[发明专利]远心透镜

说明书

本发明涉及一种用于在人工视觉装置中使用的远心透镜，特别是用于进行物体的尺寸测量(维度测量、空间测量，dimensional measurements)。

远心透镜是在人工视觉的领域中广泛使用的光学系统，以其收集来自被照亮物体的光线锥的特性而用于非接触地测量物体，被照亮物体的轴线、或主径与光学系统本身的轴线平行。这样，实际上，由透镜产生的图像的大小与所观察的物体的放置的距离无关，并且这允许更准确地图像的测量，因为没有其他类型的光学器件的透视效果影响。

如已知的，通过透镜来实现此特性(称为远心度)，在该透镜中，将透镜的孔径光瞳光学地放在相对于所观察的物体无穷远处。通过确保放在透镜的光阑(stop)(即，透镜孔径)和所观察的物体之间的光学元件作为整体产生正焦距的光学组件而使得此特征是可能的，该光学组件的焦点位置与光阑位置重合。

图1示出了光学器件中使用的惯用的具有主光学轴线k的远心透镜100的示意图，远心透镜通过前光学组件20和第二后光学组件40生成尺寸y1的物体10的图像50，该前光学组件具有正焦距f1和直径d1并且定位为使得其焦点与光阑30的位置重合，该第二后光学组件放置在光阑30与图像50之间。

实际上，两个光学组件(前光学组件20和后光学组件40)中的每个均由若干光学元件组成(图1a)，并且从而提供有一定的厚度且具有两个主平面，该主平面限定用于计算相同的两个组件与系统的其他元件之间的光程的参考平面。

在图1的示意图中，前光学组件20和后光学组件40用双箭头指示，该双箭头提供这样的理想化表示，其中，两个光学组件中的每个没有厚度并且每个组件的两个主平面的位置彼此重合且与同一双箭头的位置重合。因此，在此表示中，距离f1与气隙AS(位于最接近光阑30的前光学组件10的元件和光阑30本身之间的)重合，并且与前沿尺寸L1(即，前光学组件20的最外侧元件(即，最接近物体10的所述组件的元件)与光阑位置30之间的距离)重合。

根据此方案的一个具体实施例，可能获得双远心透镜，即，该透镜或其中的透镜中，在图像平面50上入射的光线锥具有与主光学轴线k平行的轴线或主半径。

仅如果至少一个形成前光学组件20的一部分的光学元件具有大于所观察的物体10的最大尺寸y1的直径d1，那么远心透镜的实现是可能的。此条件是必须的，使得前光学组件20能够收集来自物体10的光线。在常见做法中，d1可被认为是一个或多个作为前光学组件10的一部分的透镜的最大直径。

当物体10的尺寸y1增加时，不仅尺寸d1增加，而且焦距f1也增加。由于焦距f1的增加牵涉前沿尺寸L1的增加，所以结果是，当所观察的物体的大小增加时，透镜将不仅变得具有更大直径，而且具有越来越大的长度。

远心透镜的长度和总尺寸的减小是人工视觉系统的制造商的持续要求。当待观察物体10具有相当大的尺寸y1时，特别感受到该问题，因为，如上所述，y1的增加使得前光学组件20的焦距f1的随之增加、前沿尺寸L1的随之增加以及由此光学器件的总长度L1+L2的随之增加，其中，L2是光阑30或透镜孔径与图像平面50之间的距离。

对此必须增加一个事实：远心透镜的末端部分(靠近后光学组件40和形成图像50的平面)通常连接到照相机60，这有助于由此进一步增加组件的总长度。

一种限制此总长度的方式是限制焦距f1的尺寸及由此限制前沿尺寸L1的尺寸，如例如在图1b中示出的。然而，值f1和d1(其分别是前光学组件20的焦距和直径)之间的比值f1/d1越低，会使远心透镜的实现越复杂。因为尺寸d1由物体10的尺寸y1决定，由此得出，值f1越小，相同尺寸y1的远心透镜越复杂。实际上，比值f1/d1的减小涉及在光学系统中使用越来越多的光学部件，使得成本增加。

除了由数量增加的光学部件使得成本的增加以外，作为获得远心透镜的总尺寸的减小的方式，焦距f1的减小涉及远心透镜本身的性能的降低，因为远心透镜的前光学组件20的各个光学部件必须不可避免地具有更大的功率和更大的曲率，其特征是，尽管不是不可能，但使得维持适当的光学性能是复杂的。

本发明的目的是相当大地减小远心透镜的总尺寸，特别是由总长度L1+L2代表的光学器件的最大尺寸，不增加前光学组件的光学元件的数量且不使透镜的光学性能劣化。

如将根据权利要求1在下面示出的，通过在远心透镜本身的光路中(特别是在前光学组件和透镜孔径之间)引入反射或半反射光学元件，使得至少一部分来自前光学组件的光线在到达后光学组件之前经历至少一次双反射，以实现此目的。