CN105259645B - 一种大视场无畸变缩比物镜 - Google Patents

一种大视场无畸变缩比物镜 Download PDF

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Abstract

一种大视场无畸变缩比物镜，涉及光学物镜领域，满足了在工业检测中对大尺寸工件进行精密检测的需求，克服了现有缩比物镜的技术不足。该物镜包括沿光轴依次排列的物面、第一透镜至第四透镜、光阑、第五透镜至第九透镜、像面；所述第五透镜和第六透镜组成胶合镜，所述物面发出的光线依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、胶合镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜到达像面进行成像。本发明采用较少的玻璃镜片数量，优化并充分校正各种成像像差，同时可调整口径最小的透镜参数，以满足不同照明光源的需求，缩比物镜的物面尺寸可达到750mm，全视场畸变小于0.012％，本发明可广泛应用于大幅面、高速、高精度的自动光学检测设备。

Description

一种大视场无畸变缩比物镜
技术领域
本发明涉及光学物镜技术领域，具体涉及一种大视场无畸变缩比物镜。
背景技术
随着工业技术的发展，在生物、遗传、医疗、工业等检测领域，对检测精度、检测速度、检测尺寸的要求不断提高，所以对自动光学检测(AIO)设备及缩比物镜的要求也越来越高，尤其是能够满足大工件(尺寸大于700mm)、大视场、无畸变精密检测需求的缩比物镜，从设计和制造上来说，都是非常困难的，目前还没有广泛应用的实例。
用于精密检测的任何自动光学检测设备都需要相应的光学物镜，结合探测器成像、处理，实现对样品的特征、光谱等收集以及对工件的位置、形状和轮廓等误差进行检测。目前，自动光学检测设备上都是采用小视场光学物镜，安装在X/Y平移平台上，对工件的局部面积进行成像，然后移动物镜，对整个工件或样品分时、分段、局部成像，然后用软件拼接成一幅较大的图像，再与标准数据进行比较，给出检测误差和报告，或者采用多个物镜对工件和样品进行检测，但是各物镜之间的差别也会直接带入到检测误差中，同时多个物镜的不一致性以及装调都存在很大的不确定性，这对精密检测来说是不可取的。
目前，现有的缩比物镜只能对较小物面进行缩比，一般工件尺寸都小于200mm，对于大尺寸工件(尺寸大于700mm)检测是完全不能满足的；此外，如果要保证优质的成像质量，通常会设置较多的镜片，镜片数量一般都在15片以上，这给缩比物镜的装调和测试都带来极大的困难。
发明内容
为了满足在工业检测中对大尺寸工件进行精密检测的需求，克服现有缩比物镜的技术不足，本发明提供了一种大视场无畸变缩比物镜，采用较少的玻璃镜片数量，优化并充分校正各种成像像差，缩比物镜的物面尺寸达到750mm，全视场畸变小于0.012％，物面和像面都是平面，可广泛应用于大幅面、高速、高精度的自动光学检测设备，主要针对工业上电路板、锡膏、钢网的检测设备的缩比物镜。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种大视场无畸变缩比物镜，包括沿光轴依次排列的物面、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和像面；所述第五透镜和第六透镜组成胶合镜，所述物面发出的光线依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、胶合镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜到达像面进行成像；
所述光阑将整个缩比物镜分成前透镜组和后透镜组，所述第一透镜至第四透镜组成前透镜组，所述前透镜组的光焦度按照正、负、正、正组合，所述前透镜组的焦距比例关系为：(6.8～7.2):(-0.85～-1.22):(0.9～1.2):(1.85～2.15)；所述胶合镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜组成后透镜组，所述后透镜组的光焦度按照负、正、正、负组合，所述后透镜组的焦距比例关系为：(-0.9～-1.1):(1.5～1.7):(3.6～4):(-1.25～-1.55)；通过前透镜组和后透镜组校正系统高级像差和平衡像差，通过胶合镜的胶合面校正系统色差；
所述物面和像面相对于整个缩比物镜完全共轭，共轭距为缩比物镜焦距的6～8倍，所述物面和像面的缩比倍率为0.25～0.4。
进一步的，所述物面和像面的缩比畸变小于0.012％，所述物面的尺寸为750mm。
进一步的，还包括设置在第六透镜与第七透镜之间的平板滤光片，用于选取不同的谱段。
进一步的，所述前透镜组的组合焦距比例关系为：(6.8～7.3):(-0.9～-1.1):(1.4～1.6)。
进一步的，所述后透镜组的组合焦距比例为：(-0.9～-1.1):(1.1～1.3):(-1.25～-1.55)。
进一步的，所述物面和像面均垂直于光轴，所述物面和像面均为平面。
进一步的，所述第一透镜、第三透镜、第五透镜、第八透镜和第九透镜均采用重火石玻璃或镧火石玻璃制成。
进一步的，所述第二透镜、第四透镜、第六透镜和第七透镜均采用K9玻璃或K3玻璃制成。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均为单镜。
本发明的有益效果是：
首先，本发明的缩比物镜具有大视场、无畸变的特点，而且物面尺寸达到750mm，目前还没有类似的缩比物镜出现。
其次，本发明的缩比物镜，在保持大物面的条件下，将透镜数量减小到最小，极大的方便了加工、检测和装调，而且研制生产成本会大幅下降。
第三，缩比物镜的全视场畸变小于0.012％，设计传函近衍射极限，成像质量优良，如图4所示。
第四，缩比物镜在工业上应用，可根据照明光源的变化，适当调整口径最小的透镜参数或增加滤光片，即可获得优异的成像质量，避免了用宽光谱缩比物镜引起的设计上加工上的难度大幅增加，以及镜片数量的大幅增多，系统装调可靠性下降的问题。
附图说明
图1为本发明的一种大视场无畸变缩比物镜的结构示意图(照明光谱谱段500nm～600nm)。
图2为本发明的一种大视场无畸变缩比物镜的光路图。
图3为本发明的一种大视场无畸变缩比物镜的传函曲线图。
图4为本发明的一种大视场无畸变缩比物镜的畸变图。
图5为本发明的一种大视场无畸变缩比物镜的点列图。
图6为具体实施方式二中所示的蓝光谱段缩比物镜的结构变化示意图(照明光谱谱段450nm～480nm)。
图7为具体实施方式二中所示的蓝光谱段缩比物镜的传函曲线图。
图8为具体实施方式二中所示的蓝光谱段缩比物镜的畸变图。
图9为具体实施方式二中所示的蓝光谱段缩比物镜的点列图。
图10为增加平板滤光片的缩比物镜的结构示意图。
图中：1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜，4、第四透镜，5、第五透镜，6、第六透镜，7、第七透镜，8、第八透镜，9、第九透镜，10、像面，11、光轴，12、光阑，13、物面，14、平板滤光片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种大视场无畸变缩比物镜，主要包括物面13、共光轴设置的九块透镜(九块透镜分别为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9)、光阑12、像面10和光轴11。物面13和像面10分别位于光轴11的最左端和最右端，物面13和像面10都垂直于光轴11，而且物面13和像面10都是平面。九块透镜和光阑12设置在物面13和像面10之间，也就是说第一透镜1～第九透镜9沿着光轴11从左到右依次设置，第一透镜1前端为缩比物镜的物面13，第九透镜9后端为缩比物镜的像面10，其中光阑12设置在第四透镜4和第五透镜5之间。九块透镜中的第五透镜5和第六透镜6构成胶合镜，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9都是单镜。
光阑12将整个缩比物镜分成前透镜组和后透镜组，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4组成前透镜组，前透镜组的光焦度按照正、负、正、正组合即第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的光焦度分别为正、负、正、正，前透镜组焦距的比例关系约为：(6.8～7.2):(-0.85～-1.22):(0.9～1.2):(1.85～2.15)，即第一透镜1的焦距f1’、第二透镜2的焦距f2’、第三透镜3的焦距f3’和第四透镜4的焦距f4’的比例关系约为：f1’:f2’:f3’:f4’＝(6.8～7.2):(-0.85～-1.22):(0.9～1.2):(1.85～2.15)，前透镜组的光焦度主要体现为正-负-正结构，前透镜组的组合焦距比例关系约为：(6.8～7.3):(-0.9～-1.1):(1.4～1.6)。
胶合镜(由第五透镜5与第六透镜6构成的胶合镜)、第七透镜7、第八透镜8和第九透镜9组成后透镜组，后透镜组的光焦度按照负、正、正、负组合即胶合镜、第七透镜7、第八透镜8和第九透镜9的光焦度分别为负、正、正、负，后透镜组焦距的比例关系约为：(-0.9～-1.1):(1.5～1.7):(3.6～4):(-1.25～-1.55)，即胶合镜(由第五透镜5与第六透镜6构成的胶合镜)的焦距f5-6’、第七透镜7的焦距f7’、第八透镜8的焦距f8’和第九透镜9的焦距f9’的比例关系约为：f5-6’:f7’:f8’:f9’＝(-0.9～-1.1):(1.5～1.7):(3.6～4):(-1.25～-1.55)，后透镜组的光焦度主要体现为负-正-负结构，后透镜组的组合焦距比例约为：(-0.9～-1.1):(1.1～1.3):(-1.25～-1.55)。
本发明的一种大视场无畸变缩比物镜的光路如图2所示，物面13发出的光线，经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、光阑12、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9到达像面10进行成像。前后两组透镜都刚好具有独立校正基本像差参数和变量的功能，因此缩比物镜的镜片数量能够控制到最少，前后两组透镜的组合主要是校正系统高级像差和平衡像差；在靠近光阑12的胶合镜(第五透镜5和第六透镜6所构成的胶合镜)的胶合面，主要用于校正系统色差。
物面13和像面10相对于整个缩比物镜完全共轭，共轭距约为缩比物镜焦距的6～8倍，物面13和像面10的缩比倍率在0.25～0.4之间，同时物面13和像面10的缩比畸变小于0.012％，物面13的尺寸最大可达750mm。
第一透镜1～第九透镜9都是采用中国玻璃库中的玻璃材料制成：第一透镜1、第三透镜3、第五透镜5、第八透镜8和第九透镜9都采用重火石玻璃或镧火石玻璃制成；第二透镜2、第四透镜4、第六透镜6、第七透镜7都采用常规的冕玻璃制成，主要是K9玻璃和K3玻璃。
作为本发明的进一步改进，为了适应不同场合和不同照明光源需求，同时扩大缩比物镜的应用，根据在实际工业中的应用以及照明光源的光谱谱段变化，在结构尺寸最小的第六透镜6与第七透镜7之间设置平板滤光片14，用于选取不同的谱段，如图10所示。第一透镜1～第九透镜9的表面镀膜可以是宽光谱膜系，在不同照明条件下，采用不同膜系的平板滤光片14，结合第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的几何参数调整，可达到优质成像，这样缩比物镜的基本结构不变，扩大了应用，极大的节约了成本，有利于缩比物镜的工业批量生产。
具体实施方式一
如图1所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜，前透镜组的光焦度按照正、负、正、正组合，前透镜组中的第一透镜1的焦距f1’＝1044.398，第二透镜2的焦距f2’＝-150.678，第三透镜3的焦距f3’＝148.985，第四透镜4的焦距f4’＝308.634；后透镜组的光焦度按照负、正、正、负组合，后透镜组中的胶合镜(由第五透镜5与第六透镜6构成的胶合镜)的焦距f5-6’＝-155.869，第七透镜7的焦距f7’＝254.602，第八透镜8的焦距f8’＝568.440，第九透镜9的焦距f9’＝-217.106。
本实施方式中，第一透镜1、第三透镜3和第八透镜8均采用重火石玻璃制成；第五透镜5和第九透镜9均采用镧火石玻璃制成；第二透镜2和第四透镜4均采用K9玻璃制成；第六透镜6和第七透镜7均采用K3玻璃制成。
本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的焦距为302mm，像方相对口径F#＝5，照明光谱谱段为500nm～600nm之间，物面13与像面10通过整个缩比物镜完全共轭，共轭距为1946mm，物面13的尺寸为750mm，像面10的尺寸为240mm，物面13和像面10的缩比倍率为0.32。如图3所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的传函MTF≥0.35(@110lp/mm)。如图4所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的整个视场内的缩比畸变小于0.012％。如图5所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的点列尺寸小于5.8μm。
具体实施方式二
作为本发明的进一步改进，根据在实际工业中的应用以及照明光源的光谱谱段变化，适当调整口径最小的第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的几何参数或玻璃材料，而其他透镜的参数和位置不需要进行任何修改，即可获得优秀的不同谱段缩比物镜，以满足不同照明条件的需求。
如图6所示，本实施方式中的大视场无畸变缩比物镜，前透镜组的光焦度按照正、负、正、正组合，前透镜组中的第一透镜1的焦距f1’＝1044.398，第二透镜2的焦距f2’＝-150.678，第三透镜3的焦距f3’＝148.985，第四透镜4的焦距f4’＝292.907；后透镜组的光焦度按照负、正、正、负组合，后透镜组中的胶合镜(由第五透镜5与第六透镜6构成的胶合镜)的焦距f5-6’＝-149.466，第七透镜7的焦距f7’＝254.602，第八透镜8的焦距f8’＝568.440，第九透镜9的焦距f9’＝-217.106。
与具体实施方式一相比，本实施方式中的参数变化体现在：f4’＝308.634→292.907，f5-6’＝-155.869→-149.466。
本实施方式中，第一透镜1和第三透镜3均采用重火石玻璃制成；第五透镜5、第八透镜8和第九透镜9均采用镧火石玻璃制成；第二透镜2和第七透镜7均采用K9玻璃制成；第四透镜4和第六透镜6均采用K3玻璃制成。
本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的焦距为292.7mm，像方相对口径F#＝5，照明光谱谱段为450nm～480nm之间，物面13与像面10通过整个缩比物镜完全共轭，共轭距为1899mm，物面13的尺寸为750mm，像面10的尺寸为240mm，物面13和像面10的缩比倍率为0.32。如图7所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的传函MTF≥0.35(@110lp/mm)。如图8所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的整个视场内的缩比畸变小于0.012％。如图9所示，本实施方式的大视场无畸变缩比物镜的点列尺寸小于5.8μm。

Claims (7)

1.一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，包括沿光轴(11)依次排列的物面(13)、第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、光阑(12)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)和像面(10)；所述第五透镜(5)和第六透镜(6)组成胶合镜，所述物面(13)发出的光线依次经第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、光阑(12)、胶合镜、第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)到达像面(10)进行成像；
所述光阑(12)将整个缩比物镜分成前透镜组和后透镜组，所述第一透镜(1)至第四透镜(4)组成前透镜组，所述前透镜组的光焦度按照正、负、正、正组合，所述前透镜组的焦距比例关系为：(6.8～7.2):(-0.85～-1.22):(0.9～1.2):(1.85～2.15)；所述胶合镜、第七透镜(7)、第八透镜(8)和第九透镜(9)组成后透镜组，所述后透镜组的光焦度按照负、正、正、负组合，所述后透镜组的焦距比例关系为：(-0.9～-1.1):(1.5～1.7):(3.6～4):(-1.25～-1.55)；通过前透镜组和后透镜组校正系统高级像差和平衡像差，通过胶合镜的胶合面校正系统色差；
所述物面(13)和像面(10)相对于整个缩比物镜完全共轭，共轭距为缩比物镜焦距的6～8倍，所述物面(13)和像面(10)的缩比倍率为0.25～0.4。
2.根据权利要求1所述的一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，所述物面(13)和像面(10)的缩比畸变小于0.012％，所述物面(13)的尺寸为750mm。
3.根据权利要求1所述的一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，还包括设置在第六透镜(6)与第七透镜(7)之间的平板滤光片(14)，用于选取不同的谱段。
4.根据权利要求1所述的一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，所述物面(13)和像面(10)均垂直于光轴(11)，所述物面(13)和像面(10)均为平面。
5.根据权利要求1所述的一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，所述第一透镜(1)、第三透镜(3)、第五透镜(5)、第八透镜(8)和第九透镜(9)均采用重火石玻璃或镧火石玻璃制成。
6.根据权利要求1所述的一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，所述第二透镜(2)、第四透镜(4)、第六透镜(6)和第七透镜(7)均采用K9玻璃或K3玻璃制成。
7.根据权利要求1所述的一种大视场无畸变缩比物镜，其特征在于，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)均为单镜。
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