CN108710195A - 大靶面机器视觉镜头的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大靶面机器视觉镜头的光学系统，包括由物方到像方的具有正光焦度、弯月结构的第一透镜G1，具有正光焦度、弯月结构的第二透镜G2，具有负光焦度、弯月结构的第三透镜G3，具有正光焦度、双凸结构的第四透镜G4，具有负光焦度、弯月结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6和具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7，光学系统的焦距为f，与第一透镜G1的焦距f1之间满足关系式：0.8<|f1/f|<1.2，光学系统的靶面为2y，与焦距f满足以下关系式：2y/f＞0.85。本发明能够匹配分辨率8k以上、像元尺寸7μm的线阵相机，实现0.04X—0.33X的宽工作距离的高质量成像。

Description

大靶面机器视觉镜头的光学系统
技术领域
本发明涉及镜头技术领域，具体涉及大靶面机器视觉镜头的光学系统。
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图像感应装置(分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备。
在工业自动化的大背景下，机器视觉需求与日俱增。在高精度测量领域，通常采用线阵型相机，如电子制造、食品包装和质量保证、工件定位测量、缺陷检测等众多行业内，被检测的物体通常匀速运动，利用一台或多台线阵相机对其逐行连续扫描，扫描后，可以对单行图像进行处理，或者对由多行组成的面阵图像进行处理。与之相对应的，阵型相机需要配置线扫定焦机器视觉镜头，然而国内现有的线扫镜头普遍存在适用工作距离范围小，工作距离改变会使像质降低等缺陷，导致线扫镜头专款专用，以镜头为中心来选择配合能适用的工作条件，大大地限制了应用场合。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种大靶面，宽工作距离，能够匹配像元尺寸7μm以上的线阵相机的机器视觉镜头的光学系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
大靶面机器视觉镜头的光学系统，包括由物方到像方的具有正光焦度、弯月结构的第一透镜G1，具有正光焦度、弯月结构的第二透镜G2，具有负光焦度、弯月结构的第三透镜G3，具有正光焦度、双凸结构的第四透镜G4，具有负光焦度、弯月结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6和具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7，所述光学系统的焦距为f，与所述第一透镜G1的焦距f1之间满足关系式：0.8<|f1/f|<1.2，所述光学系统的靶面为2y，与焦距f满足以下关系式：2y/f＞0.85。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第二透镜G2与第三透镜G3组成第一胶合透镜B1，所述第一胶合透镜B1的焦距为fB1；所述第四透镜G4与第五透镜G5组成第一胶合透镜B2，所述第一胶合透镜B2的焦距为fB2；所述第六透镜G6与第七透镜G7组成第三胶合透镜B3，所述第三胶合透镜B3的焦距为fB3；fB1、fB2和fB3分别与焦距f之间满足关系式：0.6<|fB1/f|<0.9；0.75<|fB2/f|<1.1；1.8<|fB3/f|<2.4。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，其满足关系式：1.95<n1<2.05.；20<v1<30。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其满足关系式：1.55<n2<1.65；60<v2<70。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第三透镜G3的折射率为n3，阿贝数为v3，其满足关系式：1.75<n3<1.85；20<v3<30。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，其满足关系式：1.85<n4<1.95；20<v4<30。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第五透镜G5的折射率为n6，阿贝数为v6，其满足关系式：1.55<n5<1.65；35<v5<45。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，其满足关系式：1.8<n6<1.9；20<v6<30。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，所述第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其满足关系式：1.55<n6<1.65；55<v6<65。
作为本发明所述的大靶面机器视觉镜头的光学系统的一种改进，还包括光阑，所述光阑位于所述第三透镜G3和所述第四透镜G4之间，所述光阑的孔径为圆孔，光阑的光圈在F4.0～F16范围内可调。
本发明的有益效果在于：通过上述结构实现了一种大靶面，宽工作距离的光学系统，具体参数为焦距60mm，靶面63mm，能够匹配分辨率8k、像元尺寸7μm以上的线阵相机，可实现0.04X—0.33X的宽工作距离的高质量成像，满足高端产品需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中光学系统的光路图；
图3为本发明的光学系统的MTF曲线图；
图4为本发明的光学系统的畸变曲线图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
如图1～2所示，大靶面机器视觉镜头的光学系统，包括由物方到像方的具有正光焦度、弯月结构的第一透镜G1，具有正光焦度、弯月结构的第二透镜G2，具有负光焦度、弯月结构的第三透镜G3，具有正光焦度、双凸结构的第四透镜G4，具有负光焦度、弯月结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6和具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7，光学系统的焦距为f，与第一透镜G1的焦距f1之间满足关系式：0.8<|f1/f|<1.2，光学系统的靶面为2y，与焦距f满足以下关系式：2y/f＞0.85。第一透镜G1到第七透镜G7均为玻璃球面透镜，由火石、镧冕牌、火石、火石、重镧火石、钡冕牌和重磷冕玻璃组合而成。
优选地，第二透镜G2与第三透镜G3组成第一胶合透镜B1，第一胶合透镜B1的焦距为fB1；第四透镜G4与第五透镜G5组成第一胶合透镜B2，第一胶合透镜B2的焦距为fB2；第六透镜G6与第七透镜G7组成第三胶合透镜B3，第三胶合透镜B3的焦距为fB3；fB1、fB2和fB3分别与焦距f之间满足关系式：0.6<|fB1/f|<0.9；0.75<|fB2/f|<1.1；1.8<|fB3/f|<2.4。
优选地，第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，其满足关系式：1.95<n1<2.05.；20<v1<30。
优选地，第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其满足关系式：1.55<n2<1.65；60<v2<70。
优选地，第三透镜G3的折射率为n3，阿贝数为v3，其满足关系式：1.75<n3<1.85；20<v3<30。
优选地，第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，其满足关系式：1.85<n4<1.95；20<v4<30。
优选地，第五透镜G5的折射率为n6，阿贝数为v6，其满足关系式：1.55<n5<1.65；35<v5<45。
优选地，第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，其满足关系式：1.8<n6<1.9；20<v6<30。
优选地，第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其满足关系式：1.55<n6<1.65；55<v6<65。
本发明还包括光阑100，光阑100位于第三透镜G3和第四透镜G4之间，光阑100的孔径为圆孔，光阑100的光圈在F4.0～F16范围内可调。
通过上述结构实现了焦距在60mm，芯片尺寸为63mm，全视场畸变小于0.5％，可实现工作距离210mm-1550mm的高清晰成像。满足高端产品需求，同时其通光孔径也可灵活调节。
在本实施例中，光学系统数据如下：
表面 半径(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
第一透镜前表面 33.3 3.4 2.00 25
第一透镜后表面 71.8 0.1
第一胶合透镜前表面 18.4 5.6 1.60 65
第一胶合透镜胶合面 162.5 2.2 1.80 25
第一胶合透镜后表面 12.1 8.5
光阑 ∞ 2.3
第二胶合透镜前表面 730.0 2.2 1.92 21
第二胶合透镜胶合面 -24.3 1.5 1.60 38
第二胶合透镜后表面 -172.6 2.8
第三胶合透镜前表面 -26.9 1.5 1.76 27
第三胶合透镜胶合面 56.5 8 1.62 63
第三胶合透镜后表面 -18.7 62.1
像面 ∞
f1(mm) fB1(mm) fB2(mm) fB3(mm)
58.8 -44.2 55.2 127.8
f(mm) 2y(mm)
60 63
|f1/f| |fB1/f| |fB2/f| |fB3/f| 2y/f
0.98 0.74 0.92 2.13 1.05
在本实施例中，光学系统的焦距为60mm，光圈为F#＝4，靶面为63mm。另外，如图3所示，本实施例光学系统的全视场的MTF值在50lp/mm大于0.3，可匹配像元尺寸10μm以上成像芯片。如图4所示，本实施例全视场畸变控制在±0.05％以内，说明系统畸变量小，满足机器视觉应用的需求。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.大靶面机器视觉镜头的光学系统，其特征在于：包括由物方到像方的具有正光焦度、弯月结构的第一透镜G1，具有正光焦度、弯月结构的第二透镜G2，具有负光焦度、弯月结构的第三透镜G3，具有正光焦度、双凸结构的第四透镜G4，具有负光焦度、弯月结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6和具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7，所述光学系统的焦距为f，与所述第一透镜G1的焦距f1之间满足关系式：0.8<|f1/f|<1.2，所述光学系统的靶面为2y，与焦距f满足以下关系式：2y/f＞0.85。
2.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第二透镜G2与第三透镜G3组成第一胶合透镜B1，所述第一胶合透镜B1的焦距为fB1；所述第四透镜G4与第五透镜G5组成第一胶合透镜B2，所述第一胶合透镜B2的焦距为fB2；所述第六透镜G6与第七透镜G7组成第三胶合透镜B3，所述第三胶合透镜B3的焦距为fB3；fB1、fB2和fB3分别与焦距f之间满足关系式：0.6<|fB1/f|<0.9；0.75<|fB2/f|<1.1；1.8<|fB3/f|<2.4。
3.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，其满足关系式：1.95<n1<2.05.；20<v1<30。
4.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其满足关系式：1.55<n2<1.65；60<v2<70。
5.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第三透镜G3的折射率为n3，阿贝数为v3，其满足关系式：1.75<n3<1.85；20<v3<30。
6.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，其满足关系式：1.85<n4<1.95；20<v4<30。
7.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第五透镜G5的折射率为n6，阿贝数为v6，其满足关系式：1.55<n5<1.65；35<v5<45。
8.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，其满足关系式：1.8<n6<1.9；20<v6<30。
9.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：所述第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其满足关系式：1.55<n6<1.65；55<v6<65。
10.根据权利要求1所述的大靶面定焦机器视觉线阵镜头，其特征在于：还包括光阑，所述光阑位于所述第三透镜G3和所述第四透镜G4之间，所述光阑的孔径为圆孔，光阑的光圈在F4.0～F16范围内可调。
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