CN104570276B - 一种图像识别系统的管镜以及具有该管镜的图像识别系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种图像识别系统的管镜，其用于与物镜配合，其中，管镜的焦距为f，包括第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组，光阑可灵活布置；其中，第一透镜组的焦距f1满足0.7f<f1<1.2f，其有效通光口径大于0.1f，第二透镜组的焦距f2满足0<f2<0.2f，第三透镜组的焦距f3满足‑5f<f3<‑2f，第一透镜组和所述第二透镜组在光轴上的间距小于0.05f，第二透镜组和第三透镜组在光轴上的间距大于0.25f。由于第一透镜组采用大通光孔径、高折射率材料的镜片来做光束约束镜，故能够有效地约束长间距下的大视场光束。进一步地，由于第二透镜组和第三透镜组可以对光线进行补偿优化，从而矫正了像差和控制像方视场，因此，最终满足了可变长间距、可变镜头的高质量成像。

Description

一种图像识别系统的管镜以及具有该管镜的图像识别系统

技术领域

本发明涉及光学成像领域，应用在半导体测量设备上的图像识别系统，具体地，涉及一种图像识别系统的管镜以及具有该管镜的图像识别系统。

背景技术

半导体测量设备的研制是目前国内迅速发展一个高新科技产业，涉及到很多先进的前沿科学领域。图像识别技术也是半导体测量设备上不可缺少的一个组成部分，它主要追求高分辨率，低畸变的成像质量，以便快速、准确的识别图像。

图像识别系统的光学部分主要由物镜和管镜两个部分组成。目前，国内、外的图像识别系统使用的管镜从两片镜片到四、五片镜片组成的都有，可做到高分辨率(1001p/mm及以上)、低畸变(±0.02％及以下)、可更换物镜镜头、体积小、识别精度高等特点。然而，为了保证成像质量和照明均匀性，国内、外图像识别系统中管镜和物镜的间距一般在50mm以内，间距长的也只是在100mm～150mm左右，并对间距和物镜倍率也都有较严格的匹配要求，这样，对成像空间就有了一定的限制，当空间的长度过长时就无法满足高质量的成像要求，也无法满足不同空间匹配不同物镜下的使用。

如图12所示，物镜L1和管镜镜组L2之间的距离为成像间距，成像间距越长，中心视场光束B1与边缘视场光束B2的纵向差距就越大，要完全接收边缘视场光束B2需要采用大孔径透镜，但是加大孔径又会增大像差，影响成像质量。

目前国内、外研发的半导体测量设备对空间都有比较合理的规划，希望能在一定的空间内集成更多的功能同时还能保证更好的稳定性和兼容性。那么，对于成像系统而言，能够适应空间变化的多样性是比较符合期望的，这对设计提出了更高的要求：

1.成像间距应当更长，较优地，应当可以达到200mm及以上；

2.对于不同倍率物镜，其成像间距可调；

3.多倍率的物镜镜头可换。

如果采用现有的物镜和管镜的设计，一味的拉长成像间距就会造成图像分辨率降低、照明不均匀、边缘暗角严重等情况，影响图像识别精度。如果同时还要求不同倍率物镜的成像间距可调，则更不能满足要求，因为一般情况下在保证一种倍率物镜的成像质量时另外一种不同倍率的物镜的成像质量就会大大降低。

因此，需要设计一种新的管镜来解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像识别系统的管镜以及具有该管镜的图像识别系统，其能够适应管镜和物镜之间的大范围的不同间距，以当本发明的管镜结合不同倍率的物镜使用时仍旧可以得到高质量的成像。

具体地，根据本发明的一个方面，公开了一种图像识别系统的管镜，其用于与以预定间距间隔开的在1X-20X之间的任一倍率的物镜配合，其中，所述管镜的焦距为f，从物方到像方的顺序包括第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组，光阑布置在物镜上或者布置在所述第一透镜组与物镜之间，例如，布置在所述第一透镜组的最靠近物方的透镜与物镜之间；其中，所述第一透镜组的焦距f1满足0.7f＜f1＜1.2f，其有效通光口径大于0.1f，所述第二透镜组的焦距f2满足0＜f2＜0.2f，所述第三透镜组的焦距f3满足-5f＜f3＜-2f，所述第一透镜组和所述第二透镜组在光轴上的间距小于0.05f，所述第二透镜组和所述第三透镜组在光轴上的间距大于0.25f。

较优地，所述预定间距大于零小于等于500mm。

可选择地，所述第一透镜组为单凸透镜。

可选择地，所述第二透镜组包括双凸透镜和双凹透镜。

可选择地，所述第三透镜组包括双凹透镜和双凸透镜。

较优地，所述第一透镜组的材料为火石玻璃或冕牌玻璃。

较优地，所述第二透镜组的材料为火石玻璃或冕牌玻璃。

较优地，所述第三透镜组的材料为火石玻璃或冕牌玻璃。

根据本发明的另一个发明，还公开了一种图像识别系统，从物方到像方的顺序，包括：物镜，其中，所述物镜的倍率为1X-20X之间的任一倍率；如前所述的管镜，其以预定间距布置在所述物镜的像方，用于接收从所述物镜透射的光线，其中，所述预定间距为0-500mm；以及摄影装置，其布置在所述管镜的像方，用于接收依次经由所述管镜的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组的出射成像光线。

可选择地，所述摄影装置为工业相机。

根据本发明的管镜，由于第一透镜组采用大通光孔径、高折射率材料的镜片来做光束约束镜，故能够有效地约束长间距下的大视场光束。进一步地，由于本发明的管镜的第二透镜组和第三透镜组可以对来自第一透镜组的光线进行补偿优化，从而矫正了像差和控制像方视场，因此，最终满足了可变长间距、可变镜头的高质量成像。

本发明的管镜从物方到像方的顺序依次排列有第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，其中第一透镜组为大孔径光束约束镜组，第二透镜组和第三透镜组均为系统矫正镜组。管镜光阑位置不固定，可灵活选择。根据本发明，管镜与物镜之间的成像间距范围宽，且连续可调，在0～500mm距离范围内满足1X～20X倍率物镜的高质量成像，无渐晕。

附图说明

为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：

图1为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的内部结构示意图；

图2为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的镜片示意图；

图3为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的20X物镜，间距5mm的成像光路图；

图4为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的20X物镜，间距50mm的成像光路图；

图5为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的20X物镜，间距100mm的成像光路图；

图6为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的20X物镜，间距300mm的成像光路图；

图7为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的20X物镜，间距500mm的成像光路图；

图8为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的畸变和场曲图；

图9为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的MTF值图；

图10为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的色差图；

图11为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜的全视场照明均匀性图；

图12为物镜L1和管镜第一透镜组L2之间的中心视场与边缘视场成像原理图。

不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

在以下的实施方式的详细描述中，参照构成该描述的一部分的附图进行说明。附图以示例的方式展示出特定的实施方式，本发明被实现在这些实施方式中。所示出的实施方式不是为了穷尽根据本发明的所有实施方式。可以理解，其他的实施方式可以被利用，结构性或逻辑性的改变能够在不脱离本发明的范围的前提下被做出。对于附图，方向性的术语，例如“下”、“上”、“左”、“右”等，是参照所描述的附图的方位而使用的。由于本发明的实施方式的组件能够被以多种方位实施，这些方向性术语是用于说明的目的，而不是限制的目的。因此，以下的具体实施方式并不是作为限制的意义，并且本发明的范围由所附的权利要求书所限定。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1示出了根据本发明一种实施方式的管镜100的内部结构示意图。

如图1所示，该管镜100的外形基本呈圆筒状，机械总长约为150mm。具体地，该管镜100包括筒体102，布置在筒体102内的第一镜座104、第二镜座106和第三镜座108，其中，第一镜座104和第二镜座106彼此邻靠并且布置在筒体102的入射端，第三镜座108与第二镜座106间隔开并布置在筒体102的出射端。相应地，第一透镜组110可以安装在第一镜座104上，第二透镜组112可以安装在第二镜座106上，第三透镜组114可以安装在第三透镜座108上。

该管镜100靠近第一镜座104的一侧(入射端)可以用于安装物镜的筒体，该物镜的筒体可以为分别被固定到各个半导体测量设备上并成为各个半导体测量设备一部分的物镜镜筒，其中该物镜镜头的倍率可以为1X-20X之间的任一倍率，物镜镜头后端和管镜的第一透镜组之间的距离为可调成像间距。该管镜100靠近第三镜座108的一侧(出射端)可以设置有接口螺纹，用于安装摄影装置，其中该摄影装置可以为工业相机，该工业相机最大可支持2/3英寸。因此，当管镜100在入射端与物镜相连接，在出射端与摄影装置相连接后，就成为了一个图像识别系统。

下面，详述本发明的一种实施方式的管镜100。

图2为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜100的镜片示意图。参见图1、图2和下表1，该管镜100的第一透镜组110、第二透镜组112和第三透镜组114从物方到像方依次排列。第一透镜组110包括为的单凸透镜110a，其中，管镜100的焦距定义为f。该单凸透镜110a的物方表面定义为S1，其像方表面定义为S2。第二透镜组112从物方到像方包括一片双凸透镜112a和一片双凹透镜112b，其中，最靠近物方的表面定义为S3，最靠近像方的表面定义为S5，两个透镜结合的表面定义为S4。第三透镜组114从物方到像方包括一片双凹透镜114a和一片双凸透镜114b，其中，最靠近物方的表面定义为S6，最靠近像方的表面定义为S8，两个透镜结合的表面定义为S7。详细地，有关S1-S8的曲率半径、厚度-间距、半口径以及玻璃材料可参见下表。

表1：镜片参数

面编号	曲率半径R	厚度-间距H	半口径D/2	玻璃材料
					S1	0.412f	0.055f	10.83	LAK2
S2	1.040f	0.026f	10.42	/
					S3	0.390f	0.019f	10.25	H-K9L
S4	-9.279f	0.035f	10.04	ZF4
					S5	0.554f	0.463f	9.61	/
S6	-0.167f	0.018f	6.35	H-K9L
					S7	0.398f	0.018f	6.54	LAK2
S8	-0.305f		6.62	/

在上表中，其中，LAK2表示冕牌玻璃的型号，H-K9L表示冕牌玻璃的型号，ZF4表示火石玻璃的型号。上表中只是示例性地示出了各透镜的材料，然而，本领域普通技术人员可以理解，第一透镜组110、第二透镜组112和第三透镜组114中每组的透镜均可以以冕牌玻璃或者火石玻璃制成。

更具体地，该管镜焦距f可以为200mm，后工作距离，即，第三透镜组114的透镜114b的表面S8到摄影装置的感光元件(诸如CCD)表面的距离，可以为65mm，可匹配1X～20X中任一倍率的物镜在0～500mm的可调成像间距内高质量成像。为了达到高质量成像的目的，第一透镜组110的焦距f1较优地应当满足0.7f＜f1＜1.2f，其有效通光口径大于0.1f；第二透镜组112的焦距f2较优地应当满足0＜f2＜0.2f，第三透镜组114的焦距f3较优地应当满足-5f＜f3＜-2f，第一透镜组110和第二透镜组112在光轴上的间距较优地应当小于0.05f，第二透镜组112和第三透镜组114在光轴上的间距较优地应当大于0.25f。

图3-图7为根据本发明一种实施方式的图像识别系统的管镜100，安装20X物镜，其可调成像间距分别5mm、50mm、100mm、300mm和500mm的成像光路图；图8为根据本发明的图像识别系统的管镜100的畸变和场曲图；图9为根据本发明的图像识别系统的管镜100的MTF值图；图10为根据本发明的图像识别系统的管镜100的色差图；图11为根据本发明的图像识别系统的管镜100的全视场照明均匀性图。

参见图3-图7，物点P的光经过20X物镜200变为平行光进入管镜100，平行光先经由管镜100的第一透镜组110入射，第一透镜组110将光束约束后再依次经过第二透镜组112和第三透镜组114进行矫正，汇聚光束最后由第三透镜组114出射并投射到摄影装置的感光元件(诸如CCD)300上。由光路图可知，全视场成像，无渐晕。

图8为根据本发明的图像识别系统的管镜100的畸变和场曲图；图9为根据本发明的图像识别系统的管镜100的MTF值图；图10为根据本发明的图像识别系统的管镜100的色差图；图11为根据本发明的图像识别系统的管镜100的全视场照明均匀性图。

参见图8，其反映了管镜100的畸变和场曲，如图所示出的，畸变较小，在±0.01％以内，单色光场曲小于10um，这些数据满足平场成像的要求。参见图9，其反映了管镜100的MTF值，如图所示出的，MTF值为801p/mm，达到衍射极限，成像质量高。参见图10，其反映了管镜100的色差，如图所示出的，管镜100的色差在±40um以内。参见图11，其反映了管镜100的照明均匀性，如图所示出的，该管镜100的全视场照明均匀性好。

以上实施例是以本发明的管镜100结合倍率为20X的物镜200在成像间距为0-500mm内进行的光路实验以及其性能分析。实际上，本领域的普通技术人员可以理解，由于物镜具有其倍率向下适应的特点，故本发明的管镜100必定可以结合倍率小于20X的物镜进行使用并仍可以得到类似的光学性能。易言之，与本发明所公开的管镜100配合的物镜200的倍率可以为1X-20X。

还可以理解，上述管镜100的第一透镜组110可以包括多片透镜，第二透镜组112和第三透镜组114可以分别均包括一片透镜也可以分别均包括多于两片以上的透镜，对于本领域技术人员而言，只要获知第一透镜组110、第二透镜组112和第三透镜组114的光学要求，就可以根据需要对各透镜组的透镜数量进行调整。

本发明的管镜100能够在大范围可调的成像间距内进行高质量成像，而且，其结构简单、易于拆装，能够适应各种空间并且结合不同倍率的物镜。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种图像识别系统的管镜，其用于与以预定间距间隔开的在1-20X之间的任一倍率的物镜配合，其中，所述管镜的焦距为f，从物方向像方的顺序包括第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组，光阑布置在物镜上或所述第一透镜组与物镜之间；其中，所述第一透镜组的焦距f1满足0.7f＜f1＜1.2f，其有效通光口径大于0.1f，所述第二透镜组的焦距f2满足0＜f2＜0.2f，所述第三透镜组的焦距f3满足-5f＜f3＜-2f，所述第一透镜组和所述第二透镜组在光轴上的间距小于0.05f，所述第二透镜组和所述第三透镜组在光轴上的间距大于0.25f。

2.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述预定间距大于零小于等于500mm。

3.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述第一透镜组为单凸透镜。

4.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述第二透镜组从物方到像方包括双凸透镜和双凹透镜。

5.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述第三透镜组从物方到像方包括双凹透镜和双凸透镜。

6.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述第一透镜组的材料为火石玻璃或冕牌玻璃。

7.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述第二透镜组的材料为火石玻璃或冕牌玻璃。

8.根据权利要求1所述的管镜，其中，所述第三透镜组的材料为火石玻璃或冕牌玻璃。

9.一种图像识别系统，从物方到像方的顺序，包括：

物镜，其中，所述物镜的倍率为1X-20X之间的任一倍率；

如权利要求1-8任一项所述的管镜，其以预定间距布置在所述物镜的像方，用于接收从所述物镜出射的光线，其中，所述预定间距为0-500mm；以及

摄影装置，其布置在所述管镜的像方，用于接收依次经由所述管镜的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组出射的成像光线。

10.根据权利要求9所述的图像识别系统，其中，所述摄影装置为工业相机。