CN109683282A - 一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及视觉镜头技术领域，具体为一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，从物面侧到像面侧依次包括：具有负光焦度、弯月结构的第一透镜；具有正光焦度、弯月结构的第二透镜；具有负光焦度、弯月结构的第三透镜；具有正光焦度、双凸结构的第四透镜；具有正光焦度、弯月结构的第五透镜；具有负光焦度、弯月结构的第六透镜；具有正光焦度、弯月结构的第七透镜；具有负光焦度、弯月结构的第八透镜，以及位于第四透镜和第五透镜之间的光阑。所述第三透镜和第四透镜胶合，形成具有正光焦度的第一胶合透镜组，焦距为fU1；所述第五透镜和第六透镜胶合，形成具有负光焦度的第二胶合透镜组，焦距为fU2，满足如下关系式：7＜|fU1/f|＜15，3＜|fU2/f|＜6。整个镜头采用整组对焦方式，实现工作距离278mm‑1048mm的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。

Description

一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统
技术领域
本发明涉及视觉镜头技术领域，具体为一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统。
背景技术
机器视觉系统的作用在于使用机器对目标件进行测量、判断和检测缺陷等，来减小或者是消除人为操作时的误判，提高测量精度和稳定性。其核心原理是通过机器视觉镜头将光信号收集给相机，再由相机将光信号转化为电信号给图像处理系统，根据所采集的图像信息进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
在工业4.0的推动下，机器视觉需求与日俱增，特别是在电子制造、票据检测和尺寸测量等众多行业中，对线扫机器视觉镜头的光学畸变、工作距离、视野大小等要求越来越高，特别是一些广角线扫镜头，既要求大视野大靶面，同时还要求光学畸变要小。然而国内现有的线扫机器视觉镜头普遍存在光学畸变、视场角和工作距离无法同时兼顾的现象，导致在生产应用中常常出现顾此失彼的状况：视野满足工件检测的要求，但光学畸变过大，直接降低了测量的精确度；当光学畸变满足要求时，往往视野相对比较小，需要增加相机和镜头才能拍全工件，增加生产成本。因此对于低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头的研发就更为迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，从物面侧到像面侧依次包括：具有负光焦度、弯月结构的第一透镜；具有正光焦度、弯月结构的第二透镜；具有负光焦度、弯月结构的第三透镜；具有正光焦度、双凸结构的第四透镜；具有正光焦度、弯月结构的第五透镜；具有负光焦度、弯月结构的第六透镜；具有正光焦度、弯月结构的第七透镜；具有负光焦度、弯月结构的第八透镜，以及位于第四透镜和第五透镜之间的光阑，形成低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头的光学系统；
所述第三透镜和第四透镜胶合，形成具有正光焦度的第一胶合透镜组；所述第五透镜和第六透镜胶合，形成具有负光焦度的第二胶合透镜组，所述光学系统的焦距为f，所述第一胶合透镜组的焦距为fU1，所述第二胶合透镜组的焦距为fU2，满足如下关系式：
7＜|fU1/f|＜15，3＜|fU2/f|＜6。
优选的，所述光学系统的第一透镜的前表面顶点到第八透镜的后表面顶点的距离L与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
1.5＜|L/f|＜3.0。
优选的，所述光学系统的光学后截距BFL与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
0.45＜|BFL/f|＜0.75。
优选的，所述光学系统的半像高y’与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
0.6＜|y’/f|＜0.8。
优选的，所述第一透镜的折射率为n1，阿贝数为v1，所述第二透镜的折射率为n2，阿贝数为v2，其折射率n1和n2满足如下关系式：
0.35＜|n1-n2|＜0.55；
其阿贝数v1和v2满足如下关系式：
1.5＜|v1/v2|＜2.0。
优选的，所述第三透镜的焦距为fG3，第四透镜的焦距为fG4，第五透镜的焦距为fG5，第六透镜的焦距为fG6，其焦距fG3和f的比值，fG4和f的比值，焦距fG5和f的比值，fG6和f的比值均满足如下关系式：
0.4＜|fG3/f|、|fG4/f|、|fG5/f|、|fG6/f|＜0.6。
优选的，所述第七透镜的折射率为n7，阿贝数为v7，所述第八透镜的折射率为n8，阿贝数为v8，其折射率n7和n8满足如下关系式：
0.35＜|n7-n8|＜0.55；
其阿贝数v7和v8满足如下关系式：
0.3＜|v7/v8|＜0.6。
优选的，所述光学系统的光阑孔径为圆孔，光阑的光圈在F4.5～F22范围内可调。
优选的，所述光学系统物距范围为6.0f～26f，当物距发生变化时，第一透镜到第八透镜整组作为调焦组前后移动。
优选的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜均为球面镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过上述结构实现了焦距为41.5mm的高分辨率大视场角的微距定焦线扫机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为其分辨率可达70lp/mm，即对应的最大成像芯片时，其像素可达到8K像素，全视场角可达71.7°，光学畸变低于0.45％；采用整组对焦方式，实现工作距离278mm-1048mm的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明光路结构示意图；
图3为本发明的MTF曲线图；
图4为本发明的光学畸变曲线图。
图中：第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第一胶合透镜组U1、第二胶合透镜组U2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，从物面侧到像面侧依次包括：具有负光焦度、弯月结构的第一透镜G1；具有正光焦度、弯月结构的第二透镜G2；具有负光焦度、弯月结构的第三透镜G3；具有正光焦度、双凸结构的第四透镜G4；具有正光焦度、弯月结构的第五透镜G5；具有负光焦度、弯月结构的第六透镜G6；具有正光焦度、弯月结构的第七透镜G7；具有负光焦度、弯月结构的第八透镜G8，以及位于第四透镜G4和第五透镜G5之间的光阑，形成低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头的光学系统；
第三透镜G3和第四透镜G4胶合，形成具有正光焦度的第一胶合透镜组U1；第五透镜G5和第六透镜G6胶合，形成具有负光焦度的第二胶合透镜组U2，光学系统的焦距为f，第一胶合透镜组U1的焦距为fU1，第二胶合透镜组U2的焦距为fU2，满足如下关系式：
7＜|fU1/f|＜15，3＜|fU2/f|＜6。
其中，光学系统的第一透镜G1的前表面顶点到第八透镜G8的后表面顶点的距离L与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
1.5＜|L/f|＜3.0。
其中，光学系统的光学后截距BFL与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
0.45＜|BFL/f|＜0.75。
其中，光学系统的半像高y’与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
0.6＜|y’/f|＜0.8。
其中，第一透镜G1的折射率为n1，阿贝数为v1，第二透镜G2的折射率为n2，阿贝数为v2，其折射率n1和n2满足如下关系式：
0.35＜|n1-n2|＜0.55；
其阿贝数v1和v2满足如下关系式：
1.5＜|v1/v2|＜2.0。
其中，第三透镜G3的焦距为fG3，第四透镜G4的焦距为fG4，第五透镜G5的焦距为fG5，第六透镜G6的焦距为fG6，其焦距fG3和f的比值，fG4和f的比值，焦距fG5和f的比值，fG6和f的比值均满足如下关系式：
0.4＜|fG3/f|、|fG4/f|、|fG5/f|、|fG6/f|＜0.6。
其中，第七透镜G7的折射率为n7，阿贝数为v7，第八透镜G8的折射率为n8，阿贝数为v8，其折射率n7和n8满足如下关系式：
0.35＜|n7-n8|＜0.55；
其阿贝数v7和v8满足如下关系式：
0.3＜|v7/v8|＜0.6。
其中，光学系统的光阑孔径为圆孔，光阑的光圈在F4.5～F22范围内可调。
其中，光学系统物距范围为6.0f～26f，当物距发生变化时，第一透镜G1到第八透镜G8整组作为调焦组前后移动。
其中，第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7和第八透镜G8均为球面镜。
在本实例中，光学系统数据如下表1所示：
表1
表面 半径(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
G1前表面 141.2 2.80 1.53 48.8
G1后表面 30.35 25.79
G2前表面 28.30 4.44 2.00 28.3
G2后表面 75.83 8.07
U1前表面 146.97 1.50 1.65 33.8
U1胶合面 11.93 3.99 1.60 65.5
U1后表面 -309.10 4.16
光阑 Infinity 4.04
U2前表面 -23.51 3.33 1.59 67.3
U2胶合面 -8.97 1.64 1.72 29.5
U2后表面 -22.67 5.97
G7前表面 -93.13 3.52 2.00 25.4
G7后表面 -28.56 9.35
G8前表面 -23.33 1.40 1.50 66.0
G8后表面 -266.40 23.40
像面 Infinity
在本实例中，光学系统的焦距f为41.5mm，最大光圈为F#＝4.5，第一胶合透镜组U1的焦距fU1＝406.34mm，第二胶合透镜组U2的焦距fU2＝--182.08mm，第一透镜G1的前表面顶点到第八透镜G8的后表面顶点的距离L＝80mm，光学后截距BFL＝23.40mm，半像高y’＝30mm。
各个关系式：|fU1/f|＝9.79；|fU2/f|＝4.39；|L/f|＝1.93；
|BFL/f|＝0.56；|y’/f|＝0.72
满足关系式：7＜|fU1/f|＜15，3＜|fU2/f|＜6；1.5＜|L/f|＜3.0；0.45＜|BFL/f|＜0.75；0.6＜|y’/f|＜0.8。
图3所示为本实施例的MTF曲线图，全视场在70lp/mm的MTF值>0.35，理论分辨精度可达7微米，实现光学系统的高分辨成像。
图4所示为本实施例的光学畸变曲线图，全视场范围内最大光学畸变低于0.45％；
通过上述结构实现了焦距为41.5mm的高分辨率大视场角的微距定焦线扫机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为其分辨率可达70lp/mm，即对应的最大成像芯片时，其像素可达到8K像素，全视场角可达71.7°，光学畸变低于0.45％；采用整组对焦方式，实现工作距离278mm-1048mm的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，从物面侧到像面侧依次包括：具有负光焦度、弯月结构的第一透镜(G1)；具有正光焦度、弯月结构的第二透镜(G2)；具有负光焦度、弯月结构的第三透镜(G3)；具有正光焦度、双凸结构的第四透镜(G4)；具有正光焦度、弯月结构的第五透镜(G5)；具有负光焦度、弯月结构的第六透镜(G6)；具有正光焦度、弯月结构的第七透镜(G7)；具有负光焦度、弯月结构的第八透镜(G8)，以及位于第四透镜(G4)和第五透镜(G5)之间的光阑，形成低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头的光学系统；
其特征在于：所述第三透镜(G3)和第四透镜(G4)胶合，形成具有正光焦度的第一胶合透镜组(U1)；所述第五透镜(G5)和第六透镜(G6)胶合，形成具有负光焦度的第二胶合透镜组(U2)，所述光学系统的焦距为f，所述第一胶合透镜组(U1)的焦距为fU1，所述第二胶合透镜组(U2)的焦距为fU2，满足如下关系式：
7＜|fU1/f|＜15，3＜|fU2/f|＜6。
2.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统的第一透镜(G1)的前表面顶点到第八透镜(G8)的后表面顶点的距离L与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
1.5＜|L/f|＜3.0。
3.根据权利要求2所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统的光学后截距BFL与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
0.45＜|BFL/f|＜0.75。
4.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统的半像高y’与光学系统的焦距f，满足如下关系式：
0.6＜|y’/f|＜0.8。
5.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜(G1)的折射率为n1，阿贝数为v1，所述第二透镜(G2)的折射率为n2，阿贝数为v2，其折射率n1和n2满足如下关系式：
0.35＜|n1-n2|＜0.55；
其阿贝数v1和v2满足如下关系式：
1.5＜|v1/v2|＜2.0。
6.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述第三透镜(G3)的焦距为fG3，第四透镜(G4)的焦距为fG4，第五透镜(G5)的焦距为fG5，第六透镜(G6)的焦距为fG6，其焦距fG3和f的比值，fG4和f的比值，焦距fG5和f的比值，fG6和f的比值均满足如下关系式：
0.4＜|fG3/f|、|fG4/f|、|fG5/f|、|fG6/f|＜0.6。
7.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述第七透镜(G7)的折射率为n7，阿贝数为v7，所述第八透镜(G8)的折射率为n8，阿贝数为v8，其折射率n7和n8满足如下关系式：
0.35＜|n7-n8|＜0.55；
其阿贝数v7和v8满足如下关系式：
0.3＜|v7/v8|＜0.6。
8.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统的光阑孔径为圆孔，光阑的光圈在F4.5～F22范围内可调。
9.根据权利要求1所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统物距范围为6.0f～26f，当物距发生变化时，第一透镜(G1)到第八透镜(G8)整组作为调焦组前后移动。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种低畸变广角定焦线扫机器视觉镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜(G1)、第二透镜(G2)、第三透镜(G3)、第四透镜(G4)、第五透镜(G5)、第六透镜(G6)、第七透镜(G7)和第八透镜(G8)均为球面镜。
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