CN107219616A - 一种超大视场的物像双侧远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大视场的物像双侧远心光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的第一透镜、第二透镜、第三透镜、胶合片、光阑、第四透镜和第五透镜；第一透镜到第二透镜的光学间隔为159.744mm；第二透镜到第三透镜的光学间隔为398.952mm；第三透镜到胶合片的光学间隔为190mm；胶合片到光阑的光学间隔为5.25mm；光阑到第四透镜的光学间隔为13.81mm；第四透镜到第五透镜的光学间隔为3.2mm；第五透镜到成像面的光学间隔为21.26mm；主光轴与物方入射光线和像方出射光线的平行偏差角均为±0.6度。本发明的光学系统，使拍摄视野达到350mm，并且整个系统的畸变小于0.1％。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于视觉检测的光学系统，具体涉及一种超大视场的物像双侧远心光学系统。
背景技术
随着自动化技术的普及和深入，工业在线测量的应用也越来越广泛，视觉测量以高效、稳定、非接触等优势配合自动化产线的应用也越来越发挥其更大的优势。目前主流的高精度视觉测量都依赖于物像双侧远心光学系统来实现，受制于这种光学系统目前只能做到的拍摄视野为200mm，很多大尺寸的产品在线检测就变得很困难，甚至无法检测。国内也有公司在技术和工艺上在做拍摄视野为200mm以上的双侧远心光学系统，但是这种光学系统难以控制畸变，所以目前还没有很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超大视场的物像双侧远心光学系统，它使拍摄视野达到350mm，并且整个系统的畸变小于0.1％。
本发明的目的是这样实现的：一种超大视场的物像双侧远心光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的第一透镜、第二透镜、第三透镜、胶合片、第四透镜和第五透镜；其中，
所述第一透镜的物面为凸球面，像面为平面；
所述第二透镜的物面为凸球面，像面为凹球面；
所述第三透镜的物面为凹球面，像面为凹球面；
所述胶合片由一物面为凸球面、像面为凹球面的前镜片和一物面为凸球面、像面为凸球面的后镜片胶合而成；
所述第四透镜的物面为凸球面，像面为凸球面；
所述第五透镜的物面为凸球面，像面为凹球面；
所述胶合片与第四透镜之间设有光阑；
所述第一透镜到第二透镜的光学间隔为159.744mm；所述第二透镜到第三透镜的光学间隔为398.952mm；第三透镜到所述胶合片的光学间隔为190mm；所述胶合片到光阑的光学间隔为5.25mm；所述光阑到第四透镜的光学间隔为13.81mm；所述第四透镜到第五透镜的光学间隔为3.2mm；所述第五透镜到成像面的光学间隔为21.26mm；
所述主光轴与物方入射光线和像方出射光线的平行偏差角均为±0.6度。
上述的超大视场的物像双侧远心光学系统，其中，所述第一透镜的物面的曲率半径为126.8mm，该第一透镜的像面的曲率半径为正无穷；所述第二透镜的物面的曲率半径为107.6mm，该第二透镜的像面的曲率半径为65.9mm；所述第三透镜的物面的曲率半径为169.52mm，该第三透镜的像面的曲率半径为98.5mm；所述胶合片的前镜片的物面的曲率半径为88.94mm,该前镜片的像面的曲率半径为349.8mm,所述胶合片的后镜片的物面与前镜片41的像面胶合，该后镜片的物面的曲率和前镜片的像面的曲率一致，该后镜片的像面的曲率半径为46.79mm；所述第四透镜的物面的曲率半径为219.8mm,该第四透镜的像面的曲率半径为231mm；所述第五透镜的物面的曲率半径为52.89mm,该第五透镜的像面的曲率半径为187.5mm。
上述的超大视场的物像双侧远心光学系统，其中，所述第一透镜至第三透镜均采用冕玻璃制作；所述胶合片的前镜片采用镧冕玻璃制作；所述胶合片的后镜片采用重火石玻璃制作；所述第四透镜采用重磷冕玻璃制作；所述第五透镜采用重火石玻璃制作。
本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统由五个透镜和一个胶合片并按照一定的光学间隔组成，它解决了以下两个问题：
1)使拍摄视野达到350mm；
2)在拍摄视野达到350mm的状态下，使视场内的最大畸变小于0.1％。
本发明的技术方案突破了现有行业内这种远心光学镜头的产品局限，解决了在视野大于200mm的范围内仍能实现微米量级光学测量的问题，为自动化大视野的视觉测量拓展了更广阔的应用空间。
附图说明
图1为本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统的结构示意图；
图2为本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统的畸变和场曲图；
图3是本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统的调制光学传递函数曲线图；
图4是本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统的像面照度曲线图；
图5是本发明的超大视场的物像双侧远心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，本发明的一种超大视场的物像双侧远心光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴10上的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、胶合片4、第四透镜6和第五透镜7；其中：
第一透镜1采用冕玻璃(h-k9l)制作并且物面为凸球面，曲率半径为126.8mm，像面为平面，曲率半径为正无穷；
第二透镜2采用冕玻璃(h-k9l)制作并且物面为凸球面，曲率半径为107.6mm,像面为凹球面，曲率半径为65.9mm；
第三透镜3采用冕玻璃(h-k9l)制作并且物面为凹球面，曲率半径为169.52mm，像面为凹球面,曲率半径为98.5mm；
胶合片4由前镜片41和后镜片42胶合而成；前镜片41的物面为凸球面，曲率半径为88.94mm，该前镜片41的像面为凹球面，曲率半径为349.8mm；后镜片42的物面为凸球面并且曲率和前镜片41的像面的曲率一致，该后镜片42的像面为凹球面，曲率半径为46.79mm；胶合片4的前镜片41采用镧冕玻璃(h-lak52)制作，胶合片4的后镜片42采用重火石玻璃(h-zf4)制作；
第四透镜6采用重磷冕玻璃(h-zpk1)制作并且物面为凸球面，曲率半径为219.8mm,像面为凸球面，曲率半径为231mm；
第五透镜7采用重火石玻璃(h-zf4)制作并且物面为凸球面，曲率半径为52.89mm,像面为凹球面，曲率半径为187.5mm；
胶合片4与第四透镜6之间设有光阑5；
第一透镜1到第二透镜2的光学间隔为159.744mm；第二透镜2到第三透镜3的光学间隔为398.952mm；第三透镜3到胶合片4的光学间隔为190mm；胶合片4到光阑5的光学间隔为5.25mm；光阑5到第四透镜6的光学间隔为13.81mm；第四透镜6到第五透镜7的光学间隔为3.2mm；第五透镜7到成像面8的光学间隔为21.26mm；
主光轴10与物方入射光线20和像方出射光线30的平行偏差角均为±0.6度。物方入射光线20的远心度＜0.03％；像方出射光线30的远心度＜0.06％。
本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统，采用的工作光波段为420nm-650nm，并通过不同折射率和色散系数的胶合片对整个系统的轴向色差和垂轴色差做了补偿校正。
本发明的超大视场的物像双侧远心光学系统解决了以下两个问题：
1)如何使拍摄视野达到350mm；对于这个问题，本发明采用的第一透镜的直径大于300mm，由于目前国内的光学冷加工工艺无法保证直径大于300mm以上的球面透镜的曲率精度，而对于视觉测量用的双侧远心光学系统来说，曲率面形的精度直接决定了整个系统的成像精度，其中对于球差、场曲等光学像差来说影响非常大。因此本发明仅将第一透镜的物面做成曲率球面，像面做成了平面，又对该曲率球面的面型精度做了公差分析，对于目前的光学冷加工来说完全可以使这个曲率球面的光圈值可以放宽到4个光圈。
2)如何在拍摄视野达到350mm的状态下，使视场内的最大畸变小于0.1％；对于这个问题，由于视场大的光学系统在物方边缘到0.7倍边缘的区域会出现比较大的光学畸变，在设计这个物像双侧远心系统时，考虑到本系统是应用在图像测量领域的，必须要把整个视场范围内的畸变控制下来，为此通过加大光阑前方的第一透镜与第二透镜之间、第二透镜与第三透镜之间、第三透镜与胶合片之间的光学间隔，并通过调整物方入射光线的远心度和像方出射光线的远心度，将整个系统的最大畸变控制在0.08％以内，具体可参见图2。图2表示在不同视场内，整个光学系统成像的畸变大小，横坐标表示畸变的百分比，纵坐标表示光学系统对应的视场区间，一般畸变最大的位置出现在整个视场的边缘，上图可以看到畸变是按照规律分布的，且最大畸变量在0.08％。
另外，为了保证整个系统的成本，将第一透镜至第三透镜均采用价格便宜的冕玻璃制作。
图2表示在不同视场内，整个光学系统成像的畸变大小，横坐标表示畸变的百分比，纵坐标表示光学系统对应的视场区间，一般畸变最大的位置出现在整个视场的边缘，从图2可以看到畸变是按照规律分布的，且最大畸变量在0.08％。
图3表示在工作波段下，本发明的整个光学系统的空间传递函数，这是整个系统在这个波段下工作的性能参数之一，是整个系统的分辨率的一种评价方式。图3中显示了不同视场的曲线图。
图4体现光线经过光学系统后像面不同区域内光照分布情况，体现了不同视场光照度的衰减情况，从图4中可以看到曲线接近于一条直线，且都在1的位置，说明整个视场范围内照度非常均匀，衰减可以忽略。
图5体现了不同视场成像的像差体现情况，体现了不同视场区域内像差的分布，也是评价一个光学系统整体成像特性的一种重要方式。从图5中可以看到各个视场的像差都已经校正到极限。
本发明的技术方案突破了现有行业内这种远心光学镜头的产品局限，解决了在视野大于200mm的范围内仍能实现微米量级光学测量的问题，为自动化大视野的视觉测量拓展了更广阔的应用空间。
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)
1.一种超大视场的物像双侧远心光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的第一透镜、第二透镜、第三透镜、胶合片、第四透镜和第五透镜；其特征在于，
所述第一透镜的物面为凸球面，像面为平面；
所述第二透镜的物面为凸球面，像面为凹球面；
所述第三透镜的物面为凹球面，像面为凹球面；
所述胶合片由一物面为凸球面、像面为凹球面的前镜片和一物面为凸球面、像面为凸球面的后镜片胶合而成；
所述第四透镜的物面为凸球面，像面为凸球面；
所述第五透镜的物面为凸球面，像面为凹球面；
所述胶合片与第四透镜之间设有光阑；
所述第一透镜到第二透镜的光学间隔为159.744mm；所述第二透镜到第三透镜的光学间隔为398.952mm；第三透镜到所述胶合片的光学间隔为190mm；所述胶合片到光阑的光学间隔为5.25mm；所述光阑到第四透镜的光学间隔为13.81mm；所述第四透镜到第五透镜的光学间隔为3.2mm；所述第五透镜到成像面的光学间隔为21.26mm；
所述主光轴与物方入射光线和像方出射光线的平行偏差角均为±0.6度。
2.根据权利要求1所述的超大视场的物像双侧远心光学系统，其特征在于，所述第一透镜的物面的曲率半径为126.8mm，该第一透镜的像面的曲率半径为正无穷；所述第二透镜的物面的曲率半径为107.6mm，该第二透镜的像面的曲率半径为65.9mm；所述第三透镜的物面的曲率半径为169.52mm，该第三透镜的像面的曲率半径为98.5mm；所述胶合片的前镜片的物面的曲率半径为88.94mm,该前镜片的像面的曲率半径为349.8mm,所述胶合片的后镜片的物面与前镜片41的像面胶合，该后镜片的物面的曲率和前镜片的像面的曲率一致，该后镜片的像面的曲率半径为46.79mm；所述第四透镜的物面的曲率半径为219.8mm,该第四透镜的像面的曲率半径为231mm；所述第五透镜的物面的曲率半径为52.89mm,该第五透镜的像面的曲率半径为187.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的超大视场的物像双侧远心光学系统，其特征在于，所述第一透镜至第三透镜均采用冕玻璃制作；所述胶合片的前镜片采用镧冕玻璃制作；所述胶合片的后镜片采用重火石玻璃制作；所述第四透镜采用重磷冕玻璃制作；所述第五透镜采用重火石玻璃制作。
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