CN109001899A - 一种20x工业显微镜的光学系统 - Google Patents

一种20x工业显微镜的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种20X工业显微镜的光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的前透镜组、光阑、后透镜组和分光棱镜。光学系统的物方数值孔径为0.24；前透镜组由透镜一和透镜二组成，后透镜组由透镜三和透镜四组成；透镜一为凹凸透镜；透镜二为凸凹透镜；透镜三为凸平透镜；透镜四为凹平透镜；光阑设在透镜二与透镜三之间。本发明的光学系统满足500万成像分辨率工业相机的搭配要求并解决了以下两个问题：1、高倍率大数值孔径下500万成像分辨率的像差矫正；2、为了匹配工业相机而设计大于17.5mm的后焦尺寸；3、由于镜头要深入到拍摄物内部，所以要保证系统前组外径小于10mm。

Description

一种20X工业显微镜的光学系统
技术领域
本发明涉及一种显微镜头的光学系统，具体涉及一种20X工业显微镜的光学系统。
背景技术
机器视觉发展到今天，很多人眼观测的视觉检测需求都可以通过光学镜头来代替。但一些传统行业的视觉检测因为检测的视野非常小，行业里一直都是用工业显微镜、体式显微镜、金相显微镜等设备来辅助观测。由于显微镜一般无法直接匹配工业相机，很多项目仍需要通过目视来识别检测，这种依赖人眼检测的项目一般局限于缺陷检测、类别检测等，对于高精度测量或定位则无法进行。
目前市面上已有的工业显微镜头大致分为两类，一类是传统工业显微镜组，它由物镜和目镜两部分构成，镜头的数值孔径、物像共轭距、放大倍率等都遵循显微镜头的行业标准，是构成体视显微镜、目视显微镜、金相显微镜等的主要部件，这类显微镜头的主要特点是光学参数都遵循行业标准，镜头的倍率是模块化组合的方式，大部分都是搭配目镜，供人眼观测使用。另一类是专门为加装工业相机所开发的显微放大镜头，这种镜头一般放大倍率都在8X以内，标准的工业相机接口，放大倍率不高。在机器视觉发展的今天，将传统通过人眼来完成的检测由机器来完成是一个发展趋势，但代替人眼完成超小视野的检测的工业显微镜却一直以来是行业内的一个空白，为此亟待开发一种放大倍率为20X的工业显微镜头。
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20X工业显微镜的光学系统，它能满足500万成像分辨率工业相机搭配的要求。
本发明的目的是这样实现的：一种20X工业显微镜的光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的前透镜组、光阑、后透镜组和分光棱镜；其中，
所述光学系统的物方空间数值孔径为0.24；
所述前透镜组由透镜一和透镜二组成；
所述透镜一为凹凸透镜，它的物面为负弯月面，像面为正弯月面；
所述透镜二为凸凹透镜，它的物面为正弯月面，像面为负弯月面；
所述后透镜组由透镜三和透镜四组成；
所述透镜三为凸平透镜，它的物面为正弯月面，像面为平面；
所述透镜四为凹平透镜，它的物面为负弯月面，像面平面；
所述光阑设在所述透镜二与透镜三之间；
所述分光棱镜采用入射角为45度、分光比例为5：5的可见光波段分光棱镜；
所述透镜一与透镜二的光学间隔为9～11mm；所述透镜二与光阑的光学间隔为0.3～0.5mm；所述光阑与透镜三的光学间隔为6.1～6.5mm；所述透镜三与透镜四的光学间隔为1～1.4mm；所述透镜四与分光棱镜的光学间隔为38～42mm；所述分光棱镜与像面的光学间隔为35.2～35.6mm。
上述的20X工业显微镜的光学系统，其中，所述透镜一的中心厚度为2.3～2.7mm，物面曲率半径为20～21mm，像面曲率半径为9～11mm；所述透镜二的中心厚度为1.8～2mm，物面曲率半径为18.7～19.1mm，像面曲率半径为61.1～61.5mm；所述透镜三的中心厚度为3.3～3.7mm，物面曲率半径为41.3～41.9mm；所述透镜四的中心厚度为3.3～3.7mm，物面曲率半径为22.5～22.9mm；所述分光棱镜的厚度为10mm。
上述的20X工业显微镜的光学系统，其中，所述透镜一采用重镧火石玻璃制作；所述透镜二采用重镧火石玻璃制作；所述透镜三采用镧火石玻璃制作；所述透镜四采用重钡火石玻璃制作；所述分光棱镜采用冕玻璃制作。
本发明的20X工业显微镜的光学系统，由前透镜组、后透镜组、光阑和分光棱镜并按照一定的光学间隔组成，前透镜组和后透镜组均包括二个透镜，它解决了以下三个问题：
1、高倍率大数值孔径下500万成像分辨率的像差矫正；
2、为了匹配工业相机而设计大于17.5mm的后焦尺寸；
3、由于镜头要深入到拍摄物内部，所以要保证系统前组外径小于10mm。
本发明为了保证近轴放大倍率达到20X，通过将物方空间数值孔径放大到0.24来保证整个成像的亮度和图像分辨率，将畸变控制在0.08％以内，以满足成像分辨率为500万像素的工业相机的搭配要求，并通过调整各个透镜的材料和光学间隔以及增加透镜的数量，匹配工业相机大于17.5mm的后焦尺寸。
附图说明
图1是本发明的20X工业显微镜头的光学系统的结构图；
图2是本发明的20X工业显微镜头的光学系统衍射调制传递函数MTF曲线图；
图3是本发明的20X工业显微镜头的光学系统各个视场的衍射调制传递函数MTF曲线图；
图4是本发明的20X工业显微镜头的光学系统的畸变和场曲图；
图5是本发明的20X工业显微镜头的光学系统的像面照度曲线图；
图6是本发明的20X工业显微镜头的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20X工业显微镜头的光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的前透镜组、光阑5、后透镜组和分光棱镜6；其中，
光学系统的物方空间数值孔径为0.24；
前透镜组由透镜一1和透镜二2组成；
透镜一1为凹凸透镜并采用重镧火石玻璃(zlaf80)制作且中心厚度为，它的物面为负弯月面，曲率半径为20.5mm，像面为正弯月面，曲率半径为10mm；
透镜二2为凸凹透镜并采用重镧火石玻璃(h-zlaf52a)制作且中心厚度为1.9mm，它的物面为正弯月面，曲率半径为18.9mm，像面为负弯月面，曲率半径为61.3mm；
后透镜组由透镜三3和透镜四4组成；
透镜三3为凸平透镜并采用镧火石玻璃(h-laf4)制作且中心厚度为3.5mm，它的物面为正弯月面，曲率半径为41.6mm，像面为平面；
透镜四4为凹平透镜并采用重钡火石玻璃(h-zbaf4)制作且中心厚度为3.5mm，它的物面为负弯月面，曲率半径为22.7mm，像面平面；
光阑5设在透镜二2与透镜三3之间；
分光棱镜6采用冕玻璃(h-k9)制作且厚度为10mm，并为入射角为45度、分光比例为5：5的可见光波段分光棱镜；
透镜一1与透镜二2的光学间隔为10mm；透镜二2与光阑5的光学间隔为0.4mm；光阑5与透镜三3的光学间隔为6.3mm；透镜三3与透镜四4的光学间隔为1.2mm；透镜四4与分光棱镜6的光学间隔为40mm；分光棱镜6与像面7的光学间隔为35.4mm。
本发明的20X工业显微镜头的光学系统具体的设计参数见下表：
本发明的20X工业显微镜头的光学系统解决了以下三个问题：
1、高倍率大数值孔径下500万成像分辨率的像差矫正；
2、为了匹配工业相机而设计大于17.5mm的后焦尺寸；
3、由于镜头要深入到拍摄物内部，所以要保证系统前组外径小于10mm。
在成像光学系统里，高放大倍率、大光圈的光学系统属于像差矫正比较困难的问题，特别是匹配高分辨率的工业相机，如何保证整个光学系统在增大调制光学传递函数的同时控制弥散圆的大小，同时平衡的提升整个光学系统的光圈，这些都是本发明要解决的问题。
本发明的光学系统由于放大倍率是20X，所以必须有足够大的物方空间数值孔径来保证整个成像的亮度和图像分辨率，同时要保证系统前组外径小于10mm，数值孔径增大意味着从物面到透镜一1的光线角度的增大，从主光轴上的光线到边缘视场的光线角度都会增大，物方空间数值孔径的扩大带来了更多的光学像差，要抑制不同区域范围内光线汇聚在像面更小的区域范围内需要反复的来修改整个系统的光线走向，因此本发明通过调整各个透镜的材料和光学间隔以及增加透镜的数量来达到这样的目标：通过透镜二2矫正轴上球差和轴外彗差；通过透镜四4进一步控制整个系统的光学放大倍率，同时矫正轴上球差和轴外彗差，两次矫正后，系统球差控制在0.12um左右，彗差控制在0.1um左右。整个系统的后截距达到35.4mm，能配合工业相机C接口17.52mm的法兰距。
图2表示在工作波段下，本发明的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空间传递函数曲线图。
本发明将畸变控制在0.08％以内，具体可参见图4。图4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％。
本发明通过矫正分光棱镜6到像面7的光线角度和位置，尽量保证全视野范围内有均匀的照度，通过像面照度图(见图5)可以看到，本发明效地控制了光照的衰减，以保证本发明的20X光学系统满足500万分辨率工业相机的搭配要求。
图5体现了光线经过本发明的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5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6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6中可以看到各个视场的像差都已经矫正到极限。
本发明的20X工业显微镜头的光学系统，为了保证近轴放大倍率达到15X，通过放大物方空间数值孔径来保证整个成像的亮度和图像分辨率，并通过调整各个透镜的材料和光学间隔以及增加透镜的数量，有效地矫正了各种像差，以保证本发明的20X光学系统满足成像分辨率为500万像素的工业相机的搭配要求。
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20X工业显微镜的光学系统，包括自前至后依次设置于主光轴上的前透镜组、光阑、后透镜组和分光棱镜；其特征在于，
所述光学系统的物方空间数值孔径为0.24；
所述前透镜组由透镜一和透镜二组成；
所述透镜一为凹凸透镜，它的物面为负弯月面，像面为正弯月面；
所述透镜二为凸凹透镜，它的物面为正弯月面，像面为负弯月面；
所述后透镜组由透镜三和透镜四组成；
所述透镜三为凸平透镜，它的物面为正弯月面，像面为平面；
所述透镜四为凹平透镜，它的物面为负弯月面，像面平面；
所述光阑设在所述透镜二与透镜三之间；
所述分光棱镜采用入射角为45度、分光比例为5：5的可见光波段分光棱镜；
所述透镜一与透镜二的光学间隔为9～11mm；所述透镜二与光阑的光学间隔为0.3～0.5mm；所述光阑与透镜三的光学间隔为6.1～6.5mm；所述透镜三与透镜四的光学间隔为1～1.4mm；所述透镜四与分光棱镜的光学间隔为38～42mm；所述分光棱镜与像面的光学间隔为35.2～35.6mm。
2.根据权利要求1所述的20X工业显微镜的光学系统，其特征在于，所述透镜一的中心厚度为2.3～2.7mm，物面曲率半径为20～21mm，像面曲率半径为9～11mm；所述透镜二的中心厚度为1.8～2mm，物面曲率半径为18.7～19.1mm，像面曲率半径为61.1～61.5mm；所述透镜三的中心厚度为3.3～3.7mm，物面曲率半径为41.3～41.9mm；所述透镜四的中心厚度为3.3～3.7mm，物面曲率半径为22.5～22.9mm；所述分光棱镜的厚度为10mm。
3.根据权利要求1或2所述的20X工业显微镜的光学系统，其特征在于，所述透镜一采用重镧火石玻璃制作；所述透镜二采用重镧火石玻璃制作；所述透镜三采用镧火石玻璃制作；所述透镜四采用重钡火石玻璃制作；所述分光棱镜采用冕玻璃制作。
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