CN109307927B - 一种内置同轴照明的双视场双远心镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内置同轴照明的双视场双远心镜头，包括沿成像路径顺次设置的第一镜片组、第一分光镜、第一光阑、第二镜片组和第一像面；所述第一分光镜的分光光路上顺次设置有第二光阑、第三镜片组和第二像面，所述第三镜片组包括第二分光镜，所述第二分光镜的分光光路上顺次设置有第四镜片组和第三像面，所述第三像面上设置有照明光源。本发明可解决现有远心镜头像差大且限制了被测量物高度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及远心镜头技术领域，尤其是一种内置同轴照明的双视场双远心镜头。
背景技术
远心镜头，主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内使得到的图像放大倍率不会变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用，广泛应用于各种视觉影像检测设备上。
现有的双视场双远心镜头通常使用外部配置同轴光，这种实现方式是在被测物面与镜头之间加上一个45度角的分光镜，由于分光镜设置在镜头的前方，分光镜产生的误差会因镜头而放大，从而产生较大的像差，降低了镜头的光学分辨率，得不到远心度小的照明光。同时，增设的分光镜增大了被测物面与镜头之间的距离，也限制了被测量物的高度。
发明内容
本发明提供一种内置同轴照明的双视场双远心镜头，解决现有远心镜头像差大且限制了被测量物高度的问题。
本发明提供一种内置同轴照明的双视场双远心镜头，包括沿成像路径顺次设置的第一镜片组、第一分光镜、第一光阑、第二镜片组和第一像面；所述第一分光镜的分光光路上顺次设置有第二光阑、第三镜片组和第二像面，所述第三镜片组包括第二分光镜，所述第二分光镜的分光光路上顺次设置有第四镜片组和第三像面，所述第三像面上设置有照明光源。
优选的，所述第一镜片组包括顺次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；第二镜片组包括顺次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；所述第三镜片组还包括顺次设置的第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第二分光镜设置在第九透镜和第十透镜之间；所述第四镜片组还包括顺次设置的包括第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜。
优选的，所述第一透镜为双凸球面正透镜，第二透镜为双凸球面正透镜，第三透镜为凹凸球面负透镜和凹凸球面正透镜组合的双胶合透镜；所述第四透镜为凹凸球面正透镜，第五透镜为凹凸球面负透镜，第六透镜为凹凸球面正透镜，第七透镜为双凸球面正透镜，第八透镜为双凸球面正透镜和双凹球面负透镜组合的双胶合透镜；所述第九透镜为双凸球面正透镜和双凹球面负透镜组合的双胶合透镜，第十透镜为双凸球面正透镜，第十一透镜为凸凹球面负透镜和凸凹球面负透镜组合的双胶合透镜，第十二透镜凸凹球面正透镜，所述第十三透镜为双凸球面正透镜，第十四透镜为凸凹球面负透镜，第十五透镜为凸凹球面正透镜。
优选的，所述第一透镜到第二透镜的间距和第二透镜到第三透镜的间距依次是：2.05±5％，32.63±5％；第一镜片组到第一分光镜的空气间隔在光轴上的距离是68.78±5％，第一分光镜到第一光阑的空气间距在光轴上的距离是4.5±5％，第一光阑到第二镜片组的空气间距是4.5±5％，第四透镜到第五透镜、第五透镜到第六透镜、第六透镜到第七透镜和第七透镜到第八透镜的间距依次是：4.26±5％，3.07±5％，2.29±5％，2±5％，第一分光镜到第二光阑的空气间距在光轴上的距离是-4.5±5％，第二光阑到第三后镜片组的空气间距是-4.5±5％，第九透镜到第二分光镜、第二分光镜到第十透镜、第十透镜到第十一透镜、第十一透镜到第十二透镜的间距依次是：-18.64±5％，-4.37±5％，-3.54±5％，-3.62±5％，第二分光镜到第四镜片组的空气间距在光轴上的距离是4.37±5％，第十三透镜到第十四透镜、第十四透镜到第十五透镜的间距依次是：5.5±5％，2±5％，各距离的单位为毫米。
优选的，所述第一分光镜和第二分光镜均为具有45度分光面的分光棱镜。
本发明中，无需在镜头前方设置分光镜以引入外部光源，而是在光路的后端内置同轴照明光，同轴照明光的像差不会经过透镜的放大，保证了镜头的光学分辨率，从而可以得到远心度小的照明光。同时，照明光并未处于被测物面与镜头之间，被测物面到镜头之间的活动范围增大，扩大了可测量的高度范围。
附图说明
图1为本发明一种实施例的内置同轴照明的双视场双远心镜头的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的第一镜片组的结构示意图；
图3为本发明一种实施例的第二镜片组的结构示意图；
图4为本发明一种实施例的第三镜片组的结构示意图；
图5为本发明一种实施例的第四镜片组的结构示意图；
图6为本发明一种实施例的第一视场成像光路的弥散斑图；
图7为本发明一种实施例的第一视场成像光路的畸变图；
图8为本发明一种实施例的第一视场成像光路的相对照度图；
图9为本发明一种实施例的第一视场成像光路的调制传递函数MTF图；
图10为本发明一种实施例的第二视场成像光路的弥散斑图；
图11为本发明一种实施例的第二视场成像光路的畸变图；
图12为本发明一种实施例的第二视场成像光路的相对照度图；
图13为本发明一种实施例的第二视场成像光路的调制传递函数MTF图；
图14为本发明一种实施例的同轴照明光路的调制传递函数MTF图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种内置同轴照明的双视场双远心镜头，如图1所示，其包括沿成像路径顺次设置的第一镜片组G1、第一分光镜BS1、第一光阑STP1、第二镜片组G2和第一像面I1，第一镜片组G1、第一分光镜BS1、第一光阑STP1、第二镜片组G2和第一像面I1顺次同轴设置，被测的物面Obj产生的光依次经过第一镜片组G1、第一分光镜BS1、第一光阑STP1、第二镜片组G2和第一像面I1，形成第一视场成像光路，并可在第一像面I1上成像。第一分光镜BS1可以是分光棱镜，具有45度角的分光面，因此，形成的分光光路的轴向与第一视场成像光路的轴向垂直。
在所述第一分光镜BS1的分光光路上顺次设置有第二光阑STP2、第三镜片组G3和第二像面I2，成像光线经过分光后，顺次经过第二光阑STP2、第三镜片组G3和第二像面I2，第一镜片组G1、第一分光镜BS1、第二光阑STP2、第三镜片组G3和第二像面I2形成第二视场成像光路。所述第三镜片组G3中包括第二分光镜BS2，第二分光镜BS2也可以是分光棱镜，具有45度角的分光面，因此，形成的分光光路的轴向与第二视场成像光路的轴向垂直。
在第二分光镜BS2的分光光路上顺次设置有第四镜片组G4和第三像面I3，所述第三像面I3上设置有照明光源，形成内置的照明光，照明光从照明光源发出后，顺次经过第四镜片组G4、第二分光镜BS2、第三镜片组G3中的部分、第二光阑STP2、第一分光镜BS1和第一镜片组G1，最终照射到物面Obj上。
在一种实施例中，如图2-图5所示，所述第一镜片组G1包括顺次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，第二镜片组G2包括顺次设置的第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8；所述第三镜片组G3还包括顺次设置的第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11和第十二透镜L12，所述第二分光镜BS2设置在第九透镜L9和第十透镜L10之间；所述第四镜片组G4还包括顺次设置的第十三透镜L13、第十四透镜L14和第十五透镜L15。
进一步的，所述第一透镜为双凸球面正透镜，包括均为凸面的第一面和第二面，第二透镜为双凸球面正透镜，包括均为凸面的第三面和第四面，第三透镜为凹凸球面负透镜和凹凸球面正透镜组合的双胶合透镜，包括为凹面的第五面、为凸凹胶合面的第六面、为凸面的第七面；所述第四透镜为凹凸球面正透镜，包括为凹面的第八面和为凸面的第九面，第五透镜为凹凸球面负透镜，包括为凹面的第十面和为凸面的第十一面，第六透镜为凹凸球面正透镜，包括为凹面的第十二面和为凸面的第十三面，第七透镜为双凸球面正透镜，包括均为凸面的第十四面和第十五面，第八透镜为双凸球面正透镜和双凹球面负透镜组合的双胶合透镜，包括为凸面的第十六面、为凸凹胶合面的第十七面、为凹面的第十八面；所述第九透镜为双凸球面正透镜和双凹球面负透镜组合的双胶合透镜，包括为凸面的第十九面、为凸凹胶合面的第二十面、为凹面的第二十一面，第十透镜为双凸球面正透镜，包括均为凸面的第二十二面和第二十三面，第十一透镜为凸凹球面负透镜和凸凹球面负透镜组合的双胶合透镜，包括为凸面的第二十四面、为凸凹胶合面的第二十五面、为凹面的第二十六面，第十二透镜凸凹球面正透镜，包括为凸面的第二十七面和为凹面的第二十八面；所述第十三透镜为双凸球面正透镜，包括均为凸面的第二十九面和第三十面，第十四透镜为凸凹球面负透镜，包括为凸面的第三十一面和为凹面的第三十二面，第十五透镜为凸凹球面正透镜，包括为凸面的第三十三面和为凹面的第三十四面。
图6-图14通过实验图表来展示本发明实施例所取得的技术效果，图6为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第一视场成像光路的弥散斑图，OBJ表示物方视场，IMA表示像方对应视场，单位都为毫米。Airy Radius表示艾里斑半径，RMS radius表示弥散斑图均方根半径，单位都是微米。从图6可以看出，艾里斑半径为3.583μm，中心视场位置的弥散斑半径是1.361μm，边缘视场位置的弥散斑半径是2.469μm，整个视场范围的弥散斑半径小于艾里斑半径，达到了好的成像效果。
图7为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第一视场成像光路的畸变图，纵坐标为物方视场，单位是毫米，横坐标为以百分比表示的畸变值。从图7可以看出，整个视场范围内的畸变值都小于0.05％，镜头第一视场成像光路具有很低的畸变。
图8为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第一视场成像光路的相对照度图，纵坐标是相对照度值，横坐标是物方视场，单位是毫米。从图8可以看出，整个视场范围内的相对照度均在92％以上，镜头第一视场成像光路整个视场范围内的相对照度变化很小。
图9为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第一视场成像光路的调制传递函数MTF图，纵坐标表示MTF的值，横坐标表示空间频率，单位是线对/毫米(lp/mm)。Tangential表示子午方向的MTF值，Sagittal表示弧失方向的MTF值，从图9可以看出，各个视场的子午方向的MTF值和弧失方向的MTF值在空间频率为174lp/mm处的MTF值均大于0.3，第一视场成像光路的放大倍率为-0.141倍，由此可以得到第一视场成像光路的光学分辨率可以达到21μm。
图10为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第二视场成像光路的弥散斑图，OBJ表示物方视场，IMA表示像方对应视场，单位都为毫米。Airy Radius表示艾里斑半径，RMS radius表示弥散斑图均方根半径，单位都是微米。从图10可以看出，艾里斑半径为3.574μm，中心视场位置的弥散斑半径是1.522μm，边缘视场位置的弥散斑半径是1.922μm，整个视场范围的弥散斑半径小于艾里斑半径，达到了好的成像效果。
图11为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第二视场成像光路的畸变图，纵坐标为物方视场，单位是毫米，横坐标为以百分比表示的畸变值。从图11可以看出，整个视场范围内的畸变值都小于0.05％，镜头第二视场成像光路具有很低的畸变。
图12为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第二视场成像光路的相对照度图，纵坐标是相对照度值，横坐标是物方视场，单位是毫米。从图12可以看出，整个视场范围内的相对照度均在99％以上，镜头第二视场成像光路整个视场范围内的相对照度变化很小。
图13为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的第二视场成像光路的调制传递函数MTF图，纵坐标表示MTF的值，横坐标表示空间频率，单位是线对/毫米(lp/mm)。Tangential表示子午方向的MTF值，Sagittal表示弧失方向的MTF值，从图13可以看出，各个视场的子午方向的MTF值和弧失方向的MTF值在空间频率为180lp/mm处的MTF值均大于0.3，第一视场成像光路的放大倍率为-0.43倍，由此可以得到第二视场成像光路的光学分辨率可以达到6.5μm。
图14为实施例中的内置同轴照明的双视场双远心镜头的同轴照明光路的调制传递函数MTF图，纵坐标表示MTF的值，横坐标表示空间频率，单位是线对/毫米(lp/mm)。Tangential表示子午方向的MTF值，Sagittal表示弧失方向的MTF值，从图14可以看出，整个视场范围内的MTF曲线紧凑，同轴照明光路在实际使用中，在像面I3处设置发光面，在物面Obj面处可以得到远心度小、分辨率高的照明光。
由上述实验数据可以看出，本发明可以实现远心同轴照明，可以实现两种范围的成像，第一视场成像光路适用于100mm左右的视场，第二视场成像光路适用于25mm左右的视场，二者都很好的校正了畸变，畸变值小于0.05％，都可以得到物方很好的远心度，物方远心度小于0.03度，对100mm视场可以实现21μm光学分辨率，对25mm视场可以实现6.5μm光学分辨率。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (1)
1.一种内置同轴照明的双视场双远心镜头，其特征在于：
包括沿成像路径顺次设置的第一镜片组、第一分光镜、第一光阑、第二镜片组和第一像面；所述第一分光镜的分光光路上顺次设置有第二光阑、第三镜片组和第二像面，所述第三镜片组包括第二分光镜，所述第二分光镜的分光光路上顺次设置有第四镜片组和第三像面，所述第三像面上设置有照明光源，所述第一镜片组包括顺次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；第二镜片组包括顺次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；所述第三镜片组包括顺次设置的第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第二分光镜设置在第九透镜和第十透镜之间；所述第四镜片组包括顺次设置的第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜，所述第一透镜为双凸球面正透镜，第二透镜为双凸球面正透镜，第三透镜为凹凸球面负透镜和凹凸球面正透镜组合的双胶合透镜；所述第四透镜为凹凸球面正透镜，第五透镜为凹凸球面负透镜，第六透镜为凹凸球面正透镜，第七透镜为双凸球面正透镜，第八透镜为双凸球面正透镜和双凹球面负透镜组合的双胶合透镜；所述第九透镜为双凸球面正透镜和双凹球面负透镜组合的双胶合透镜，第十透镜为双凸球面正透镜，第十一透镜为凸凹球面负透镜和凸凹球面负透镜组合的双胶合透镜，第十二透镜凸凹球面正透镜，所述第十三透镜为双凸球面正透镜，第十四透镜为凸凹球面负透镜，第十五透镜为凸凹球面正透镜，所述第一透镜到第二透镜的间距和第二透镜到第三透镜的间距依次是：2.05±5％，32.63±5％；第一镜片组到第一分光镜的空气间隔在光轴上的距离是68.78±5％，第一分光镜到第一光阑的空气间距在光轴上的距离是4.5±5％，第一光阑到第二镜片组的空气间距是4.5±5％，第四透镜到第五透镜、第五透镜到第六透镜、第六透镜到第七透镜和第七透镜到第八透镜的间距依次是：4.26±5％，3.07±5％，2.29±5％，2±5％，第一分光镜到第二光阑的空气间距在光轴上的距离是-4.5±5％，第二光阑到第三后镜片组的空气间距是-4.5±5％，第九透镜到第二分光镜、第二分光镜到第十透镜、第十透镜到第十一透镜、第十一透镜到第十二透镜的间距依次是：-18.64±5％，-4.37±5％，-3.54±5％，-3.62±5％，第二分光镜到第四镜片组的空气间距在光轴上的距离是4.37±5％，第十三透镜到第十四透镜、第十四透镜到第十五透镜的间距依次是：5.5±5％，2±5％，各距离的单位为毫米，所述第一分光镜和第二分光镜均为具有45度分光面的分光棱镜，所述双视场双远心镜头只有上述十五片透镜，具有光焦度。
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