用于多物面成像的多轴多焦镜头的制作方法

本发明涉及多轴多焦镜头，特别是一种用于多物面成像的多轴多焦镜头，本发明通过镜头各部件的组合，可实现在一个像面上对不在同一平面内的样品表面同时成像。

背景技术：

现有生产加工中在检测产品外观不良时，有的采用人眼检测，人眼检测由于人工主观判断、视觉疲劳等因素，导致人为误判。而随着机器视觉技术的发展，以前无法采用机器视觉的工件也逐渐实现了机器视觉自动检测。当前，已有根据由照相机拍摄而得到的拍摄图像对样品表面进行疵病检测的技术(参照专利文献1：申请号：cn03102169.7，物体表面的检查方法和检查系统。)，类似方法很多。但是通常一次只能实现一个目标面的检测，为了检测多个不在同一个平面内的目标面，通常需要配备与待测目标面数量一致的相机和镜头。

现有生产加工中在工件尺寸测量时，传统方法采用直接计量的方法，该方法的优点是直接，不需要额外的标定，缺点是速度慢。而基于图像分析的尺寸测量方法，随着机器视觉技术的发展也得到了广泛应用。当前，已知有根据由照相机拍摄而得到的拍摄图像对对样品表面进行测量的技术(参照专利文献2：申请号：cn02107961.7，光学式计量装置)。如前所述，类似的方法通常只针对一个目标面进行测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于多物面成像的多轴多焦镜头，通过镜头各部件的组合，可实现在一个像面上对不在同一平面内的样品表面同时成像。该镜头与传统的基于多相机视觉系统相比，具有结构更加紧凑，可减少相机和镜头数量，降低镜头经济开销和数据处理资源开销的优点。

为实现上述目标，本发明的技术解决方案如下：

一种用于多物面成像的多轴多焦镜头，其特点在于包括物面、光轴转向结构、成像光学系统、补偿平板和像面,所述的物面发出的光依次经由所述光轴转向结构、成像光学系统和补偿平板组成的光学系统，到达像面。

所述的物面至少包括两个子物面，且至少有两个子物面不在同一个平面内,每个子物面均是所述像面经过该光学系统的光学共轭面。

所述的光轴转向结构可以但不限于由反射镜，棱镜组成，该光轴转向结构引入的光束偏折需保证物面的所有子物面的成像光束经过光轴转向结构后进入所述的成像光学系统。

所述的成像光学系统将有限远的物面成像在有限远的像面上，且物方工作距离需要大于排布所述光轴转向结构所需的最小距离，所述的像面至所述成像光学系统像方端面的距离需要大于排布所述的补偿板所需的最小距离，该成像光学系统的光瞳，保证用于各物面成像的光线均通过各自对应的所述的光轴转折结构和所述的补偿平板，互不干扰。

所述的补偿平板的厚度d由补偿平板的折射率n和需要补偿的像距差值δ决定，且满足关系d＝n/(n-1)δ。

所述的像面分为若干子区域，每个子区域对应所述的物面的一个子物面，各子区域互不重合。

实验表明，本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头，通过镜头各部件的组合，可实现在一个像面上对不在同一平面内的样品表面同时成像。本发明与传统的基于多相机机器视觉系统相比，具有结构更加紧凑，可减少相机和镜头数量，降低镜头经济开销和数据处理资源开销的优点。

附图说明

图1是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头结构示意图

图2是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例1结构示意图

图3是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例2结构示意图

图4是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例3结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

图2是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例1的结构示意图。待观测样品(10)有n个台阶面，第一台阶面101、第二台阶面102、……、第n台阶面10n，本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头可实现对n个台阶面同时成像。以此为例进行工作原理说明。

本实施例中，涉及的光学成像系统是双远心结构，物方透镜301的焦距f1，像方透镜302的焦距f2，两透镜间距为f1+f2。第一台阶面101距离物方透镜301距离为u1，经过光学成像系统30后成像于像面50的子区域501，像距为v1。根据理想透镜物象关系，v1与u1有如下关系：

如果光路中不增加任何补偿光学元件，那么第n台阶面10n距离物方透镜301的距离为un，经过光学成像系统30后成像于第n子像面60n，像距为vn。根据理想透镜物象关系，vn与n有如下关系：

为保证像距v1和vn均大于零，需要满足物距

像面50与第n子像面60n之间的距离为

由上式可见，当第一物面101与第n物面10n不重合时，即当(un-u1)不为零时，他们经过光学成像系统30后对应的像面不重合，当该距离大于光学成像系统的焦深时，无法利用同一个相机同时对第一物面和第n物面成像。

在第n物面的成像光路中加入一块补偿平板40n，厚度为dn，折射率为n，进入该平板光学系统的汇聚光束将会被折射后射出，出射汇聚点将比如何汇聚点后移距离δn＝dn(n-1)/n。当插入的补偿平板40n引起的像面移动量δn与第一物面和第n物面分别对应的像面之间的间距δn相等时，即：

可保证第一物面和第n物面均能在像面50上成清晰的像。即该镜头具有多焦功能，也可认为该镜头实现了多个工作距离同时工作的功能。

在像面上放置相机，就可以同时记录多台阶样品多个台阶表面的形态，包括尺寸，疵病等。

实施例2

图3是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例2的结构示意图。待观测样品10有n个各成一定角度的表面，第一表面101、第二表面102、……、和第n表面10n，本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头可实现对n个表面同时成像。以此为例说明工作原理。

本实施例中，所述的光学成像系统是双远心结构，物方透镜301的焦距f1，像方透镜302的焦距f2，两透镜间距为f1+f2。第一表面101距离物方透镜距离为u1，经过光学成像系统后成像于像面50的子区域501，像距为v1。根据理想透镜物象关系，v1与u1有如下关系：

为保证像距v1大于零，需要满足物距

第n表面10n传播一定距离un1后经第n反射镜20n反射，光束传播方向旋转一定角度，与第一表面101的成像光束的传播方向一致；再传输距离un2后到达物方透镜301。第n表面成像的物距为un＝un1+un2。

根据高斯透镜方程，如果光路中不增加任何补偿光学元件，且需要对第n表面10n清晰成像的话，需要保证第n表面10n距离物方透镜301距离为un＝u1，才能保证经过光学成像系统30后成像于像距为vn＝v1，即成像于像面50。

这样，通过一个像面获得了物距相同但是姿态不同的n个物面，第一物面、第二物面……和第n物面的清晰像。即该镜头具有多轴功能，也可认为该镜头实现了一个工作距离条件下，对具有互相有一定夹角的表面同时成像的功能，实现对多个空间方位的表面同时成像。

在像面上放置相机，就可以同时记录多个空间方位的表面的形态，包括尺寸，疵病等。

实施例3

图4是本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例3的结构示意图。基本原理已经在实施例1和实施例2中进行说明，实施例1是多焦镜头的实现，实施例2是多轴镜头的实现，本实施例3是多轴多焦的实现。

待观测样品10有多个各成一定角度的表面，且各表面距离镜头的物距各不相同，本发明用于多物面成像的多轴多焦镜头实施例3可实现对多个不同方向、物距不同的表面同时成像。以此为例说明工作原理如下：

本实施例中，光学成像系统是物方远心结构，根据实施例2所述原理，不同表面设置不同的光束转向系统20，使各表面成像光束到达成像系统时中心光束与光学系统30光轴同向。由于各表面到达光学系统30光程不同，即物距不同，根据实施例1所述原理，在成像光束的像方设置补偿板40进行光程补偿，使得所有目标面成像在同一个像面50上。

在像面上放置相机，就可以同时记录多个空间方位、且不同物距的表面的形态，包括尺寸，疵病等。

实验表明，本发明通过镜头各部件的组合，可实现在一个像面上对不在同一平面内的样品表面同时成像。本发明与传统的基于多相机机器视觉系统相比，具有结构更加紧凑，可减少相机和镜头数量，降低镜头经济开销和数据处理资源开销的优点。