CN109143548A - 一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的分光棱镜、第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜。其中所述第一透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第三透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第七透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜采用弯月正光焦度透镜。本发明可实现物方数值孔径达到0.3、分辨率达到1μm、物方工作距离达到150mm、检测成像精度高。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统。
背景技术
当前机器视觉系统采用物像双侧远心光学系统具有无影像变形、无视角误差、超宽景深、超低畸变以及成像倍率恒定等优点，相比普通工业镜头具有明显的技术优势，在精密工业检测领域获得了广泛的应用。现有市场的物像双侧远心光学镜头在小数值孔径下实现长工作距离的检测成像，分辨率不够高；或者采用大数值孔径光学系统实现了高分辨率成像，但工作距离短，容易受到被测物体所处环境的影响，使用受限。以上技术不能满足需要在长工作距离下进行高分辨率成像检测的应用场景。
发明内容
针对现有的物方远心光学系统存在的不足，本发明提供了一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的分光棱镜、第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜构成光焦度为正的前透镜组，所述第三透镜、第四透镜构成光焦度为负的中透镜组，第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜构成光焦度为正的后透镜组；
设所述光学系统的前透镜组光焦度为φA，所述光学系统的中透镜组光焦度为φB，所述光学系统的后透镜组光焦度为φC，
则所述中透镜组的光焦度φB与所述前透镜组的光焦度φA的比值满足：
1.15≤|φB/φA|≤1.45；
所述后透镜组的光焦度φC与所述前透镜组的光焦度φA的比值满足：
2.85≤φC/φA≤3.15。
进一步，所述第一透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第三透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第七透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜采用弯月正光焦度透镜
进一步，所述第一透镜前表面曲率半径为49.778mm，后表面曲率半径为405.874mm，中心厚度6.2mm，透镜通光口径为φ30.6mm；所述第二透镜前表面曲率半径为-24.129mm，后表面曲率半径为175.711mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ14.5mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-287.418mm，后表面曲率半径为109.488mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ54.1mm；所述第四透镜前表面曲率半径为-4522.676mm，后表面曲率半径为-88.302mm，中心厚度为8.4mm，透镜通光口径为φ56.8mm；所述第五透镜前表面曲率半径为-330.315mm，后表面曲率半径为-75.383mm，中心厚度为21.1mm，透镜通光口径为φ100.2mm；所述第六透镜前表面曲率半径为237.802mm，后表面曲率半径为95.657mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ100.1mm；所述第七透镜前表面曲率半径为113.152mm，后表面曲率半径为-644.565，中心厚度为16.9mm，透镜通光口径为φ98.5mm；所述第八透镜前表面曲率半径为81.846mm，后表面曲率半径为275.631，中心厚度为16.2mm，透镜通光口径为φ98.4mm。
进一步，所述第一透镜采用重镧火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用火石玻璃材料制成、所述第三透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第六透镜采用重镧火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第八透镜采用重冕玻璃材料制成。
本发明有益效果如下：
本发明光学系统结构紧凑，仅采用8片常规光学球面透镜元件实现了近衍射极限的像质，有利于降低制造成本；
本发明实现了大数值孔径成像，物理分辨率优于1μm，满足高端工业检测机器视觉对高分辨率检测成像的需求；
本发明实现了物方150mm的超长工作距离成像，能够满足使用环境结构受限、要求长工作距离及高分辨率的检测成像需求。
附图说明
图1为本发明光学系统的组成结构示意图；
图2为本发明光学系统在500lp/mm处光学传递函数曲线图；
图3为本发明光学系统的畸变图。
具体实施方式
为方便本领域普通技术人员更好地理解本发明的实质，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。
结合图1、图2以及图3，一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，包括在光线沿像平面11到物平面12传播方向上依次排列的分光棱镜1、第一透镜2、第二透镜3、光阑4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10；
所述第一透镜2、第二透镜3构成光焦度为正的前透镜组，所述第三透镜5、第四透镜6构成光焦度为负的中透镜组，第五透镜7、第六透镜78第七透镜9以及第八透镜10构成光焦度为正的后透镜组。照明光源通过分光棱镜进行照明光路与成像光学镜头的耦合。
设所述光学系统的前透镜组光焦度为φA，所述光学系统的中透镜组光焦度为φB，所述光学系统的后透镜组光焦度为φC，
则所述中透镜组的光焦度φB与所述前透镜组的光焦度φA的比值满足：
1.15≤|φB/φA|≤1.45；
所述后透镜组的光焦度φC与所述前透镜组的光焦度φA的比值满足：
2.85≤φC/φA≤3.15。
在优选实例中，可在像平面可放置CCD或CMOS相机，接受工业镜头系统放大的物面信号，从而获得清晰高倍率的物面信息。
所述第一透镜2采用弯月正光焦度透镜、所述第二透镜3采用双凹负光焦度透镜、所述第三透镜5采用双凹负光焦度透镜、所述第四透镜6采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜7采用弯月正光焦度透镜、所述第六透镜8采用弯月负光焦度透镜、所述第七透镜9采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜10采用弯月正光焦度透镜。
本实施例中，各个透镜尺寸如下：所述第一透镜2前表面曲率半径为49.778mm，后表面曲率半径为405.874mm，中心厚度6.2mm，透镜通光口径为φ30.6mm；所述第二透镜3前表面曲率半径为-24.129mm，后表面曲率半径为175.711mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ14.5mm；所述第三透镜5前表面曲率半径为-287.418mm，后表面曲率半径为109.488mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ54.1mm；所述第四透镜6前表面曲率半径为-4522.676mm，后表面曲率半径为-88.302mm，中心厚度为8.4mm，透镜通光口径为φ56.8mm；所述第五透镜7前表面曲率半径为-330.315mm，后表面曲率半径为-75.383mm，中心厚度为21.1mm，透镜通光口径为φ100.2mm；所述第六透镜8前表面曲率半径为237.802mm，后表面曲率半径为95.657mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ100.1mm；所述第七透镜9前表面曲率半径为113.152mm，后表面曲率半径为-644.565，中心厚度为16.9mm，透镜通光口径为φ98.5mm；所述第八透镜10前表面曲率半径为81.846mm，后表面曲率半径为275.631，中心厚度为16.2mm，透镜通光口径为φ98.4mm。
本实施例中，各个透镜制作材料如下：所述第一透镜2采用重镧火石玻璃材料制成、所述第二透镜3采用火石玻璃材料制成、所述第三透镜5采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜6采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜7采用冕牌玻璃材料制成、所述第六透镜8采用重镧火石玻璃材料制成、所述第七透镜9采用冕牌玻璃材料制成、所述第八透镜10采用重冕玻璃材料制成。
本实施例中，各透镜摆放位置关系为：分光棱镜1与第一透镜2距离为10.0mm；第一透镜2与第二透镜3的距离为44.2mm；第二透镜3与光阑4的距离为95.6mm；光阑4与第三透镜5的距离为40.5mm；第三透镜5与第四透镜6的距离为3.9mm；第四透镜6与第五透镜7的距离为57.3mm；第五透镜7与第六透镜8的距离为0.2mm；第六透镜8与第七透镜9的距离为3.5mm；第七透镜9与第八透镜10的距离为0.2mm；第八透镜10与物平面12的距离为150mm。
本发明所述光学系统属于物像双侧远心光路，物方主光线与光轴的夹角不超过0.015°，像方主光线与光轴的夹角不超过0.045°。
由图2可知，本光学系统所有视场的光学传递函数值在500lp/mm时达到0.4，实现近衍射极限像质，成像质量良好。
由图3可以看出，本发明在像方视场10mm范围内，畸变不超过0.0015％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差。
本实施例，通过上述透镜组成的光学系统所达到的技术指标如下：
物方数值孔径0.3；成像倍率5倍；物方线视场2mm；物方工作距离150mm；相对畸变不超过0.0015％；物方分辨率优于1μm。
本发明主要解决现有工业镜头在实现长工作距离探测与高分辨率成像之间的技术矛盾，并实现了物像双侧远心超低畸变的探测成像，实现近衍射极限像质的大数值孔径光学系统设计。为了实现优于1μm的高分辨率，光学系统的数值孔径达到0.3以上；光学系统的主要像差为球差与彗差，除了三级像差以及五级像差外，还会产生七级以上像差。本发明为了解决像差抑制难题，采用失对称分布的三片式光学系统结构型式，光焦度分布为正负正；由于物方工作距离长，物方透镜的光线高度达到50mm以上，因此对物平面一侧的透镜组进行复杂化设计，控制球差及彗差，引入双分离空气隙降低球差及彗差像差。从像差校正结果来看，本设计较完善的校正了球差、彗差、像散、场曲、畸变以及色差。最终获得了近衍射极限的成像质量。在数值孔径达到0.3的条件下，成像分辨率优于1μm，物方工作距离达到150mm，这是市面上现有产品无法实现的。
并且本发明实现了物方远心度不超过0.015°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题，可以获得无失真的高分辨率图像；像方远心度不超过0.045°，降低了CCD或CMOS相机与光学系统的调整精度。全视场畸变不超过0.0015％，消除了畸变引起的测量误差，提高了光学系统的测量精度。本发明光学系统只采用了8片透镜达到近衍射极限成像质量，具有体积小，重量轻，制造成本低的优点，有利于在市场上进行推广。
以上具体实施方式对本发明的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本发明的保护范围进行限制。显而易见地，在本发明实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，其特征在于：包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的分光棱镜、第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜构成光焦度为正的前透镜组，所述第三透镜、第四透镜构成光焦度为负的中透镜组，第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜构成光焦度为正的后透镜组；
设所述光学系统的前透镜组光焦度为φA，所述光学系统的中透镜组光焦度为φB，所述光学系统的后透镜组光焦度为φC，
则所述中透镜组的光焦度φB与所述前透镜组的光焦度φA的比值满足：
1.15≤|φB/φA|≤1.45；
所述后透镜组的光焦度φC与所述前透镜组的光焦度φA的比值满足：
2.85≤φC/φA≤3.15。
2.根据权利要求1所述的一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第三透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第七透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜采用弯月正光焦度透镜。
3.根据权利要求1所述的一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜前表面曲率半径为49.778mm，后表面曲率半径为405.874mm，中心厚度6.2mm，透镜通光口径为φ30.6mm；所述第二透镜前表面曲率半径为-24.129mm，后表面曲率半径为175.711mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ14.5mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-287.418mm，后表面曲率半径为109.488mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ54.1mm；所述第四透镜前表面曲率半径为-4522.676mm，后表面曲率半径为-88.302mm，中心厚度为8.4mm，透镜通光口径为φ56.8mm；所述第五透镜前表面曲率半径为-330.315mm，后表面曲率半径为-75.383mm，中心厚度为21.1mm，透镜通光口径为φ100.2mm；所述第六透镜前表面曲率半径为237.802mm，后表面曲率半径为95.657mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ100.1mm；所述第七透镜前表面曲率半径为113.152mm，后表面曲率半径为-644.565，中心厚度为16.9mm，透镜通光口径为φ98.5mm；所述第八透镜前表面曲率半径为81.846mm，后表面曲率半径为275.631，中心厚度为16.2mm，透镜通光口径为φ98.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种长工作距离高分辨率物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用重镧火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用火石玻璃材料制成、所述第三透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第六透镜采用重镧火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第八透镜采用重冕玻璃材料制成。
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