CN102253465B - 高清定焦机器视觉镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高清定焦机器视觉镜头，包括光学系统透镜组中的调焦组和固定组，其特征在于：所述光学系统透镜组由具有正光焦度的调焦组和正光焦度的固定组组成，所述调焦组、固定组沿光轴从物方侧向像平面侧的顺序排列，所述调焦组的组合焦距为f1，固定组的焦距为f2，应满足下列不等式：0.1＜|f1/f2|＜0.35。本发明采用固定后组调焦结构，具有在全工作距范围内保持高分辨率，小畸变的特点，而且简化了调焦机构，适合用于500万像素级的机器视觉系统。

Description

高清定焦机器视觉镜头

技术领域：

本发明属于光学器具技术领域，一种适合与机器视觉系统配套的高分辨率小畸变的高清定焦机器视觉镜头。

背景技术：

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

近年来，随着微电子工业的迅猛发展，高分辨率，高处理速度的机器视觉系统不断诞生，这对与之配套的光学镜头提出了新的要求。普通的采用整体调焦结构的机器视觉镜头只能是针对特定工作距离设计，这种设计应用于近摄端与远摄端时像质明显下降。而采用浮动调焦结构的镜头需要采用复杂浮动调焦机构，机械加工的成本很高。如何克服现有技术不足，提供一种易于加工、高分辨率底畸变的机器镜头，即成为本发明研究的对象。

发明内容：

本发明的目的是针对普通机器视觉镜头工作在远近两个极限工作距离上像质劣化严重的现象，提供了一种固定后组式调焦结构的高清定焦机器视觉镜头。

本发明技术方案是这样实现的：一种高清定焦机器视觉镜头，包括光学系统透镜组中的调焦组和固定组，其特征在于：所述光学系统透镜组由具有正光焦度的调焦组和正光焦度的固定组组成，所述调焦组、固定组沿光轴从物方侧向像平面侧的顺序排列，所述调焦组的组合焦距为f1，固定组的焦距为f2，应满足下列不等式：0.1＜|f1/f2|＜0.35。

所述调焦组从物方侧向像面方向依次由正透镜L1、正透镜L2、负透镜L3、光栏S1、负透镜L4、正透镜L5、正透镜L6组成，其中负透镜L4、正透镜L5组成一个双胶合透镜组，调焦组U1总焦距为正；所述固定组U2由正透镜L7组成。

所述双胶合透镜组中的负透镜L4、正透镜L5分别由火石玻璃和重镧火石玻璃构成。

所述调焦组、固定组中的各透镜均为球面透镜。

本发明采用固定后组调焦结构，具有在全工作距范围内保持高分辨率，小畸变的特点，而且简化了调焦机构，适合用于500万像素级的机器视觉系统。其具有如下优点：

1、该系统的固定后组式调焦方式能够补偿物距变化过程中由于物方孔径角变化所带来的球差、慧差、像散以及场曲的变化，保持整个工作距范围内高分辨率，相对于整组调焦结构而言，其像质的一致性更优秀；

2、系统采用固定后组调焦方式简化了类似浮动后组调焦补偿结构的设计，在大大降低机械结构设计的复杂性和成本的基础上达到了高像质的设计要求，并且提高了光学系统加工和装配的容差；

3、系统中全部采用常规玻璃球面透镜，有利于保证加工工艺性和装配的简便性，提高了产品的成品率，降低了成本，更适合批量生产；

4、该系统在整个工作距离成像时具有小于0.2％的畸变，在某些特定距离成像时畸变小于万分之一。

附图说明：

下面结合具体图例对本发明做进一步说明：

图1是本发明机器视觉镜头在220mm物距时的光学系统图；

图2是本发明机器视觉镜头在700mm物距时的光学系统图；

图3是本发明机器视觉镜头在无限远物距时的光学系统图；

图4是本发明机器视觉镜头在220mm物距时的光线轨迹图；

图5是本发明机器视觉镜头在700mm物距时的光线轨迹图；

图6是本发明机器视觉镜头在无限远物距时的光线轨迹图；

图7是本发明机器视觉镜头在220mm物距时的场曲和畸变曲线图；

图8是本发明机器视觉镜头在700mm物距时的场曲和畸变曲线图；

图9是本发明机器视觉镜头在无限远物距时的场曲和畸变曲线图；

图10是本发明机器视觉镜头在220mm物距时的光学传递函数曲线图；

图11是本发明机器视觉镜头在700mm物距时的光学传递函数曲线图；

图12是本发明机器视觉镜头在无限远物距时的光学传递函数曲线图；

图13是本发明机器视觉镜头在220mm物距时的点列图；

图14是本发明机器视觉镜头在700mm物距时的点列图；

图15是本发明机器视觉镜头在无限远物距时的点列图；

具体实施方式：

参照图1、图2和图3，分别为视觉镜头在220mm、700mm和无限远物距时的光学系统图。

本发明的高清机器视觉镜头中的光学系统采用6组7片透镜结构，光学系统透镜组由具有正光焦度的调焦组和正光焦度的固定组组成，所述调焦组U1、固定组U2沿光轴从物方侧向像平面侧的顺序排列，所述调焦组从物方侧向像面方向依次由正透镜L1、正透镜L2、负透镜L3、光栏S、负透镜L4、正透镜L5、正透镜L6组成，其中负透镜L4、正透镜L5组成一个双胶合透镜组；所述双胶合透镜组中的负透镜L4、正透镜L5分别由火石玻璃和重镧火石玻璃构成；调焦组U1总焦距为正；所述固定组U2由正透镜L7组成。调焦过程中调焦组U1前后移动，物距变化导致的物方孔径角变化带来的像差能通过调焦组U1与固定组U2相对位置改变得到补偿，从而在整个工作距范围内获得小畸变、高像质的图像。

其中调焦组U1、固定组U2中各透镜均为球面透镜，分别由国产冕牌、火石、重火石、镧冕牌、镧火石、重镧火石玻璃组合而成。

图1、是220mm物距时的系统图，图2、是700mm物距时的系统图，图3、是无限远处物距时的系统图。dl是220mm物距时U1与U2之间的间隔，ds是无限远物距时U1与U2之间的间隔，本发明为固定后组调焦的定焦系统，跟常规的整组移动调焦的定焦镜头相比，在结构上并没有更复杂。

为了使该镜头中不同的工作距离上成像清晰，分配在调焦组U1的光焦度要合理，并满足下列不等式：0.1＜|f1/f2|，其中f1为调焦组U1的组合焦距，f2为固定组U2的焦距。

本发明高清机器视觉镜头的归一化参数如下：

参看图4、图5、图6是本发明的高清机器视觉镜头在220mm、700mm、无限远处物距时的光线轨迹图。

参看图7、图8、图9是本发明的高清机器视觉镜头在220mm、700mm、无限远处物距时的场曲和畸变曲线图。

参看图10、图11、图12是本发明的高清机器视觉镜头在220mm、700mm、无限远处物距时的光学传递函数曲线图。

参看图13、图14、图15是本发明的高清机器视觉镜头在220mm、700mm、无限远处物距时的点列图。

本发明涉及的设计指标，其设计计算工具软件是ZEMAX，上述图表均由ZEMAX得出，试制产品使用光学传递函数测试仪检测。

Claims (3)

1.一种高清定焦机器视觉镜头，包括光学系统透镜组中的调焦组和固定组，其特征在于：所述光学系统透镜组由具有正光焦度的调焦组和正光焦度的固定组组成，所述调焦组、固定组沿光轴从物方侧向像平面侧的顺序排列，所述调焦组的组合焦距为f1，固定组的焦距为f2，应满足下列不等式：0.1＜|f1/f2|＜0.35；所述调焦组从物方侧向像面方向依次由正透镜L1、正透镜L2、负透镜L3、光栏S1、负透镜L4、正透镜L5、正透镜L6组成，其中负透镜L4、正透镜L5组成一个双胶合透镜组，调焦组U1总焦距为正；所述固定组U2由正透镜L7组成。

2.根据权利要求1所述的高清定焦机器视觉镜头，其特征在于：所述双胶合透镜组中的负透镜L4、正透镜L5分别由火石玻璃和重镧火石玻璃构成。

3.根据权利要求1所述的高清定焦机器视觉镜头，其特征在于：所述调焦组、固定组中的各透镜均为球面透镜。

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