CN108873274A - 一种大视场双远心镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学检测元件领域，尤其涉及一种大视场双远心镜头，从物侧到像侧沿光轴依次包括前镜组、中镜组、光阑以及后镜组，成像时物侧处物面发出的光线依次经过所述前镜组、中镜组、光阑、后镜组，最终在像侧处的像面成像，结构设计合理，镜头成像质量好，本发明镜头总长短，有利于缩小检测设备整体尺寸，便于安装调试，所述前镜组、中镜组以及后镜组依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜，且该所述七个透镜通光口径均比较小，可以减小透镜的加工成本，操作使用便利，测量精度高，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学检测元件领域，尤其涉及一种大视场双远心镜头。
背景技术
众所周知，在采用光学测量技术对被测物体的某个或某几个待测量参数进行高精度检测时，成像镜头是其至关重要的光学元件，传统普通镜头由于物距不同时放大倍率不同，存在较大的测量偏差，会严重影响测量精度。为弥补传统普通镜头在应用中的不足，适应现代社会精密检测需求，远心镜头应运而生，远心镜头主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，可以减小甚至消除视差对测量精度的干扰，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用，远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。
但是，现有一般光学镜头景深很小，一般的光学镜头由于在光学系统设计时需要考虑调整镜头的通光孔径可调，镜头物距和倍率可调等因素。在一般的工业检测或测量中，如果设计的零件本身有较大的高度落差，比如齿轮、刀头等零件，如果要对整个零件进行检测，一般为了提高精度会采用多工位的方式采集图像，这样就需要检测设备安装多个相机、镜头、光源等配套设施，同时检测精度需要分开控制，工作效率低，而且多个配套设施无疑增加了整个检测设备的成本，后期维护成本也显著提高，不适宜大范围推广应用。同时，现有远心镜头大多还存在着镜头比较长、镜头大等问题，导致结构复杂，操作使用不方便。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构设计合理、操作使用便利、制造成本低、成像质量好、测量精度高的大视场双远心镜头。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种大视场双远心镜头，其特征在于，从物侧到像侧沿光轴依次包括：
前镜组，包括第一透镜以及第二透镜，其中，所述第一透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第一物侧面、朝向所述像侧的第一像侧面，所述第二透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第二物侧面、朝向所述像侧的第二像侧面；
中镜组，包括第三透镜以及第四透镜，其中，所述第三透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第三物侧面、朝向所述像侧的第三像侧面，所述第四透镜具有负光焦度，以及朝向所述像侧的第四物侧面、朝向所述像侧的第四像侧面；
后镜组，包括第五透镜、第六透镜以及第七透镜，其中，所述第五透镜具有负光焦度，以及朝所述物侧的第五物侧面、朝向所述像侧的第五像侧面，所述第六透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第六物侧面、朝向所述像侧的第六像侧面，所述第七透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第七物侧面、朝向所述物侧的第七像侧面。
优选的，本发明中所述第一物侧面弯向像侧，所述第一像侧面为平面，所述第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、四物侧面、第四像侧面、第五物侧面、第五像侧面均弯向像侧，所述第六物侧面、第六像侧面均弯向物侧，所述第七物侧面弯向像侧，所述第七像侧面弯向物侧。
优选的，本发明中所述大视场双远心镜头还包括光阑，所述光阑设置在所述第四透镜与所述第五透镜之间的光路上。
优选的，本发明中所述光阑大小为10.2mm。
优选的，本发明中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的通光口径均小于等于220mm。
优选的，本发明中所述大视场双远心镜头的总长度小于370mm。
优选的，本发明中所述第一物侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第四物侧面、第四像侧面、第五物侧面、第五像侧面、第六物侧面、第六像侧面、第七物侧面、第七像侧面均为球面。
优选的，本发明中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜均采用玻璃材料制成。
优选的，本发明中所述大视场双远心镜头的工作距离为220mm。
优选的，本发明中所述大视场双远心镜头的工作F#为10。
本发明的有益效果是，由于本发明大视场双远心镜头从物侧到像侧沿光轴依次包括前镜组、中镜组以及后镜组，成像时物侧处物面发出的光线依次经过所述前镜组、中镜组、后镜组，最终在像侧处的像面成像，结构设计合理，镜头成像质量好，本发明镜头总长短，有利于缩小检测设备整体尺寸，便于安装调试，所述前镜组、中镜组以及后镜组依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜，且该所述七个透镜通光口径均比较小，可以减小透镜的加工成本，操作使用便利，测量精度高，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明大视场双远心镜头的一种实施例结构示意图，也是一种优选实施例示意图。
图2为本发明大视场双远心镜头的一种光路结构示意图。
图3为本发明大视场双远心镜头在白光工作环境中的系统点列图。
图4为本发明大视场双远心镜头在白光工作环境中的系统MTF图。
图5为本发明大视场双远心镜头在白光工作环境中的畸变、场曲图。
图6为本发明大视场双远心镜头的能量集中度图。
图7为本发明大视场双远心镜头在单色波长656.3nm条件下的系统点列图。
图8为本发明大视场双远心镜头在单色波长656.3nm条件下的系统MTF图。
图9为本发明大视场双远心镜头在单色波长656.3nm条件下的畸变、场曲图。
图10为本发明大视场双远心镜头的工作原理示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
图1示出了本发明大视场双远心镜头的一种实施例结构示意图，也是一种优选实施例示意图。如图1所示，本实施例所述的大视场双远心镜头，从物侧到像侧沿光轴依次包括：前镜组100、中镜组200、后镜组300，由图1中可以看出：所述前镜组100包括第一透镜10以及第二透镜20，其中，所述第一透镜10具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第一物侧面、朝向所述像侧的第一像侧面，所述第二透镜20具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第二物侧面、朝向所述像侧的第二像侧面；所述中镜组200包括第三透镜30以及第四透镜40，其中，所述第三透镜30具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第三物侧面、朝向所述像侧的第三像侧面，所述第四透镜40具有负光焦度，以及朝向所述像侧的第四物侧面、朝向所述像侧的第四像侧面；所述后镜组300包括第五透镜50、第六透镜60以及第七透镜70，其中，所述第五透镜50具有负光焦度，以及朝所述物侧的第五物侧面、朝向所述像侧的第五像侧面，所述第六透镜60具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第六物侧面、朝向所述像侧的第六像侧面，所述第七透镜70具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第七物侧面、朝向所述物侧的第七像侧面。
作为优选实施方式，本实施例中所述大视场双远心镜头还包括光阑80，所述光阑80设置在所述第四透镜与所述第五透镜之间的光路上。优选的，本实施例中所述光阑大小为10.2mm，光阑80的设置能够有效避免杂散光影响，提高成像质量。如图2所示，本发明大视场双远心镜头成像时，物面S1发出的光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜，最终在像面S2成像。
作为优选实施方式，如图1所示，本实施例中所述第一物侧面弯向像侧，所述第一像侧面为平面，所述第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、四物侧面、第四像侧面、第五物侧面、第五像侧面均弯向像侧，所述第六物侧面、第六像侧面均弯向物侧，所述第七物侧面弯向像侧，所述第七像侧面弯向物侧。优选的，本实施例中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的通光口径均小于等于220mm，大大减小透镜加工成本。优选的，本实施例中所述大视场双远心镜头的总长度小于370mm，成像质量好且安装使用方便，有利于缩小检测设备整机尺寸。优选的，本实施例中所述第一物侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第四物侧面、第四像侧面、第五物侧面、第五像侧面、第六物侧面、第六像侧面、第七物侧面、第七像侧面均为球面。优选的，本实施例中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜均采用玻璃材料制成。
本实施例所述大视场双远心镜头的各光学元件满足如下表1：
| 表面 | 透镜表面 | R(mm) | T(mm) | Nd | Vd |
| 物面 | 平面 | 无穷 | 220 | - | - |
| 第一物侧面 | 球面 | 355.2 | 25 | 1.55 | 49.6 |
| 第一像侧面 | 平面 | 无穷 | 5 | ||
| 第二物侧面 | 球面 | 205.6 | 24.6 | 1.73 | 51.78 |
| 第二像侧面 | 球面 | 729.0 | 30.72 | ||
| 第三物侧面 | 球面 | 97.58 | 20.71 | 1.8 | 46.5 |
| 第三像侧面 | 球面 | 117.02 | 76.55 | ||
| 第四物侧面 | 球面 | 103.02 | 20.46 | 1.78 | 25.68 |
| 第四像侧面 | 球面 | 20.05 | 30.9 | ||
| 光阑 | 平面 | 无穷 | 9.83 | ||
| 第五物侧面 | 球面 | 256.59 | 18.38 | 1.92 | 20.88 |
| 第五像侧面 | 球面 | 54.29 | 2.48 | ||
| 第六物侧面 | 球面 | -270.58 | 4.99 | 1.65 | 58.51 |
| 第六像侧面 | 球面 | -32.06 | 11.39 | ||
| 第七物侧面 | 球面 | 171.78 | 19.87 | 1.62 | 60.31 |
| 第七像侧面 | 球面 | -41.66 | 69.05 | - | - |
| 像面 | 平面 | 无穷 | - | - |
表1
值得一提的是，在如上表1中，R为对应各光学元件表面的曲率半径，T为对应各光学元件的空气间隔，Nd为对应各光学元件对d光的折射率，Vd为对应各光学元件材料的阿贝数。
其中，表1中物方工作距离为220mm，系统的工作F#为10，本实施例双远心镜头的放大倍率0.15倍，工作波长为486.13270nm、587.56180nm及656.27250nm的参考设计波长。本实施例中远心镜头设计远心度小于0.5°，在远心光学成像中，景深是一个很重要的参数，它的大小决定着图像的清晰范围，本实施例中远心镜头景深大小为35mm。点列图是通过到达像面的光线的集中度来研究系统的成像质量。由图3中系统点列图可以看出，系统到达像面的光线几乎都在艾里斑范围内，该远心镜头在0视场、0.3视场、0.5视场、0.707视场及1.0视场下的RMS RADIUS最大值3.935μm，小于衍射极限值7.166μm。光学系统的MTF(ModulationTransfer Function，传递函数)如图4所示，由图可知，系统MTF值比较接近衍射极限。系统畸变、场曲如图5所示，场曲是反应成像质量的一个重要参数，它反应了像面的弯曲程度，由图5可知，场曲校正在0.2mm范围内，满足设计要求，畸变虽然不影响成像质量但是畸变的大小影响成像的准确性，通过校正，系统畸变在0.08％以下。光学系统的能量集中度如图6所示。
值得一提的是，以上图3、图4、图5所示结果是本发明大视场双远心镜头在可见光的条件下进行设计的，在选取光源时，如果光源波长选为656.3nm，则应用本发明大视场双远心镜头的光学系统在单色波长656.3nm的条件下进行成像的成像质量分别如图7、图8、图9所示，由以上图可以看出，与可见光条件下的成像质量相比，在单色波长656.3nm条件下光学系统的成像质量变化不大，其中spot相对而言有了一定的提高。
本发明双远心镜头光路工作原理如图10所示。由图10中可以看出，双远心系统是由L1和L2两个物镜组合而成的，其中物镜L1的焦距为f1’，物镜L2的焦距为f2，并且物镜L1的像方焦点与物镜L2的物方焦点完全重合，系统无光学间隔，构成无焦系统，而孔径光阑被设置在两个物镜的公共焦点F处。因此光源发出的平行光束投射到被测物体上，然后射入物镜L1后，再经过孔径光阑和物镜L2后，出射光仍然是平行光。物体B1B2经物像方远心光路成像后，在CCD接收面上可以准确接收到像M1M2，其长度就为M1M2。
假设被测物体的物方线视场为2y，相应的像方线视场为2y’，则系统的放大倍率为：
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.一种大视场双远心镜头，其特征在于，从物侧到像侧沿光轴依次包括：
前镜组，包括第一透镜以及第二透镜，其中，所述第一透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第一物侧面、朝向所述像侧的第一像侧面，所述第二透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第二物侧面、朝向所述像侧的第二像侧面；
中镜组，包括第三透镜以及第四透镜，其中，所述第三透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第三物侧面、朝向所述像侧的第三像侧面，所述第四透镜具有负光焦度，以及朝向所述像侧的第四物侧面、朝向所述像侧的第四像侧面；
后镜组，包括第五透镜、第六透镜以及第七透镜，其中，所述第五透镜具有负光焦度，以及朝所述物侧的第五物侧面、朝向所述像侧的第五像侧面，所述第六透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第六物侧面、朝向所述像侧的第六像侧面，所述第七透镜具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第七物侧面、朝向所述物侧的第七像侧面。
2.根据权利要求1所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第一物侧面弯向像侧，所述第一像侧面为平面，所述第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、四物侧面、第四像侧面、第五物侧面、第五像侧面均弯向像侧，所述第六物侧面、第六像侧面均弯向物侧，所述第七物侧面弯向像侧，所述第七像侧面弯向物侧。
3.根据权利要求2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置在所述第四透镜与所述第五透镜之间的光路上。
4.根据权利要求3所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述光阑大小为10.2mm。
5.根据权利要求1或2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的通光口径均小于等于220mm。
6.根据权利要求1或2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述大视场双远心镜头的总长度小于370mm。
7.根据权利要求1或2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第一物侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第四物侧面、第四像侧面、第五物侧面、第五像侧面、第六物侧面、第六像侧面、第七物侧面、第七像侧面均为球面。
8.根据权利要求1或2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜均采用玻璃材料制成。
9.根据权利要求1或2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述大视场双远心镜头的工作距离为220mm。
10.根据权利要求1或2所述的大视场双远心镜头，其特征在于，所述大视场双远心镜头的工作F#为10。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2023077780A1 (zh) * | 2021-11-03 | 2023-05-11 | 广东奥普特科技股份有限公司 | 一种远心镜头 |
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