CN105403980A - 一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头 - Google Patents

一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，所述超消色差镜头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面包括从物面到像面依次排列的前组、中间组及后组；所述前组与中间组间的距离为21.1698±0.5mm，所述中间组与后组间的距离为14.1420±0.1mm；前组包括顺序排列的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜；中间组包括顺序排列的第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜；后组包括第四负透镜和第六正透镜。本发明具有大视场、高分辨率、低畸变及超消色差特性，无CaF2材料降低制造成本，应用于机器视觉检测可以大幅提升机器视觉检测的精度。

Description

一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头
技术领域
本发明涉及光学成像技术中机器视觉检测设备，具体是一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头。
背景技术
机器视觉检测是现代工业常用的检测技术，其集合了光学、精密仪器制造、控制、计算机图像处理等多门学科。近年来，随着我国工业集成化、智能化程度的提升，对机器视觉检测镜头的成像质量的要求也在不断提高。传统的机器视觉检测镜头都无法做到在大视场情况下的复消色差或超消色差设计。轴向色差的存在严重限制了镜头成像质量的提高。
超消色差的原理是对5个波长的光线在0.707带校正色差，这极大地提高了镜头的成像质量，与传统的机器视觉检测镜头相比，在相同使用条件下，超消色差镜头成像更加清晰，分辨率更高。
公开号为CN104808315的中国专利所设计的镜头具有较大的视场，但未校正轴向色差。
公开号为CN103499871的中国专利所设计的镜头实现了超消色差，但其视场较小，无法适用于机器视觉检测。
发明内容
本发明专利目的在于克服现有机器视觉检测镜头无法实现大视场条件下的高分辨率超消色差的要求，提供一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，该超消色差镜头符合大视场、高分辨率、低畸变、高像质要求。
实现本发明专利目的的技术方案：
一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面包括从物面到像面依次排列的前组、中间组及后组；所述前组与中间组间的距离为21.1698±0.5mm，所述中间组与后组间的距离为14.1420±0.1mm；
所述前组具有视场转换功能，包括从物面到像面顺序排列的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜；
所述中间组具有高分辨率功能，包括顺序排列的第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜；
所述后组具有补偿轴向色差功能，包括第四负透镜和第六正透镜。
所述正透镜均具有正折射能力。
所述透镜表面可以为球面也可以为非球面。
所述第二正透镜与第一负透镜组成一第一双胶合透镜，第二负透镜与第四正透镜组成一第二双胶合透镜，第四负透镜与第六正透镜组成一第三双胶合透镜，双胶合透镜具有较大光焦度。
所述后组还包括第五负透镜，所述第五负透镜置于第五正透镜与第四负透镜之间。
所述中间组还包括一光阑面，所述光阑面置于第四正透镜与第三负透镜之间。
所述镜头的物方视场为60mm×60mm，像方视场8mm×8mm，全视场像方成像分辨率达到280cycles/mm，物方分辨率为10.7μm。
该镜头的工作距离为240mm，焦距f’＝80mm，相对孔径D/f’＝0.325,物方视场角2ω＝14.25°；镜头畸变小，畸变值小于0.1％，且镜头内的透镜均不含CaF2材料。
所述镜头实现超消色差的波段范围为0.4μm-0.7μm。
所述镜头实现超消色差的波长为0.436μm、0.474μm、0.520μm、0.575μm和0.680μm五种波长，残余位置色差值<3.143E-4。
所述镜头在可见光光谱范围内，任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值|δ’λ1-δ’λ2|<5.62E-4。
本发明具有如下特点：
1.本发明在0.4μm-0.7μm波段实现超消色差，成像质量高；
2.本发明在可见光光谱范围内，任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值|δ’λ1-δ’λ2|<5.62E-4，具有较好的色差校正效果；
3.本发明具有大视场下的高分辨率特性，物方分辨率高；
4.本发明具有较小的畸变，物体成像变形小，利于减小机器视觉检测的误差；
5.本发明采用无CaF2材料，镜头制造成本低。
本发明的有益效果为：本发明具有大视场、高分辨率、低畸变及超消色差特性，无CaF2材料降低制造成本，应用于机器视觉检测可以大幅提升机器视觉检测的精度。
附图说明
图1为本发明实施例1中镜头的光路图；
图2为本发明实施例1中镜头的调制传递函数图；
图3为本发明实施例1中镜头的点列图；
图4为本发明实施例1中镜头的场曲与畸变图；
图5为本发明实施例1中镜头的纵向像差图；
图6为本发明实施例1中镜头的衍射环绕的能量分布图；
图7为本发明实施例1中镜头的点扩散函数图；
图8为本发明实施例1中镜头的光线扇形图；
图9为本发明实施例1中镜头在可见光光谱内的纵向像差图。
图10为本发明实施例2中镜头的光路图；
图11为本发明实施例2中镜头的调制传递函数图；
图12为本发明实施例2中镜头的点列图；
图13为本发明实施例2中镜头的场曲与畸变图；
图14为本发明实施例2中镜头的纵向像差图；
图15为本发明实施例2中镜头的衍射环绕的能量分布图；
图16为本发明实施例2中镜头的点扩散函数图；
图17为本发明实施例2中镜头的光线扇形图；
图18为本发明实施例2中镜头在可见光光谱内的纵向像差图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利进行进一步说明，但不是对本发明专利的限定。
实施例1
如图1，一种应用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，所述超消色差镜头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面分为具有视场转换功能的前组G1、高分辨率成像功能的中间组G2及补偿轴向色差功能的后组G3，所述前组G1、中间组G2及后组G3从物面到像面依次排列，三组均具有正光焦度；所述前组G1与中间组G2间的距离为21.1698±0.5mm，中间组G2与后组G3间的距离为14.1420±0.1mm；
所述前组G1包括顺序排列的第一正透镜L1、第二正透镜L2和第一负透镜L3，第二正透镜L2与第一负透镜L3组成一第一双胶合透镜。
中间组G2包括顺序排列的第三正透镜L4、第二负透镜L5、第四正透镜L6、光阑面、第三负透镜L7和第五正透镜L8，第二负透镜L5与第四正透镜L6组成一第二双胶合透镜。
后组G3包括第四负透镜L9和第六正透镜L10，第四负透镜L9和第六正透镜L10组成一第三双胶合透镜，组成的双胶合透镜具有较大光焦度。
本实施例中所使用透镜均为球面透镜。
所述超消色差镜头采用三段式结构，镜头的透镜单元均为不含CaF2材料制成的透镜。镜头的工作距离为240mm，焦距f’＝80mm，相对孔径D/f’＝0.325，物方视场角2ω＝14.25°，物方视场为60mm×60mm，物方分辨率达到10.7μm，像方视场8mm×8mm，像面接收器件使用1/2"的CCD工业相机，像面视场为8mm，像元尺寸5.4μm×5.4μm。
采用上述结构的实施例的具体结构数据如表1—镜头的结构数据表所示。透镜L1包含表面1、2，透镜厚度为12.5000mm，透镜L1到透镜L2间的距离为27.9597mm；透镜L2包含表面3、4，透镜厚度为8.8986mm；透镜L3包含表面4、5，透镜厚度为6.4382mm，透镜L3到透镜L4间的距离为21.1698mm；透镜L4包含表面6、7，透镜厚度为7.8mm，透镜L4到透镜L5间的距离为0.5455mm；透镜L5包含表面8、9，透镜厚度为6mm；透镜L6包含表面9、10，透镜厚度为4.6946mm，透镜L6到光阑面间的距离为22.8790；光阑面包含表面11，光阑面到透镜L7间的距离为0.4974mm；透镜L7包含表面12、13，投影厚度为5mm，透镜L7到透镜L8间的距离为0.4905mm；透镜L8包含表面14、15，透镜厚度为6mm，透镜L8到透镜L9间的距离为14.142mm；透镜L9包含表面16、17，透镜厚度为6.8594mm；透镜L10包含表面17、18，透镜厚度为5.7107mm，透镜L10到像面间的距离为4mm。
表1
像差曲线图见附图。如图2，全视场MTF值达到280cycles/mm，接近衍射极限；由图3可见最大视场处的RMS斑点半径为3.812μm，小于CCD像元尺寸5.4μm；由图4可见，系统畸变小，畸变值<0.2％；由图5可见，0.436μm、0.474μm、0,520μm、0.575μm和0.680μm波长的光线在0.707带基本会聚于一点，系统实现超消色差，残余位置色差值<3.62E-4；根据图6-图8可知，本实施例的综合像差、像质及照度均达到要求。
本发明在可见光区域，不同波长光线在0.707带的球差见表2，色差图见图9。表2中的数据表明在0.4—0.7μm波长范围内，任意波长光线在0.707带处的球差均处在-4.02E-4—-9.64E-4范围内，即任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值|δ’λ1-δ’λ2|<5.62E-4，在图9中可以明显看出在0.4—0.7μm波长范围内，不同波长光线的色差状况。
表2
本实施例采用三段式结构形式，采用10片镜片，其中包括3个双胶合透镜。
实施例2
本实施例给出一种在实施例1基础上增加透镜和非球面的变型应用。参照图10，一种应用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，所述超消色差镜头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面分为具有视场转换功能的前组G1、高分辨率成像功能的中间组G2及补偿轴向色差功能的后组G3，所述前组G1、中间组G2及后组G3从物面到像面依次排列，三组均具有正光焦度；所述前组G1与中间组G2间的距离为21.1698±0.5mm，中间组G2与后组G3间的距离为14.1420±0.1mm；
所述前组G1包括顺序排列的第一正透镜L1、第二正透镜L2和第一负透镜L3，第二正透镜L2与第一负透镜L3组成一第一双胶合透镜。
中间组G2包括顺序排列的第三正透镜L4、第二负透镜L5、第四正透镜L6、光阑面、第三负透镜L7和第五正透镜L8，第二负透镜L5与第四正透镜L6组成一第二双胶合透镜。
本实施例中，后组G3还包括第五负透镜L9，即后组G3包括第五负透镜L9、第四负透镜L10和第六正透镜L11，第四负透镜L10与第六正透镜L11组成一第三双胶合透镜，组成的双胶合透镜具有较大光焦度。
其中所用透镜可以为球面透镜也可以为非球面透镜。
超消色差镜头采用三段式结构，镜头的透镜单元均为不含CaF2材料制成的透镜。镜头的工作距离为240mm，焦距f’＝80mm，相对孔径D/f’＝0.325，物方视场角2ω＝14.25°，物方视场为60mm×60mm，物方分辨率达到10.7μm，像方视场7.76mm×7.76mm，像面接收器件使用1/2"的CCD工业相机，像面视场为8mm，像元尺寸5.4μm×5.4μm。
采用上述结构的实施例的具体结构数据如表3—镜头的结构数据表所示。透镜L1包含表面1、2，透镜厚度为12.5000mm，透镜L1到透镜L2间的距离为27.9597mm；透镜L2包含表面3、4，透镜厚度为8.8986mm；透镜L3包含表面4、5，透镜厚度为6.4382mm，透镜L3到透镜L4间的距离为21.1698mm；透镜L4包含表面6、7，透镜厚度为7.8mm，透镜L4到透镜L5间的距离为0.5455mm；透镜L5包含表面8、9，透镜厚度为6mm；透镜L6包含表面9、10，透镜厚度为4.6946mm，透镜L6到光阑面间的距离为22.8790；光阑面包含表面11，光阑面到透镜L7间的距离为0.4974mm；透镜L7包含表面12、13，投影厚度为5mm，透镜L7到透镜L8间的距离为0.4905mm；透镜L8包含表面14、15，透镜厚度为6mm，透镜L8到透镜L9间的距离为14.142mm；透镜L9包含表面16、17，透镜厚度为0.8589mm；透镜L9到透镜L10间的距离为0.4973mm；透镜L10包含表面18、19，透镜厚度为6.8594mm；透镜L11包含表面19、20，透镜厚度为5.7107mm，透镜L11到像面间的距离为4mm。
表3
表面 类型 半径 距离 材料 口径
物面 240 60
1 非球面 251.7904 12.5000 1.496997,81.61 52.4209
2 非球面 -114.4193 27.9597 51.7364
3 非球面 40.3676 8.8986 1.717360,29.50 36.0989
4 标准球面 264.7859 6.4382 1.612718，58.58 32.7440
5 非球面 26.8774 21.1698 26.5019
6 非球面 16.1245 7.8000 1.456500，90.27 18.9221
7 非球面 -224.1536 0.5455 15.4705
8 非球面 -162.3337 6.0000 1.625884，35.70 15.0419
9 标准球面 6.7810 4.6946 1.496997,81.61 10.3022
10 非球面 12.8163 22.8790 8.8605
11 光阑面 0.4974 7.7949
12 非球面 18.3482 5.0000 1.834813，42.74 8.2453
13 非球面 9.9334 0.4905 8.5678
14 非球面 10.8725 6.0000 1.456500，90.27 9.1117
15 非球面 -14.0906 14.1420 10.5495
16 标准球面 30.2606 0.8589 1.456500，90.27 12.4650
17 标准球面 36.2938 0.4973 12.4270
18 非球面 15.2951 6.8594 1.612718,58.58 12.5474
19 标准球面 6.0419 5.7107 1.717360，29.50 10.2267
20 非球面 10.5135 4.0000 8.5459
像面 7.7647
表3中所用非球面可以用下列公式表示
Z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + A 2 r 2 + A 4 r 4 + A 6 r 6
式中Z为曲面沿光轴的偏移量，c为顶点曲率，r为透镜表面半口径，k为二次曲面常数，A2、A4、A6分别为二阶、四阶、六阶系数。
非球面的系数如表4所示
表4
表面 二次曲面系数k 系数A2 系数A4 系数A6
1 15.7643 1.3259E-4 3.9891E-8 -2.8457E-10
2 3.1665 -2.5934E-4 -3.3933E-7 5.2003E-11
3 -0.0820 -2.2195E-4 -7.7115E-7 -1.9575E-9
5 0.4368 3.5562E-4 -1.5127E-6 -9.4351E-9
6 0.1192 -2.7445E-3 -2.1903E-5 5.8498E-8
7 -4163.3171 2.3661E-3 3.8310E-5 5.2649E-7
8 -1944.7147 4.5540E-3 3.5017E-5 3.1301E-7
10 1.5427 -1.9014E-3 -1.0000E-4 -2.3629E-6
12 0.9437 -1.5796E-3 -4.0176E-5 -1.1160E-6
13 -0.1900 -1.3705E-4 -3.1977E-5 -2.6707E-6
14 0.7833 2.8387E-4 -1.8423E-4 -3.6122E-6
15 1.3204 2.4470E-3 -3.2983E-5 1.4618E-7
18 -3.5273 5.0161E-3 4.7591E-5 -2.0843E-7
20 -0.0703 7.3648E-3 -5.1264E-4 1.4618E-6
像差曲线图见附图。如图11，全视场MTF值达到280cycles/mm，接近衍射极限；由图12可见最大视场处的RMS斑点半径为0.809μm，小于CCD像元尺寸5.4μm；由图13可见，系统畸变小，畸变值≤0.1％；由图14可见，0.436μm、0.474μm、0,520μm、0.575μm和0.680μm波长的光线在0.707带基本会聚于一点，系统实现超消色差，残余位置色差值<3.143E-4；根据附图15-附图17可知，本实施例的综合像差、像质及照度均达到要求。
本发明在可见光区域，不同波长光线在0.707带的球差见表5，色差图见图18。表5中的数据表明在0.4—0.7μm波长范围内，任意波长光线在0.707带处的球差均处在1.28E-3—5.22E-4范围内，即任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值|δ’λ1-δ’λ2|<7.58E-4，在图18中可以明显看出在0.4—0.7μm波长范围内，不同波长光线的色差状况。
表5
本实施例采用三段式结构形式，采用11片镜片，其中包括3个双胶合透镜。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述超消色差镜头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面包括从物面到像面依次排列的前组、中间组及后组；所述前组与中间组间的距离为21.1698±0.5mm，所述中间组与后组间的距离为14.1420±0.1mm；
所述前组包括顺序排列的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜；
所述中间组包括顺序排列的第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜；
所述后组包括第四负透镜和第六正透镜。
2.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述透镜表面为球面或非球面。
3.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述第二正透镜与第一负透镜组成一第一双胶合透镜，第二负透镜与第四正透镜组成一第二双胶合透镜，第四负透镜与第六正透镜组成一第三双胶合透镜。
4.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述后组还包括第五负透镜，所述第五负透镜置于第五正透镜与第四负透镜之间。
5.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述中间组还包括一光阑面，所述光阑面置于第四正透镜与第三负透镜之间。
6.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述镜头的物方视场为60mm×60mm，像方视场8mm×8mm，全视场像方成像分辨率达到280cycles/mm，物方分辨率为10.7μm。
7.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述镜头工作距离为240mm，焦距f’=80mm，相对孔径D/f’=0.325,物方视场角2ω=14.25°，畸变值小于0.2%，且镜头内的透镜均不含CaF2材料。
8.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述镜头实现超消色差的波段范围为0.4μm-0.7μm。
9.如权利要求1或8所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述镜头实现超消色差的波长为0.436μm、0.474μm、0.520μm、0.575μm和0.680μm五种波长，残余位置色差值<3.143E-4。
10.如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述镜头在可见光光谱范围内，任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值|δ’λ1-δ’λ2|<5.62E-4。
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