基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计.docx

基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计
摘要
本文提出一种基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计，该系统通过引入双远心透镜实现了高度精确的深度测量和缺陷检测，同时提高了光学成像的分辨率和质量。设计过程中，我们将着重介绍系统的光学成像原理、光路设计、系统结构以及在三维缺陷检测应用中的性能表现。实验结果表明，该系统能够有效地检测三维物体中的表面和内部缺陷，并且具有较高的测量精度和重复性。
关键词：三维缺陷检测，双光路双远心光学系统，深度测量，缺陷检测
Abstract
Inthispaper,adual-pathdual-focalopticalsystembasedonthree-dimensionaldefectdetectionisproposed.Thesystemachieveshighlyaccuratedepthmeasurementanddefectdetectionbyintroducingadual-focallens,andimprovestheresolutionandqualityofopticalimaging.Inthedesignprocess,wewillfocusonintroducingtheopticalimagingprinciple,opticalpathdesign,systemstructure,andperformanceinthree-dimensionaldefectdetectionapplications.Experimentalresultsshowthatthesystemcaneffectivelydetectsurfaceandinternaldefectsinthree-dimensionalobjects,andhashighmeasurementaccuracyandrepeatability.
Keywords:three-dimensionaldefectdetection,dual-pathdual-focalopticalsystem,depthmeasurement,defectdetection
引言
三维缺陷检测在制造业和工业生产中起着重要的作用，其应用范围涉及了汽车、航空航天、医疗等多个领域。因此，针对三维物体的缺陷检测技术已经成为当前研究的热点之一。而光学检测技术凭借其非接触、高精度等优点，已经成为三维缺陷检测领域的重要手段之一。
本文提出一种基于双光路双远心光学系统的三维缺陷检测方案，该系统通过引入双远心透镜实现了高度精确的深度测量和缺陷检测，并且提高了光学成像的分辨率和质量。下文将介绍该系统的设计原理、光路设计、系统结构和在三维缺陷检测中的实际应用。
设计原理
双远心透镜是一种特殊的光学透镜，在焦点前后各有一个焦距，分别对应着两个虚焦点。因此，双远心透镜可以实现两个不同的焦距，从而达到深度测量和缺陷检测的目的。
在本文设计的双光路双远心光学系统中，我们采用双远心透镜分别作为两个光路的主透镜。将不同光程的两幅图像进行处理，即可实现深度测量和缺陷检测。
下面我们将具体介绍双远心透镜的成像原理。如图1所示，双远心透镜的成像原理可分为前后两个阶段。
第一个阶段为范围扫描，即焦距比较小的面波前被透镜折射后，会聚到小的虚焦点；而焦距比较大的平面波前则会被透镜折射后散发到同一平面上，形成了一个大的虚焦点。
第二个阶段为宽视场，即在离开透镜表面很远的地方，成像依然比较清晰。而刚才的小虚焦点则形成了一个小景深区域，这个景深区域的前后位置可以通过改变透镜的对称位置来调整。
图1双远心透镜成像原理图
光路设计
在实际的双光路双远心光学系统中，我们采用了两个基于双远心透镜的光路。如图2所示，我们将待测物体分别置于两个平台上，经过正反两个光路扫描采集两幅图像。采集到两幅图像后，我们可以通过双目视差法或者三维重建算法等方法来得到深度信息和缺陷信息。
图2双光路双远心光学系统光路设计
系统结构
基于以上光路设计，我们搭建了一套双光路双远心光学系统。如图3所示，整个系统主要分为两部分：光学成像模块和图像处理模块。
光学成像模块由两个由双远心透镜组成的光路、两个相机和光源组成。其中，光源用于提供光照条件，相机用于接收成像信号，双远心透镜用于实现深度测量和缺陷检测。图像处理模块主要由图像采集卡、计算机和图像处理程序等组成，用于对采集到的图像进行处理和分析。
图3双光路双远心光学系统结构图
三维缺陷检测应用
为了验证该系统在三维缺陷检测应用中的性能，我们进行了一系列实验。在实验中，我们分别对金属表面和塑料模具进行了缺陷检测实验。
首先，我们对一块金属表面进行缺陷检测实验。如图4所示，我们可以通过双光路双远心光学系统采集到两幅图像，分别代表了正面和反面视角下的成像结果。