CN107065152A - 一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头 - Google Patents

一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头，该镜头由正透镜、负透镜和光阑面组成，各透镜、光阑面与物面中心同轴，从物面到像面依次排列顺序为：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、光阑面、第四负透镜、第五正透镜、第六正透镜、第五负透镜和第七正透镜，第一正透镜的顶点到物面的距离为该镜头的工作距离，该镜头由固体透镜与液体透镜构成，镜头可以实现在75mm~85mm范围内连续变焦，在整个变焦范围内实现复消色差，且在整个变焦过程中均具有均匀、优良的成像质量。

Description

一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头
技术领域
本发明属于光学成像技术中的变焦镜头技术领域，具体是一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头。
背景技术
传统光学镜头多是采用光学玻璃或光学塑料这样的固体材料，而这些材料普遍存在体积大、重量重、加工困难等问题。而液体透镜可通过各种物理方法改变液体透镜的曲率半径来实现变焦，具有体积小、重量轻、变焦速度快、变焦精度高等优点。同时，光学液体相比于光学玻璃，具有更宽的折射率覆盖范围和光谱范围，部分液体的色散值比超低色散玻璃更低，因此使用光学液体与光学玻璃材料进行组合，可以减小系统的二级光谱。
传统的光学变焦通过调节镜片间的距离来实现，但这需要相应机械变焦机构的配合，多个组件的动作必须保证同步，这使镜头结构变得复杂；同时由于机械传动结构存在间隙和工作磨损，会导致变焦失准及可靠性降低等情况的出现；并且由于镜片间距离的变化与镜头焦距的变化不满足线性关系，所以其无法实现在整个变焦范围内连续、准确和复消色差地变焦。而使用光学液体与光学玻璃进行组合，通过控制液体表面曲率的连续变化，可以实现镜头焦距的连续变化，且在整个变焦过程中均具有均匀、优良的成像质量。
发明内容
本发明的目的在于克服传统变焦镜头无法实现在整个变焦范围内连续、准确变焦及复消色差成像的不足，而提供一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头，该固液混合型复消色差连续变焦镜头可以在整个变焦范围内实现复消色差，且在整个变焦过程中均具有均匀、优良的成像质量。
实现本发明目的的技术方案是：
一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头，由正透镜、负透镜和光阑面组成，各透镜、光阑面与物面中心同轴，从物面到像面依次排列顺序为：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、光阑面、第四负透镜、第五正透镜、第六正透镜、第五负透镜和第七正透镜，第一正透镜的顶点到物面的距离为该镜头的工作距离。
所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、第四负透镜、第六正透镜、第五负透镜和第七正透镜为固体透镜。
所述的第三正透镜和第五正透镜为液体透镜。
所述第二正透镜与第一负透镜组成第一双胶合透镜；第三正透镜与第二负透镜组成第一 固液混合型透镜；第三负透镜与第四正透镜组成第二双胶合透镜；第五正透镜与第六正透镜组成第二固液混合型透镜；第五负透镜与第七正透镜组成第三双胶合透镜。
所述镜头的工作距离为240mm，变焦范围为75mm～85mm，相对孔径依焦距变化范围为D/f’＝0.347～0.306。
所述镜头的物方视场依焦距变化，视场范围为φ63mm～φ57mm，像方视场为φ8mm。
所述镜头实现复消色差的波段范围为0.4μm～0.7μm。
所述的第七正透镜球面顶端与像面的间距为4mm。
所述镜头实现复消色差的波长为0.486μm、0.587μm和0.656μm三种波长，在全变焦范围内残余位置色差值<3μm，残余二级光谱值＜3μm。
本发明具有如下特点：
(1)本发明由固体透镜与液体透镜组合实现，通过控制一片液体透镜表面曲率的连续变化，实现镜头焦距的连续变化；通过控制另一片液体透镜表面曲率的连续变化，保持焦距变化下像面位置不变。
(2)本发明可实现在75mm～85mm范围内连续变焦；
(3)本发明在0.4μm～0.7μm波段全变焦范围内实现复消色差，成像质量高；
(4)本发明具有较大的物方视场，依焦距变化，视场范围为φ63mm～φ57mm，工作距离为240mm；
(5)本发明在全变焦范围内具有均匀、优良的成像质量，在全变焦范围内的焦点色位移范围为-2μm～3μm。
本发明的有益效果：
本发明由固体透镜与液体透镜构成，镜头可以实现在75mm～85mm范围内连续变焦，在整个变焦范围内实现复消色差，且在整个变焦过程中均具有均匀、优良的成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例中镜头的光路图；
图2～图12为本发明实施例中镜头在不同焦距下的调制传递函数图；
图13为本发明实施例中镜头在不同焦距下的残余色差及二级光谱图；
图14为本发明实施例中镜头在不同焦距下的焦点色位移图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头，由正透镜、 负透镜和光阑面组成，各透镜、光阑面与物面中心同轴，从物面到像面依次排列顺序为：第一正透镜L1、第二正透镜L2、第一负透镜L3、第三正透镜L4、第二负透镜L5、第三负透镜L6、第四正透镜L7、光阑面、第四负透镜L8、第五正透镜L9、第六正透镜L10、第五负透镜L11和第七正透镜L12，第一正透镜L1的顶点到物面的距离为工作距离。
所述的第一正透镜L1、第二正透镜L2、第一负透镜L3、第二负透镜L5、第三负透镜L6、第四正透镜L7、第四负透镜L8、第六正透镜L10、第五负透镜L11和第七正透镜L12为固体透镜。
所述的第三正透镜L4和第五正透镜L9为液体透镜。
所述第二正透镜L2与第一负透镜L3组成第一双胶合透镜；第三正透镜L4与第二负透镜L5组成第一固液混合型透镜；第三负透镜L6与第四正透镜L7组成第二双胶合透镜；第五正透镜L9与第六正透镜L10组成第二固液混合型透镜；第五负透镜L11与第七正透镜L12组成第三双胶合透镜。
所述镜头的工作距离为240mm，变焦范围为75mm～85mm，相对孔径依焦距变化范围为D/f’＝0.347～0.306，。
所述镜头的物方视场依焦距变化，物视场范围为φ63mm～φ57mm；像方视场φ8mm。
所述镜头实现复消色差的波段范围为0.4μm～0.7μm。
所述镜头实现复消色差的波长为0.486μm、0.587μm和0.656μm三种波长，在全变焦范围内残余位置色差值<3μm，残余二级光谱值＜3μm。
采用上述实施例结构的镜头具体结构数据如表1所示：
从物面到像面依次排序：第一正透镜L1包含表面1、2，第二正透镜L2包含表面3、4,第一负透镜L3包含表面4、5，第三正透镜L4为液体透镜包含表面6、7，第二负透镜L5包含表面7、8，第三负透镜L6包含表面9、10，第四正透镜L7包含表面10、11，光阑包含表面12，第四负透镜L8包含表面13、14，第五正透镜L9为液体透镜包含表面15、16，第六正透镜L10包含表面16、17，第五负透镜L11包含表面18、19，第七正透镜L12包含表面19、20。
第一正透镜L1的厚度为19.814mm，第二正透镜L2的厚度为10.119mm,第一负透镜L3的厚度为11.157mm，第三正透镜L4的厚度为7.857mm，第二负透镜L5的厚度为9.029mm，第三负透镜L6的厚度为10.428mm，第四正透镜L7的厚度为9.473mm，第四负透镜L8的厚度为1.107mm，第五正透镜L9的厚度为3.278mm，第六正透镜L10的厚度为1.044mm，第五负透镜L11厚度为3.615mm，第七正透镜L12的厚度为5.781mm。
第一正透镜L1与第二正透镜L2间的距离为9.574mm；透镜L2与透镜L3组成第一双胶合 透镜；第一负透镜L3与第三正透镜L4间的距离为1.118mm；第三正透镜L4与透镜L5组成第一固液混合型透镜；第二负透镜L5与第三负透镜L6间的距离为1.279mm；第三负透镜L6与第四正透镜L7组成第二双胶合透镜；第四正透镜L7与光阑面间的距离为12.31mm；光阑面与第四负透镜L8间的距离为0.5mm；第四负透镜L8与第五正透镜L9间的距离为0.512mm；第五正透镜L9与第六正透镜L10组成第二固液混合型透镜；第六正透镜L10与第五负透镜L11间的距离为9.684mm；第五负透镜L11与第七正透镜L12组成第三双胶合透镜；第七正透镜L12与像面间的距离为4mm。
表1
采用上述结构的实施例，依焦距变化物方视场D(1)、第一液体透镜表面曲率R(6)、第二液体透镜表面曲率R(15)的数值如表2所示。
表2
焦距 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
D(1) 63 62.4 61.8 61.2 60.6 60 59.4 58.8 58.2 57.6 57
R(6) 20.002 19.70 19.341 19.066 18.803 18.55 18.309 18.081 17.857 17.64 17.428
R(15) 12.081 12.216 12.154 12.281 12.415 12.563 12.735 12.932 13.103 13.268 13.42
由图2～图12所示，在全变焦范围内全视场MTF值在100cycles/mm处均达到0.1以上；由图3可见在全变焦范围内残余位置色差值<3μm，残余二级光谱值＜3μm，残余位置色差与残余二级光谱均小于由公式(1)计算得到的残余位置色差允差范围6.64μm；由图4可见，全变焦范围内的焦点色位移范围为-2μm～3μm。
公式(1)为光学系统残余位置色差计算公式，其中λ为波长，单位为μm，计算中取镜头复消色差波长范围的下限值0.4μm；F＝f’/D为镜头的F数，计算中取镜头最大相对孔径值的倒数。
ΔS′λ<2λF2＝2×0.4×(1/0.347)2＝6.64μm (1)
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 (9)

1.一种用于机器视觉检测的固液混合型复消色差连续变焦镜头，其特征在于，由正透镜、负透镜和光阑面组成，各透镜、光阑面与物面中心同轴，从物面到像面依次排列顺序为：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、光阑面、第四负透镜、第五正透镜、第六正透镜、第五负透镜和第七正透镜，第一正透镜的顶点到物面的距离为该镜头的工作距离。
2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、第四负透镜、第六正透镜、第五负透镜和第七正透镜为固体透镜。
3.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述的第三正透镜和第五正透镜为液体透镜。
4.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第二正透镜与第一负透镜组成第一双胶合透镜；第三正透镜与第二负透镜组成第一固液混合型透镜；第三负透镜与第四正透镜组成第二双胶合透镜；第五正透镜与第六正透镜组成第二固液混合型透镜；第五负透镜与第七正透镜组成第三双胶合透镜。
5.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头的工作距离为240mm，变焦范围为75mm~85mm，相对孔径依焦距变化范围为D/f’=0.347~0.306。
6.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头的物方视场依焦距变化，视场范围为ϕ63 mm~ϕ57 mm，像方视场为ϕ8mm。
7.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头实现复消色差的波段范围为0.4μm~0.7μm。
8.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述的第七正透镜球面顶端与像面的间距为4mm。
9.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头实现复消色差的波长为0.486μm、0.587μm和0.656μm三种波长，在全变焦范围内残余位置色差值<3μm，残余二级光谱值＜3μm。
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