CN106526813B - 一种光学镜头 - Google Patents

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Abstract

一种光学镜头,沿光轴从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片、和第二镜片、第三镜片、第四镜片、具有负光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六镜片和第七镜片、具有负光焦度的第八镜片和第九镜片、具有正光焦度的第十镜片、具有正光焦度的第十一镜片和第十二镜片、具有负光焦度的第十三镜片和第十四镜片、具有正光焦度的第十五镜片和第十六镜片。其中,第四镜片与第五镜片胶合,第七镜片与第八镜片胶合,第九镜片与第十镜片胶合,十二镜片与第十三镜片胶合。第八镜片与第九镜片之间,配置有系统的孔径光阑STP。在成像面IMG,配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。

Description

一种光学镜头
技术领域
本发明涉及一种超大靶面、超高分别率、零畸变、超大光圈的工业镜头。
背景技术
伴随着加工制造业开始向高精尖的方向转型,机器视觉的市场也得到了前所未有的开拓。简单地说,机器视觉系统就是用机器来代替人眼:在不适合人工作业的危险环境或人眼生理极限难以满足要求的场合,机器视觉就可以发挥作用;在大批量生产中,人工视觉检查效率低下且精度不高,机器视觉能极大地提高生产效率与自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成,在生产线上对产品进行快速地测量、引导、检测、识别和定位,形成一条高质量的生产链系统。时至今日,机器视觉已经成为计算机学科的重要分支。
机器视觉系统的眼睛就是工业相机,相机的眼瞳便是镜头,可以说镜头的质量直接决定了系统的整体性能。根据对应传感器架构的不同,又分为线扫描镜头和面扫描镜头。由于线扫描相机具有高传输速率、超高分辨率、大动态范围、高灵敏度的天然优势,因而对于连续高速运动、高精度检测、大幅面视场的工业检测项目,线扫描相机是必然的选择。
线阵传感器的感光部是一段狭长的线型区域,对应镜头的成像靶面会达到数英寸之大,常规的工业镜头有效像圆过小,根本无法满足使用需求;不同于一般的摄影镜头,工业检测对于画面中心与周边的像质差异、明暗变化、畸变有着苛刻的要求,为了保证性能的优良,镜头往往只能在体积与长度上妥协,因而镜头安装要预留很大的空间。因为作业环境的差异和检测对象的不同,过于庞大的镜头难以在各种检测场合下兼容使用;随着很多精密制造业的兴起,诸多工业检测的要求都达到了几微米的数量级,市面上已有的工业镜头,其最小分辨率大都在10微米以上,已经不再适用;同时,为了得到精细的画面与锐利的拍摄效果,要求镜头的光圈尽可能做大,但是长焦段的线扫描工业镜头光圈普遍较小。
专利公开文献P2011-107313A该专利中介绍了一款小型化的工业镜头,但是其像高过小,无法适用于大靶面的线扫描工业相机。
总体上,现有技术具有如下缺点:
1.镜头超大靶面与小体积难以实现。由于线阵传感器的像素点是以一列或几列的线型排列,同时为了保证单颗像素的进光量充足,像素点往往较大,这使得感光区域非常狭长。传统的大靶面成像常常使用数个相机拍摄,获取图像后再进行拼接与合成,但这一过程带来的巨大计算量,在要求越来越严格的实时监测中已经成为硬伤。越来越多的工业检测开始寻求一款具有超大靶面的工业成像镜头。受限于现有的加工和组装工艺,数英寸的有效圆径会使得镜头的设计难度呈几何式增长,不得不使用大量的镜片堆叠与及其复杂的机构,众多的镜片会造成镜头体积增大,过大的累积公差也会降低镜头的组装良率和效率。如何在较短的体积内,用简单的结构实现大靶面是该款镜头的一大技术难点。
2.过多使用非球面镜片。近年来,晶圆阵面、电路集成等工艺都已经达到了1μm的数量级,必须要求检测镜头的分辨率也达到这一水准。为了保证生产中被测物体的中心与边缘都能被清晰地捕捉到,要求镜头必须实现无畸变、中心与周边的性能没有明显差异,周边光量无明显变化。普通的工业镜头常通过使用非球面镜片来实现上述要求,非球面的使用可以有效提升成像质量、平衡画面中心与周边的性能差异。而在镜头前端约束光线的面型上使用非球面,可以大大约束成像变形量,达到无畸变的效果。但是非球面具有高敏感度的特性决定了精密的工业镜头中,难以使用非球面镜片。采用纯球面镜片的结构实现上述需求成为该镜头设计的关键。
3.大光圈镜头的设计难度。镜头的光圈大小直接决定了成像的亮度,较大的光圈口径也能使得画面的观感更为锐利,细节再现的真实感大大增强。但是同样的,大光圈也会造成成像质量下降、镜头体积增大、景深过浅等问题,给光学设计带来很大的难度。如何在规避以上问题的前提下,尽可能地放大镜头的光圈也是目前需要攻克的一个难点。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点,提供一种超大靶面、亿万级分辨率、零畸变、具有超大光圈、较小体积的线扫描光学镜头。
基于对以上各类工业镜头固有缺陷的研究,本发明根据经典光学成像公式的推演计算,结合在设计光学设计生产中的经验,并通过专业软件仿真验证,以期创新设计一种新型结构的工业镜头,能够改进一般现有的镜头各种缺陷,使其具有更为优异的性能和更为广泛的适用性。经过不断的试验与改进,并在实际环境中模拟测试,完成了本发明设计,
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种光学镜头,沿光轴从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有正光焦度的第四镜片L4、具有负光焦度的第五镜片L5、具有正光焦度的第六镜片L6、具有正光焦度的第七镜片L7、具有负光焦度的第八镜片L8、具有负光焦度的第九镜片L9、具有正光焦度的第十镜片L10、具有正光焦度的第十一镜片L11、具有正光焦度的第十二镜片L12、具有负光焦度的第十三镜片L13、具有负光焦度的第十四镜片L14、具有正光焦度的第十五镜片L15、具有正光焦度的第十六镜片L16。其中,所述的第四镜片L4与第五镜片L5胶合,所述的第七镜片L7与第八镜片L8胶合,所述的第九镜片L9与第十镜片L10胶合,所述的第十二镜片L12与第十三镜片L13胶合。所述的第八镜片L8与第九镜片L9之间,配置有系统的孔径光阑STP。在成像面IMG,配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。
优选地,第一镜片(L1)、具有正光焦度的第二镜片(L2)和第三镜片(L3)都为光焦度较小的正透镜,三者共同构成形成光焦度较大的第一镜片组(G1),分摊了光焦度,有效地降低了各个镜片的敏感度;第一镜片(L1)采用了超低色散玻璃,约束了光学系统的轴上色差;第二镜片(L2)、第三镜片(L3)均采用高折射率材料,极大地改善了球面像差,同时大幅延长了镜头的工作距离。第一镜片(L1)、第二镜片(L2)、第三镜片(L3)满足以下的条件式:
(1)Vd1>65或Vd2>65
(2)Nd3>1.8
(3)1.65>f123/Φ1r1>0.85
其中Vd1表示镜片L1的阿贝数,Vd2表示镜片L2的阿贝数,Nd3表示镜片L3的折射率,f123表示三枚镜片的总焦距,Φ1r1表示镜片L1前表面的有效口径。
优选地,第四镜片(L4)、具有负光焦度的第五镜片(L5)、第六镜片(L6)组成第二镜片组(G2),所述的第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合;其中,第四镜片(L4)和第五镜片(L5)搭配了合理的镜片折射率和阿贝数,有效地减小了光学系统的轴外色差;镜片(L6)采用了超低色散玻璃,约束了光学系统的轴上色差;第四镜片(L4)、第五镜片(L5)和第六镜片(L6)共同作用,缓和了光线的曲折程度。第四镜片(L4)、第五镜片(L5)、第六镜片(L6)满足以下的条件式:
(4)-2.7>f45/Φ4r1>-4.00
(5)Vd6>65
其中f45表示镜片L4与镜片L5胶合镜片的焦距,Φ4r1表示镜片L4前表面的有效口径,Vd6表示镜片L6的阿贝数。
优选地,第七镜片(L7)、第八镜片(L8)、第九镜片(L9)、第十镜片(L10)组成第三镜片组(G3),所述的第七镜片(L7)与第八镜片(L8)胶合,所述的第九镜片(L9)与第十镜片(L10)胶合。其中,第八镜片(L8)与第九镜片(L9)之间,配置有孔径光阑(STP)。采用这类正透镜、负透镜、光阑、负透镜、正透镜顺序排列的结构,能够有效地减小光学系统的尤其是球差、像散和场曲,使得镜头中心与周边达到相同画质成为可能。第七镜片(L7)、第八镜片(L8)、第九镜片(L9)、第十镜片(L10)满足以下的条件式:
(6)1.55>f7/f9>0.55
(7)1.45>f8/f10>0.50
(8)-1.75>f9/f10>-0.55
其中f7表示镜片L7的焦距,f8表示镜片L8的焦距,f9表示镜片L9的焦距,f10表示镜片L10的焦距。
优选地,第十一镜片(L11)、第十二镜片(L12)、第十三镜片(L13)、第十四镜片(L14)组成第四镜片组(G4),所述的第十二镜片(L12)与第十三镜片(L13)胶合。其中,超低色散玻璃的使用调节了光学系统的色差,在胶合件中搭配了阿贝数与折射率,进一步减小了系统的场曲。第十一镜片(L11)、第十二镜片(L12)、第十三镜片(L13)、第十四镜片(L14)满足以下的条件式:
(9)Vd11>65
(10)Vd12>55
(11)Vd14>60
(12)-1.95>f14/Φ14r1>-3.05
其中Vd11表示镜片L11的阿贝数,Vd12表示镜片L12的阿贝数,Vd14表示镜片L14的阿贝数,f14表示镜片L14的阿贝数,Φ14r1表示镜片L14前表面的有效口径。
优选地,第十五镜片(L15)、第十六镜片(L16),二者共同形成光焦度较大的第五镜片组(G5),分摊了光焦度,有效地降低了各个镜片的敏感度,同时这一镜片决定了光学出瞳的位置,可以有效地压缩镜头的光学全长,为镜头实现大光圈提供可能。第十一镜片(L15)、第十二镜片(L16)满足以下的条件式:
(13)-1.85>f1516/Φ15r1>-3.20
(14)Nd15>1.8
(15)Nd16>1.8
其中f1516表示两枚镜片的总焦距,Φ15r1表示镜片L15前表面的有效口径,Nd15表示镜片L15的折射率,Nd16表示镜片L16的折射率。
另外,在第十六镜片(L16)和成像面(IMG)之间,配置有一片保护玻璃(CG)。保护玻璃(CG)可根据需要配置、而在不需要时可以省略。滤光片(ICF)的作用是滤除杂散光。
本发明创造的优点如下:
1.兼顾了镜头的超大靶面与小体积
本发明通过复杂的光学计算,以传统的双高斯结构为基础,通过多群组的组合与拆分,优化了原有结构的缺陷,将镜头的性能提升至亿万级像素的级别。设计中,在前群连续使用高折射率的镜片,大大压缩了镜头的总长,同时保证了摄影距离不受损失;而在尾端,在传统单凸透镜的基础上,以双胶合件配合双凸透镜的形式取代,做到了不带入新的光学像差的同时,平稳放大了系统的靶面到Φ82mm以上。
2.不使用非球面镜片
在本发明中,在前群与后群原本使用非球面镜片的位置,特别地采用正负透镜胶合件配合单透镜的方式来替代,经由光学模拟软件严密地推导,反复修改参数,在对球差与慧差的控制上做到了与非球面相同的水准。在镜头的凸透镜元件上,大胆地使用大量异常色散玻璃,也达到了非球面能够收敛周边色差的效果。最终,实现了不使用非球面镜片的目标。
3.实现了超大光圈
通过对诸多相似结构的分析和实物的拆解测试,本发明发现设计结构中对于光圈敏感部位在镜头的后群部分,因此,在这些关键位置采取了多枚凸透镜堆叠的方式,将中心主光线层层放大,在尽量不影响镜头外径与成像质量的前提下实现了F0.8的超大光圈,超出目前市面上常见的工业镜头5倍以上。根据实测,成像亮度大幅提高、色彩鲜鋭度及其丰富。
附图说明
图1是本发明的镜头的光学结构示意图。
图2是本发明的实施例1镜头相对于d线的各像差图。
具体实施方式
下面参照附图进一步说明本发明的技术方案。
一种光学镜头,沿光轴从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片(L1)、具有正光焦度的第二镜片(L2)、具有正光焦度的第三镜片(L3)、具有正光焦度的第四镜片(L4)、具有负光焦度的第五镜片(L5)、具有正光焦度的第六镜片(L6)、具有正光焦度的第七镜片(L7)、具有负光焦度的第八镜片(L8)、具有负光焦度的第九镜片(L9)、具有正光焦度的第十镜片(L10)、具有正光焦度的第十一镜片(L11)、具有正光焦度的第十二镜片(L12)、具有负光焦度的第十三镜片(L13)、具有负光焦度的第十四镜片(L14)、具有正光焦度的第十五镜片(L15)、具有正光焦度的第十六镜片(L16)。其中,所述的第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合,所述的第七镜片(L7)与第八镜片(L8)胶合,所述的第九镜片(L9)与第十镜片(L10)胶合,所述的第十二镜片(L12)与第十三镜片(L13)胶合。所述的第八镜片(L8)与第九镜片(L9)之间,配置有系统的孔径光阑(STP)。另外,在第十六镜片(L16)和成像面(IMG)之间,配置有一片保护玻璃(CG)。保护玻璃(CG)可根据需要配置、而在不需要时可以省略。在成像面(IMG),配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。
以下,示出关于实施例1的定焦镜头的各种数值数据。
有效焦距EFL=120.50
F数=0.77
垂轴放大率β=5
表1显示了实施例1镜头的结构参数。
表1
符号说明
L1、L2…L16第一透镜、第二透镜…第十六透镜
S1、S2…S30第一表面、第二表面…第三十表面
G1、G2…G5第一镜片组、第二镜片组…第五镜片组
STP孔径光阑
IMG成像面
CG保护玻璃。

Claims (2)

1.一种光学镜头,其特征在于:沿光轴从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片(L1)、具有正光焦度的第二镜片(L2)、具有正光焦度的第三镜片(L3)、具有正光焦度的第四镜片(L4)、具有负光焦度的第五镜片(L5)、具有正光焦度的第六镜片(L6)、具有正光焦度的第七镜片(L7)、具有负光焦度的第八镜片(L8)、具有负光焦度的第九镜片(L9)、具有正光焦度的第十镜片(L10)、具有正光焦度的第十一镜片(L11)、具有正光焦度的第十二镜片(L12)、具有负光焦度的第十三镜片(L13)、具有负光焦度的第十四镜片(L14)、具有正光焦度的第十五镜片(L15)、具有正光焦度的第十六镜片(L16);其中,所述的第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合,所述的第七镜片(L7)与第八镜片(L8)胶合,所述的第九镜片(L9)与第十镜片(L10)胶合,所述的第十二镜片(L12)与第十三镜片(L13)胶合;所述的第八镜片(L8)与第九镜片(L9)之间,配置有系统的孔径光阑(STP);在成像面(IMG),配置有CCD或CMOS的固体摄像元件的光接收面;
第一镜片(L1)、第二镜片(L2)和第三镜片(L3)都为正透镜,三者共同构成形成光焦度为正的第一镜片组(G1);第一镜片(L1)、第二镜片(L2)、第三镜片(L3)中采用了超低色散玻璃与其他材料形成配合;第一镜片(L1)、第二镜片(L2)、第三镜片(L3)满足以下的条件式:
(1)Vd1>65或Vd2>65
(2)Nd3>1.8
(3)1.65>f123/Φ1r1>0.85
其中Vd1表示第一镜片(L1)的阿贝数,Vd2表示第二镜片(L2)的阿贝数,Nd3表示第三镜片(L3)的折射率,f123表示第一镜片(L1)、第二镜片(L2)、第三镜片(L3)三枚镜片的总焦距,Φ1r1表示第一镜片(L1)前表面的有效口径;
第四镜片(L4)、第五镜片(L5)、第六镜片(L6)组成第二镜片组(G2),所述的第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合;其中,第四镜片(L4)和第五镜片(L5)搭配了合理的镜片折射率和阿贝数;镜片(L6)采用了超低色散玻璃;第四镜片(L4)、第五镜片(L5)、第六镜片(L6)满足以下的条件式:
(4)-2.7>f45/Φ4r1>-4.00
(5)Vd6>65
其中f45表示第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合镜片的焦距,Φ4r1表示第四镜片(L4)前表面的有效口径,Vd6表示第六镜片(L6)的阿贝数;
第七镜片(L7)、第八镜片(L8)、第九镜片(L9)、第十镜片(L10)组成第三镜片组(G3),所述的第七镜片(L7)与第八镜片(L8)胶合,所述的第九镜片(L9)与第十镜片(L10)胶合;其中,第八镜片(L8)与第九镜片(L9)之间,配置有孔径光阑(STP);第七镜片(L7)、第八镜片(L8)、第九镜片(L9)、第十镜片(L10)满足以下的条件式:
(6)1.55>f7/f9>0.55
(7)1.45>f8/f10>0.50
(8)-1.75<f9/f10<-0.55
其中f7表示第七镜片(L7)的焦距,f8表示第八镜片(L8)的焦距,f9表示第九镜片(L9)的焦距,f10表示第十镜片(L10)的焦距;
第十一镜片(L11)、第十二镜片(L12)、第十三镜片(L13)、第十四镜片(L14)组成第四镜片组(G4),所述的第十二镜片(L12)与第十三镜片(L13)胶合;
第十一镜片(L11)、第十二镜片(L12)、第十三镜片(L13)、第十四镜片(L14)都采用超低色散玻璃,且满足以下的条件式:
(9)Vd11>65
(10)Vd12>55
(11)Vd14>60
(12)-1.95>f14/Φ14r1>-3.05
其中Vd11表示第十一镜片(L11)的阿贝数,Vd12表示第十二镜片(L12)的阿贝数,Vd14表示第十四镜片(L14)的阿贝数,f14表示第十四镜片(L14)的焦距,Φ14r1表示第十四镜片(L14)前表面的有效口径;
第十五镜片(L15)、第十六镜片(L16),组成第五镜片组(G5);第十五镜片(L15)、第十六镜片(L16)满足以下的条件式:
(13)-1.85>f1516/Φ15r1>-3.20
(14)Nd15>1.8
(15)Nd16>1.8
其中f1516表示第十五镜片(L15)和第十六镜片(L16)两枚镜片的总焦距,Φ15r1表示第十五镜片(L15)前表面的有效口径,Nd15表示第十五镜片(L15)的折射率,Nd16表示第十六镜片(L16)的折射率。
2.如权利要求1所述的一种光学镜头,其特征在于:在第十六镜片(L16)和成像面(IMG)之间,配置有一片保护玻璃(CG)。
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