CN109100856B - 一种高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头，包括由物方到像依次设置的第一透镜G1，第二透镜G2，第三透镜G3，第四透镜G4，第五透镜G5，第六透镜G6和第七透镜G7；第二透镜G2和第三透镜G3胶合形成第一胶合透镜组U1，第四透镜G4和第五透镜G5胶合形成第二胶合透镜组U2，第六透镜G6和第七透镜G7胶合形成第三胶合透镜组U3；光学系统的焦距f，第一胶合透镜组U1的焦距fU1，第二胶合透镜组U2的焦距fU2，第三胶合透镜组U3的焦距fU3，它们满足关系式：0.6<|fU1/f|<1，1<|fU2/f|<1.5，3<|fU3/f|<4。本申请满足不同的应用需求，其通光孔径也可灵活调节。

Description

一种高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头

技术领域

本发明涉及镜头技术领域，具体涉及一种高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头。

背景技术

机器视觉系统的作用在于使用非接触的传感器对目标件进行测量、判断和检测缺陷等，减小或者是消除人为操作时的误判，提高处理的精度和稳定性。其原理是通过机器视觉镜头将光信号传送给相机，再由相机将光信号转化为电信号给图像处理系统，并根据所采集的图像进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据特征判别的结果来控制现场的设备动作。

一方面，在工业自动化的大背景下，机器视觉需求与日俱增，特别是在电子制造、食品包装和质量保证等众多行业中，对线扫机器视觉镜头的分辨精度、适用工作范围、光学畸变等要求越来越高。另一方面，随着芯片技术不断的进步，芯片尺寸越来越大，像元尺寸越来越小。因此，与之匹配的线扫镜头分辨率要进一步提高，可覆盖的靶面尺寸也要与现行的相机匹配。然而国内现有的线扫机器视觉镜头普遍存在分辨精度不够高，与小像元大靶面的成像芯片存在匹配间隙，无法充分发挥出相机的性能的缺点。因此，研发高分辨率大靶面线扫机器视觉镜头显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供高分辨大靶面，放大倍率可调、低畸变，且能够与5μm的像元尺寸相匹配的线扫机器视觉镜头。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头，包括机械系统及安装于所述机械系统内部的光学系统，所述光学系统包括由物方到像依次设置的具有正光焦度、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，具有负光焦度、双凹结构的第四透镜G4，具有正光焦度、双凸结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6，具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7；所述第二透镜G2和第三透镜G3胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，所述第四透镜G4和第五透镜G5胶合形成具有正光焦度的第二胶合透镜组U2，所述第六透镜G6和第七透镜G7胶合形成具有正光焦度的第三胶合透镜组U3；所述光学系统的焦距f，所述第一胶合透镜组U1的焦距fU1，所述第二胶合透镜组U2的焦距fU2，所述第三胶合透镜组U3的焦距fU3，它们分别满足关系式：0.6<|fU1/f|<1，1<|fU2/f|<1.5，3<|fU3/f|<4。

作为本发明的一种改进，所述第一透镜G1的前表面端点到所述第七透镜G7后表面端点的距离L与所述光学系统的焦距f，满足关系式：0.25＜|L/f|＜0.5。

作为本发明的一种改进，所述光学系统的光学后截距BFL与所述光学系统的焦距f，满足关系式：|BFL/f|>0.75。

作为本发明的一种改进，所述光学系统的半像高y’与光学系统的焦距f，满足关系式：0.2＜|y’/f|＜0.35。

作为本发明的一种改进，所述第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，第三透镜G3的折射率为n3，阿贝数为v3，其折射率n1和n3均满足关系式：1.6＜n1、n3＜1.85；其阿贝数v1和v3均满足关系式：40＜v1、v3＜60。

作为本发明的一种改进，所述第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其折射率满足关系式：1.4＜n2＜1.55；其阿贝数v2满足关系式：65＜v2＜90。

作为本发明的一种改进，所述第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，第五透镜G5的折射率为n5，阿贝数为v5，其折射率n4和n5均满足关系式：1.60＜n4、n5＜1.75；其阿贝数v4和v5均满足关系式：40＜v4、v5＜55。

作为本发明的一种改进，所述第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n6和n7均满足关系式：1.5＜n6、n7＜1.65；其阿贝数v6和v7均满足关系式：55＜v6、v7＜70。

作为本发明的一种改进，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，所述光阑孔径为圆孔，所述光阑的光圈在F5.6～F32范围内可调。

本发明的有益效果在于：通过上述结构实现了焦距为135mm的高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为其分辨率可达100lp/mm，即对应的最大成像芯片时，其像素可达到16K像素，全视场光学畸变低于0.009％；采用整组对焦方式，实现工作距离524mm～1725mm的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。

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；

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，一种高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头，包括机械系统及安装于机械系统内部的光学系统100，光学系统100包括由物方到像依次设置的具有正光焦度、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，具有负光焦度、双凹结构的第四透镜G4，具有正光焦度、双凸结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6，具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7，第一透镜G1到第七透镜G7均为球面镜；第二透镜G2和第三透镜G3胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，第四透镜G4和第五透镜G5胶合形成具有正光焦度的第二胶合透镜组U2，第六透镜G6和第七透镜G7胶合形成具有正光焦度的第三胶合透镜组U3；光学系统100的焦距f，第一胶合透镜组U1的焦距fU1，第二胶合透镜组U2的焦距fU2，第三胶合透镜组U3的焦距fU3，它们分别满足关系式：0.6<|fU1/f|<1，1<|fU2/f|<1.5，3<|fU3/f|<4。

优选地，第一透镜G1的前表面端点到第七透镜G7后表面端点的距离L与光学系统100的焦距f，满足关系式：0.25＜|L/f|＜0.5。

优选地，光学系统100的光学后截距BFL与光学系统100的焦距f，满足关系式：|BFL/f|>0.75。

优选地，光学系统100的半像高y’与光学系统100的焦距f，满足关系式：0.2＜|y’/f|＜0.35。

优选地，第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，第三透镜G3的折射率为n3，阿贝数为v3，其折射率n1和n3均满足关系式：1.6＜n1、n3＜1.85；其阿贝数v1和v3均满足关系式：40＜v1、v3＜60。

优选地，第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其折射率满足关系式：1.4＜n2＜1.55；其阿贝数v2满足关系式：65＜v2＜90。

优选地，第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，第五透镜G5的折射率为n5，阿贝数为v5，其折射率n4和n5均满足关系式：1.60＜n4、n5＜1.75；其阿贝数v4和v5均满足关系式：40＜v4、v5＜55。

优选地，第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n6和n7均满足关系式：1.5＜n6、n7＜1.65；其阿贝数v6和v7均满足关系式：55＜v6、v7＜70。

本发明还包括光阑10，光阑10位于第三透镜G3和第四透镜G4之间，光阑10孔径为圆孔，光阑10的光圈在F5.6～F32范围内可调。光学系统100物距范围为3.0f～14f，当物距发生变化时，第一透镜G1到第七G7整组作为调焦组前后移动。

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
					G1前表面	55.9	2.56	1.62	53.9
G1后表面	262.2	2.14
					U1前表面	32.2	5.83	1.50	81.6
U1胶合面	447.3	7.33	1.74	49.2
					U1后表面	25.6	4.92
光阑	Infinity	4.06
					U2前表面	-49.8	1.18	1.61	44.2
U2胶合面	61.2	8	1.69	49.2
					U2后表面	-42.4	4.98
U3前表面	-23.5	1	1.52	56.8
					U3胶合面	89	5.57	1.60	65.5
U3后表面	-28.5	119.80
					像面	Infinity

在本实施例中，光学系统100的焦距f为135mm，最大光圈为F#＝5.6，第一胶合透镜组U1的焦距fU1＝-106mm，第二胶合透镜组U2的焦距fU2＝156.4mm，第三胶合透镜组U3的焦距fU3＝488mm，第一透镜G1的前表面端点到第七透镜G7的后表面端点的距离L＝47.6mm，光学后截距BFL＝119.80mm，半像高y’＝41mm。

图3所示为本实施例的MTF曲线图，全视场在100lp/mm的MTF值>0.3，理论分辨精度可达5微米，实现光学系统的高分辨成像。

通过上述结构实现了焦距为135mm的高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为其分辨率可达100lp/mm，即对应的最大成像芯片时，其像素可达到16K像素，全视场光学畸变低于0.009％；采用整组对焦方式，实现工作距离524mm～1725mm的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。

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 (3)

1.一种高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头，其特征在于：包括机械系统及安装于所述机械系统内部的光学系统，所述光学系统包括由物方到像依次设置的具有正光焦度、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，具有负光焦度、双凹结构的第四透镜G4，具有正光焦度、双凸结构的第五透镜G5，具有负光焦度、双凹结构的第六透镜G6，具有正光焦度、双凸结构的第七透镜G7；所述第二透镜G2和第三透镜G3胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，所述第四透镜G4和第五透镜G5胶合形成具有正光焦度的第二胶合透镜组U2，所述第六透镜G6和第七透镜G7胶合形成具有正光焦度的第三胶合透镜组U3；所述光学系统的焦距f，所述第一胶合透镜组U1的焦距fU1，所述第二胶合透镜组U2的焦距fU2，所述第三胶合透镜组U3的焦距fU3，它们分别满足关系式：0.6<|fU1/f|<1，1<|fU2/f|<1 .5，3<|fU3/f|<4；

其中，所述第一透镜G1的前表面端点到所述第七透镜G7后表面端点的距离L与所述光学系统的焦距f，满足关系式：0.25＜|L/f|＜0.5；所述光学系统的光学后截距BFL与所述光学系统的焦距f，满足关系式：|BFL/f|>0.75；所述光学系统的半像高y’与光学系统的焦距f，满足关系式：0.2＜|y’/f|＜0.35。

2.根据权利要求1所述的高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其折射率满足关系式：1 .4＜n2＜1 .55；其阿贝数v2满足关系式：65＜v2＜90 。

3.根据权利要求1所述的高分辨率大靶面倍率可调的线扫机器视觉镜头，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，所述光阑孔径为圆孔，所述光阑的光圈在F5.6～F32范围内可调。