一种双光路双远心光学系统的制作方法

本发明涉及一种光学系统，具体地说，是涉及一种高精度、高远心度的双光路双远心光学系统，特别适用于基于smt表面贴装技术的pcb板产品的机器视觉检测设备中，属于光学成像技术领域。

背景技术：

在大规模的工业生产中，基于机器视觉的在线检测可以极大地提高生产效率和工业自动化水平。成像镜头作为检测系统的重要组成部分，其设计要求也越来越高。随着smt封装技术的发展，使得pcb逐渐趋向于密集化与精细化，并提高了对smt封装电路板生产质量的要求，这就使及时发现检测smt封装电路板的缺陷尤为重要。传统的aoi检测系统仅限于对pcb板的表面二维检测，无法获得smt封装电路纵向、深度方向的参数和尺寸信息，而基于结构光三维成像技术可以解决这一问题。结构光三维成像技术是三维重构技术中一种重要的方法。它使用投影仪对被测表面投影结构光，然后用相机捕捉图案，通过图案的扭曲形变，计算出表面形状。故本发明采用双光路来分别满足结构光三维成像技术的投影系统和成像系统。

双远心光路是将孔径光阑放置在既是前镜组的像方焦平面，又是后镜组的物方焦平面的位置，使主光线一定通过孔径中心，则物方和像方的主光线一定平行于光轴。这使其拥有了成像的高度也就是放大倍率不会产生变化的特性，有利于针对尺寸大小的检测。双远心镜头集合了物方远心和像方远心的优点，消除了物方畸变和像方畸变，可有效提高检测精度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种双光路双远心光学系统，具有高精度、高远心度的优点。

一种双光路双远心光学系统，其特征在于：包括投影系统和成像系统，所述成像系统从物面到像面依次设置有共光路物镜组、分光棱镜、光阑一和成像物镜组，所述投影系统从照明系统到物面包括有照明系统、投影物镜组、光阑二、分光棱镜和共光路物镜组，所述成像系统和所述投影系统共用所述共光路物镜组和分光棱镜，所述投影系统将所述照明系统产生的调制条纹光投影到物面上，所述成像系统将物面反射的条纹光信息成像在像面上。

作为优选方案，所述共光路物镜组包括具有正光焦度第一透镜、具有正光焦度第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为双胶合透镜。

作为进一步优选方案，所述第一透镜光焦度为0.00874～0.00966，所述第二透镜光焦度为0.002565～0.002835，所述第三透镜光焦度为-0.0147～-0.0133，所述第四透镜光焦度为-0.00483～-0.00437，所述第五透镜光焦度为0.00589～0.00651。

作为优选方案，所述投影物镜组包括具有正光焦度第六透镜、具有负光焦度第七透镜、具有正光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、平行平板第十镜片和平行平板第十一镜片，所述第八透镜为双胶合透镜。

作为进一步优选方案，所述第六透镜光焦度为0.03135～0.03465，所述第七透镜光焦度为-0.085155～-0.077045，所述第八透镜光焦度为0.017765～0.019635，所述第九透镜光焦度为0.03116～0.03444。

作为优选方案，所述成像物镜组包括具有负光焦度的第十二透镜、具有正光焦度的第十三透镜、具有负光焦度的第十四透镜、具有正光焦度的第十五透镜和具有正光焦度的第十六透镜，所述第十四透镜和所述第十五透镜为双胶合透镜。

作为进一步优选方案，所述第十二透镜光焦度为--0.00231～-0.00209，所述第十三透镜光焦度为0.007505～0.008295，所述第十四透镜光焦度为-0.00042～-0.00038，所述第十五透镜光焦度为0.005225～0.005775，所述第十六透镜光焦度为0.00456～0.00504。

作为优选方案，所述共光路物镜组的物方远心度为0.00516，所述投影物镜组的像方远心度为0.7，所述成像物镜组的像方远心度约为0.00482。

作为优选方案，所述双光路双远心光学系统的物方工作距离为160mm-180mm，像方工作距离为20mm，工作波段为450mm-650nm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述双光路双远心光学系统集成度高、精度高、分辨率高、远心度高、畸变小，可有效提高成像质量，测得待测物体表面信息精准，为精密检测领域提供了技术保障，可应用于光学镜头的高精度检测领域；另外，本发明中透镜所用的材料重复率较高，利于加工和节省成本，具有突出的实质性特点和显著的进步性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种双光路双远心光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的共光路物镜组结构示意图；

图3为本发明实施例提供的投影物镜组结构示意图；

图4为本发明实施例提供的成像物镜组结构示意图；

图5为本发明实施例提供的成像系统的点列图；

图6为本发明实施例提供的投影物镜组的点列图；

图7为本发明实施例提供的成像系统的场曲和畸变图；

图8为本发明实施例提供的投影物镜组的场曲和畸变图；

图9为本发明实施例提供的成像系统在80lp/mm的调制传递函数图；

图10为本发明实施例提供的投影物镜组在40lp/mm的调制传递函数图。

图中标号示意如下：1、共光路物镜组；11、第一透镜；12、第二透镜；13、第三透镜；14、第四透镜；15、第五透镜；2、分光棱镜；3、光阑一；4、成像物镜组；41、第十二透镜；42、第十三透镜；43、第十四透镜；44、第十五透镜；45、第十六透镜；5、照明系统；6、投影物镜组；61、第六透镜；62、第七透镜；63、第八透镜；64、第九透镜；65、第十镜片；66、第十一镜片；7、光阑二；8、电路板样品。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例1

结合图1至图10所示，本实施例提供的一种双光路双远心光学系统，所述双光路双远心光学系统包括投影系统和成像系统，所述成像系统从物面到像面依次设置有共光路物镜组1、分光棱镜2、光阑一3和成像物镜组4，所述投影系统从照明系统到物面包括有照明系统5、投影物镜组6、光阑二7、分光棱镜2和共光路物镜组1，所述成像系统和所述投影系统共用所述共光路物镜组1和所述分光棱镜2，所述投影系统将所述照明系统5产生的调制条纹光投影到物面上，所述成像系统将物面反射的条纹光信息成像在像面上；本实施例中，使用时，所述双光路双远心光学系统位于电路板样品7的正上方，所述照明系统5产生的调制条纹光通过所述投影系统中投影到电路板样品2上，调制条纹光经待测样品反射后，进入所述成像系统后，将携带物体表面信息的条纹光成像于图像传感器上。

在本实施例中，如图2所示，所述共光路物镜组1包括具有正光焦度第一透镜11、具有正光焦度第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有负光焦度的第四透镜14和具有正光焦度的第五透镜15，所述第二透镜12和所述第三透镜13为双胶合透镜；所述第一透镜11光焦度为0.00874～0.00966，所述第二透镜12光焦度为0.002565～0.002835，所述第三透镜13光焦度为-0.0147～-0.0133，所述第四透镜14光焦度为-0.00483～-0.00437，所述第五透镜15光焦度为0.00589～0.00651。

在本实施例中，如图3所示，所述投影物镜组6包括具有正光焦度第六透镜61、具有负光焦度第七透镜62、具有正光焦度的第八透镜63、具有正光焦度的第九透镜64、平行平板第十镜片65和平行平板第十一镜片66，所述第八透镜63为双胶合透镜；所述第六透镜61光焦度为0.03135～0.03465，所述第七透镜62光焦度为-0.085155～-0.077045，所述第八透镜63光焦度为0.017765～0.019635，所述第九透镜64光焦度为0.03116～0.03444。

在本实施例中，如图3所示，所述成像物镜组4包括具有负光焦度的第十二透镜41、具有正光焦度的第十三透镜42、具有负光焦度的第十四透镜43、具有正光焦度的第十五透镜44和具有正光焦度的第十六透镜45，所述第十四透镜43和所述第十五透镜44为双胶合透镜；所述第十二透镜41光焦度为-0.00231～-0.00209，所述第十三透镜42光焦度为0.007505～0.008295，所述第十四透镜43光焦度为-0.00042～-0.00038，所述第十五透镜44光焦度为0.005225～0.005775，所述第十六透镜45光焦度为0.00456～0.00504。

在本实施例中，所述共光路物镜组1的物方远心度为0.00516，所述投影物镜组6的像方远心度为0.7，所述成像物镜组4的像方远心度约为0.00482。

在本实施例中，所述双光路双远心光学系统的物方工作距离为160mm-180mm，像方工作距离为20mm，工作波段为450mm-650nm。

如图5和图6所示，依次为所述成像系统和所述投影物镜组的光学弥散斑图，其中obj表示物方视场，ima表示像方视场，单位均为毫米，airyradius表示艾里斑半径，rmsradius表示弥散斑均方根半径，单位均为微米。从图5可以得到，所述成像系统的艾里斑半径6.641m，弥散斑均方根半径中心视场4.058um，边缘视场5.947um。从图6可以得到所述投影物镜组6的艾里斑半径5.786um，弥散斑均方根半径中心视场2.881um，边缘视场5.549um，都小于艾里斑半径，轴上和轴外点能量集中度和像差矫正均较好。

如图7和图8所示，依次为成像系统和投影物镜组6的场曲和畸变图。畸变图的纵坐标为视场，横坐标为畸变值。所述成像系统全视场内畸变值小于0.05％，所述光路二全视场内畸变小于0.5％，可以看出成像系统和投影物镜组6畸变低。

如图9和图10所示，依次为成像系统和投影物镜组6的调制传递函数mtf，横坐标为分辨率，单位为线对/毫米，纵坐标为对比度，值域为0-1。其中，图9几乎各视场mtf平均值在分辨率80线对/毫米处的对比度大于0.3，整个mtf曲线较紧凑；图10各视场mtf平均值在分辨率40线对/毫米处的对比度大于0.6，整个mtf曲线紧凑，可以看出成像系统和投影物镜组6具有高分辨率。

实施例2

本实施例提供的一种双光路双远心光学系统，与实施例1的不同之处仅在于：所述第一透镜11光焦度为0.0092，所述第二透镜12光焦度为0.0027，所述第三透镜13光焦度为-0.0140，所述第四透镜14光焦度为-0.0046，所述第五透镜15光焦度为0.0062；所述第六透镜61光焦度为0.0330，所述第七透镜62光焦度为-0.0811，所述第八透镜63光焦度为0.0187，所述第九透镜64光焦度为0.0328；所述第十二透镜41光焦度为-0.0022，所述第十三透镜42光焦度为0.0079，所述第十四透镜43光焦度为-0.0004，所述第十五透镜44光焦度为0.0055，所述第十六透镜46光焦度为0.0048。

综上所述可见：本发明所述双光路双远心光学系统集成度高、精度高、分辨率高、远心度高、畸变小，可有效提高成像质量，测得待测物体表面信息精准，为精密检测领域提供了技术保障，可应用于光学镜头的高精度检测领域；另外，本发明中透镜所用的材料重复率较高，利于加工和节省成本。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。