[发明专利]一种基于平行成像的光学精细测量的方法

摘要

一种基于平行成像的光学精细测量的方法，1）采用物方远心和像方远心结合的光学结构来设计整个镜头的光学系统，物方远心的像面和像方远心的物面重合在整个系统的光阑处，控制光阑的通光孔径满足整个光学系统的远心度要求；2）大景深近乎零畸变：3）景深范围内放大倍率一致：4）采用正面平行背光照明：使镜头最后的成像质量得到最大限度的优化，保证了测试数据的精准。

主权项

一种基于平行成像的光学精细测量的方法，其特征在于利用光学镜头物方和像方双侧远心光路的成像原理，通过高锐度（利用棋盘格标定板测试，物方锐度小于相机的一个像元大小除以镜头的光学倍率，过度锐度范围计算小于0.02mm）的轮廓边缘特征提取，从而实现精细的测量结果；要想实现这个目标，整个光学镜头部分的光学设计需要重点解决以下及个方面的问题：1）采用物方远心和像方远心结合的光学结构来设计整个镜头的光学系统，物方远心的像面和像方远心的物面重合在整个系统的光阑处，控制光阑的通光孔径满足整个光学系统的远心度要求；设计下来 系统物方远心度在0.03%‑0.08%之间，像方远心度在0.06%‑0.1%之间，通过1mm的分划板标定样品镜头实测是在这个范围内；这样的远心度整体小于0.1%就可以保证整个系统的光学倍率偏差在0.1%范围内；在设计的过程中要控制光学系统物面每一个发光点光轴几何中心和镜头主光轴的夹角，我们通过计算夹角的正切值来判断远心度对整个光学系统倍率变化的影响，确保远心度偏差范围内物距在景深范围内移动变化后的视场偏差在单位物方分辨率的范围内；2）大景深近乎零畸变：物方远心结构可以保证镜头在固定物距的情况下有较大的景深，镜头只有物方平行于主光轴的光线经过光学系统的折射后汇聚通过光阑，在光学结构上保证物距在160mm范围内的纵深都能成像且畸变小于0.08%；一般的成像镜头光学畸变都在6%及其以上，如果用在测量会造成大范围的误差；我们在光学设计上重点优化了畸变的物理量，使得最大的畸变偏差小于0.08%，畸变是因为在同样的物距条件下不同视场区域产生了不同的光学倍率，我们一般会将系统分为5段视场区域去控制畸变的变化量，0、0.2、0.5、0.7、1，在这五个视场区域内分别计算，利用光学设计里优化这五个视场的畸变权重，分配和合理的像差系数，保证全视场范围内畸变最大偏差在0.08%范围内；从而最终保证视场不同区域内倍率的变化范围在这个比例之内；3）景深范围内放大倍率一致：整系统的远心度控制在0.1%范围内，放大倍率0.046最大匹配2/3成像芯片，镜头的弥散圆直径0.02mm,按镜头物距530±10mm的物距加上镜头景深160mm来计算，整个镜头在景深范围内任意移动物距，镜头的视场的变化<0.1%,远远小于整个镜头弥散圆直径；这也就是说整个镜头在景深范围内随便移动，镜头视场和倍率的变化可以忽略；4）采用正面平行背光照明：在设计光学系统的时候，主要考虑应用于工业检测中，在平衡像差的过程中重点权衡了畸变和远心度的参数，配合平行光源使用，使检测目标轮廓锐利，使得镜头最后的成像质量得到最大限度的优化，保证了测试数据的精准。