CN109188660A - 一种小型化物方远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种小型化物方远心光学系统，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，其中所述第一透镜、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，第六透镜构成正光焦度的后组。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。本发明进行了创新设计，减小了远心度并在增强检测成像效果的同时减轻了光学系统的重量和尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种小型化物方远心光学系统。
背景技术
物方远心光学系统用于工业检测，能够获得对成像距离不敏感、宽景深的成像效果，可以纠正传统镜头的成像视差。目前已有多种物方远心光学系统应用于PCB电路板、手机产品、陶瓷滤芯、高精度弹簧、透光类产品以及精密机械零件等各类工业检测中。但现有的许多物方远心光学系统的检测成像效果不够理想，存在边缘畸变较大、远心度较大尤其是重量和尺寸较大的问题。
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方远心系统。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型化物方远心光学系统，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；
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六透镜的光焦度依次为φ1至φ6，则φ1/φ＝0.727，φ2/φ＝0.774，φ3/φ＝-0.845，φ4/φ＝0.909，φ5/φ＝-0.314，φ6/φ＝1.409。
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、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。
进一步，所述第一透镜前表面曲率半径为11.657mm，后表面曲率半径为-107.392mm，中心厚度为4.69mm，透镜通光口径为φ38.0mm；所述第二透镜前表面曲率半径为53.269mm，后表面曲率半径为-92.503mm，中心厚度为6.05mm，透镜通光口径为φ36.0mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-92.503mm，后表面曲率半径为382.56mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ35.2mm；所述第四透镜前表面曲率半径为30.106mm，后表面曲率半径为70.089mm，中心厚度为4.75mm，透镜通光口径为φ31.2mm；所述第五透镜前表面曲率半径为61.1mm，后表面曲率半径为14.822mm，中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ18.8mm；第六透镜前表面曲率半径为-63.298mm，后表面曲率半径为-41.297mm，中心厚度为3.98mm，透镜通光口径为φ34.4mm。
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。
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200mm以上，本系统仅165mm，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，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；
本发明的物方远心度不超过0.01°，全视场畸变不超过0.001％，具有极好的远心度、极低的畸变以及接近衍射极限的像质，可以获得微米级的测量精度，且图像失真度大大降低，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5，一种小型化物方远心光学系统，一种小型化物方远心光学系统，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；
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采用弯月负光焦度厚透镜、第六透镜9采用弯月正光焦度透镜。
本实施例中，各个透镜尺寸如下：第一透镜3前表面曲率半径为11.657mm，后表面曲率半径为-107.392mm，中心厚度为4.69mm，透镜通光口径为φ38.0mm；所述第二透镜4前表面曲率半径为53.269mm，后表面曲率半径为-92.503mm，中心厚度为6.05mm，透镜通光口径为φ36.0mm；所述第三透镜5前表面曲率半径为-92.503mm，后表面曲率半径为382.56mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ35.2mm；所述第四透镜6前表面曲率半径为30.106mm，后表面曲率半径为70.089mm，中心厚度为4.75mm，透镜通光口径为φ31.2mm；所述第五透镜7前表面曲率半径为61.1mm，后表面曲率半径为14.822mm，中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ18.8mm；第六透镜9前表面曲率半径为-63.298mm，后表面曲率半径为-41.297mm，中心厚度为3.98mm，透镜通光口径为φ34.4mm。
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。
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～φ6，则φ1/φ＝0.727，φ2/φ＝0.774，φ3/φ＝-0.845，φ4/φ＝0.909，φ5/φ＝-0.314，φ6/φ＝1.409。
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0.9mm；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11.66mm；第五透镜7与孔径光阑8的距离为8.95mm；孔径光阑8与第六透镜9的距离为57.11mm，第六透镜9与像平面2的距离为55.0mm。
本发明所述光学系统属于物方远心光路，主光线与光轴的夹角不超过0.01°。
并且由图2可知，光学系统所有视场的光学传递函数值在30lp/mm时超过了0.6。
由图3可知，光学系统所有视场的光学传递函数值在60lp/mm时超过了0.45。接近了衍射极限，成像质量良好。
由图4可以看出，在像方视场44mm范围内，畸变不超过0.001％，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，在像方视场44mm范围内，相对照度优于97.8％，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：22mm；
物方工作距离：100mm；
放大倍率：2.0；
光学相对畸变：≤0.001％；
像方成像尺寸：44mm；
物方远心度：≤0.01°；
光学总长：≤165mm；
相对照度：≥97.8％。
在本发明实例中，物方远心度不超过0.01°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题。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，为镜头提供了良好的消除视觉差异的能力。另外，本光学系统的全视场畸变不超过0.001％，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165mm，且只采用了6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 (5)
1.一种小型化物方远心光学系统，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；
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六透镜的光焦度依次为φ1至φ6，则φ1/φ＝0.727，φ2/φ＝0.774，φ3/φ＝-0.845，φ4/φ＝0.909，φ5/φ＝-0.314，φ6/φ＝1.409。
2.根据权利要求1所述的一种小型化物方远心光学系统，其特征在于：所述第二透镜和所述第三透镜组成双胶合透镜组。
3.根据权利要求1所述的一种小型化物方远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、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。
4.根据权利要求1所述的一种小型化物方远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜前表面曲率半径为11.657mm，后表面曲率半径为-107.392mm，中心厚度为4.69mm，透镜通光口径为φ38.0mm；所述第二透镜前表面曲率半径为53.269mm，后表面曲率半径为-92.503mm，中心厚度为6.05mm，透镜通光口径为φ36.0mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-92.503mm，后表面曲率半径为382.56mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ35.2mm；所述第四透镜前表面曲率半径为30.106mm，后表面曲率半径为70.089mm，中心厚度为4.75mm，透镜通光口径为φ31.2mm；所述第五透镜前表面曲率半径为61.1mm，后表面曲率半径为14.822mm，中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ18.8mm；第六透镜前表面曲率半径为-63.298mm，后表面曲率半径为-41.297mm，中心厚度为3.98mm，透镜通光口径为φ34.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种小型化物方远心光学系统，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。
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