包括光学复用器的光学系统的制作方法

本发明涉及一种包括光学复用器的光学系统、一种包括这样的光学系统的测量设备以及一种用于在光学系统中使用的光学复用器。

背景技术：

1、在所限定的照明和观看条件下，实际材料或物体在环境中的视觉印象在相关专业领域(specialist circles)中被称为“外观”。已知外观是以下不同因素的复杂相互作用的结果：

2、-几何因素，其限定了场景、物体、照明和观看条件；

3、-光学性质，其描述了光与被观看物体的材料之间的相互作用；以及

4、-生理因素，其影响了人类视觉系统的感知(响应)。

5、在许多工业应用中，期望执行测量来表征材料或物体的外观。在这样的测量中，在照明和观看条件的一个或多个集合下确定材料或物体的多个光学性质。出于此目的，已经提议了各种各样的仪器，其具有不同的复杂性的程度。

6、一个示例是汽车的修理。当要在车身修理厂中用新部件替换损坏的汽车部件时，新部件需要被涂覆有涂料，使得其视觉外观与原始部件的视觉外观完全匹配。如果损坏的部件需要被重新喷涂，则情况也是如此。为此，期望通过测量来确定原始部件的视觉外观，并且基于该测量来限定将实现与原始部件的外观的紧密匹配的涂料配方。

7、汽车涂料通常包含效果颜料，该效果颜料引起角度明显(gonioapparent)的行为，即它们引起强烈依赖于照明和观看方向的外观。例如，特殊效果片状颜料可以在镜面照明下引起闪光效果。作为另一个示例，干涉颜料可以引起角度变色(goniochromism)，即随着照明或观看方向改变，颜色逐渐改变。效果颜料也用于其他材料中，例如用于许多家庭用品的塑料材料中。

8、各种工业标准均提议了用于表征包含效果颜料的材料的合适的测量几何形状的集合。astm e2194-14(2017)针对包含金属效果颜料的材料限定了至少三个测量几何形状的集合。astm e2539-14(2017)限定了用于表征包含干涉颜料的材料的附加测量几何形状。

9、效果颜料不仅可以产生角度明显的颜色，而且还可以产生被观看物体的表面中的局部变化，该变化被称为“纹理”。可以区分纹理的两个方面：视觉纹理表征颜色和反射率的空间变化，而表面纹理表征人眼可以分辨的尺度上的表面的三维形貌。在镜面照明(诸如例如直射阳光)和漫射照明(诸如例如阴天)下，视觉纹理通常是不同的。镜面照明可以产生非常亮的可见点光源的图案，这是由涂料的最上层上的颜料片的直接反射引起的。该效果通常被称为闪光、闪耀、闪烁或微亮。漫射照明以低得多的对比度产生亮度中的局部变化，这通常被称为颗粒度、漫射粗糙度、图像颗粒或粒度。

10、根据现有技术，将多角度颜色测量与纹理测量进行组合的手持式设备是已知的。一种这样的已知仪器是可从德国盖雷茨里德的byk gardner获得的byk-mac i。byk-mac i是多角度仪器，其具有两个分离的测量系统，用于颜色测量以及用于基于相机的纹理测量。为了执行多角度颜色测量，以45°的法向角(即，以相对于样品表面的表面法线的角度)提供单个照明模块，该照明模块包括多个单色光源的集合，所述光源被顺序地开启以进行测量。检测由六个以标准化非球面角度布置的个体检测器通道来执行，每个检测器通道包括单个光电二极管。该系统包括附加的多光谱检测系统，用于确定荧光的存在以及用于校正光谱测量结果。相机以0°的法向角来布置，并且包括单色图像传感器。相机与颜色检测器通道组合。针对纹理测量提供了三个附加的定向宽带光源和一个漫射宽带光源。定向宽带光源用于生成闪光图像，根据所述闪光图像计算闪光比例值。漫射宽带光源用于生成用于计算颗粒度或粗糙度参数的图像数据。该设备以用于颜色测量以及用于基于图像的纹理测量的分离循环被顺序地操作。

11、另一个示例是可从美国密歇根州大急流城的x-rite公司获得的ma-tx系列仪器，其包括型号ma-t6和ma-t12。这些仪器是手持式多角度分光光度计，该多角度分光光度计包括用于对样品表面成像的数字彩色相机。ma-tx系列的系统架构在us 9,772,230 b2中描述。所述仪器包括具有多达7个以不同角度的照明系统的机械弧形结构、以及两个以15°和45°的法向角的检测器系统。此外，在弧形结构的外部的位置处提供了两个漫射照明器。以45°的法向角的检测器系统被实现为光谱拾取系统，该光谱拾取系统将所收集的光耦合到光纤中，并且然后耦合到光谱分析仪中。以15°的法向角的检测器系统被实现为组合了光谱拾取通道和以相同观看角度的rgb彩色相机的复用光学系统。光复用是利用平板分束器实现的。照明通道包括宽带可见光源。相同的光源被共享用于颜色测量以及用于基于相机的纹理测量。这使得能够实现同时测量过程，其中并行地执行图像数据的获取和光谱反射数据的获取。因此，所述仪器可以快速且准确地评估并验证效果饰面的颜色、闪光和粗糙度特性。

12、如从这些示例中明显的，用于测量物体的外观的仪器(诸如成像多角度分光光度计)可能需要将已经沿着给定观看方向反射的光复用到两个检测通道中，该两个检测通道是：具有用于纹理测量的图像传感器的成像通道、以及具有用于参考测量(例如光谱测量)的参考传感器的参考通道。在现有技术中，平板或立方体分束器已经被用于复用。需要另外的光学组件将样品表面成像到图像传感器的测量平面，并且将光引导至参考检测器。这些光学组件通常包括透镜和孔径光阑(aperture stops)。需要精确的光学支架来准确地将分束器、透镜和孔径光阑相对于彼此进行定位。这导致了高度复杂的机械设置和高制造成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是实现一种将入射光复用到图像传感器和参考传感器上的光学系统，该光学系统具有降低的复杂性和低成本。

2、该目的通过根据权利要求1的光学系统来实现。在从属权利要求中主张(laiddown)有利的实施例。

3、本发明提供了一种光学系统，包括：

4、图像传感器，优选地是颜色图像传感器，图像传感器限定了图像传感器平面，该光学系统被配置成将测量平面成像到图像传感器平面上，该光学系统限定了测量平面与图像传感器平面之间的光学轴线；

5、参考传感器，特别是光谱分辨参考传感器；以及

6、光学复用器，其被配置成沿着光学轴线接收照射(impinge)在光学复用器上的入射光，并将入射光的第一部分引导至图像传感器以及将入射光的第二部分引导至参考传感器，

7、其中光学复用器限定了用于接收入射光的第一部分的第一区域和用于接收入射光的第二部分的第二区域，第二区域在垂直于光学轴线的平面上的投影中径向地围绕第一区域，以及

8、其中光学复用器以这样的方式布置在该光学系统中，使得复用器将照射在第一区域上的入射光的第一部分引导至图像传感器，以及将照射在第二区域上的入射光的第二部分引导至参考传感器。

9、根据本发明，使用光学复用器，光学复用器取决于其中光照射在复用器上的径向位置将光复用到不同的目的地。特别地，光学复用器限定了两个不同的区域以用于接收入射光。当沿着光学轴线被观看从而在其中入射光照射在光学复用器上的方向上看时，第一区域被第二区域径向地围绕，优选地沿着第一区域的整个周边围绕。因此，第二区域比第一区域具有更大的垂直于光学轴线的径向尺寸。特别地，当沿着光学轴线被观看时，第一区域可以呈现近似圆形(即，其在垂直于光学轴线的平面上的投影是圆形)，并且当沿着该方向被观看时，第二区域可以呈现环形，该环围绕第一区域。相对小的第一区域用于将入射光的第一部分引导至图像传感器，而较大的第二区域用于将入射光的第二部分引导至参考传感器。优选地，第一和第二区域的质心重合。

10、该光学系统通常将限定针对到图像传感器和到参考传感器的射束路径(beampath)的孔径光阑。术语“孔径光阑”指的是射束路径中的主要结构，该主要结构横向界定了传递到相应传感器的光线束，从而确定图像点处的光线锥体角度和亮度。在有利的实施例中，针对到图像传感器的射束路径的孔径光阑由光学复用器的第一区域形成，和/或针对到参考传感器的射束路径的孔径光阑由光学复用器的第二区域形成。以这种方式，可以省略用于形成孔径光阑的分离元件，诸如分离的光圈(diaphragms)。这大大简化了该光学系统的结构和调整。

11、因为光学复用器的第一区域小于其第二区域，所以针对到图像传感器的射束路径的数值孔径将通常小于针对到参考传感器的射束路径的数值孔径。这确保了图像传感器的大景深。针对到参考传感器的射束路径的较大数值孔径确保了参考传感器处的高强度。

12、实际上，第一区域的尺寸经常由光学成像系统的其他规格确定。特别地，针对多角度颜色测量的标准通常将物体空间中的半角限定为2.5°的范围内的值(例如，参见din6175-2：2001)，从而限制了到参考传感器和图像传感器的射束路径的数值孔径。几何约束限定了该光学系统的最大焦距和最大放大率。如果第一区域要形成孔径光阑，则这最终给出了针对第一区域的尺寸的上限。然而，如上面解释的，选择稍微小于该上限的第一区域的大小，以便在测量平面中获得足够的景深，在该景深上所获取的图像保持锐利，这是有利的。另一方面，景深对于参考传感器来说将通常不是问题，并且因此第二区域的尺寸可以大于第一区域的尺寸。所得到两个光学通道之间的孔径角中的差允许基于位置的复用。

13、实际上，第一区域将优选地具有垂直于光学轴线测量的、在0.1mm至10mm的范围内、并且更优选地在0.5mm至5mm的范围内的最大横向尺寸。虽然必须大于第一区域的最大横向尺寸，但是第二区域的最大横向尺寸可以在类似的范围内。

14、该光学系统可以包括至少一个聚焦光学元件，用于将测量平面成像到图像传感器平面上。聚焦光学元件可以包括例如单个会聚透镜、一组两个或更多个透镜、凹面镜、或者一个或多个透镜与一个或多个镜和/或诸如一个或多个滤光器或棱镜之类的其他元件的组合。至少一个这样的聚焦光学元件可以被布置在测量平面和光学复用器之间的射束路径中。替代地或附加地，至少一个这样的聚焦光学元件可以被布置在光学复用器和图像传感器平面之间的射束路径中。聚焦光学元件的聚焦轴线可以限定光学轴线。

15、在优选实施例中，该光学系统相对于测量平面与成像平面之间的射束路径是基本上物体空间远心的。以这种方式，可以确保图像放大率独立于所成像物体与光学元件的距离。如果光学轴线与要成像的物体的表面法线不重合，或者如果物体具有弯曲表面，则这可能特别重要。完美远心射束路径的主光线将平行于光学轴线，即，它们将在主光线穿过测量平面的地方具有与光学轴线的0°的角度。出于本公开的目的，如果在主光线穿过测量平面的地方，所有主光线与光学轴线倾斜不超过5°，优选地不超过2.5°，则该系统被认为是“基本上物体空间远心的”。

16、为了使该光学系统物体空间远心，优选地，聚焦光学元件被布置在测量平面与光学复用器之间，并且光学元件的后焦点(也称为后部焦点)，即位于光学元件和图像传感器之间的焦点，与其中光学轴线与光学复用器的第一区域相交的位置基本上重合。如果所得到的光学系统在上面限定的意义上是“基本上物体空间远心的”，则后焦点被认为与第一区域“基本上重合”。这意味着后焦点实际上可能与第一区域具有某个公差范围内的距离。仍然确保该光学系统是“基本上物体空间远心”的容许公差范围取决于若干个因素，包括焦距和数值孔径，并且因此无法容易地由绝对数字来表达。

17、在有利的实施例中，光学复用器是针孔镜，针孔镜包括镜面和镜面中的针孔孔径，镜面围绕针孔孔径，

18、针孔孔径形成光学复用器的第一区域，图像传感器被布置成接收已经透射通过针孔孔径的光，以及

19、镜面形成光学复用器的第二区域，参考传感器被布置成接收已经被镜面反射的光。

20、换句话说，针孔镜可以用于将入射光复用到成像通道和参考通道。针孔孔径将入射光的第一部分透射到图像传感器，并且镜面将入射光的第二部分反射到参考传感器。针孔镜可以以非常低的成本(例如通过对注射成型的塑料部件进行镜面涂覆)以各种形状来生产。特别地，针孔镜可以容易地以促进与该光学系统的其他组件对准的方式来成形，该其他组件特别是图像传感器、参考传感器以及在适用的情况下是一个或多个聚焦光学元件。

21、在本发明的上下文中，术语“针孔镜”要被理解为涉及在其镜面中具有孔径的任何镜，该孔径由镜面沿着该孔径的整个周边来定界，该孔径允许光透射通过该镜。因此，术语“针孔孔径”要被理解为涉及镜面中的任何孔径，该孔径由镜面沿着孔径的整个周边来定界，而不管其形状和大小。对于可以指导针孔孔径的大小的选择的考虑因素，参见上面对第一区域的大小的讨论。

22、在优选实施例中，镜面限定了与光学轴线以倾斜角度取向的表面法线。倾斜角度优选地在135°到165°的范围内。这确保了照射在镜面上的光在其中它可以被容易检测到的方向上被反射远离光学轴线。

23、为了确保穿过针孔孔径的光线的圆柱对称性，如果沿着光学轴线被观看、即在垂直于光学轴线的平面上的投影中，如果针孔孔径具有圆形形状，则是有利的。如果针孔孔径形成针对到图像传感器的射束路径的孔径光阑，则这是特别有用的。如果其中形成了针孔孔径的镜面与光学轴线以倾斜角度取向，则在镜面的平面中、即当沿着镜面法线被观看时，针孔孔径的优选形状是椭圆形的。

24、在一些实施例中，镜面是平面的。在其他实施例中，镜面可以是弯曲的。特别地，镜面可以是凹面的，以便将入射光的第二部分聚焦到参考检测器上。

25、在第二方面中，本发明涉及一种适用于在如上面限定的光学系统中使用的针孔镜，该针孔镜包括：

26、安装部分，用于将针孔镜连接到光学系统的载体结构；

27、镜基板部分，其上形成有具有针孔孔径的镜面；以及

28、中间部分，其连接安装部分和镜基板部分，中间部分具有中空的截头圆锥形状，该截头圆锥形状从安装部分朝向镜基板部分在外部和内部两者上逐渐变窄并且限定了锥体轴线，

29、其中镜面具有与锥体轴线以倾斜角度取向的表面法线，该倾斜角度优选地在15°至45°的范围内。

30、当在本发明的光学系统中使用时，锥体轴线有利地与该光学系统的光学轴线重合。

31、针孔镜的提议的设计至少具有以下优点：中空的中间部分的内部从镜基板部分到安装部分变宽，从而适应已经穿过针孔开口的光线束的锥体角度的范围。中间部分的截头圆锥形外部确保了击中镜面的外周外部的中间部分的光线将被反射远离光学轴线。有利地，中间部分的外部是有光泽的且黑色的，以便使中间部分的外部处的不期望的光的漫反射最小化。中间部分的截头圆锥形内部可以具有粗糙的表面结构，该表面结构使得内部表面暗淡(无光泽)。在截头圆锥形中间部分的基部处存在安装部分简化了载体结构中的针孔镜的连接。

32、有利地，针孔镜包括：

33、由塑料材料制成的基部主体；以及

34、布置在基部主体上的反射涂层，该反射涂层形成镜面。

35、特别地，基部主体可以形成安装部分、中间部分和镜基板部分，并且反射涂层仅被施加到镜基板表面。

36、以这种方式，针孔镜的制造可以变得非常成本高效。例如，基部主体可以是注射成型的，并且反射涂层可以随后通过标准沉积技术(诸如等离子体离子辅助沉积或等离子体增强化学气相沉积)被施加到镜基板部分。

37、针孔孔径有利地完全延伸穿过基部主体的镜基板部分。如果基部主体由不透明材料制成的话，这当然是必需的。然而，如果基部主体是透明的，则这也是有利的，因为以这种方式，可以避免由基部主体造成的任何图像失真，从而确保最高的可能图像质量。

38、安装部分可以包括远离锥体轴线径向地延伸的安装凸缘。安装凸缘可以形成平面的并且垂直于锥体轴线延伸的至少一个安装表面，因此简化了针孔镜与光学系统的光学轴线的对准。附加地或替代地，安装部分可以包括至少一个定位结构，用于将针孔镜定位在载体结构中关于锥体轴线的预定义取向中。定位结构可以包括例如形成在安装凸缘中的切口或形成在安装凸缘上的腹板(web)。

39、代替采取针孔镜的形式，光学复用器还可以以其他方式实现位置相关的复用。特别地，光学复用器可以包括被环形孔径围绕的镜面。然后，镜面可以限定光学复用器的第一区域，图像传感器被布置成接收已经从镜面反射的光，并且环形孔径可以限定光学复用器的第二区域，参考传感器被布置成接收已经被环形孔径透射的光。该复用器设计可以被认为是“反向针孔镜”，孔径和镜面的作用互换，同时复用器仍然提供与针孔镜相似的优点。

40、在第三方面中，本发明提供了一种用于确定样品表面的光学性质的测量设备，该测量设备包括：

41、至少一个光源，其被配置成沿着至少一个照明方向来照明样品表面上的测量点；以及

42、如上面所限定的光学系统，该光学系统的光学轴线沿着观察方向而取向，该光学系统被布置成接收已经从测量点反射到观察方向中的光作为其入射光。

43、特别地，该测量设备可以包括多个光源，该多个光源被布置成从多个不同的照明方向来照明测量点。参考传感器可以是光谱分辨传感器。特别地，该测量设备可以是用于测量物体的外观的仪器，更具体地，是成像多角度分光光度计。