏡組匕鏡頭翻轉(zhuǎn)，與圖2所示后置物鏡組G2在孔徑光闌ASi處相對接，組成圖6所示雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)。將圖2所示前置物鏡組61鏡頭翻轉(zhuǎn)，將圖9所示照明物鏡組G3在孔徑光闌處AS2相對接，組成圖10所示雙遠(yuǎn)心同軸照明系統(tǒng)。最后將圖6所示雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)，與圖10所示雙遠(yuǎn)心同軸照明系統(tǒng)，通過分光棱鏡BS結(jié)合在一起，即成為圖1所示的本發(fā)明的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，包括將孔徑光闌放置于像方焦平面和物方焦平面而形成的雙遠(yuǎn)心成像光路，其特征在于:包括前置物鏡組G1、分光棱鏡BS、后置物鏡組G2和照明物鏡組G3,前置物鏡組G1和后置物鏡組G2構(gòu)成雙遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)，前置物鏡組G1、分光棱鏡BS和照明物鏡組G3構(gòu)成雙遠(yuǎn)心同軸照明光學(xué)系統(tǒng)； 孔徑光闌AS1位于前置物鏡組G1的像方焦平面上和后置物鏡組G2的物方焦平面上，孔徑光闌AS2位于前置物鏡組G1的像方焦平面上和照明物鏡組G3的物方焦平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的前置物鏡組G1，從物面至分光棱鏡BS之前，依次設(shè)置一個正雙凸透鏡L1、一個負(fù)彎月透鏡L2、一個正彎月透鏡L3、一個負(fù)彎月透鏡L4和一個負(fù)彎月透鏡L5，其中正彎月透鏡L3和負(fù)彎月透鏡L4組成正彎月雙膠合組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的分光棱鏡BS為兩個直角棱鏡雙膠合而成，反射透射比為1:1，用來將從照明光源發(fā)出的、通過照明物鏡組G3的光反射進入前置物鏡組G1，從而實現(xiàn)對物面的大視場均勻照明；從被測物體反射回來的光經(jīng)過前置物鏡組G1后通過分光棱鏡BS進入后置物鏡組G2到達(dá)CXD靶面成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的后置物鏡組G2,從分光棱鏡BS至CXD靶面，依次設(shè)置可變成像孔徑光闌AS1、一個負(fù)彎月透鏡L6、一個負(fù)彎月透鏡L7、一個正彎月透鏡L8、一個正雙凸透鏡L9、一個負(fù)彎月透鏡Lltl和一個正彎月透鏡L11,其中正雙凸透鏡L9和負(fù)彎月透鏡Lltl組成正雙膠合組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的照明物鏡組G3,從孔徑光闌AS2開始沿光軸依次設(shè)置包括一個正雙凸透鏡L12、一個負(fù)彎月透鏡L13和一個正平凸透鏡L14，其中正雙凸透鏡L12和負(fù)彎月透鏡L13組成正雙膠合組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)配合使用靶面為I"、像元為4.5 μ mX4.5 μ m面陣CXD相機。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三遠(yuǎn)心同軸照明成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的雙遠(yuǎn)心同軸照明系統(tǒng)的照明光源為直徑7mm的LED面光源，全視場照明均勻度在10%以內(nèi)。
【文檔編號】G02B13/22GK104360463SQ201410728564
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】高興宇 申請人:桂林電子科技大學(xué)