CN109164558B - 一种小型化物像双侧远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种小型化物像双侧远心光学系统，包括包括在光线沿物平面到像平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、孔径光阑、第六透镜、第七透镜。所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、第二透镜采用双凸正光焦度透镜、第三透镜采用弯月负光焦度透镜、第四透镜采用弯月正光焦度透镜、第五透镜采用弯月负光焦度透镜、第六透镜采用弯月正光焦度透镜、第七透镜采用弯月正光焦度透镜。本发明进行了设计创新，具有极好的远心度、极低的畸变以及接近衍射极限的像质，可以获得消除物方视差以及恒定倍率的微米级测量精度，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种小型化物像双侧远心光学系统。
背景技术
双侧远心光学系统既可以消除物方空间被测物体的视觉误差，又可以消除像方空间探测器处于不同像面位置引起的倍率误差，获得恒定的检测倍率，在工业检测领域获得了广泛的应用。但许多双侧远心镜头检测成像效果不够理想，比如边缘畸变大，成像质量不够好等，特别是双侧远心镜头尺寸较长，不易于实现轻小型化。
发明内容
针对现有的物方远心光学系统存在的不足，本发明提供了一种小型化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：
一种小型化物像双侧远心光学系统，包括在光线沿物平面到像平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、孔径光阑、第六透镜、第七透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜构成正光焦度的前组，所述第六透镜以及所述第七透镜构成正光焦度的后组；
设所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7，则φ1/φ＝0.035，φ2/φ＝0.036，φ3/φ＝-0.038，φ4/φ＝0.041，φ5/φ＝-0.013，φ6/φ＝0.065,φ7/φ＝0.076。
进一步，所述第二透镜和所述第三透镜组成双胶合透镜组。
进一步，所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度透镜、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负光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第七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279.353mm，后表面曲率半径为-92.145mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ43.1mm；所述第二透镜前表面曲率半径为80.439mm，后表面曲率半径为-83.128mm，中心厚度为6.62mm，透镜通光口径为φ40.6mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-83.128mm，后表面曲率半径为-1621.443mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ40.1mm；所述第四透镜前表面曲率半径为40.460mm，后表面曲率半径为115.796mm，材中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ37.0mm；所述第五透镜前表面曲率半径为90.034mm，后表面曲率半径为17.589mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ13.3mm；所述第六透镜前表面曲率半径为-67.526mm，后表面曲率半径为-47.459mm，中心厚度为9.57mm，透镜通光口径为φ42.1mm；所述第七透镜前表面曲率半径为-215.047mm，后表面曲率半径为-89.201mm，中心厚度为8.22mm，透镜通光口径为φ52.2mm。
进一步，所述第一透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用氟冕玻璃材料制成、所述第三透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第五透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第六透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用重火石玻璃材料制成。
本发明有益效果如下：
本发明结构紧凑，在相同的成像视场、成像倍率、数值孔径以及物方工作距离指标下现有光学系统的总长一般需要260mm以上，本系统仅195mm，有利于实现光学系统的轻小型化及低成本；
本发明光学系统的透镜数量少，结构简单，光焦度分配合理，透镜的加工及装配公差较低，可制造性程度高，有利于节省制造成本；
本发明的物像双侧的远心度不超过0.022°，全视场畸变不超过0.005％，具有极好的远心度、极低的畸变以及接近衍射极限的像质，可以获得消除物方视差以及恒定倍率的微米级测量精度，提高了检测精度。
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30lp/mm处光学传递函数曲线图；
图3为本发明光学系统在60lp/mm处光学传递函数曲线图；
图4为本发明光学系统的畸变图；
图5为本发明光学系统的照度图。
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、图3、图4以及图5，一种小型化物像双侧远心光学系统，包括在光线沿物平面1到像平面2传播方向上依次排列的第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7、孔径光阑8、第六透镜9、第七透镜10；
所述第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7构成正光焦度的前组，第六透镜9以及第七透镜10构成正光焦度的后组。
所述第二透镜4和所述第三透镜5组成双胶合透镜组。
所述第一透镜3采用双凸正光焦度透镜、第二透镜4采用双凸正光焦度透镜、第三透镜5采用弯月负光焦度透镜、第四透镜6采用弯月正光焦度透镜、第五透镜7采用弯月负光焦度透镜、第六透镜9采用弯月正光焦度透镜、第七透镜10采用弯月正光焦度透镜。
本实施例中，各个透镜尺寸如下：所述第一透镜前表面曲率半径为279.353mm，后表面曲率半径为-92.145mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ43.1mm；所述第二透镜前表面曲率半径为80.439mm，后表面曲率半径为-83.128mm，中心厚度为6.62mm，透镜通光口径为φ40.6mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-83.128mm，后表面曲率半径为-1621.443mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ40.1mm；所述第四透镜前表面曲率半径为40.460mm，后表面曲率半径为115.796mm，材中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ37.0mm；所述第五透镜前表面曲率半径为90.034mm，后表面曲率半径为17.589mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ13.3mm；所述第六透镜前表面曲率半径为-67.526mm，后表面曲率半径为-47.459mm，中心厚度为9.57mm，透镜通光口径为φ42.1mm；所述第七透镜前表面曲率半径为-215.047mm，后表面曲率半径为-89.201mm，中心厚度为8.22mm，透镜通光口径为φ52.2mm。
本实施例中，各个透镜制作材料如下：第一透镜3采用重火石玻璃材料制成、所述第二透镜4采用氟冕玻璃材料制成、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采用重冕玻璃材料制成、所述第五透镜7采用重火石玻璃材料制成、所述第六透镜9采用重火石玻璃材料制成、所述第七透镜10采用重火石玻璃材料制成。
设光学系统的总光焦度为φ，第一透镜至第六透镜的光焦度依次为φ1至φ7，则φ1/φ＝0.035，φ2/φ＝0.036，φ3/φ＝-0.038，φ4/φ＝0.041，φ5/φ＝-0.013，φ6/φ＝0.065,φ7/φ＝0.076。
本实施例中，各透镜摆放位置关系为：第一透镜3与第二透镜4的距离为0.92mm；第三透镜5与第四透镜6的距离为0.2mm；第四透镜6与第五透镜7的距离为21.77mm；第五透镜与7与孔径光阑8的距离为1.41mm；孔径光阑8与第六透镜9的距离为57.6mm，第六透镜9与第七透镜10的距离为33.4mm，第七透镜10与像平面的距离为23.79mm。
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0.022°，像方主光线与光轴的夹角不超过0.014°。
并且由图2可知，本光学系统所有视场的光学传递函数值在30lp/mm时超过了0.65。
由图3可知，本光学系统所有视场的光学传递函数值在60lp/mm时超过了0.43。接近了衍射极限，成像质量良好。
由图4可以看出，本发明在像方视场50mm范围内，畸变不超过0.005％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差。
由图5可以看出，本发明在像方视场55mm范围内，相对照度优于99.2％，全视场照度分布均匀，避免了照度差异引起的测量精度下降。
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：0.08；
物方成像尺寸：25mm；
物方工作距离：113mm；
放大倍率：2.0；
光学相对畸变：≤0.005％；
像方成像尺寸：50mm；
物方远心度：≤0.022°；
像方远心度：≤0.014°；
光学总长：≤195mm；
相对照度：≥99.2％。
在本发明实例中，物方远心度不超过0.022°，像方远心度不超过0.014°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题，结合像方远心设计可以实现固定倍率且不受像平面位置的影响。该镜头极好的物方远心度设计结果，说明成像物面的主光线将平行与光轴，无论物面位于何处，都不会影响光学系统对物体高度的成像倍率。也就是说，像空间与物空间的倍率恒定，为镜头提供了低失真度且消除视觉误差的图像获取能力。另外，本光学系统的全视场畸变不超过0.005％，远优于市场上相同探测视场及探测倍率的光学系统，消除了畸变引起的测量误差，提高了光学系统的测量精度。由上述镜头的光学指标可以得知，本发明光学系统的总长仅195mm，且只采用了7片透镜达到近衍射极限成像质量，与现有物方远心同指标的镜头相比，该镜头长度大幅减小，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 (3)
1.一种小型化物像双侧远心光学系统，其特征在于：包括在光线沿物平面到像平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、孔径光阑、第六透镜、第七透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜构成正光焦度的前组，所述第六透镜以及所述第七透镜构成正光焦度的后组；
设所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7，则φ1/φ=0.035，φ2/φ=0.036，φ3/φ=-0.038，φ4/φ=0.041，φ5/φ=-0.013，φ6/φ=0.065, φ7/φ=0.076；
所述第二透镜和所述第三透镜组成双胶合透镜组；所述第一透镜前表面曲率半径为279.353mm，后表面曲率半径为-92.145mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ43.1mm；所述第二透镜前表面曲率半径为80.439mm，后表面曲率半径为-83.128mm，中心厚度为6.62mm，透镜通光口径为φ40.6mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-83.128mm，后表面曲率半径为-1621.443mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ40.1mm；所述第四透镜前表面曲率半径为40.460mm，后表面曲率半径为115.796mm，材中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ37.0mm；所述第五透镜前表面曲率半径为90.034mm，后表面曲率半径为17.589mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ13.3mm；所述第六透镜前表面曲率半径为-67.526mm，后表面曲率半径为-47.459mm，中心厚度为9.57mm，透镜通光口径为φ42.1mm；所述第七透镜前表面曲率半径为-215.047mm，后表面曲率半径为-89.201mm，中心厚度为8.22mm，透镜通光口径为φ52.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度透镜、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负光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第七透镜采用弯月正光焦度透镜。
3.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用氟冕玻璃材料制成、所述第三透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第五透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第六透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用重火石玻璃材料制成。
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| 变焦距镜头;Tomowaki Takahashi;Kunio Konno;Toshihiro Sasaya;刘肖民;;应用光学;第13卷(第01期);全文 * |
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