CN109555998B - 一种平面同轴光源 - Google Patents

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Abstract

一种平面同轴光源，包括由N个平行设置的分光面组成的分光组以及位于分光组一侧的平行光组件，所述平行光组件用于向所述分光组发射平行光；所述平行光在分光面上的入射角为45度，分光面在垂直于平行光入射方向上的高度与相邻两个反光面在平行光入射方向上的距离相等，所述分光面在垂直于平行光入射方向上的高度与平行光的光束高度H相等，平行光的光束高度H与待测物在平行光入射方向上的长度L满足N*H≥L的关系，N≥2；将所述N个分光面沿平行光入射方向顺序编号为N‑1，第n个分光面的反射比Rn和透射比Tn满足如下条件：Rn＝R(n‑1)*T(n‑1),Tn＝1‑Rn,R1＝0.5,T1＝0.5。本发明可有效降低平面同轴光源的高度，减小光源整体的体积，有助于提升测量精度。

Description

一种平面同轴光源
技术领域
本发明涉及视觉检测和影像测量技术领域，尤其是视觉检测和影像测量仪用的一种平面同轴光源。
背景技术
在视觉检测和影像测量技术领域里，同轴光照明是一种重要的照明方式，采用同轴光照明可以提供非常均匀并与图像采集装置的光轴同轴的照明光。现有同轴照明光源的典型光路如图1所示，经准直后的平行光束以45°角入射至半透半反镜，一部分光折转90°后垂直照射至待测物体，由待测物体反射的携带有物体表面信息的光再次到达半透半反镜，其中的一部分透射进入上方的镜头或探测器中，完成对物体表面的测量。
该光路的主要缺点是：平行光束的高度H与待测物的尺寸L之间必须满足H ≥L，这导致两个主要问题：1.当待测物尺寸L较大时，会导致平行光束的高度 H过高，使同轴光源高度和探测***整体体积过大；2.当同轴光源体积庞大时，会拉高镜头与待测物体距离，在探测镜头焦距有限的情况下，会导致物体无法在探测面上清晰成像，从而影响测量精度。
发明内容
本发明提供一种平面同轴光源，有效降低平面同轴光源的高度，减小光源整体的体积，有助于提升测量精度。
本发明提供一种平面同轴光源，包括由N个平行设置的分光面组成的分光组以及位于分光组一侧的平行光组件，所述平行光组件用于向所述分光组发射平行光；所述平行光在分光面上的入射角为45度，分光面在垂直于平行光入射方向上的高度与相邻两个反光面在平行光入射方向上的距离相等，所述分光面在垂直于平行光入射方向上的高度与平行光的光束高度H相等，平行光的光束高度H与待测物在平行光入射方向上的长度L满足N*H≥L的关系，N≥2；将所述N个分光面沿平行光入射方向顺序编号为N-1，第n个分光面的反射比R(n)和透射比T(n)满足如下条件：Rn＝R(n-1)*T(n-1),Tn＝1-Rn,R1＝0.5,T1＝0.5。
优选的，所述平行光组件包括光源和准直机构，光源发出的光经过所述准直机构准直后射向所述分光组。
优选的，所述准直机构包括与平行光入射方向平行设置的底板以及位于底板上方的反射面，所述反射面呈离轴抛物面形，所述光源固定在所述底板上并位于反射面的焦点上。
优选的，所述准直机构包括与平行光入射方向平行设置的底板以及罩设在底板上的反射面，所述反射面具有位于底板上方的第一离轴抛物面和位于底板下方的第二离轴抛物面，所述底板的上表面固定有第一光源且第一光源位于第一离轴抛物面的焦点上，所述底板的下表面固定有第二光源且第二光源位于第二离轴抛物面的焦点上。
优选的，还包括由N-1个顺次排列的平行四边形棱镜以及分别位于位于N-1 个顺次排列的平行四边形棱镜两端的直角梯形棱镜形成的棱镜组，所述直角梯形棱镜的斜面与相邻的平行四边形棱镜的斜面之间以及相邻两个平行四边形棱镜的斜面之间均胶合，以形成所述分光面；其中一个直角梯形棱镜的外侧固定有外壳，所述平行光组件设置在外壳内，且平行光组件发射的平行光从固定有外壳的直角梯形棱镜的平面射入棱镜组。
优选的，所述平行四边形棱镜和直角梯形棱镜的材质相同。
优选的，所述棱镜组的外表面镀有增透膜。
优选的，所述外壳固定在棱镜组的外侧并围绕所述棱镜组设置。
优选的，所述外壳上还设有散热结构。
优选的，所述散热结构为设置在外壳表面的多个散热板。
本发明中，平行光的一部分经过分光面分光反射到待测物体表面，另一部分则穿过分光面向下一分光面照射，由于分光面的反射比和透射比按照预定规律变化，使得从分光面上反射的光线保持均匀，以提供均匀的同轴光。由于平行光的光束高度H与待测物在平行光入射方向上的长度L满足N*H≥L的条件，无需将透镜***和光束高度设置为与待测物的尺寸相等，可以大大减小平面同轴光源的高度，减小了整体结构的体积。由于平面同轴光源的高度减小，在测量过程中，镜头与待测物体之间的距离可以缩短，扩大了镜头焦距的调节范围，可以辅助提升检测精度。
同时，最终的光源***效率为N*RN*TN,当N大于1时，相比于传统25％的光源效率，本申请的***效率就高于现有同轴光源效率，起到了提高光源***效率的作用。
附图说明
图1为现有技术一种平面同轴光源的光路示意图；
图2为本发明一种实施例的平面同轴光源的结构示意图；
图3为本发明另一种实施例的平面同轴光源的结构示意图；
图4为本发明一种实施例的平行四边形棱镜的结构示意图；
图5为本发明一种实施例的直角梯形棱镜的结构示意图；
图6为本发明一种实施例的平面同轴光源的结构示意图；
图7为本发明一种实施例的准直机构的局部放大示意图；
图8为本发明一种实施例的准直机构的结构示意图；
图9为本发明一种实施例的准直机构的局部放大示意图。
具体实施方式
本申请所称的“相等”或“相同”是指在考虑到合理误差的情况下的相等或相同，而非绝对意义上的相等或相同。本申请所确定的反射比和透射比均是在考虑到光线在介质中存在一定损耗以及存在合理误差情况下所作出的。下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种平面同轴光源，如图2所示，包括由N个平行设置的分光面10组成的分光组以及位于分光组一侧的平行光组件20，这里的N≥2，且自然应该为整数。所述平行光组件20用于向所述分光组发射平行光。由于图 2是截面图，只显示了截面形状，平行光并非单一的线光源，其在垂直纸面的方向延伸，呈面状光束，且光束的截面可以呈矩形。同理，分光面10也在垂直纸面的方向延伸，其可以呈矩形。分光面10具有分光效果，可以反射一部分光线也可以透射一部分光线。
所述平行光在分光面10上的入射角为45度，经反射的发射光与平行光垂直，以同轴照射至待测物体的表面。分光面10在垂直于平行光入射方向上的高度与相邻两个反光面10在平行光入射方向上的距离相等，由于入射角为45度，也可以理解为分光面10在图中的长度为与其相邻的另一个分光面之间间距的两倍。同时，所述分光面10在垂直于平行光入射方向上的高度与平行光的光束高度H相等，这样，相邻两个分光面10的竖向投影不存在间隙，反射光不会在两个分光面之间断开，从而形成连续的面反射光。
其中，平行光的光束高度H与待测物在平行光入射方向上的长度L满足N*H ≥L的关系，保证反射光覆盖待测物体长度方向的范围。由于待测物体的表面是面状结构，应该将分光面10在垂直纸面方向的长度以及平行光在垂直纸面方向的长度设置为与待测物的宽度相等或者大于待测物的宽度，从而保证照明刚可覆盖待检测物的上表面，以供镜头或者探测器进行检测。由于平行光依次穿过每个分光面10，一部分光经过分光面10反射后，穿过的光线受到衰减，应该使分光面10的反射比和透射比按照预定规律变化，使每个分光面10反射的光线的照度保持统一，以实现均匀照明。
本实施例中，将所述N个分光面沿平行光入射方向顺序编号为N-1如图2 中所示，位于最左侧的分光面10编号为1，最右侧的分光面编号为N。第n个分光面的反射比R(n)和透射比T(n)满足如下条件：Rn＝R(n-1)*T(n-1),Tn＝1-Rn, R1＝0.5,T1＝0.5。这样，每个分光面10反射后的光线的光照幅度保持统一，从而提供均匀的同轴照明光。
其中，所述平行光组件20可以包括光源和准直机构，准直机构可以采用现有技术的准直***，光源发出的光经过所述准直机构准直后，将转变为束状的平行光，从而平行射向所述分光组。
分光面10可以是厚度很薄的分光透镜，分光透镜满足上述的位置和尺寸要求，其反射比和透射比也满足上述要求。分光透镜可以呈长条形，两端可以通过固定板固定。当然，分光面10也可以是棱镜的反射面，由多块棱镜拼接而成。
本发明实施例还提供一种平面同轴光源，在上述实施例的基础上，本实施例对分光面10的具体构成进行说明，如图3所示，平面同轴光源还包括由N-1 个顺次排列的平行四边形棱镜11以及分别位于位于N-1个顺次排列的平行四边形棱镜11两端的直角梯形棱镜12形成的棱镜组。如图4所示，为平行四边形棱镜11的截面形状，平行四边形棱镜11呈长条形，具有两个斜面和两个平面，两个斜面与上下两个平面的夹角分别为45度和135度，两个平面之间的间距H2 与平面的宽度L2相等。如图5所示，为直角梯形棱镜12的截面形状，直角梯形棱镜12也呈长条形，具有三个平面和一个斜面，内部的角度为一个45度角、一个135度角和两个直角，斜面与上下两个平面分别呈135度角和45度角，图中H1与L1相等。所有平行四边形棱镜11按照同一朝向排列，所有平行四边形棱镜11的上平面均处于同一平面，平行四边形棱镜11的斜面彼此胶合，形成一部分分光面10，所述直角梯形棱镜12的斜面与相邻的平行四边形棱镜11的斜面也胶合在一起，也形成分光面10。直角梯形棱镜12和平行四边形棱镜11 沿垂直纸面方向的长度可以相等，使棱镜组形成一个长方体形。在其中一个直角梯形棱镜12的外侧固定有外壳21，所述平行光组件20设置在外壳21内，且如图中所示，平行光组件20发射的平行光从该直角梯形棱镜12的平面射入棱镜组。本实施例将平面同轴光源做成一个完整独立的装置，可以直接安装在视觉检测和影像测量设备中，便于直接使用。
为了保证光线可以在棱镜组中相对均匀的传输，所述平行四边形棱镜11和直角梯形棱镜12的材质可以相同，从而在平行四边形棱镜11和直角梯形棱镜 12的非分光面位置具有相同的反射比和透射比。
各分光面10所具有的不同的反射比和透射比，可通过在分光面10镀上相应的反射膜和透射膜来实现，反射膜的反射比和透射膜的透射比均依据各分光面10所需要的反射比和透射比配置。且在所述棱镜组的外表面镀有增透膜，增强光线的透射率，减少光线的辐射损耗。
如图6所示，外壳21设有凹槽22，棱镜组***到凹槽22内并固定在凹槽 22内。外壳21可以仅固定在一侧的直角梯形棱镜12外侧，也可以固定在棱镜组的外侧并围绕所述棱镜组设置，形成一个方形环状结构，在该环状结构的内壁上设有环形的凹槽22，棱镜组的******到凹槽22内，从而与外壳21固定相连。
在所述外壳21上还设有散热结构23，由于平行光组件20发光会产生较多热量，散热结构23用于辅助散热，其具体可以是散热板等结构，为了便于散热，外壳21可以由导热材料制成，以辅助将热量传导至外壳21之外。
在上述实施例的基础上，本文将提供两种实施例来对准直机构进行说明：
在一种实施方式中，如图6和图7所示，外壳21设有凹槽22，凹槽22朝向棱镜组开口。所述准直机构包括与平行光入射方向平行设置的底板24以及罩设在底板上的反射面25，底板24固定在凹槽22的内壁上，反射面25由凹槽 22的内壁构成。所述反射面25具有位于底板24上方的第一离轴抛物面251和位于底板24下方的第二离轴抛物面252，在所述底板24的上表面固定有第一光源201且第一光源201位于第一离轴抛物面251的焦点上，所述底板24的下表面固定有第二光源202且第二光源202位于第二离轴抛物面252的焦点上。第一光源201和第二光源202发出的光分别经过两个离轴抛物面反射后，呈平行光向外射出。第一光源201和第二光源202均可以是灯带，沿垂直于纸面的方向延伸，其光线向离轴抛物面散射。可将底板24的厚度设置较小尺寸，以减少底板24对光线的影响。
在一种实施方式中，如图8和图9所示，外壳21设有凹槽22，凹槽22朝向棱镜组开口。所述准直机构包括与平行光入射方向平行设置的底板24以及位于底板上方的反射面25，所述反射面呈离轴抛物面形，且反射面25由凹槽22 的内壁构成。底板24的上表面与棱镜组的下表面齐平，所述光源200固定在所述底板24上并位于反射面25的焦点上。光源200发出的光经过离轴抛物面反射后，呈平行光向外射出。光源200可以是灯带，沿垂直于纸面的方向延伸，其光线向离轴抛物面散射。为了便于散热，底板24的外表面设有多个平行设置的散热板。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种平面同轴光源，其特征在于：
包括由N个平行设置的分光面组成的分光组以及位于分光组一侧的平行光组件，所述平行光组件用于向所述分光组发射平行光；所述平行光在分光面上的入射角为45度，分光面在垂直于平行光入射方向上的高度与相邻两个反光面在平行光入射方向上的距离相等，所述分光面在垂直于平行光入射方向上的高度与平行光的光束高度H相等，平行光的光束高度H与待测物在平行光入射方向上的长度L满足N*H≥L的关系，N≥2；将所述N个分光面沿平行光入射方向顺序编号为N-1，第n个分光面的反射比R(n)和透射比T(n)满足如下条件：Rn＝R(n-1)*T(n-1),Tn＝1-Rn,R1＝0.5,T1＝0.5。
2.根据权利要求1所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述平行光组件包括光源和准直机构，光源发出的光经过所述准直机构准直后射向所述分光组。
3.根据权利要求2所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述准直机构包括与平行光入射方向平行设置的底板以及位于底板上方的反射面，所述反射面呈离轴抛物面形，所述光源固定在所述底板上并位于反射面的焦点上。
4.根据权利要求2所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述准直机构包括与平行光入射方向平行设置的底板以及罩设在底板上的反射面，所述反射面具有位于底板上方的第一离轴抛物面和位于底板下方的第二离轴抛物面，所述底板的上表面固定有第一光源且第一光源位于第一离轴抛物面的焦点上，所述底板的下表面固定有第二光源且第二光源位于第二离轴抛物面的焦点上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的平面同轴光源，其特征在于：
还包括由N-1个顺次排列的平行四边形棱镜以及分别位于位于N-1个顺次排列的平行四边形棱镜两端的直角梯形棱镜形成的棱镜组，所述直角梯形棱镜的斜面与相邻的平行四边形棱镜的斜面之间以及相邻两个平行四边形棱镜的斜面之间均胶合，以形成所述分光面；其中一个直角梯形棱镜的外侧固定有外壳，所述平行光组件设置在外壳内，且平行光组件发射的平行光从固定有外壳的直角梯形棱镜的平面射入棱镜组。
6.根据权利要求5所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述平行四边形棱镜和直角梯形棱镜的材质相同。
7.根据权利要求5所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述棱镜组的外表面镀有增透膜。
8.根据权利要求5所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述外壳固定在棱镜组的外侧并围绕所述棱镜组设置。
9.根据权利要求5所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述外壳上还设有散热结构。
10.根据权利要求9所述的平面同轴光源，其特征在于：
所述散热结构为设置在外壳表面的多个散热板。
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