光学系统的设计方法、装置、电子设备及存储介质与流程

本申请属于光学，尤其涉及一种光学系统的设计方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、光学系统是工业检测中不可或缺的一部分，广泛用于各种检测和测量任务，光学系统精准的光学成像，可以有效提高工业检测的精度和效率。

2、目前，光学系统中光源出光面到相机的扫描光场会在相机扫描线横向呈现中间高、两边低的高斯状分布，当相机扫描线对应光源出光口不同的位置，会呈现出不同的背景灰度，且光场强度还随距出光面的距离增加而不断下降，影响成像背景灰度值，降低光学系统的成像精度；此外，系统现场安装时光源和相机需要进行严格对线，以使相机扫描线和光源出光轴平行且扫描线在光源中心，给光学系统的装机带来困难。

技术实现思路

1、本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种光学系统的设计方法、装置、电子设备及存储介质，可以实现光学系统的扫描光场从高斯型转变为平顶型，同时实现光学系统空间光场光强分布均匀且能量变化幅度小，有效降低光学系统装机难度。

2、第一方面，本申请提供了一种光学系统的设计方法，所述光学系统包括沿第一方向依次排布的线光源、整形透镜、镜头和探测器，所述线光源包括沿第二方向排布的多个灯珠，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述方法包括：

3、构建所述灯珠经由所述整形透镜和所述镜头在所述探测器上成像的放大倍率关系；

4、以所述灯珠的放大倍率接近无穷为目标，求解所述放大倍率关系，确定所述灯珠与所述整形透镜之间的第一位置信息，所述第一位置信息用于调整所述光学系统第三方向上的光场宽度，所述第三方向分别与所述第一方向和所述第二方向垂直；

5、构建所述灯珠通过所述整形透镜的出光面出射光线的能量分布关系；

6、基于所述第一位置信息，以所述整形透镜的出光面出射光线的均匀度达到目标均匀度为目标，求解所述能量分布关系，确定所述整形透镜的出光面轮廓参数以及所述整形透镜与所述探测器之间的第二位置信息。

7、根据本申请的光学系统的设计方法，通过求解灯珠经过整形透镜和镜头二次成像的放大倍率关系，得到灯珠与整形透镜之间的第一位置信息，可以设计实现扫描光场从高斯型到平顶型转变，在扫描光场的基础上求解整形透镜的出光面的能量分布关系，得到出光面的出光面轮廓参数以及整形透镜与探测器之间的第二位置信息，同时实现空间光强分布均匀且能量变化幅度小，有效降低光学系统装机难度，提高光学系统的成像精度。

8、根据本申请的一个实施例，所述求解所述放大倍率关系，确定所述灯珠与所述整形透镜之间的第一位置信息，包括：

9、获取所述整形透镜的焦距、所述镜头的焦距以及所述灯珠至所述镜头之间的工作距离；

10、基于所述整形透镜的焦距、所述镜头的焦距和所述工作距离，求解所述放大倍率关系，确定所述第一位置信息，所述第一位置信息用于表征所述灯珠至所述整形透镜的物方主平面的距离。

11、根据本申请的一个实施例，所述放大倍率关系的函数表达式如下：

12、

13、其中，x1为所述灯珠至所述整形透镜的物方主平面的距离，δ为所述整形透镜的像方主平面到所述镜头的物方主平面的距离，f1为所述整形透镜的正焦距，f1'为所述整形透镜的负焦距，f2为所述镜头的焦距，β为所述灯珠的放大倍率。

14、根据本申请的一个实施例，所述出光面轮廓参数通过如下步骤确定：

15、基于网格映射原理，构建所述灯珠发光发射光线和所述整形透镜的出光面出射光线的偏微分方程组，所述偏微分方程组用于表征能量分布关系；

16、以所述整形透镜的出光面出射光线的均匀度达到所述目标均匀度为目标，求解所述偏微分方程组，得到所述整形透镜的出光面的离散点坐标集合；

17、基于所述离散点坐标集合，确定所述出光面轮廓参数。

18、根据本申请的一个实施例，所述整形透镜的出光面为单面自由曲面，所述偏微分方程组为所述整形透镜的球面矢高和入射光线角度之间函数关系。

19、根据本申请的一个实施例，所述求解所述能量分布关系，确定所述整形透镜的出光面轮廓参数以及所述整形透镜与所述探测器之间的第二位置信息，包括：

20、通过光学设计软件模拟所述能量分布关系对应的光场；

21、通过所述光学设计软件，在所述能量分布关系对应的光场中将所述整形透镜的出光面出射光线的均匀度优化至所述目标均匀度，确定所述出光面轮廓参数和所述第二位置信息。

22、第二方面，本申请提供了一种光学系统的设计装置，所述光学系统包括沿第一方向依次排布的线光源、整形透镜、镜头和探测器，所述线光源包括沿第二方向排布的多个灯珠，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述装置包括：

23、第一处理模块，用于构建所述灯珠经由所述整形透镜和所述镜头在所述探测器上成像的放大倍率关系；

24、第二处理模块，用于以所述灯珠的放大倍率接近无穷为目标，求解所述放大倍率关系，确定所述灯珠与所述整形透镜之间的第一位置信息，所述第一位置信息用于调整所述光学系统第三方向上的光场宽度，所述第三方向分别与所述第一方向和所述第二方向垂直；

25、第三处理模块，用于构建所述灯珠通过所述整形透镜的出光面出射光线的能量分布关系；

26、第四处理模块，用于基于所述第一位置信息，以所述整形透镜的出光面出射光线的均匀度达到目标均匀度为目标，求解所述能量分布关系，确定所述整形透镜的出光面轮廓参数以及所述整形透镜与所述探测器之间的第二位置信息。

27、根据本申请的光学系统的设计装置，通过求解灯珠经过整形透镜和镜头二次成像的放大倍率关系，得到灯珠与整形透镜之间的第一位置信息，可以设计实现扫描光场从高斯型到平顶型转变，在扫描光场的基础上求解整形透镜的出光面的能量分布关系，得到出光面的出光面轮廓参数以及整形透镜与探测器之间的第二位置信息，同时实现空间光强分布均匀且能量变化幅度小，有效降低光学系统装机难度，提高光学系统的成像精度。

28、第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的光学系统的设计方法。

29、第四方面，本申请提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的光学系统的设计方法。

30、第五方面，本申请提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的光学系统的设计方法。

31、本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种光学系统的设计方法，其特征在于，所述光学系统包括沿第一方向依次排布的线光源、整形透镜、镜头和探测器，所述线光源包括沿第二方向排布的多个灯珠，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的光学系统的设计方法，其特征在于，所述求解所述放大倍率关系，确定所述灯珠与所述整形透镜之间的第一位置信息，包括：

3.根据权利要求2所述的光学系统的设计方法，其特征在于，所述放大倍率关系的函数表达式如下：

4.根据权利要求1-3任一项所述的光学系统的设计方法，其特征在于，所述出光面轮廓参数通过如下步骤确定：

5.根据权利要求4所述的光学系统的设计方法，其特征在于，所述整形透镜的出光面为单面自由曲面，所述偏微分方程组为所述整形透镜的球面矢高和入射光线角度之间函数关系。

6.根据权利要求1-3任一项所述的光学系统的设计方法，其特征在于，所述求解所述能量分布关系，确定所述整形透镜的出光面轮廓参数以及所述整形透镜与所述探测器之间的第二位置信息，包括：

7.一种光学系统的设计装置，其特征在于，所述光学系统包括沿第一方向依次排布的线光源、整形透镜、镜头和探测器，所述线光源包括沿第二方向排布的多个灯珠，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述装置包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述光学系统的设计方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的光学系统的设计方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述光学系统的设计方法。

技术总结本申请公开了一种光学系统的设计方法、装置、电子设备及存储介质，属于光学技术领域。该方法包括：构建灯珠经由整形透镜和镜头在探测器上成像的放大倍率关系；以灯珠的放大倍率接近无穷为目标，求解放大倍率关系，确定灯珠与整形透镜之间的第一位置信息；构建灯珠通过整形透镜的出光面出射光线的能量分布关系；基于第一位置信息，以整形透镜的出光面出射光线的均匀度达到目标均匀度为目标，求解能量分布关系，确定整形透镜的出光面轮廓参数以及整形透镜与探测器之间的第二位置信息。该方法可以实现光学系统平顶型的扫描光场，同时实现空间光场光强分布均匀且能量变化幅度小，有效降低装机难度。技术研发人员：杨凯明,杨凌霄,黄杰,付翔宇受保护的技术使用者：苏州凌云光工业智能技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12