CN106707475A - 机器视觉镜头 - Google Patents

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Abstract

一种机器视觉镜头，从物方至像方依次包括调焦组、光阑和固定组，所述调焦组包括具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，具有负光焦度的第五透镜，具有正光焦度的第六透镜，具有正光焦度的第七透镜，具有负光焦度的第八透镜；所述固定组包括具有正光焦度的第九透镜；所述调焦组为正光焦度，调焦组的焦距为f1，固定组为正光焦度，固定组的焦距为f2，有0.35<|f1/f2|<0.5。本发明采用固定后组调焦结构，能够实现从无穷远到超近摄距的工作距离内，保持低畸变性能，本发明具有在较大的温度范围内保持图像高解析度的特点。

Description

机器视觉镜头
技术领域
本发明涉及一种机器视觉镜头，涉及光学器材领域。
背景技术
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将要检测的目标转换成数字量信号，这些数字量信号再传送给专用的图像处理系统(分嵌入式和视频卡方式)，图像处理系统根据要检测的目标要求来设置检测任务。然后根据判别的结果来控制现场的设备动作，实现定位、判断、识别、检测和控制等功能。一旦信息在成像系统有严重损失，在后面的环节中试图恢复是非常困难的。
传统的机器视觉镜头，不能满足低畸变效果或者在宽的温度范围内保持清晰的成像，无法解决温度漂移问题，不能满足用户需求。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种具有低畸变性能的机器视觉镜头，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种机器视觉镜头，其结构特征是从物方至像方依次包括调焦组、光阑和固定组，所述调焦组包括具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，具有负光焦度的第五透镜，具有正光焦度的第六透镜，具有正光焦度的第七透镜，具有负光焦度的第八透镜；所述固定组包括具有正光焦度的第九透镜。通过所述调焦组、光阑和固定组的组合，能够实现机器视觉镜头的低畸变性能。
进一步，所述第一透镜为弯向像面的凹凸结构；第一透镜的焦距为fL1；
第二透镜为弯向像面的凹凸结构；第二透镜的焦距为fL2
第三透镜为弯向像面的凹凸结构；第三透镜的焦距为fL3；
第四透镜为弯向像面的凹凸或双凹结构；第四透镜的焦距为fL4；
第五透镜为双凹结构；第五透镜的焦距为fL5；
第六透镜为双凸结构；第六透镜的焦距为fL6；
第七透镜为双凸结构；第七透镜的焦距为fL7；
第八透镜为弯向像面的凹凸结构；第八透镜的焦距为fL8；
第九透镜为双凸或凹凸结构；第九透镜的焦距为fL9。
进一步，所述调焦组为正光焦度，调焦组的焦距为f1，所述固定组为正光焦度，固定组的焦距为f2，其满足关系式：0.35<|f1/f2|<0.5。在满足所述关系式的前提下，能够实现机器视觉镜头不同拍摄距离的要求。
进一步，所述第三透镜与第四透镜组成第一胶合透镜B1，所述第一胶合透镜B1的焦距为fB1；所述第五透镜与第六透镜组成第二胶合透镜B2，所述第二胶合透镜B2的焦距为fB2；其满足关系式：0.12<|fB1/fB2|<0.18。在满足所述关系式的前提下，能够实现机器视觉镜头的低畸变性能要求。
进一步，所述调焦组与固定组之间设置有空气间隔d，其满足关系式：2.3mm<d<24.6mm。在满足所述关系式的前提下，能够实现机器视觉镜头不同物距下调焦结构的要求。
进一步，所述调焦组的焦距为f1，调焦组与第一透镜、第二透镜之间满足关系式：1.0<fL1/f1<1.2；7<fL2/f1<12。
进一步，所述固定组的焦距为为f2，固定组与第七透镜、第八透镜之间满足关系式：0.4<fL7/f2<0.5；-5<fL8/f2<-1。
进一步，所述第三透镜的折射率为n3，第三透镜的阿贝数为v3，其满足关系式：1.40≤n3≤1.60；75≤v3≤90。
进一步，所述第四透镜的折射率为n4，第四透镜的阿贝数为v4，其满足关系式：1.60≤n4≤1.75；20≤v4≤30。
进一步，所述第五透镜的折射率为n5，第五透镜的阿贝数为v5，其满足关系式：1.55≤n5≤1.70；28≤v5≤40。
进一步，所述第六透镜的折射率为n6，第六透镜的的阿贝数为v6，其满足关系式：1.60≤n6≤1.70；36≤v6≤55。
进一步，所述光阑位于第四透镜和第五透镜之间，光阑的孔径范围为0.94mm～10.10mm。光阑的通光孔径在F2.0～F22.0范围内可调。
进一步，所述第一透镜至第九透镜均为玻璃球面透镜，第三透镜至第六透镜分别为氟冕玻璃、重火石玻璃、钡火石玻璃、镧冕玻璃制成，第九透镜为重磷冕玻璃制成。
本发明在畸变控制上，使用具有对称性的双高斯光学结构，合理分配透镜组和组成各透镜组的光焦度，解决光学畸变特殊问题，使镜头实现大于-0.2％的低畸变性能。
本发明采用调焦组作轴向运动来实现不同物距的对焦，镜片群组在轴向运动的过程中可以补偿因物距不同而产生的球差、像散、场曲等像差，使得不同物距的像差都得到很好的校正，从而实现物距无穷远到超近摄距0.1m工作距离范围内图像高解析度。
本发明利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料的组合来消除温度的影响，解决高低温解析焦点漂移问题，在较大的温度范围内(-40℃～80℃)能够保持图像高解析度，解决了高低温解析不良的技术难点。
本发明采用全玻璃九片式结构，全部采用环保玻璃，在确保光学系统无热化性能优良的同时，减小对环境的污染，符合环保要求。
本发明中的第一透镜至第九透镜均为玻璃球面透镜，第三透镜至第六透镜分别为国产重氟冕玻璃、重火石玻璃、钡火石玻璃、镧冕玻璃制成；第九透镜为重磷冕玻璃制成，因此能够实现消热差和色差。
本发明可兼容2/3″、1/2″、1/1.8″感光芯片COMS/CCD，适用于机器视觉多场合的识别、判断、检测和控制功能，应用前景广阔，提升了市场竞争力。
综上所述，本发明能够实现从无穷远到超近摄距的工作距离内，保持低畸变性能，具有在较大的温度范围内保持图像高解析度的特点。
附图说明
图1为本发明第一实施例的透镜示意图。
图2为第一实施例的解析图。
图3为第一实施例的常温20℃解析图。
图4为第一实施例的场曲畸变图。
图5为第一实施例的Spot图。
图6为第一实施例的低温-40℃解析图。
图7为第一实施例的高温80度解析图。
图8为本发明第二实施例的解析图。
图9为第二实施例的常温20℃解析图。
图10为第二实施例的Spot图。
图11为第二实施例的场曲畸变图。
图12为第二实施例的低温-40℃解析图。
图13为第二实施例的高温80℃解析图。
图14为本发明第三实施例的解析图。
图15为第三实施例的常温20℃解析图。
图16为第三实施例的Spot图。
图17为第三实施例的场曲畸变图。
图18为第三实施例的低温-40℃解析图。
图19为第三实施例的高温80℃解析图。
图中：L1为第一透镜，L2为第二透镜，L3为第三透镜，L4为第四透镜，L5为第五透镜，L6为第六透镜，L7为第七透镜，L8为第八透镜，L9为第九透镜，S1为第一透镜L1的前表面，S2为第一透镜L1的后表面，S3为第二透镜L2的前表面，S4为第二透镜L2的后表面，S5为第三透镜L3的前表面，S6为第三透镜L3的后表面，S7为第四透镜L4的后表面，S8为光阑10的表面，S9为第五透镜L5的前表面，S10为第五透镜L5的后表面，S11为第六透镜L6的后表面，S12为第七透镜L7的前表面，S13为第七透镜L7的后表面，S14为第八透镜L8的前表面，S15为第八透镜L8的后表面，S16为第九透镜L9的前表面，S17为第九透镜L9的后表面，S18为滤光片的前表面，S19为滤光片的后表面，S20为像面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
第一实施例
参见图1-图7，本机器视觉镜头，从物方至像方依次包括调焦组、光阑和固定组，所述调焦组包括具有正光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3和具有负光焦度的第四透镜L4，具有负光焦度的第五透镜L5，具有正光焦度的第六透镜L6，具有正光焦度的第七透镜L7，具有负光焦度的第八透镜L8；所述固定组包括具有正光焦度的第九透镜L9。
在本实施例中，第一透镜L1为弯向像面的凹凸结构；第一透镜L1的焦距为fL1；第二透镜L2为弯向像面的凹凸结构；第二透镜L2的焦距为fL2；第三透镜L3为弯向像面的凹凸结构；第三透镜L3的焦距为fL3；第四透镜L4为弯向像面的凹凸或双凹结构；第四透镜L4的焦距为fL4；第五透镜L5为双凹结构；第五透镜L5的焦距为fL5；第六透镜L6为双凸结构；第六透镜L6的焦距为fL6；第七透镜L7为双凸结构；第七透镜L7的焦距为fL7；第八透镜L8为弯向像面的凹凸结构；第八透镜L8的焦距为fL8；第九透镜L9为双凸或凹凸结构；第九透镜L9的焦距为fL9。
在本实施例中，所述调焦组为正光焦度，调焦组的焦距为f1，所述固定组为正光焦度，固定组的焦距为f2，其满足关系式：0.35<|f1/f2|<0.5。
所述第三透镜L3与第四透镜L4组成第一胶合透镜B1，所述第一胶合透镜B1的焦距为fB1；所述第五透镜L5与第六透镜L6组成第二胶合透镜B2，所述第二胶合透镜B2的焦距为fB2；其满足关系式：0.12<|fB1/fB2|<0.18。
所述调焦组与固定组之间设置有空气间隔d，其满足关系式：2.3mm<d<24.6mm。
所述调焦组的焦距为f1，调焦组与第一透镜L1、第二透镜L2之间满足关系式：1.0<fL1/f1<1.2；7<fL2/f1<12。
所述固定组的焦距为f2，固定组与第七透镜L7、第八透镜L8之间满足关系式：0.4<fL7/f2<0.5；-5<fL8/f2<-1。
所述第三透镜L3的折射率为n3，第三透镜L3的阿贝数为v3，其满足关系式：1.40≤n3≤1.60；75≤v3≤90。
所述第四透镜L4的折射率为n4，第四透镜L4的阿贝数为v4，其满足关系式：1.60≤n4≤1.75；20≤v4≤30。
所述第五透镜L5的折射率为n5，第五透镜L5的阿贝数为v5，其满足关系式：1.55≤n5≤1.70；28≤v5≤40。
所述第六透镜L6的折射率为n6，第六透镜L6的的阿贝数为v6，其满足关系式：1.60≤n6≤1.70；36≤v6≤55。
所述光阑位于第四透镜和第五透镜之间，光阑的孔径范围为0.94mm～10.10mm。
所述第一透镜L1至第九透镜L9均为玻璃球面透镜，第三透镜L3至第六透镜L6分别为氟冕玻璃、重火石玻璃、钡火石玻璃、镧冕玻璃制成，第九透镜L9为重磷冕玻璃制成。
所述光阑位于第四透镜和第五透镜之间，光阑的孔径范围为0.94mm～10.10mm。
所述光阑的孔径在F2.0～F22.0范围内可调。
所述镜头可兼容2/3″、1/2″、1/1.8″感光芯片COMS/CCD。
在本实施例中，当视觉镜头的9片透镜及一片保护玻璃的焦距、群组空气间隔d以及镜片曲率半径、厚度、间距、折射率、阿贝数分别满足以下条件时：
工作距离WD＝600mm，视觉镜头的焦距f＝34.7mm，光圈F#＝2.08，视场角FOV＝17.6°。
fL1 fL2 fL3 fL4 fL5 fL6 fL7 fL8 fL9
45.27 476.26 27.26 -14.13 -19.25 19.67 42.15 -390.48 93.72
|f1/f2| |fB1/fB2| fL1/f1 fL2/f1 fL7/f2 fL8/f2
0.424 0.127 1.139 11.985 0.450 -4.17
上表中，“n”为折射率，“R”为曲率半径，fL1～fL9为各透镜焦距，f1为调焦组焦距，f2为固定组焦距，fB1、fB2为胶合镜片焦距。
图2至图7为工作物距WD＝600mm，视觉镜头的焦距f＝34.7mm，光圈F#＝2.08，视场角FOV＝17.6°时的MTF、常温离焦曲线、场曲畸变图、点列图、低温-40℃、高温80℃离焦曲线图，从图中可以看出，系统畸变控制在-2％以内，在低温-40℃、高温80℃时，系统离焦控制在±0.005mm范围内，由此可见，本发明第一实施例所提供的机器视觉镜头的畸变，能够满足系统低畸变和大的温度范围内高解析度的要求。
第二实施例
参见图8-图13，在本实施例中，当视觉镜头的9片透镜及一片保护玻璃的焦距、群组空气间隔d以及镜片曲率半径、厚度、间距、折射率、阿贝数分别满足以下条件时：
WD＝600mm，f＝33.4mm，F#＝2.02，FOV＝18.3°；
fL1 fL2 fL3 fL4 fL5 fL6 fL7 fL8 fL9
44.43 341.50 27.18 -14.08 -19.32 19.70 42.14 -383.83 96.28
|f1/f2| |fB1/fB2| fL1/f1 fL2/f1 fL7/f2 fL8/f2
0.397 0.132 1.163 8.942 0.438 -3.987
物距(mm) 无穷远 1000 600 200 100
d 2.319 3.817 4.855 10.559 21.272
上表中，“n”为折射率，“R”为曲率半径，fL1～fL9为各透镜焦距，f1为调焦组焦距，f2为固定组焦距，fB1、fB2为胶合镜片焦距。
图8至图13为工作物距WD＝600mm，焦距f＝33.4mm，光圈F#＝2.02，视场角FOV＝18.3°时的MTF、常温离焦曲线、场曲畸变图、点列图、低温-40℃、高温80℃离焦曲线图，从图中可以看出，系统畸变控制在-2％以内，在低温-40℃、高温80℃时，系统离焦控制在±0.005mm范围内，由此可见，本发明第二实施例所提供的机器视觉镜头的畸变，满足系统低畸变和大的温度范围内高解析度的要求。
其余未述部分见第一实施例，不再赘述。
第三实施例
参见图14-图19，在本实施例中，当该视觉镜头的9片透镜及一片保护玻璃的焦距、群组空气间隔d以及镜片曲率半径、厚度、间距、折射率、阿贝数分别满足以下条件时：
WD＝600mm，f＝35mm，F#＝2.04，FOV＝17.6°。
fL1 fL2 fL3 fL4 fL5 fL6 fL7 fL8 fL9
46.41 305.05 28.01 -14.01 -21.61 21.03 33.26 -87.62 83.03
|f1/f2| |fB1/fB2| fL1/f1 fL2/f1 fL7/f2 fL8/f2
0.490 0.176 1.141 7.502 0.401 -1.055
物距(mm) 无穷远 1000 600 200 100
d 3.033 4.734 5.910 12.402 24.582
表中，“n”为折射率，“R”为曲率半径，fL1～fL9为各透镜焦距，f1为调焦组焦距，f2为固定组焦距，fB1、fB2为胶合镜片焦距。
图14至图19为工作物距WD＝600mm，焦距f＝35mm，光圈F#＝2.04，视场角FOV＝17.6°时的MTF、常温离焦曲线、场曲畸变图、点列图、低温-40℃高温80℃离焦曲线图，从图中可以看出，系统畸变控制在-2％以内，在低温-40℃高温80℃时，系统离焦控制在±0.005mm范围内，由此可见，本发明第三实施例所提供的机器视觉镜头的畸变，满足系统低畸变和大的温度范围内高解析度的要求。
在第一实施例至第三实施例中，各条件式或关系式应当满足下面表格的条件：
项目 第一实施例 第二实施例 第三实施例
|f1/f2| 0.424 0.397 0.490
|fB1/fB2| 0.127 0.132 0.176
d(mm) 6.23 4.855 5.91
fL1/f1 1.139 1.163 1.141
fL2/f1 11.985 8.942 7.502
fL7/f2 0.45 0.438 0.401
fL8/f2 -4.17 -3.987 -1.055
n3，v3 1.5，81.59 1.5，81.59 1.5，81.59
n4，v4 1.72，29.51 1.72，29.51 1.72，29.51
n5，v5 1.63，39.08 1.63，39.08 1.6，28.89
n6，v6 1.69，54.57 1.69，54.57 1.69，36
光阑的孔径(mm) 10.1 10.1 10.1
F/# 2.08 2.02 2.04
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 (13)

1.一种机器视觉镜头，其特征是从物方至像方依次包括调焦组、光阑和固定组，
所述调焦组包括具有正光焦度的第一透镜(L1)、具有正光焦度的第二透镜(L2)、具有正光焦度的第三透镜(L3)和具有负光焦度的第四透镜(L4)，具有负光焦度的第五透镜(L5)，具有正光焦度的第六透镜(L6)，具有正光焦度的第七透镜(L7)，具有负光焦度的第八透镜(L8)；
所述固定组包括具有正光焦度的第九透镜(L9)。
2.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述第一透镜(L1)为弯向像面的凹凸结构；第一透镜(L1)的焦距为fL1；
第二透镜(L2)为弯向像面的凹凸结构；第二透镜(L2)的焦距为fL2；
第三透镜(L3)为弯向像面的凹凸结构；第三透镜(L3)的焦距为fL3；
第四透镜(L4)为弯向像面的凹凸或双凹结构；第四透镜(L4)的焦距为fL4；
第五透镜(L5)为双凹结构；第五透镜(L5)的焦距为fL5；
第六透镜(L6)为双凸结构；第六透镜(L6)的焦距为fL6；
第七透镜(L7)为双凸结构；第七透镜(L7)的焦距为fL7；
第八透镜(L8)为弯向像面的凹凸结构；第八透镜(L8)的焦距为fL8；
第九透镜(L9)为双凸或凹凸结构；第九透镜(L9)的焦距为fL9。
3.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述调焦组为正光焦度，调焦组的焦距为f1，所述固定组为正光焦度，固定组的焦距为f2，其满足关系式：0.35<|f1/f2|<0.5。
4.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述第三透镜(L3)与第四透镜(L4)组成第一胶合透镜B1，所述第一胶合透镜B1的焦距为fB1；所述第五透镜(L5)与第六透镜(L6)组成第二胶合透镜B2，所述第二胶合透镜B2的焦距为fB2；其满足关系式：0.12<|fB1/fB2|<0.18。
5.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述调焦组与固定组之间设置有空气间隔d，其满足关系式：2.3mm<d<24.6mm。
6.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述调焦组的焦距为f1，调焦组与第一透镜(L1)、第二透镜(L2)之间满足关系式：1.0<fL1/f1<1.2；7<fL2/f1<12。
7.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述固定组的焦距为f2，固定组与第七透镜(L7)、第八透镜(L8)之间满足关系式：0.4<fL7/f2<0.5；-5<fL8/f2<-1。
8.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述第三透镜(L3)的折射率为n3，第三透镜(L3)的阿贝数为v3，其满足关系式：1.40≤n3≤1.60；75≤v3≤90。
9.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述第四透镜(L4)的折射率为n4，第四透镜(L4)的阿贝数为v4，其满足关系式：1.60≤n4≤1.75；20≤v4≤30。
10.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述第五透镜(L5)的折射率为n5，第五透镜(L5)的阿贝数为v5，其满足关系式：1.55≤n5≤1.70；28≤v5≤40。
11.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述第六透镜(L6)的折射率为n6，第六透镜(L6)的的阿贝数为v6，其满足关系式：1.60≤n6≤1.70；36≤v6≤55。
12.根据权利要求1所述的机器视觉镜头，其特征是所述光阑位于第四透镜和第五透镜之间，光阑的孔径范围为0.94mm～10.10mm。
13.根据权利要求1至12任一所述的机器视觉镜头，其特征是所述第一透镜(L1)至第九透镜(L9)均为玻璃球面透镜，第三透镜(L3)至第六透镜(L6)分别为氟冕玻璃、重火石玻璃、钡火石玻璃、镧冕玻璃制成，第九透镜(L9)为重磷冕玻璃制成。
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