CN109491046B - 一种用于x光机的超大通光孔径镜头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于X光机的超大通光孔径的镜头结构，包括镜头本体，所述镜头本体沿光线入射方向依次设置的负弯月型透镜1、双凸透镜2、平凸透镜3‑1、平凹透镜3‑2、固定光栏A、双凹透镜4‑1、双凸透镜4‑2、双凸透镜5、平凸透镜6及负弯月型透镜7；其中，平凸透镜3‑1和平凹透镜3‑2为双胶合镜组，双凹透镜4‑1和双凸透镜4‑2为双胶合镜组。本申请的镜头结构，最大相对孔径D/f’可以达到1/1.1，在镜头焦距满足X光机有限距离的物像关系时，其后工作距和全视场像高调整范围完全能够匹配面阵为32mm×32mm或面阵为37mm×37mm规格CCD芯片的X光机。

Description

一种用于X光机的超大通光孔径镜头结构

技术领域

本发明涉及镜头，具体涉及一种用于X光机的超大通光孔径镜头结构。

背景技术

人眼不可见的X射线具有穿透物体表面并与之内部物质发生相互作用的特性，X光机利用X射线穿透特性和成像原理来区分不同的物质，并且显示穿透物质的形状、位置及分布，目前X光机广泛应用于医学诊断、安全防范和光学检测等领域。X射线在穿透物质时有一部分能量被物质吸收以及X射线波长光子在转换成可见光波长光子时也会引起一些损耗，所以X光机只能获得亮度很低的微弱的可见光图像，这种情况严重影响了X光机对图像细节识别和后期的数字图像处理。

在镜头放大倍率、焦距和后工作距确定的前提下，若要提高CCD芯片表面图像的亮度，最直接的方法是尽可能地增大镜头的通光孔径，现有X光机镜头结构，将镜头最大通光孔径提升到F/1.6时，镜头产生的轴外宽光束孔径像差明显增大而且很难校正，既使成功地校正了像差，镜头结构也往往变得复杂，工艺性变差，镜头价格也会大幅度上升。当X光机镜头最大通光孔径提升到F/1.1时，增大孔径所产生的轴上和轴外孔径像差显著增加，轴外宽光束像差和畸变变化更大，凸透镜边缘变薄，镜头结构整体工艺性变差甚至无法加工，镜头像差和工艺性很难得到优化和有效控制。

设计一种优异的X光机超大通光孔径镜头，是该领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明提供一种用于X光机的超大通光孔径镜头结构，在确定X光机镜头焦距、放大倍率和后工作距的条件下，可以将X光机镜头最大通光孔径提升到F/1.1，成像质量优秀，特别是镜头畸变控制在1.4％以内，镜头结构易加工生产，CCD芯片表面数字图像的亮度显著提高。

为此，本发明采用的技术方案是：

一种用于X光机的超大通光孔径镜头结构，包括镜头本体，所述镜头本体沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜1、双凸透镜2、平凸透镜3-1、平凹透镜3-2、固定光栏A、双凹透镜4-1、双凸透镜4-2、双凸透镜5、平凸透镜6及负弯月型透镜7；其中，平凸透镜3-1和平凹透镜3-2组成双胶合镜组3，平凹透镜3-2的凹面朝向像面；双凹透镜4-1和双凸透镜4-2组成双胶合镜组4，双凸透镜4-2的凸面朝向像面；负弯月型透镜1凹面朝向像面；双凸透镜2的曲率绝对值大的面朝向像面；双凸透镜5的曲率绝对值大的面朝向像面；平凸透镜6的平面朝向像面；负弯月型透镜7凸面朝向像面。

进一步地，所述负弯月型透镜1、双凸透镜2、双胶合镜组3、双胶合镜组4、双凸透镜5、平凸透镜6和负弯月型透镜7的光焦度绝对值比为：1：0.4：1.606：0.613：0.27：1.235：0.214，光栏A前各镜组产生的光焦度之和为负值，光栏A后各镜组产生的光焦度之和为正值,光栏前后光焦度之和的比的绝对值为1.16:1。

进一步地，所述负弯月型透镜1采用重钡火石系光学玻璃材质；双凸透镜2采用斓火石系光学玻璃材质；平凸透镜3-1、双凸透镜4-2及双凸透镜5均采用斓冕系光学玻璃材质；平凹透镜3-2、双凹透镜4-1及负弯月型透镜7均采用重火石系光学玻璃材质；平凸透镜6采用重冕系光学玻璃材质。

进一步地，所述镜头结构的光学性能参数范围为：物距L＝610mm～700mm；焦距f＇＝50mm～60mm；相对孔径D/f＇＝1/1.1～1/1.3，其中，D为入瞳直径；后工作距为4mm～8mm。

进一步地，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，负弯月型透镜1与双凸透镜2空气间隔为0.3550，双凸透镜2与平凸透镜3-1空气间隔为0.0283，平凹透镜3-2与双凹透镜4-1空气间隔为0.3875，双凸透镜4-2与双凸透镜5空气间隔为0.0556，双凸透镜5与平凸透镜6空气间隔为0.1693，平凸透镜6与负弯月型透镜7空气间隔为0.2290，固定光栏A与双凹透镜4-1空气间隔为0.0938。

进一步地，所述镜头结构按比例进行焦距缩放，可适用于面阵为32mm×32mm或面阵为37mm×37mm规格CCD芯片的X光机。

本发明的有益效果：

1、本申请的镜头结构，最大相对孔径D/f’达到了1/1.1，根据X光机的物像关系，将镜头焦距限制在f＇＝50mm～60mm之间，其后工作距和全视场像高调整范围完全能够匹配面阵为32mm×32mm或面阵为37mm×37mm规格CCD芯片。

2、本申请的镜头结构，镜头结构的设计和每片透镜材料的选择，都是在保证镜头系统最大相对孔径和最大视场以及后工作距前提下，利用对称光学系统轴外像差能够减小甚至相互抵消的特性，通过计算机辅助优化设计，完美地校正和平衡了光学镜头产生的各种像差，同时最大限度提高镜头加工的工艺性，降低生产成本。

3、本申请的镜头结构，在最大相对孔径1/1.1和53mm像高时，各视场在50线对/mm频率处的传递函数MTF值都能达到0.5以上，畸变控制在1.4％以内，镜头的分辨率优秀，同时满足了X光机对数字图像的亮度要求。

附图说明

图1是示出第一实施方式的本发明的镜头结构的结构示意图。

图2是示出第一实施方式的本发明的镜头结构的光线追迹图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及一种优选的实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施方式1

参阅图1，一种用于X光机的超大通光孔径镜头结构，包括镜头本体，所述镜头本体沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜1、双凸透镜2、平凸透镜3-1、平凹透镜3-2、固定光栏A、双凹透镜4-1、双凸透镜4-2、双凸透镜5、平凸透镜6及负弯月型透镜7；其中，平凸透镜3-1和平凹透镜3-2组成双胶合镜组3，平凹透镜3-2的凹面朝向像面；双凹透镜4-1和双凸透镜4-2组成双胶合镜组4，双凸透镜4-2的凸面朝向像面；负弯月型透镜1凹面朝向像面；双凸透镜2的曲率绝对值大的面朝向像面；双凸透镜5的曲率绝对值大的面朝向像面；平凸透镜6的平面朝向像面；负弯月型透镜7凸面朝向像面。

在本实施例中，根据X光机有限距离的物像关系、超大通光孔径、较大视场和短工作距等实际技术要求，选择以光栏A为对称的部分光学镜组作为本镜头的基本结构，即在光栏A前后两侧分别设置胶合镜组3和胶合镜组4，两胶合镜组都是正、负透镜的组合，靠近光栏A的两只负透镜的凹面都弯向光栏，在两只胶合镜组前后又分别设置了双凸透镜2和双凸透镜5。光学结构的对称性能够产生符号相反的轴外象差，以光栏A为对称的镜头基本结构，既使将光栏A的口径尽可能地增大，也能减小甚至抵消这些象差，尤其是可以消除镜头畸变。与此同时，在胶合镜组中靠近光栏A的两只负透镜的凹面都弯向光栏，可以起到进一步减少轴外象差的作用。

在镜头的最前面加入负弯月型透镜1，是为了保证各视场入射光线充满透镜口径时,该透镜的出射光线的高度和角度与光栏A前面的各光学镜组的光线入射高度和角度得到合理匹配,使光栏A的口径尽可能达到最大。在镜头最后面设置负弯月型透镜7，是为了利用负透镜的发散特性将镜头最大通光孔径的出射光线精准地聚焦到像方视场最边缘处，解决由于镜头与CCD距离较短，造成镜头最后通光口径与像高直径几乎相等，镜头的成像关系很难满足的技术问题。平凸透镜3-1、平凹透镜3-2和平凸透镜6的设置，是利用平面透镜的模具和工装具有光学加工通用性的特点，减少模具投入的种类和数量，提高生产效率、降低生产成本。

在选择了光学对称的镜头基本结构的设计的基础上，利用光学设计软件进一步分配各透镜的光焦度绝对值比，即负弯月型透镜1、双凸透镜2、平凸透镜3-1、平凹透镜3-2、固定光栏A、双凹透镜4-1、双凸透镜4-2、双凸透镜5、平凸透镜6及负弯月型透镜7的光焦度绝对值比依次分配为：1：0.4：1.606：0.613：0.27：1.235：0.214，光栏A前各镜组产生的光焦度之和为负值,光栏A后各镜组产生的光焦度之和为正值,光栏前后光焦度之和的比的绝对值为1.16:1。可以进一步校正、平衡和优化整个镜头的轴上和轴外像差。

在本实施例中，负弯月型透镜1采用重钡火石系光学玻璃材质，采用国产H-ZBAF20牌号；双凸透镜2采用斓火石系光学玻璃材质，采用国产H-LAF4牌号；平凸透镜3-1、双凸透镜4-2及双凸透镜5均采用斓冕系光学玻璃材质，平凸透镜3-1和双凸透镜4-2均采用国产H-LAK7牌号，双凸透镜5采用国产H-LAK5牌号；平凹透镜3-2、双凹透镜4-1及负弯月型透镜7均采用重火石系光学玻璃材质，平凹透镜3-2和双凹透镜4-1都采用国产H-ZF2牌号，负弯月型透镜7采用国产H-ZF3牌号；平凸透镜6采用重冕系光学玻璃材质，采用国产H-ZK3牌号。在其他实施例中，也可采用同一系列的其他国内外牌号的光学玻璃材质，都可以达到本申请的技术效果。

位于光栏A两侧的平凹透镜3-2和双凹透镜4-1，平凸透镜3-1和双凸透镜4-2采用相同牌号的光学玻璃材质，在镜头核心光学结构形状和性质方面保持对称性的同时，在玻璃材质选择上也保持了对称性，有利于减少、平衡和校正超大通光孔径F/1.1镜头所产生的轴外宽光束孔径像差与轴上大孔径像差，以及难已校正的轴外色差和畸变。

在本实施例中，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，负弯月型透镜1与双凸透镜2空气间隔为0.3550，双凸透镜2与平凸透镜3-1空气间隔为0.0283，平凹透镜3-2与双凹透镜4-1空气间隔为0.3875，双凸透镜4-2与双凸透镜5空气间隔为0.0556，双凸透镜5与平凸透镜6空气间隔为0.1693，平凸透镜6与负弯月型透镜7空气间隔为0.2290，固定光栏A与双凹透镜4-1空气间隔为0.0938。各透镜空气间隔的选择可进一步减小球差，提高成像质量。

实施方式1的镜头结构，最大相对孔径D/f’达到了1/1.1，根据X光机的物像关系，将镜头焦距限制在f＇＝50mm～60mm之间，其后工作距和全视场像高调整范围完全能够匹配面阵为32mm×32mm或面阵为37mm×37mm规格CCD芯片，各视场在50线对/mm频率处的传递函数MTF值都能达到0.5以上，畸变控制在1.4％以内，镜头的分辨率优秀，同时满足了X光机对数字图像的亮度要求。

根据市场需求对镜头焦距按比例进行缩放，本申请镜头结构的光学性能参数范围在：物距L＝610mm～700mm之间，焦距50mm～60mm之间，全视场像高直径43mm～53mm之间，后工作距4mm～8mm之间，相对孔径D/f1/1.1～1/1.3之间，镜头完全适用于面阵为32mm×32mm或面阵为37mm×37mm规格CCD芯片的X光机。

图2给出了本申请实施方式1的镜头结构的光线追迹示意图，示出了实施方式1的镜头结构各个视场的特征光线走向，以及该特征光线在各个透镜表面的入射高度，该入射高度决定了镜头结构中各个透镜的通光孔径。

上述实施例仅仅是较佳的实施例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.一种用于X光机的超大通光孔径镜头结构，包括镜头本体，其特征在于，所述镜头本体沿光线入射方向依次设置第一负弯月型透镜（1）、第一双凸透镜（2）、第一平凸透镜（3-1）、平凹透镜（3-2）、固定光栏A、第一双凹透镜（4-1）、第二双凸透镜（4-2）、第三双凸透镜（5）、第二平凸透镜（6）及第二负弯月型透镜（7）；其中，第一平凸透镜（3-1）和平凹透镜（3-2）组成第一双胶合镜组（3），平凹透镜（3-2）的凹面朝向像面；第一双凹透镜（4-1）和第二双凸透镜（4-2）组成第二双胶合镜组（4），第二双凸透镜（4-2）的凸面朝向像面；第一负弯月型透镜（1）凹面朝向像面；第一双凸透镜（2）的曲率绝对值大的面朝向像面；第三双凸透镜（5）的曲率绝对值大的面朝向像面；第二平凸透镜（6）的平面朝向像面；第二负弯月型透镜（7）凸面朝向像面。

2.如权利要求1所述的镜头结构，其特征在于，所述第一负弯月型透镜（1）、第一双凸透镜（2）、第一双胶合镜组（3）、第二双胶合镜组（4）、第三双凸透镜（5）、第二平凸透镜（6）和第二负弯月型透镜（7）的光焦度绝对值比为：1：0.4：1.606：0.613：0.27：1.235：0.214；所述光栏A前各镜组产生的光焦度之和为负值，光栏A后各镜组产生的光焦度之和为正值，光栏前后光焦度之和的比的绝对值为1.16:1。

3.如权利要求1所述的镜头结构，其特征在于，所述第一负弯月型透镜（1）采用重钡火石系光学玻璃材质；第一双凸透镜（2）采用斓火石系光学玻璃材质；第一平凸透镜（3-1）、第二双凸透镜（4-2）及第三双凸透镜（5）均采用斓冕系光学玻璃材质；平凹透镜（3-2）、第一双凹透镜（4-1）及第二负弯月型透镜（7）均采用重火石系光学玻璃材质；第二平凸透镜（6）采用重冕系光学玻璃材质。

4.如权利要求1或2所述的镜头结构，其特征在于，所述镜头结构的光学性能参数范围为：物距L=610 mm～700mm；焦距f ＇=50mm～60mm；相对孔径D/ f ＇=1/1.1～1/1.3，其中，D为入瞳直径；后工作距为4mm～8mm。

5.如权利要求1或2所述的镜头结构，其特征在于，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，第一负弯月型透镜（1）与第一双凸透镜（2）空气间隔为0.3550，第一双凸透镜（2）与第一平凸透镜（3-1）空气间隔为0.0283，平凹透镜（3-2）与第一双凹透镜（4-1）空气间隔为0.3875，第二双凸透镜（4-2）与第三双凸透镜（5）空气间隔为0.0556，第三双凸透镜（5）与第二平凸透镜（6）空气间隔为0.1693，第二平凸透镜（6）与第二负弯月型透镜（7）空气间隔为0.2290，固定光栏A与第一双凹透镜（4-1）空气间隔为0.0938。

6.如权利要求4所述的镜头结构，其特征在于，所述镜头结构按比例进行焦距缩放，可适用于面阵为32mm×32mm或面阵为37mm×37mm规格CCD芯片的X光机。

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