物像远心成像光路在高精度视觉检测中的应用

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1、年第卷第期测试技术学报兑第期、」物像远心成像光路在高精度视觉检测中的应用王向军王风华周鑫玲天津大学精密仪器及光电子工程学院摘要本文讨论了,以及相关的一种可实用的物象组合远心成象光学系统和原理测量系统。通过在物象远心光路的重合焦点处进行适当的滤波,可以获得视角和。放人率在视场各点恒定的光学特性该方法适合于在一个测量视场的多测量面不重合问题,以及测量对象的相对位置实时变化等视觉测量问题。本文对该物像远心成象光学系统进行了详细的理论分析,并给出了实际测试结果。关键词光电检测应用视觉检测、概述利用光电或视觉测量方法对目标物体的形位参数进行高精度非

2、接触检测时,往往由于采用的光学成像系统带来的误差而使测量结果的精度无法提高和给数据处理带,来很大的难度因为通常的成像镜头不能准确地描述那些偏离透镜光轴或镜头焦距的物体。。随着精密机视角偏差和制造误差是镜头通常所固有的器视觉和相关检测技术的发展,对光学成象系统和测量镜头提出了更高的要求。采用物象组合远心成象光学系统,可以获得一个视角和放大率在视场各点恒定,从而有效地改善精密测量系统的光学成像质量。在精密机器视觉检测中,它可以省去复杂的实时自动调焦系统,减少软件处理工作的复杂性,能够很好地克服被测物体影像虚焦而产生的测量误差,特别适合于测量面

3、不重合或轴向动态的被测物体。该方法己在核电关键设备的检测中得到了实际应用。、物像远心成像系统的原理。,一般远心光路可分为物方远心光路和像方远心光路两种在物方远心光路中孔径光阑设在物镜,,,的像方焦平面上光阑也是出射光瞳如图所示入射光瞳位于物方无限远处。平行光轴的物方主光线经物镜射出后都通过光阑中心所在的像方焦点。如果物,体或正确地位于光电器件接收面与的共扼位置处则一。,’,光电器件上像的长度为如果物体沿光轴移动到处则像面」吃与光电器件接收面不重合,而在光电器件上得到的是,和,点的投影像,为一弥不不二,二口⋯、己多井,,散斑虽然物体上同一点

4、发出光束的主光线不随物体位置的移动而变化光电器件接,,收面上的弥散斑中心仍是和点但观察时很难准确找到和点因此。‘会给测量带来误差像方远心光路也是如此,,随着精密机器视觉和相关检测技术的发展特别是现代测量中被测物体是运动的,位置实时变化,上述通常的远心光路也会给测量带来不可接受的误差。我们采用了,一种物像远心成像光学系统可以很好地克服被测物体影像虚焦而产生的测量误差,提高测量精度矿如图所示‘⋯⋯⋯⋯二斗于尸多二卫卜井,‘‘‘一舀奋一誉一一一,为年喃‘‘‘沁扁斗户’注‘‘‘舀‘「了到七护州目,甲,一一、刃卜一朴一上林味到令「图一物像远心光路,

5、,该系统由物镜和组成的像方焦点与的物方焦点重合光学间隔,·。为因此平行光射入物镜后仍以平行光从射出光阑设在两个物镜的公共焦点处,并且入射光瞳与出射光瞳童合。物体或位于光电器件接受面,,的共扼位置时经光学系统成像光电器件接收面上的像长为不纂薰撇戴滁裁蕊。,,像的长度因此在光阑处加上光学滤波器使射淤出的先线只有平行与光光轴的光通过,在光电器件上接收到的就是准确的像长,不会因物体沿光轴移动带来误差。设被测物体的物方线视场为,像方线视场今若用接收,设其单元,,宽度为占,单元数为则即,邢,则系统放大率刀为刀,,物镜的数值孔径由物镜的分辨率可以确定兄

6、占‘并且由式瓦祖二和厉万云分别求出物方孔径角和像方孔径‘。‘,角的值式中和分别表示物方和像方介质的折射率夕为光电器件的分辨率。视场角。,山,,,‘。式中,任夕为光电器件接收面到共扼焦点的距离光阑的直径’’’几’’这种物像远心成像光学系统与一般远心光学系统相,比视角和放大率在视场各点,减少,。恒定了因物体沿光轴移动而带来的测量误差从而提高了成像精度⋯⋯,⋯⋯卜‘月丝月遗’‘、’‘一一一褪二‘”一’‘,气。一。即‘二、认石丁反‘咬扮幽“解尹性齐室感器图具有△调整误差的实际物像远心光路,。将物和像两个远心光路组合在一起一个等效的光学系统如图所示

7、在等效,,。系统的像方焦点处设置光阑同时也是出瞪设光阑直径为当物体放在与光电器件接收面共扼的平面时物距为,测得准确的像长。若物体沿光轴移动澎,则成像位置与光电器件接收面不重合,在光电器件上接收到的为弥散斑,。,,而弥散斑中心距离为像长由于主光线不变弥散斑中心也是不变的只是由于弥散斑会造成读数误差,应控制它的大小,以提高精度。设弥散斑半径为,通过等效光学系统计算可得二丝互一一一一一一一一一一侧试技术学推年第期二‘。一“【对一般物方远心光路来说‘。一‘一‘剑酬而对上述物像远心成像组合光路几·‘一一声朴’二厂以一△凡’二刀儿怂可以解得’。二‘一

8、厂一厂人剑酬【冲叫比较,,。两式可以看出越小越小也越小而当时,恰好是我们本文所讨论的理想物像远心光学系统,此时近似为。因此由物体沿光轴移动在像高产生的测量误差比一般远心光路要小得多。当将光阑设