CN109116517B - 一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，包括由物端到像面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、第七透镜G7、第八透镜G8，第三透镜G3和第四透镜G4胶合形成第一胶合透镜组U1，第五透镜G5和第六透镜G6胶合形成第二胶合透镜组U2；光学系统的焦距为f，第一胶合透镜组的焦距为fU1，第二胶合透镜组的焦距为fU2，它们分别满足关系式：0.5<|fU1/f|<1，0.5<|fU2/f|<1，本发明具有高解析度、大靶面、高倍率、低畸变的特点，还能够匹配像元尺寸为10um的大靶面相机，充分发挥相机的性能。

Description

一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头。
背景技术
机器视觉系统的作用在于使用机器对目标件进行测量、判断和检测缺陷等，来减小或者是消除人为操作时的误判，提高测量精度和稳定性。其核心原理是通过机器视觉镜头将光信号传递给相机，再由相机将光信号转化为电信号给图像处理系统，图像处理系统对图像信息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、食品包装和精密测量等行业中，对线扫机器视觉镜头的放大倍率、解析度、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。因此，与之匹配的线扫镜头分辨率要进一步提高，可覆盖的最大靶面尺寸也需进一步扩大以满足需求。然而国内现有的线扫机器视觉镜头普遍存在解析度不够高，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，因此对于高解析度大靶面线扫机器视觉镜头的研发更为迫切。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，该视觉镜头具有高解析度、大靶面、高倍率、低畸变的特点，还能够匹配像元尺寸为10μm的大靶面相机。
为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，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端到像面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，具有正光焦度、双凸结构的第三透镜G3，具有负光焦度、双凹结构的第四透镜G4，具有负光焦度、双凹结构的第五透镜G5，具有正光焦度、双凸结构的第六透镜G6，具有正光焦度、弯月结构的第七透镜G7，具有正光焦度、弯月结构的第八透镜G8，所述第三透镜G3和所述第四透镜G4胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，所述第五透镜G5和所述第六透镜G6胶合形成具有负光焦度的第二胶合透镜组U2；所述光学系统的焦距为f，所述第一胶合透镜组的焦距为fU1，所述第二胶合透镜组的焦距为fU2，它们分别满足关系式：0.5<|fU1/f|<1，0.5<|fU2/f|<1。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，所述第一透镜G1的前表面顶点到所述第八透镜G8的距离L与光学系统的焦距f，满足关系式：0.6＜|L/f|＜1。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，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|>2。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，所述光学系统的半像高y’与所述光学系统的焦距f，满足关系式：0.4＜|y’/f|＜0.6。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，所述第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，所述第三透镜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：1.55＜n1、n3＜1.65，其阿贝数v1和v3均满足关系式：50＜v1、v3＜70。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，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：1.70＜n2＜1.90，其阿贝数v2满足关系式：20＜v2＜30。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，所述第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，其折射率满足关系式：1.55＜n4＜1.70，其阿贝数v4满足关系式：25＜v4＜45。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，所述第五透镜G5的折射率为n5，阿贝数为v5，所述第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n5和n7均满足关系式：1.75＜n5、n7＜1.95，其阿贝数v5和v7均满足关系式：30＜v5、v7＜45。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，所述第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，所述第八透镜G8的折射率为n8，阿贝数为v8，其折射率n6和n8均满足关系式：1.40＜n6、n8＜1.60，其阿贝数v6和v8均满足关系式：60＜v6、v8＜85。
作为本发明所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的改进，还包括光阑，所述光阑位于所述第四透镜G4和所述第五透镜G5之间，所述光阑孔径为圆孔，所述光阑的光圈在F8.6～F64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116mm的高倍率大靶面高解析度的线扫机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为φ126mm，其分辨率可达50lp/mm，能匹配像元尺寸为10μm的大靶面相机，对应的最大成像芯片时，其像素可达到24K像素，全视场光学畸变低于0.008％；采用整组对焦方式，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为本发明中光学系统的MTF图。
其中，0-光学系统；1-光阑。
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1～3所示，一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，包括机械系统及安装于机械系统内部的光学系统0，光学系统0包括由物端到像面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，具有正光焦度、双凸结构的第三透镜G3，具有负光焦度、双凹结构的第四透镜G4，具有负光焦度、双凹结构的第五透镜G5，具有正光焦度、双凸结构的第六透镜G6，具有正光焦度、弯月结构的第七透镜G7，具有正光焦度、弯月结构的第八透镜G8，第三透镜G3和第四透镜G4胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，第五透镜G5和第六透镜G6胶合形成具有负光焦度的第二胶合透镜组U2；光学系统0的焦距为f，第一胶合透镜组的焦距为fU1，第二胶合透镜组的焦距为fU2，它们分别满足关系式：0.5<|fU1/f|<1，0.5<|fU2/f|<1。
优选的，第一透镜G1的前表面顶点到第八透镜G8的距离L与光学系统的焦距f，满足关系式：0.6＜|L/f|＜1。
优选的，光学系统0的光学后截距BFL与光学系统0的焦距f，满足关系式：|BFL/f|>2。
优选的，光学系统0的半像高y’与光学系统0的焦距f，满足关系式：0.4＜|y’/f|＜0.6。
优选的，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：1.55＜n1、n3＜1.65，其阿贝数v1和v3均满足关系式：50＜v1、v3＜70。
优选的，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：1.70＜n2＜1.90，其阿贝数v2满足关系式：20＜v2＜30。
优选的，第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，其折射率满足关系式：1.55＜n4＜1.70，其阿贝数v4满足关系式：25＜v4＜45。
优选的，第五透镜G5的折射率为n5，阿贝数为v5，第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n5和n7均满足关系式：1.75＜n5、n7＜1.95，其阿贝数v5和v7均满足关系式：30＜v5、v7＜45。
优选的，第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，第八透镜G8的折射率为n8，阿贝数为v8，其折射率n6和n8均满足关系式：1.40＜n6、n8＜1.60，其阿贝数v6和v8均满足关系式：60＜v6、v8＜85。
优选的，还包括光阑1，光阑1位于第四透镜G4和第五透镜G5之间，光阑1孔径为圆孔，光阑1的光圈在F8.6～F64范围内可调，当物距发生变化时，透镜G1到G8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：
在本实例中，光学系统的焦距f为116mm，最大光圈为F#＝8.6，第一胶合透镜组的焦距fU1＝-91mm，第二胶合透镜组的焦距fU2＝-62mm，第一透镜G1的前表面顶点到第八透镜G8的距离L＝85.4mm，光学后截距BFL＝280mm，半像高y’＝63mm。
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10um，实现光学系统的高分辨成像。
通过上述结构实现了焦距为116mm的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为φ126mm，其分辨率可达50lp/mm，即对应的最大成像芯片时，其像素可达到24K像素，全视场光学畸变低于0.008％；采用整组对焦方式，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，但如前所述，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，并能够在本文所述发明构想范围内，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)

1.一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，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(0)，所述光学系统(0)包括由物端到像面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，具有正光焦度、双凸结构的第三透镜G3，具有负光焦度、双凹结构的第四透镜G4，具有负光焦度、双凹结构的第五透镜G5，具有正光焦度、双凸结构的第六透镜G6，具有正光焦度、弯月结构的第七透镜G7，具有正光焦度、弯月结构的第八透镜G8，所述第三透镜G3和所述第四透镜G4胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，所述第五透镜G5和所述第六透镜G6胶合形成具有负光焦度的第二胶合透镜组U2；所述光学系统(0)的焦距为f，所述第一胶合透镜组的焦距为fU1，所述第二胶合透镜组的焦距为fU2，它们分别满足关系式：0.5<|fU1/f|<1，0.5<|fU2/f|<1。
2.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述第一透镜G1的前表面顶点到所述第八透镜G8的距离L与光学系统的焦距f，满足关系式：0.6＜|L/f|＜1。
3.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述光学系统(0)的光学后截距BFL与所述光学系统(0)的焦距f，满足关系式：|BFL/f|>2。
4.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述光学系统(0)的半像高y’与所述光学系统(0)的焦距f，满足关系式：0.4＜|y’/f|＜0.6。
5.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，所述第三透镜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：1.55＜n1、n3＜1.65，其阿贝数v1和v3均满足关系式：50＜v1、v3＜70。
6.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，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：1.70＜n2＜1.90，其阿贝数v2满足关系式：20＜v2＜30。
7.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述第四透镜G4的折射率为n4，阿贝数为v4，其折射率满足关系式：1.55＜n4＜1.70，其阿贝数v4满足关系式：25＜v4＜45。
8.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述第五透镜G5的折射率为n5，阿贝数为v5，所述第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n5和n7均满足关系式：1.75＜n5、n7＜1.95，其阿贝数v5和v7均满足关系式：30＜v5、v7＜45。
9.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：所述第六透镜G6的折射率为n6，阿贝数为v6，所述第八透镜G8的折射率为n8，阿贝数为v8，其折射率n6和n8均满足关系式：1.40＜n6、n8＜1.60，其阿贝数v6和v8均满足关系式：60＜v6、v8＜85。
10.根据权利要求1所述的高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉镜头，其特征在于：还包括光阑(1)，所述光阑(1)位于所述第四透镜G4和所述第五透镜G5之间，所述光阑(1)孔径为圆孔，所述光阑(1)的光圈在F8.6～F64范围内可调。
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