CN108563003A - 远心镜头 - Google Patents
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Abstract
一种远心镜头，从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群、具有负光焦度的第二镜片群、具有负光焦度的第三镜片群、具有正光焦度的第四镜片群、具有负光焦度的第五镜片群、折返棱镜、光阑、具有正光焦度的第六镜片群、具有负光焦度的第七镜片群和具有正光焦度的第八镜片群。本发明能够实现12兆像素的清晰成像且无明显紫边与色散，像质清晰明亮；通过不同镜片组的移动组合方式，实现了镜头的放大率变化；同时满足物方、像方双远心，且物方远心度和像方远心度均可以达到一般远心镜头的标准并具备极高的远心度水平；通过特殊的折返棱镜组合，能够显著改善同轴光源形成中心亮斑的情况，避免光源产生光晕所带来的成像问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学器件领域的技术，具体是一种远心镜头。
背景技术
远心镜头主要是为纠正传统工业镜头的视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不变，这是对被测物不在同一物面上的情况非常重要的应用。现有技术中，远心镜头主要分为物方远心和像方远心，物方远心光路的特点是物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，可以消除物方由于调焦不准确带来的读数误差；像方远心光路的特点是像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无限远，可以消除像方调焦不准引入的测量误差。双远心镜头则是指既满足物方远心光路特点又满足像方远心光路特点的成像系统，它包含了两种远心光路共同的优势，因此设计难度更大，此类镜头往往为固定放大倍率镜头，且物方、像方的远心度无法同时满足高水准，而且传统远心镜头的棱镜设计导致光源会在像面中心形成亮斑，干扰了镜头的成像质量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种远心镜头，兼具物方远心和像方远心的优点，同时具有远心度高、放大率可变、12兆超高分辨率、无中心亮斑的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群、具有负光焦度的第二镜片群、具有负光焦度的第三镜片群、具有正光焦度的第四镜片群、具有负光焦度的第五镜片群、折返棱镜、光阑、具有正光焦度的第六镜片群、具有负光焦度的第七镜片群和具有正光焦度的第八镜片群。
所述的第一镜片群，包括：一枚具有正光焦度的透镜和一枚具有负光焦度的胶合镜片，其中：胶合面凹面朝向物方，其前透镜的折射率为(1.65,2)，其阿贝数为(45,70)，后透镜的折射率为(1.75,1.9)，其阿贝数为(25,40)，前透镜的焦距与后透镜的焦距的乘积与胶合镜片的整体焦距之比为(37,40)。
所述的第二镜片群，包括：一枚具有正光焦度的透镜和一枚具有负光焦度的透镜。
所述的第三镜片群包括：一枚具有负光焦度的胶合镜片，该胶合镜片的胶合面凹面朝向像方，其前透镜的折射率为(1.75,1.95)，其阿贝数为(35,40)，后透镜的折射率为(1.45,1.6)，其阿贝数为(65,95)，胶合镜片的前表面的直径与曲率半径的比值与后表面的直径与曲率半径的比值的差为(0.01,0.03)。
所述的第四镜片群，包括：一枚具有正光焦度的胶合镜片和一枚具有正光焦度的透镜，该胶合镜片的胶合面的凹面朝向像方。
所述的第五镜片群，包括：一枚具有负光焦度的透镜和一枚具有正光焦度的透镜。
所述的第六镜片群包括：一枚具有正光焦度的胶合镜片。
所述的第七镜片群包括：至少一枚具有负光焦度的透镜，该透镜优选非球面透镜以进一步减小镜头的慧差。
所述的第八镜片群，包括：两枚具有正光焦度的透镜。
所述的第一镜片群的焦距和第二镜片群的焦距分别与第四镜片群的焦距之比的绝对值为(2.60,2.75)、(1.35,1.55)；所述的第七镜片群的焦距与第八镜片群的焦距之比的绝对值为(0.6,0.73)。
所述的折返棱镜包括三个三角棱柱，其中：第一和第二三角棱柱正对胶合设置，第三和第一三角棱柱背对胶合设置。
本发明所述远心镜头，其入射到第一枚透镜前表面的主光线与光轴的夹角小于0.01，最后一枚透镜后表面出射的主光线与光轴的夹角小于0.01。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够达到12兆像素的成像能力，能够清晰成像，且无明显紫边与色散，像质清晰明亮；通过不同镜片组的移动组合方式，实现了镜头的放大率变化；同时满足物方、像方双远心，且物方远心度和像方远心度均可以达到一般远心镜头的标准并具备极高的远心度水平；通过特殊的折返棱镜组合，能够显著改善同轴光源形成中心亮斑的情况，避免光源产生光晕所带来的成像问题。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为照明光路对比示意图；
图中：A为本发明的光路图；B为使用普通棱镜的光路图；
图3为实施例1在0.36倍放大倍率时的畸变图；
图4为实施例1在0.55倍放大倍率时的畸变图；
图5为实施例1在0.36倍放大倍率时的MTF图；
图6为实施例1在0.55倍放大倍率时的MTF图；
图7为光源实拍对比测试图；
图中：A为本实施例1的光源实拍测试图；B为使用普通折返棱镜的光源实拍测试图；
图8为实施例2在0.28倍放大倍率时的畸变图；
图9为实施例2在0.45倍放大倍率时的畸变图；
图10为实施例2在0.28倍放大倍率时的MTF图；
图11为实施例2在0.45倍放大倍率时的MTF图；
图中：第一镜片群G1、第二镜片群G2、第三镜片群G3、第四镜片群G4、第五镜片群G5、折返棱镜LL、三角棱柱LL1～LL3、光阑STP、第六镜片群G6、第七镜片群G7、第八镜片群G8、第一透镜L1、第二胶合镜片L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第六胶合镜片L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十胶合镜片L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13、第一前透镜L21、第一后透镜L22、第二前透镜L51、第二后透镜L52、像面IMG。
具体实施方式
如图1所示，本实施例从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群G1、具有负光焦度的第二镜片群G2、具有负光焦度的第三镜片群G3、具有正光焦度的第四镜片群G4、具有负光焦度的第五镜片群G5、折返棱镜LL、光阑STP、具有正光焦度的第六镜片群G6、具有负光焦度的第七镜片群G7和具有正光焦度的第八镜片群G8。
所述的第一镜片群G1，包括：具有正光焦度的第一透镜L1和具有负光焦度的第二胶合镜片L2，其中：胶合面凹面朝向物方。
所述的第二胶合镜片L2，包括：第一前透镜L21和第一后透镜L22。
所述的第二镜片群G2，包括：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。
所述的第三镜片群G3包括：一枚具有负光焦度的第五胶合镜片L5，包括：第二前透镜L51和第二后透镜L52，该胶合镜片的胶合面凹面朝向像方。
所述的第四镜片群G4，包括：具有正光焦度的第六胶合镜片L6和具有正光焦度的第七透镜L7，该胶合镜片的胶合面的凹面朝向像方。
所述的第五镜片群G5，包括：具有负光焦度的第八透镜L8和具有正光焦度的第九透镜L9。
所述的第六镜片群G6包括：一枚具有正光焦度的胶合镜片L10。
所述的第七镜片群G7为至少一枚具有负光焦度的第十一透镜L11，优选非球面透镜以减小镜头的慧差。
所述的第八镜片群G8，包括：具有正光焦度的第十二透镜L12和具有正光焦度的第十三透镜L13。
所述的折返棱镜LL包括三个三角棱柱LL1～LL3，其中：第一和第二三角棱柱LL1、LL2正对胶合设置，第三和第一三角棱柱LL3、LL1背对胶合设置。
本实施例放大倍率为(0.36X，0.55X)，物像距离为549mm。
表1本实施例的镜头结构参数
其中第二胶合镜片L2的第一前透镜L21的第二表面为第一后透镜L22的第一表面，第五胶合镜片的第二前透镜L51的第二表面为第二后透镜L52的第一表面，第六胶合镜片L6的前透镜的第二表面为后透镜的第一表面，第十胶合镜片L10的前透镜的第二表面为后透镜的第一表面。
表2本实施例镜头非球面系数
| 表面序号 | K | A4 | B6 | C8 | D10 |
| 28 | 2.76 | 2.01e-04 | -5.53e-06 | 7.41E-08 | 7.59E-11 |
| 29 | 3.45 | 3.64E-04 | 1.45E-05 | 6.23E-07 | -8.82E-12 |
表3本实施例在0.36X-0.55X的群组移动位置
| 移动宽度 | 0.36X | 0.55X |
| D1 | 220 | 247 |
| D2 | 43.73 | 43.63 |
| D3 | 60.12 | 8.65 |
| D4 | 4.55 | 5.54 |
| D5 | 4.38 | 10.91 |
| D6 | 1.48 | 13.37 |
| D7 | 30.42 | 29.68 |
| D8 | 17.62 | 18.08 |
| D9 | 40.7 | 46.14 |
在放大倍率从小倍到大倍变化时，物面到像面的总长度保持不变，第一镜片群G1向像面移动、第二镜片群G2先向物面移动后像像面移动、第三镜片群G3向物面移动、第四镜片群G4先向物面移动后像像面移动、第五镜片群G5先向物面移动后像像面移动、折返棱镜LL和光阑TP以及第六镜片群G6一起向像面移动、第七镜片群G7向物面移动、第八镜片群G8向像面移动，八个镜片群联动共同调节倍率变化。
本实施例的第一镜片群的焦距和第二镜片群的焦距分别与第四镜片群的焦距之比的绝对值为2.60、1.35。
本实施例的第七镜片群的焦距与第八镜片群的焦距之比的绝对值为0.73。
本实施例的第二胶合镜片L2的第一前透镜L21的折射率为1.92，阿贝数为62.8，第一后透镜L22的折射率为1.88，阿贝数为37.0，第一前透镜L21的焦距与第一后透镜L22的焦距的乘积与第二胶合镜片的整体焦距之比为37.4。
以上数值约束了第二胶合镜片的材料与焦距比值，高低阿贝数的镜片材料配合焦距之比，有效降低镜头的位置色差。
本实施例的第五胶合镜片的第二前透镜L51的折射率为1.95，其阿贝数为35.1，第二后透镜L52的折射率为1.57，其阿贝数为91.3，第五胶合镜片的前表面的直径与第五胶合镜片前表面的曲率半径的比值与第五胶合镜片的后表面的直径与第五胶合镜片后表面的曲率半径的比值的差为0.01。
以上数值约束了第五胶合镜片的面型和材料，高低阿贝数组合的胶合镜片组材料配合弯月形透镜的形状，降低了镜头的球差和倍率色差。
如图2所示，本实施例的特定折返棱镜LL由三个三角棱柱胶合而成，以物面为前方，圆形光源从棱镜上方照射进入系统，通过半透半反镜，一半的光线从后向前穿过依次穿过棱镜前方的镜片群组，照射到物方后，再经过远心镜头成像到像面上；另一半的光线向下通过棱镜，经过四次反射后穿过棱镜后方的镜片群租成为鬼影。因为鬼影成像前反射了4次，能量衰减为原始光源能量的1/32，可以明显降低中心亮斑强度，减轻鬼影和光晕。相比于普通两个三角棱柱胶合成的正方体棱镜，圆形光源从棱镜上方照射进入系统，通过半透半反镜，一半的光线从后向前穿过依次穿过棱镜前方的镜片群组，照射到物方后，再经过远心镜头成像到像面上；另一半的光线向下通过棱镜，经过两次反射后穿过棱镜后方的镜片群租成为鬼影。因为鬼影成像前只反射了2次，能量仅衰减为原始光源能量的1/8，中心亮斑强度大，有明显的鬼影和光晕。
如图3和图4所示，本实施例在0.36X、0.55X两个放大倍率下，光学畸变远小于1％。任何倍率下均能保证镜头成像均匀，增加了成像结果的精密性和可测性，满足工业镜头的需求。
如图5和图6所示，本实施例在90lp/mm的线对下MTF依旧能满足中心大于50％，周边大于40％，配合28mm超大靶面的传感器尺寸，本实施例镜头可以达到12兆像素的成像解析能力。
如图7所示，本实施例在点光源位于棱镜上方1.5cm位置时，光源实拍测试中心亮斑情况依旧可以明显改善。说明本实施例能够显著减小同轴光源所形成的中心亮斑的情况，避免光源产生的光晕所带来的成像问题。
实施例2
如图1所示，本实施例与实施例1相比，本实施例放大倍率为(0.28X，0.45X)，物像距离为545mm。
表4本实施例的镜头结构参数
其中第二胶合镜片L2的第一前透镜L21的第二表面为第一后透镜L22的第一表面，第五胶合镜片的第二前透镜L51的第二表面为第二后透镜L52的第一表面，第六胶合镜片L6的前透镜的第二表面为后透镜的第一表面，第十胶合镜片L10的前透镜的第二表面为后透镜的第一表面。
表5本实施例镜头非球面系数
| 表面序号 | K | A4 | B6 | C8 | D10 |
| 20 | 0 | 6.10e-05 | -1.31e-07 | -4.66E-09 | 8.38E-11 |
| 21 | 0 | -3.86E-05 | 1.45E-07 | 5.17E-09 | -8.30E-12 |
表6本实施例在0.28X-0.45X的群组移动位置
| 移动宽度 | 0.28X | 0.46X |
| D1 | 220 | 244 |
| D2 | 43.77 | 47.31 |
| D3 | 59.36 | 11.16 |
| D4 | 4.11 | 6.58 |
| D5 | 3.48 | 10.66 |
| D6 | 0.48 | 12.84 |
| D7 | 29.96 | 28.50 |
| D8 | 17.55 | 17.68 |
| D9 | 44.56 | 44.55 |
本实施例的第一镜片群的焦距和第二镜片群的焦距分别与第四镜片群的焦距之比的绝对值为2.74、1.53。
本实施例的第七镜片群的焦距与第八镜片群的焦距之比的绝对值为0.6。
本实施例的第二胶合镜片L2的第一前透镜L21的折射率为1.69，阿贝数为49.1，第一后透镜L22的折射率为1.75，阿贝数为27.6，第一前透镜L21的焦距与第一后透镜L22的焦距的乘积与第二胶合镜片的整体焦距之比为38.9。
以上数值约束了第二胶合镜片的材料与焦距比值，高低阿贝数的镜片材料配合焦距之比，有效降低镜头的位置色差。
本实施例的第五胶合镜片的第二前透镜L51的折射率为1.75，其阿贝数为27.5，第二后透镜L52的折射率为1.49，其阿贝数为69.4，第五胶合镜片的前表面的直径与第五胶合镜片前表面的曲率半径的比值与第五胶合镜片的后表面的直径与第五胶合镜片后表面的曲率半径的比值的差为0.03。
以上数值约束了第五胶合镜片的面型和材料，高低阿贝数组合的胶合镜片组材料配合弯月形透镜的形状，降低了镜头的球差和倍率色差。
如图7所示，通过折返棱镜组合，能够显著改善同轴光源形成中心亮斑的情况，避免光源产生光晕所带来的成像问题。
如图8和图9所示，本实施例在0.28X和0.45X两个放大倍率下，光学畸变远小于1％。任何倍率下均能保证镜头成像均匀，增加了成像结果的精密性和可测性，满足工业镜头的需求。
如图10和图11所示，本实施例在90lp/mm的线对下MTF依旧能满足中心大于50％，周边大于40％，配合28mm超大靶面的传感器尺寸，本实施例镜头可以达到12兆像素的成像解析能力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (12)
1.一种远心镜头，其特征在于，从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群、具有负光焦度的第二镜片群、具有负光焦度的第三镜片群、具有正光焦度的第四镜片群、具有负光焦度的第五镜片群、折返棱镜、光阑、具有正光焦度的第六镜片群、具有负光焦度的第七镜片群和具有正光焦度的第八镜片群；
所述的折返棱镜包括：三个三角棱柱，其中：第一和第二三角棱柱正对胶合设置，第三和第一三角棱柱背对胶合设置。
2.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第一镜片群，包括：一枚具有正光焦度的透镜和一枚具有负光焦度的胶合镜片。
3.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第三镜片群包括：一枚具有负光焦度的胶合镜片。
4.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第二镜片群，包括：一枚具有正光焦度的透镜和一枚具有负光焦度的透镜。
5.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第四镜片群，包括：一枚具有正光焦度的胶合镜片和一枚具有正光焦度的透镜。
6.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第五镜片群，包括：一枚具有负光焦度的透镜和一枚具有正光焦度的透镜。
7.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第六镜片群包括：一枚具有正光焦度的胶合镜片；所述的第八镜片群，包括：两枚具有正光焦度的透镜。
8.根据权利要求1所述的远心镜头，其特征是，所述的第七镜片群包括：至少一枚具有负光焦度的非球面透镜以减小镜头的慧差。
9.根据权利要求2所述的远心镜头，其特征是，所述的胶合镜片的前透镜的折射率为(1.65,2)，其阿贝数为(45,70)，后透镜的折射率为(1.75,1.9)，其阿贝数为(25,40)，前透镜的焦距与后透镜的焦距的乘积与胶合镜片的整体焦距之比为(37,40)。
10.根据权利要求3所述的远心镜头，其特征是，所述的胶合镜片的前透镜的折射率为(1.75,1.95)，其阿贝数为(35,40)，后透镜的折射率为(1.45,1.6)，其阿贝数为(65,95)，该胶合镜片的前表面的直径与第五胶合镜片前表面的曲率半径的比值与第五胶合镜片的后表面的直径与第五胶合镜片后表面的曲率半径的比值的差为(0.01,0.03)。
11.根据上述任一权利要求所述的远心镜头，其特征是，所述的第一镜片群的焦距和第二镜片群的焦距分别与第四镜片群的焦距之比的绝对值为(2.60,2.75)、(1.35,1.55)；所述的第七镜片群的焦距与第八镜片群的焦距之比的绝对值为(0.6,0.73)。
12.根据上述任一权利要求所述的远心镜头，其特征是，其入射到第一枚透镜前表面的主光线与光轴的夹角小于0.01，最后一枚透镜后表面出射的主光线与光轴的夹角小于0.01。
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