CN104777595A - 一种双远心光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双远心光学镜头，包括：一机械组件，所述机械组件包括有前镜组、中镜组以及后镜组，所述前镜组、中镜组以及后镜组之间通过同轴螺纹连接；一设置于机械组件内的光学组件，所述光学组件包括一内置于所述前镜组的第一前置镜片和第二前置镜片，一内置于所述中镜组的中组胶合片，以及一内置于所述后镜组且依次排列的第一后组镜片，第二后组镜片以及第三后组镜片；所述中组胶合片与所述第一后组镜片之间还设置有光阑。保证在整个采集图像的过程中始终保持图像有稳定的倍率和视场，物距的一定变化不会影响到整个镜头视场的变化；具有结构简单，使用方便的特点。

Description

一种双远心光学镜头
技术领域
本发明涉及用于工业机器视觉领域，具体涉及一种双远心光学镜头，可匹配35mm相机以及2K、4K、6K等工业相机。
背景技术
一般光学镜头在物距发生变化时成像视场和倍率发生变化的问题。一般的光学镜头由于光学系统设计时为了满足超出镜头通光孔径范围的光线能够通过光学系统成像的问题，通过系统设计将和系统主光轴不平行的光线聚焦到整个系统的成像靶面上。这样，在镜头物距发生变化时镜头的视场和放大倍率就会相应跟随变化。这种情况在工业检测尤其是工业测量的使用过程中会造成很严重的问题，需要很严格的保证每次光学工程师将图像调整好以后，使用环境不会发生变化，例如搬运、移位、震动等影响。一旦环境有变化，镜头原有的视场倍率会发生变化，检测精度就无法保证，若要继续保证精度的使用就需要专业的光学技术人员和软件人员重新标定，这样非常影响工作效率。
一般光学镜头景深很小。一般的光学镜头由于在光学系统设计时考虑到调整镜头的通光孔径可调，镜头物距和倍率可调等因素。镜头光学系统的景深深度范围很小。在一般的工业检测或测量中，如果设计的零件本身有大的高度落差，比如齿轮、刀头、等零件，如果要对整个零件进行检测，一般为了提高精度会采用多工位的方式采图，这样需要安装多个相机、镜头、光源等，这样不仅精度要分开控制，整个检测的硬件和软件成本就会很高。后期会出现问题的概率也会增大。
一般的光学镜头像差平衡的综合因素会很多，这样造成镜头无法达到最佳成像效果的平衡。镜头的像差在设计时是彼此平衡的一个过程，一般镜头因为使用范围宽广，使得设计师在平衡的时候各方面都会权衡，因此本身光学结构无法将成像质量调整到最佳，这样在做工业检测时无法达到一个很好的成像效果。
一般的光学镜头因为边缘入射光线和主光轴有较大偏角的原因，拍摄工件时需要保证镜头和工件的垂直度。如果垂直度无法保证，镜头和工件沿光轴夹角的角度区域就会有不同程度的阴影产生。如果用户使用的是黑白相机做尺寸测量，那么取灰度图的过程中就很难找到工件的边缘轮廓，这样测量精度就无法保证。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双远心光学镜头，保证在整个采集图像的过程中始终保持图像有稳定的倍率和视场，物距的一定变化不会影响到整个镜头视场的变化，且物距在景深内变化时图像的真实度不会发生改变；也可以把整个视场边缘最大的畸变控制在0.1％范围内；具有结构简单，使用方便的特点。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种双远心光学镜头，包括：
一机械组件，所述机械组件包括有前镜组、中镜组以及后镜组，所述前镜组、中镜组以及后镜组之间通过同轴螺纹连接；
一设置于机械组件内的光学组件，所述光学组件包括一内置于所述前镜组的第一前置镜片和第二前置镜片，一内置于所述中镜组的中组胶合片，以及一内置于所述后镜组且依次排列的第一后组镜片，第二后组镜片以及第三后组镜片；所述中组胶合片与所述第一后组镜片之间还设置有光阑。
在本发明的一个优选实施例中，所述第一前置镜片的中心厚度为15.95-16.05mm，第二前置镜片的中心厚度为8.95-9.05mm,第三前置镜片的中心厚度为21.55-22.65mm，所述第一后组镜片的中心厚度为16.85-16.95mm,第二后组镜片的中心厚度为9.15-9.25mm,第三后组镜片的中心厚度为14.65-14.75mm。
在本发明的一个优选实施例中，所述所述中组胶合片由两个透镜胶合而成。
在本发明的一个优选实施例中，所述前镜组光线聚焦面和后镜组物方焦平面间隔在1-2mm范围内，以满足系统的稳定性。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明无需复杂专业的调试即可保证在整个采集图像的过程中始终保持图像有稳定的倍率和视场，物距的一定变化不会影响到整个镜头视场的变化，且物距在景深内变化时图像的真实度不会发生改变。
本发明解决了一般镜头无法控制的边缘视场畸变的问题，原来的镜头有着不可控且比较大的畸变，畸变的位置和畸变模式是随机的，这样影响到整个图像真实性的判断；本发明可以把整个视场边缘最大的畸变控制在0.1％范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作原理图。
图3为本发明的MTF(调制光学传递函数曲线)示意图。
图4为本发明的弥散圆分布图。
图5为本发明的场曲示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参照图1和图2，一种双远心光学镜头，包括：机械组件，所述机械组件分为三个部分，前镜组、中镜组、后镜组。镜组之间通过同轴螺纹连接。
一设置于机械组件内的光学组件，光学组件包括一内置于所述前镜组的第一前置镜片1和第二前置镜片2，一内置于所述中镜组的中组胶合片3，以及一内置于所述后镜组且依次排列的第一后组镜片4，第二后组镜片5以及第三后组镜片6；所述中组胶合与所述第一后组镜片之间还设置有光阑7。
镜片通过螺纹压圈的形式固定在镜组内，镜片和镜片之间通过光学隔圈间隔开。所有的机械连接方式均为螺纹形式。
系统光阑设计在中组胶合片和第四组镜片之间，第一前置镜片的中心厚度15.95-16.05mm，第二前置镜片的中心厚度8.95-9.05mm,中组胶合片的中心厚度21.55-22.65mm,第一后组镜片的中心厚度16.85-16.95mm,第二后组镜片的中心厚度9.15-9.25mm,第三后组镜片的中心厚度14.65-14.75mm。
第一前置镜片材质为成都光明的H-ZKL11，第二前置镜片的材质为成都光明的H-ZBAF3,中组胶合片由两个透镜胶合而成，胶合片的第一片透镜的材质为成都光明的H-ZK10L，胶合片的第二片透镜的材质为成都光明的H-ZF62，第一后组镜片的材质为成都光明的H-LAF52，第二后组镜片的材质为成都光明的H-LAF52，第三后组镜片的材质为成都光明的H-LAF52.
其中第一前置镜片的折射率为1.638543，色散系数为55.471523。第二前置镜片的折射率为1.656913，色散系数为51.128080。胶合片的第一片透镜的折射率为1.622802，色散系数为56.951885。胶合片的第二片透镜的折射率为1.92286，色散系数为20.88。第一后组镜片的折射率为1.785901，色散系数为44.206711。第二后组镜片的折射率为1.785901，色散系数为44.206711。第三后组镜片的折射率为1.785901，色散系数为44.206711。
本发明采用物方远心光路和像方远心路结合的光学结构来设计整个镜头的光学系统，物方远心的像面和像方远心的物面重合在整个系统的光阑处，控制光阑的通光孔径满足整个光学系统的远心度要求；
在设计的时候通过控制追记边缘主光线和主光轴的夹角余弦函数，通过加大操作数EXPP的权重，操作数的权重值可以占整个权重值的10％左右，通过这个操作数去限制整个镜头入瞳和出瞳的位置(即两个瞳距的倒数无限小)限制其接近0。去控制整个光线进入镜头和出射镜头后的函数值，将整个数值控制在偏差0.1％的范围内，来保证整个系统的远心度要求。保证前镜组光线聚焦面和后镜组物方焦平面间隔在2mm范围内，来确定整个系统前后共轭面的偏差范围在2mm之内，同时控制整个光阑通光孔径的尺寸，来保证2mm偏差范围内的变化不会影响到整个系统的稳定性。
整系统的远心度控制在0.05％范围内，镜头的弥散圆直径0.04mm,按镜头物距263±5mm的物距加上镜头景深9mm来计算，整个镜头在景深范围内任意移动物距，镜头的视场的变化<0.01mm,远远小于整个镜头弥散圆直径。这也就是说整个镜头在景深范围内随便移动，镜头视场和倍率的变化可以忽略。
物方远心结构可以保证镜头在固定物距的情况下有较大的景深，镜头只有物方平行于主光轴的光线经过光学系统的折射后汇聚通过光阑，所以在光学结构上可以保证物距在9mm范围内的纵深都能成像且畸变小于0.05％。
在设计光学系统的时候，主要考虑应用于工业检测中。在平衡像差的时候重点权衡了畸变和弥散圆直径的参数。通过光学设计时控制整个镜头中心视场，边缘视场以及边缘视场0.77倍的视场三个视场光线经过镜头后汇聚在成像靶面的位置，可参考图四(弥散圆分布图)图中表达了每个视场范围的光线聚焦后的形态，考虑到不同波长的光线经过镜头折射后会发生色差、球差等光学像差，在优化时使用最小二乘法的方式计算蓝光、红光、绿光三色光波长的成像位置，通过不断添加参数优化镜片的曲率和间隔来控制三路光线的位置重合，保证最大的偏差小于10μm.使得镜头最后的成像质量得到最大限度的优化，控制这个系统最后中心视场的弥散圆直径小于10μm。
参照图3，该图是光学仿真软件ZEMAX自动生成的镜头传函曲线图，纵坐标表示镜头光强衰减百分比，横坐标表示光能衰减截至频率。该图表示了整个镜头的成像效果，即光能在镜头内衰减的效果分布。一般用衰减30％处截至频率的高低来衡量一个镜头成像质量的优劣，可以看到该镜头在30％处的截至频率是80lp/mm,已经比同类镜头30％处截止频率65lp/mm高很多。
图4为本发明的弥散圆分布图；图5为本发明的场曲示意图。故这款镜头拥有很优秀的图像解析能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种双远心光学镜头，其特征在于，包括：
一机械组件，所述机械组件包括有前镜组、中镜组以及后镜组，所述前镜组、中镜组以及后镜组之间通过同轴螺纹连接；
一设置于机械组件内的光学组件，所述光学组件包括一内置于所述前镜组的第一前置镜片和第二前置镜片，一内置于所述中镜组的中组胶合片，以及一内置于所述后镜组且依次排列的第一后组镜片，第二后组镜片以及第三后组镜片；所述中组胶合片与所述第一后组镜片之间还设置有光阑。
2.根据权利要求1所述的一种双远心光学镜头，其特征在于，所述第一前置镜片的中心厚度为15.95-16.05mm，第二前置镜片的中心厚度为8.95-9.05mm,第三前置镜片的中心厚度为21.55-22.65mm，所述第一后组镜片的中心厚度为16.85-16.95mm,第二后组镜片的中心厚度为9.15-9.25mm,第三后组镜片的中心厚度为14.65-14.75mm。
3.根据权利要求1所述的一种双远心光学镜头，其特征在于，所述中组胶合片由两个透镜胶合而成。
4.根据权利要求1所述的一种双远心光学镜头，其特征在于，所述前镜组光线聚焦面和后镜组物方焦平面间隔在1-2mm范围内，以满足系统的稳定性。
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