CN106066529A - 一种大视场折反式测量光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场折反式测量光学系统，从物面到像面包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。第一透镜和第二透镜沿着成像光轴平行设置，第二透镜的后方设置一个倾斜45°的平面全反射镜，使成像光轴偏转90°，第三透镜至第五透镜沿着偏转后的成像光轴平行设置；第三透镜与第四透镜之间设置一光阑；第一透镜为玻璃透镜并且物面为微凸球面、像面为凸球面；第二透镜为玻璃透镜并且物面为凸球面、像面为凹球面；第三透镜为胶合镜片；第四透镜为胶合镜片；第五透镜为玻璃透镜并且物面为平面，像面为凸球面。本发明的测量光学系统，将整个成像镜头的光学总长减小了2/3以上且不会受到成像空间的限制。

Description

一种大视场折反式测量光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统，尤其涉及一种大视场折反式测量光学系统。
背景技术
由于工业相机具有一定的空间体积，在用于某些视觉检测时，无论怎么安装相机都无法保证相机安装在拍摄物体的视场中心位置。因为一般的测量镜头都有固定的视场，并且视场的中心一定是在镜头的视场范围内，所以如果工业相机的安装高度限制了镜头的安装高度，就使镜头的视场无法完全覆盖要检测的物体，这样一定会有需要检测的物体特征无法拍摄到。
一般的测量镜头由于有固定的光学倍率和比较大的光学景深，所以这类镜头一般都会有比较大的口径和长度。因为一般的工业相机镜头内的若干个镜片是轴向排列的，即从靠近镜头视场的第一个镜片到靠近相机靶面的最后一个镜片都在同一个光轴上排列，这样所有镜片的厚度和镜片之间的间隔距离的总和构成了镜头的光学总长。在实际工业现场应用过程中，往往没有那么大的安装空间来放置镜头、相机和光源，所以对于有安装空间要求的视觉检测项目，若在钣金折边部分的大视场拍摄中，测量镜头的使用就会受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大视场折反式测量光学系统，光学效率高，结构紧凑，不仅将整个成像镜头的光学总长减小了2/3以上，而且也保证了工业相机的位置不会受到成像空间的限制。
实现上述目的的技术方案是：一种大视场折反式测量光学系统，从物面到像面包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，
所述第一透镜和第二透镜沿着成像光轴依次平行设置，所述第二透镜的后方设置一个倾斜45°的平面全反射镜，使成像光轴偏转90°，所述第三透镜、第四透镜和第五透镜沿着偏转90°后的成像光轴依次平行设置；
所述第三透镜与第四透镜之间设置一光阑，使系统形成远心成像光路；
所述第一透镜为中心厚度等于21.75～24.85mm的玻璃透镜并且物面为微凸球面、像面为凸球面，其折射率为1.740770，色散系数为27.7679；
所述第二透镜为中心厚度等于11.2～14.3mm的玻璃透镜并且物面为凸球面、像面为凹球面，其折射率为1.740770，色散系数为27.7679；
所述第三透镜为中心厚度等于9.6～10.2mm的胶合透镜并由一物面为平面、像面为凸球面的第三前镜片和一物面为凹球面、像面为平面的第三后镜片胶合而成；第三前镜片的折射率为1.622094，色散系数为56.7260；第三后镜片的折射率为1.755205，色散系数为27.5462；
所述第四透镜为中心厚度等于13.55～13.65mm的胶合透镜并由一物面为平面、像面为凸球面的第四前镜片和一物面为凹球面、像面为凸球面的第四后镜片胶合而成；第四前镜片的折射率为1.846669，色散系数为23.8275；第四后镜片的折射率为1.693631，色散系数为49.2330；
所述第五透镜为中心厚度等于4.15～4.25mm的玻璃透镜并且物面为平面，像面为凸球面，其折射率为1.945958，色散系数为17.9439。
上述的大视场折反式测量光学系统，其中，所述第二透镜与平面全反射镜的光学间隔为13.2～14.2mm(13.7mm)；所述平面全反射镜与第三透镜之间的光学间隔为65～75mm(70mm)。
上述的大视场折反式测量光学系统，其中，所述测量光学系统的远心度＜0.06％，弥散圆＜4μm，整个景深为15mm，工作距离为260mm。
本发明的有益效果是：由五组不同材质的球面透镜和一个倾斜45°的平面全反射镜组合而成，使成像光轴偏转90°，不仅将整个成像镜头的光学总长减小了2/3以上，使得系统的结构紧凑，而且也保证了工业相机的体积和安装位置不会影响到成像空间。通过设置光阑使系统形成远心成像光路，畸变小，使影像质素优越，无视差，特别适合于精密测量的应用。对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度较小，因此成像精确，能够很好地反映实物的图像，大大提高了测量精度和稳定性。另外五组透镜均采用球面透镜，能大幅度降低加工、检测和装校的难度和成本。
附图说明
图1是本发明的大视场折反式测量光学系统的结构示意图；
图2是本发明的大视场折反式测量光学系统的光路系统示意图；
图3是本发明的大视场折反式测量光学系统的调制光学传递函数曲线图；
图4是本发明的大视场折反式测量光学系统的场曲和畸变曲线图；
图5是本发明的大视场折反式测量光学系统的弥散圆示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1和图2，本发明的大视场折反式测量光学系统，从物面10到像面20依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，其中：
第一透镜1和第二透镜2沿着成像光轴依次平行设置，第二透镜2的后方设置一个倾斜45°的平面全反射镜6，使成像光轴偏转90°，第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5沿着偏转90°后的成像光轴依次平行设置，使第一透镜1、第二透镜2与第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5垂直设置；
第三透镜3与第四透镜4之间并靠近第三透镜3设置一光阑7，使系统形成远心成像光路；
第二透镜2与平面全反射镜6的光学间隔为13.2～14.2mm(13.7mm)；
平面全反射镜6和第三透镜3之间的光学间隔为65～75mm(70mm)；
第一透镜1为中心厚度等于21.75～24.85mm的玻璃透镜并且物面为微凸球面、像面为凸球面，其折射率为1.740770，色散系数为27.7679；第一透镜1为成都光明的h-k9l；
第二透镜2为中心厚度等于11.2～14.3mm的玻璃透镜并且物面为凸球面、像面为凹球面，其折射率为1.740770，色散系数为27.7679；第二透镜2为成都光明的h-k9l；
第三透镜3为中心厚度等于9.6～10.2mm的胶合透镜，并由第三前镜片和第三后镜片胶合而成，第三前镜片的物面为平面，像面为凸球面，第三前镜片的折射率为1.622094，色散系数为56.7260；第三前镜片为成都光明的H-ZK10L；第三后镜片的物面为凹球面，像面为平，第三后镜片的折射率为1.755205，色散系数为27.5462；第三后镜片为成都光明的H-ZF62；
第四透镜4为中心厚度等于13.55～13.65mm的胶合透镜，并由第四前镜片和第四后镜片胶合而成；第四前镜片的物面为平面，像面为凸球面；第四前镜片的折射率为1.846669，色散系数为23.8275；第四前镜片为成都光明的H-LAF1；第四后镜片的物面为凹球面，像面为凸球面；第四后镜片的折射率为1.693631，色散系数为49.2330；第四后镜片为成都光明的ZF52；
第五透镜5为中心厚度等于4.15～4.25mm的玻璃透镜并且物面为平面，像面为凸球面，其折射率为1.945958，色散系数为17.9439；第五透镜5为成都光明的H-ZF88。
系统的远心度＜0.06％，弥散圆＜4μm，整个景深为15mm，工作距离为260mm。
本发明的大视场折反式测量光学系统，采用五组不同材质的球面透镜和一个倾斜45°的平面全反射镜组合而成，其中，五组球面透镜是一套经过像差校正的定倍率、大视场的光学系统，在第二透镜和第三透镜之间设置一片倾斜45°的平面全反射镜，使光路偏转90°，重新分配好第二组透镜和平面全反射镜的光学间隔以及平面全反射镜和第三透镜之间的光学间隔，以保证偏转后的成像光路系统性能不受影响。偏转后的光路可以保证工业相机最后的安装位置和成像面的夹角为90°，不仅将整个成像镜头的光学总长减小了2/3以上，使得系统的结构紧凑，而且也保证了工业相机的体积和安装位置不会影响到成像空间。
通过设置光阑使系统形成远心成像光路，远心度＜0.06％，弥散圆＜4μm(见图5)，因此成像精确；畸变小，使影像质素优越，无视差，特别适合于精密测量的应用。
本发明的大视场折反式测量光学系统，搭配2/3”靶面的相机后横向视场为100mm。系统的整个景深为15mm，工作距离为260mm，按照远心度0.06％来计算，工作距离在景深内的偏差会造成系统的视场变化范围小于0.01％，所以系统的光学倍率在景深范围内的变化可以忽略而接近恒定，从而消除了视角误差，能够很好地反映实物的图像。另外五组透镜均采用球面透镜，能大幅度降低加工、检测和装校的难度和成本。
从图4看出，本发明的大视场折反式测量光学系统，对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度较小，即径向畸变和梯形畸变小于0.1％，场曲也小于0.1％，因此大大提高了测量精度和稳定性,而且光学效率高，结构紧凑。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (3)

1.一种大视场折反式测量光学系统，从物面到像面包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其特征在于，
所述第一透镜和第二透镜沿着成像光轴依次平行设置，所述第二透镜的后方设置一个倾斜45°的平面全反射镜，使成像光轴偏转90°，所述第三透镜、第四透镜和第五透镜沿着偏转90°后的成像光轴依次平行设置；
所述第三透镜与第四透镜之间设置一光阑，使系统形成远心成像光路；
所述第一透镜为中心厚度等于21.75～24.85mm的玻璃透镜并且物面为微凸球面、像面为凸球面，其折射率为1.740770，色散系数为27.7679；
所述第二透镜为中心厚度等于11.2～14.3mm的玻璃透镜并且物面为凸球面、像面为凹球面，其折射率为1.740770，色散系数为27.7679；
所述第三透镜为中心厚度等于9.6～10.2mm的胶合透镜并由一物面为平面、像面为凸球面的第三前镜片和一物面为凹球面、像面为平面的第三后镜片胶合而成；第三前镜片的折射率为1.622094，色散系数为56.7260；第三后镜片的折射率为1.755205，色散系数为27.5462；
所述第四透镜为中心厚度等于13.55～13.65mm的胶合透镜并由一物面为平面、像面为凸球面的第四前镜片和一物面为凹球面、像面为凸球面的第四后镜片胶合而成；第四前镜片的折射率为1.846669，色散系数为23.8275；第四后镜片的折射率为1.693631，色散系数为49.2330；
所述第五透镜为中心厚度等于4.15～4.25mm的玻璃透镜并且物面为平面，像面为凸球面，其折射率为1.945958，色散系数为17.9439。
2.根据权利要求1所述的大视场折反式测量光学系统，其特征在于，所述第二透镜与平面全反射镜的光学间隔为13.2～14.2mm(13.7mm)；所述平面全反射镜与第三透镜之间的光学间隔为65～75mm(70mm)。
3.根据权利要求1所述的大视场折反式测量光学系统，其特征在于，所述测量光学系统的远心度＜0.06％，弥散圆＜4μm，整个景深为15mm，工作距离为260mm。
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TR01 Transfer of patent right

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