三远心同轴照明成像光学系统

摘要

本发明的三远心同轴照明成像光学系统，其前置物镜组和后置物镜组构成双远心成像光学系统，前置物镜组、分光棱镜和照明物镜组构成双远心同轴照明光学系统；孔径光阑AS1位于前置物镜组的像方焦平面上和后置物镜组的物方焦平面上，孔径光阑AS2位于前置物镜组的像方焦平面上和照明物镜组的物方焦平面上。本发明将两个双远心系统耦合而成为三远心系统，具有同轴照明和成像双重作用。成像系统视场达到180mm，成像畸变小于-0.1%；全视场分辨率达到200lp/mm，且成像质量均匀，照明系统可以实现整个视场的均匀化照明，避免了同轴环形光照明产生的照明不均匀的缺陷。

说明书

技术领域  

本发明属于光学成像技术，特别是应用于大视场、高分辨率、低畸变的机器视觉检测的光学系统，具体是三远心同轴照明成像光学系统。

背景技术

用机器视觉代替人眼来进行高精度、高速度的光电自动在线检测是近十几年来工业在线检测领域发展最主要的方向之一。用传统的定焦或变焦镜头进行成像方法简单、成本低，但是有下列缺陷：1、图像畸变较大，尤其对于大视场成像时大的畸变会严重影响测量精度；2、对有一定深度的物体成像会把物体的侧面投影成像，容易与需要检测面的图像混淆，降低测量精度；3、普通定焦或变焦镜头离焦成像会引起较大测量误差。

远心光路能够克服以上缺点，非常适用于机器视觉自动在线检测领域的应用，因而近几年来对远心光学系统的使用越来越多。

远心光路分为物方远心光路和像方远心光路，其原理就是将孔径光阑分别放置于像方焦平面和物方焦平面，使得物方和像方的主光线都平行于光轴。将这两种远心光路结合起来就构成了双远心成像光路，即中间的孔径光阑位置既是前物镜组的像方焦平面，也是后物镜组的物方焦平面。这样物像方的主光线都平行于光轴，将物方远心和像方远心光路的优点相结合，物方畸变和像方畸变都消除，使得检测精度进一步提高。远心光路照明分外照明和同轴内照明两种方式。外照明实现较简单，但容易出现照明不均匀现象，对于大视场照明尤其如此。同轴内照明由于要利用部分光路，设计较为复杂，成本高，而且亮度略低，但是均匀性很好，在要求较高的检测场合需要用内照明。

    中国专利200710038508.0中提出了一种对称式双远心投影光学系统，其优点是在放大倍率为-1时分辨率达到了700lp/mm，适用于高精度光刻领域应用。缺点是整个系统使用了18片镜片，装调难度较大，而且采用了价格较昂贵的SFPL51Y等特种玻璃，成本较高。视场为31.446mm，工作距离29mm，不适用于大视场检测场合。

中国专利201010242686.7中提出了一种同轴双远心成像光学系统，其优点是使用较少的镜片实现高倍率双远心成像，畸变低于0.1%；照明系统采用内落射同轴柯勒照明，均匀性较好；柯勒照明视场光阑可变，可以控制照明视场大小。缺点是视场只有19.2mm，不适用于大视场零件的检测；柯勒照明结构较复杂，装调困难。

在美国专利US5715050中，提出了一种同轴照明双远心光学测量系统。这种系统的优点是物象面位置误差对测量精度影响低，但该系统的放大倍率低，照明面积大小不能控制，因此不能得到高的测量精度并且它在双远心成像系统后面还需要额外的光学系统来保证好的对比图像，增加了设计成本和装校难度。

发明内容   

本发明目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种大视场、低倍率、高分辨率、同轴内照明的机器视觉检测的三远心同轴照明成像光学系统，实现对直径为180mm以内的被测物体进行高精度成像和检测。

本发明实现上述目的的技术方案如下：三远心同轴照明成像光学系统，包括将孔径光阑放置于像方焦平面和物方焦平面而形成的双远心成像光路，其特征在于：包括前置物镜组G₁、分光棱镜BS、后置物镜组G₂和照明物镜组G₃，前置物镜组G₁和后置物镜组G₂构成双远心成像光学系统，前置物镜组G₁、分光棱镜BS和照明物镜组G₃构成双远心同轴照明光学系统；

孔径光阑AS₁位于前置物镜组G₁的像方焦平面上和后置物镜组G₂的物方焦平面上，从而使前物镜组G₁和后物镜组G₂构成双远心成像光路。孔径光阑AS₂位于前置物镜组G₁的像方焦平面上和照明物镜组G₃的物方焦平面上，从而使前物镜组G₁和照明物镜组G₃构成双远心照明光路。

所述的前置物镜组G₁，从物面至分光棱镜BS之前，依次设置一个正双凸透镜L₁、一个负弯月透镜L₂、一个正弯月透镜L₃、一个负弯月透镜L₄和一个负弯月透镜L₅，其中正弯月透镜L₃和负弯月透镜L₄组成正弯月双胶合组。

所述的分光棱镜BS为两个直角棱镜双胶合而成，反射透射比为1:1，用来将从照明光源发出的、通过照明物镜组G₃的光反射进入前置物镜组G₁，从而实现对物面的大视场均匀照明；从被测物体反射回来的光经过前置物镜组G₁后通过分光棱镜进入后置物镜组G₂到达CCD靶面成像。

所述的后置物镜组G₂由6片透镜组成，从分光棱镜BS至CCD靶面，依次设置可变成像孔径光阑AS₁、一个负弯月透镜L₆、一个负弯月透镜L₇、一个正弯月透镜L₈、一个正双凸透镜L₉、一个负弯月透镜L₁₀和一个正弯月透镜L₁₁，其中正双凸透镜L₉和负弯月透镜L₁₀组成正双胶合组。

所述的照明物镜组G₃由3片透镜构成，从孔径光阑AS₂开始沿光轴依次设置包括一个正双凸透镜L₁₂、一个负弯月透镜L₁₃和一个正平凸透镜L₁₄，其中正双凸透镜L₁₂和负弯月透镜L₁₃组成正双胶合组。

所述的双远心成像系统配合使用靶面为1"、像元为4.5μm×4.5μm面阵CCD相机。

所述的双远心照明成像系统的照明光源为直径7mm的LED面光源，全视场照明均匀度在10%以内。

本发明中的双远心成像光学系统，其物距为288.2mm，物方视场为175mm；像距为23.58mm，像方视场为16mm，放大倍率为0.0914×；全视场像方成像分辨率达到200lp/mm，畸变小于0.1%。

本发明将两个双远心系统耦合而成为三远心系统，具有同轴照明和成像双重作用。双远心照明系统通过分光棱镜BS与双远心成像系统耦合，前置物镜组G₁是双远心成像光路和双远心同轴照明光路的公共部分，起到照明和成像的双重作用。

从成像光路来看，系统视场达到180mm，在双远心系统中属于大视场；成像畸变小于-0.1%；全视场分辨率达到200lp/mm，且成像质量均匀。从照明光路来看，采用双远心内落射同轴照明可以实现整个视场的均匀化照明，避免了同轴环形光照明产生的照明不均匀的缺陷。

附图说明

图1：本发明三远心同轴照明成像光学系统结构图；

图2：前置物镜组结构图；

图3：前置物镜组的像差曲线图；

图4：后置物镜组结构图；

图5：后置物镜组的像差曲线图；

图6：双远心成像系统结构图；

图7：双远心成像系统的像差曲线图；

图8：双远心成像系统的MTF曲线图；

图9：照明物镜组结构图；

图10：双远心照明系统结构图；

图11：双远心照明系统照明质量分析图。

具体实施方式

首先根据物方视场D=175mm，分辨率要求为0.05mm的要求，确定相接收器件使用1"CCD相机，像元尺寸为4.5μm×4.5μm，因而计算放大倍率为β=16/175=0.0914×。然后根据放大倍率要求，确定前置物镜组G₁焦距为f'₁=45.5mm，后置物镜组G₂焦距为f'₂=497mm。分别对前置物镜组G₁和后置物镜组G₂分别进行光学设计，前置物镜组G₁像方焦点处放置孔径光阑AS₁，与后置物镜组G₂物方焦点重合，构成双远心光路。

前置物镜组G₁采用反向光路设计，如图2所示。沿光轴从左到右依次为孔径光阑AS₁、负弯月透镜L₅、负弯月透镜L₄、正弯月透镜L₃、负弯月透镜L₂、正双凸透镜L₁，其中正弯月透镜L₃和负弯月透镜L₄组成双胶合组。入射平行光视场角为2ω=20°，出射光线主光线平行于光轴。经过像差优化设计，由图3可以看出前置物镜组G₁在像面上的球差、像散、场曲在0.5mm以内，畸变小于-0.2%。

后置物镜组G₂用正向光路设计，结构图如图4所示。沿光轴从左到右依次为孔径光阑AS₁、负弯月透镜L₆、负弯月透镜L₇、正弯月透镜L₈、正双凸透镜L₉、负弯月透镜L₁₀和正弯月透镜L₁₁，其中正双凸透镜L₉和负弯月透镜L₁₀组成正双胶合组。孔径光阑AS₁位于物方焦面处，入射平行光视场角为2ω=20°，出射光线的主光线平行于光轴。经过像差优化设计，由图5可以看出后置物镜组G₂像面上的球差、像散、场曲在0.1mm以内，畸变小于-0.2%。

将前置物镜组G₁镜头翻转，与后置物镜组G₂在孔径光阑AS₁处相对接，组成图6所示双远心成像系统。该系统为无焦系统，入射光主光线平行于光轴，出射光主光线也平行于光轴，构成双远心结构。由图7的像差分析曲线可见，球差、像散、场曲都在0.1mm以内；由于前物镜组G₁和后物镜组G₂畸变异号相等，所以总畸变小于-0.1%，小于普通物方远心和像方远心结构的畸变。由图8的MTF曲线可见，全视场分辨率达到200lp/mm，对应的像接收器件的分辨率只要高于100lp/mm，即像元尺寸小于10μm，都可以配合本系统使用。

照明物镜组G₃设计方法与后置物镜组G₂设计类似，但是由于照明系统对像差要求不高，而且考虑到成本因素，只采用了三片透镜，结构如图9所示。沿光轴从左到右依次为孔径光阑AS₂、正双凸透镜L₁₂、负弯月透镜L₁₃和正平凸透镜L₁₄，其中正双凸透镜L₁₂和负弯月透镜L₁₃组成正双胶合组。照明物镜组G₃与前置物镜组G₁在孔径光阑处相对接，组成图10所示双远心同轴照明系统。该系统从照明面光源面出射光线的主光线平行于光轴，出射光线的主光线也平行于光轴，构成双远心结构。图11为被照明物面的亮度分析图。由图中可以看出全视场照明亮度都比较均匀，在X轴和Y轴上照明均匀度基本在10%以内，因此可以对整个物面提供均匀照明。

将图2所示前置物镜组G₁镜头翻转，与图2所示后置物镜组G₂在孔径光阑AS₁处相对接，组成图6所示双远心成像系统。将图2所示前置物镜组G₁镜头翻转，将图9所示照明物镜组G₃在孔径光阑处AS₂相对接，组成图10所示双远心同轴照明系统。最后将图6所示双远心成像系统，与图10所示双远心同轴照明系统，通过分光棱镜BS结合在一起，即成为图1所示的本发明的三远心同轴照明成像光学系统。