CN109975963B - 一种小型化长工作距离的物方远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面；所述前透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述后透镜组包括第四透镜和第五透镜；所述第四透镜为厚透镜；所述第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜和第五透镜均为光焦度为负的双凹透镜。本发明光学系统结构紧凑，仅采用5片常规球面透镜元件实现了近衍射极限的像质与极低畸变的高分辨率探测成像，实现物方不低于200mm的超长工作距离成像，同时有利于大幅降低光学镜头的制造成本，易于实现批量产业化制造及推广。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更具体地说涉及一种小型化长工作距离的物方远心光学系统。
背景技术
基于远心光学系统的工业检测技术应用于高端自动化、机器视觉等领域，推动汽车产业、半导体集成电路制造、先进材料加工、航空航天高精密组装以及家电制造等行业的技术迭代与产业升级，在实现产品性能、效能、精度以及成本控制上展现了优越性。物方远心光学系统作为远心光学系统的主要种类，应用于工业检测，能够获得对物面距离不敏感、宽景深的成像效果，可以避免成像视差，实现无失真的形状及尺寸等特征检测。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。
当前市面上物方远心光学系统存在透镜数量较多、成本较高以及尺寸较大等问题，成像质量方面存在边缘畸变及远心度较大等不足。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，通过采用正、负光焦度合理分配的光学系统结构型式，在采用较少光学透镜数量的前提下实现长工作距离和高分辨率探测。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面；
所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜和第五透镜；所述第四透镜为厚透镜；
所述第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜和第五透镜均为光焦度为负的双凹透镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组的光焦度为所述后透镜组的光焦度为/>其中所述前透镜组的光焦度/>为正，所述后透镜组的光焦度/>为正，而与/>的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统为物方远心成像，所述光学系统不同物点光束的主光线与光轴的夹角为θchief，其中θchief满足：
0°≤|θchief|≤0.2°。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的最大视场的主光线在第一透镜上的高度值为hA1，在由第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜上的高度值为hA23，其中hA1和hA23的比值满足：
0.10≤|hA23/hA1|≤0.32。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴外视场主光线在所述第一光学面的高度值为hz1，所述轴外视场主光线在所述第二光学面的高度值为hz2，其中hz2/hz1满足：
-0.45≤hz2/hz1≤-0.25。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴上视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h2/h1满足：
0.32≤|h2/h1|≤0.52。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的像高与物高的比值为放大倍率X，所述放大倍率X满足：
0.12≤|X|≤0.36。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的总光焦度为所述第一透镜的光焦度为/>所述第二透镜和第三透镜组成的双胶合透镜光焦度为/>所述第四透镜的光焦度为/>所述第五透镜的光焦度为/>其中：
作为上述技术方案的进一步改进，所述像面处放置CCD相机或CMOS相机。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的材质为重火石玻璃，所述第二透镜的材质为重冕玻璃或者镧冕玻璃，所述第三透镜的材质为重火石玻璃，所述第四透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜的材质为轻火石玻璃或者钡冕玻璃。
本发明的有益效果是：本发明光学系统结构紧凑，仅采用5片常规球面透镜元件实现了近衍射极限的像质与极低畸变的高分辨率探测成像，实现物方不低于200mm的超长工作距离成像，同时有利于大幅降低光学镜头的制造成本，易于实现批量产业化制造及推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明光学系统的组成结构示意图；
图2是本发明光学系统光学传递函数曲线图；
图3是本发明光学系统的畸变图；
图4是本发明光学系统的相对照度分布曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1，一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑700、后透镜组和像面600；
所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300；
所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜400和第五透镜500；所述第四透镜400为厚透镜；
所述第二透镜200和第三透镜300组成双胶合透镜，所述第一透镜100、第二透镜200和第四透镜400均为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜300和第五透镜500均为光焦度为负的双凹透镜。
本发明的工作原理：物面的光线以远心方式入射到前透镜组，前透镜组采用单透镜、双胶合透镜分离的结构型式，承载系统的主要光焦度和像差；光线经前透镜组会聚通过光阑700；后透镜组采用光焦度“正负”分离的结构型式，光线从光阑700达到正光焦度透镜，实现光线的进一步会聚并校正场曲及像散等像差，然后通过负光焦度透镜适当发散，起到校正畸变及场曲的作用。最终将物面成像在像面600上，最终获得成像清晰的图像信息。
所述光阑700为孔径光阑。
本发明光学系统只采用了5片透镜达到近衍射极限成像质量，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。
作为优化，所述前透镜组的光焦度为所述后透镜组的光焦度为/>其中所述前透镜组的光焦度/>为正，所述后透镜组的光焦度/>为正，而/>与/>的比值满足：
作为优化，所述光学系统为物方远心成像，所述光学系统不同物点光束的主光线与光轴的夹角为θchief，其中θchief满足：
0°≤|θchief|≤0.2°。
作为优化，所述光学系统的最大视场的主光线在第一透镜100上的高度值为hA1，在由第二透镜200和第三透镜300组成双胶合透镜上的高度值为hA23，其中hA1和hA23的比值满足：
0.10≤|hA23/hA1|≤0.32。
作为优化，所述第三透镜300靠近光阑700的光学面为第一光学面，所述第四透镜400靠近光阑700的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴外视场主光线在所述第一光学面的高度值为hz1，所述轴外视场主光线在所述第二光学面的高度值为hz2，其中hz2/hz1满足：
-0.45≤hz2/hz1≤-0.25。
轴外视场主光线是指零视场之外的视场对应的主光线。
所述第四透镜400为鼓型双凸正光焦度厚透镜，所述第三透镜300为双凹负光焦度透镜，所述第四透镜400靠近光阑700的第二光学面产生的高级正像散与所述第三透镜300靠近光阑700的凹面所产生的高级负像散进行补偿。
作为优化，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴上视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h2/h1满足：
0.32≤|h2/h1|≤0.52。
轴上视场边缘光线是指零视场的边缘光线，也就是零视场的光束最外的那一根。
作为优化，所述光学系统的像高与物高的比值为放大倍率X，所述放大倍率X满足：
0.12≤|X|≤0.36。
物面经光学系统成像后，以缩小的方式成像在像面600上，定义所述光学系统的像高与物高的比值为放大倍率X。
作为优化，所述光学系统的总光焦度为所述第一透镜100的光焦度为/>所述第二透镜200和第三透镜300组成的双胶合透镜光焦度为/>所述第四透镜400的光焦度为/>所述第五透镜500的光焦度为/>其中：
作为优化，所述像面600处放置CCD相机或CMOS相机。
所述CCD相机或CMOS相机用于接受光学系统缩小的物面信号，从而获得清晰高分辨率的物面信息。
作为优化，所述第一透镜100的材质为重火石玻璃，所述第二透镜200的材质为重冕玻璃或者镧冕玻璃，所述第三透镜300的材质为重火石玻璃，所述第四透镜400的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜500的材质为轻火石玻璃或者钡冕玻璃。
本光学系统仅采用了一片大口径的光学透镜，其余透镜均为小口径尺寸，且所有透镜材料均为低成本常规玻璃材料，有利于大幅降低光学镜头的制造成本，易于实现批量产业化制造及推广。
本发明研究了物方远心光学系统的结构特征及像差分布特点，采用失对称分布的光学系统结构型式。
由于前透镜组靠近尺寸较大的物面，透镜尺寸比较大，为减少大口径透镜的使用，采用单、双胶合透镜分离的方式，仅单透镜的通光口径与成像物面尺寸相当，双胶合透镜尺寸不超过单透镜尺寸的0.32，降低了光学玻璃材料的使用成本；单透镜承载主要光焦度，双胶合透镜适当校正单透镜残余的球差及彗差，并主要校正色差。
后透镜组采用正光焦度透镜与负光焦度透镜分离的结构型式，其中正光焦度透镜靠近光阑700，补偿前透镜组的像散，并有意增加透镜的厚度，起到降低光线高度及补偿场曲的效果，靠近像面600的第五透镜500为负光焦度的透镜，可以达到校正剩余畸变及平场的作用。
最终获得了近衍射极限的成像质量。
在本发明光学系统中，物方远心度不超过0.2°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题，可以获得无失真的高分辨率图像；全视场畸变不超过0.003％，消除了畸变引起的测量误差，提高了光学系统的测量精度。
本发明进行了低成本的光学系统研究开发，减少了光学系统的透镜使用数量，并且采用常规低成本光学玻璃材料，其代价是光学系统球差、像散、场曲以及畸变等像差的校正难度增大，需要解决像差抑制难题。
本实施例依据上述光学系统的参数设计要求，设计出一款符合上述光学系统参数要求的小型化长工作距离物方远心光学系统，该光学系统达到的技术指标为：
像方数值孔径：0.075；
物方成像尺寸：35mm；
物方工作距离：200mm；
放大倍率：0.2；
光学相对畸变：≤0.003％；
成像谱段：486nm～656nm；
物方远心度：≤0.2°；
光学总长：≤250mm；
相对照度：≥98.2％。
参考图2，图2表征了本发明实施例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统所有视场的光学传递函数值在130lp/mm时达到0.3，实现近衍射极限像质，成像质量良好。
参考图3，图3表征了本发明实施例光学系统的畸变分布曲线，畸变不超过0.003％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差。
参考图4，图4表征了本发明实施例光学系统的像面照度分布，在成像范围内，像面照度均匀度达到98.2％以上，保证了像面照度均匀性。
本发明光学系统结构紧凑，仅采用5片常规球面透镜元件实现了近衍射极限的像质与极低畸变设计，满足高端工业检测机器视觉对高分辨率检测成像的需求。实现物方不低于200mm的超长工作距离成像，能够满足使用环境结构受限、要求长工作距离的检测成像需求。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面；
所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜和第五透镜；所述第四透镜为厚透镜；
所述第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜和第五透镜均为光焦度为负的双凹透镜；
所述前透镜组的光焦度为φA，所述后透镜组的光焦度为φB，其中所述前透镜组的光焦度φA为正，所述后透镜组的光焦度φB为正，φB与φA的比值满足：
3.5≤|φB/φA|≤4.5；
所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜的光焦度为φA1，所述第二透镜和第三透镜组成的双胶合透镜光焦度为φA23，所述第四透镜的光焦度为φB1，所述第五透镜的光焦度为φB2，其中：
0.60≤|φA1/φ|≤0.75；
0.20≤|φA23/φ|≤0.35；
4.55≤|φB1/φ|≤6.05；
4.25≤|φB2/φ|≤5.85。
2.根据权利要求1所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述光学系统为物方远心成像，所述光学系统不同物点光束的主光线与光轴的夹角为θchief，其中θchief满足：
0°≤|θchief|≤0.2°。
3.根据权利要求1所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述光学系统的最大视场的主光线在第一透镜上的高度值为hA1，在由第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜上的高度值为hA23，其中hA1和hA23的比值满足：
0.10≤|hA23/hA1|≤0.32。
4.根据权利要求1所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴外视场主光线在所述第一光学面的高度值为hz1，所述轴外视场主光线在所述第二光学面的高度值为hz2，其中hz2/hz1满足：
-0.45≤hz2/hz1≤-0.25。
5.根据权利要求4所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴上视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h2/h1满足：
0.32≤|h2/h1|≤0.52。
6.根据权利要求1所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述光学系统的像高与物高的比值为放大倍率X，所述放大倍率X满足：
0.12≤|X|≤0.36。
7.根据权利要求1所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述像面处放置CCD相机或CMOS相机。
8.根据权利要求1所述的一种小型化长工作距离的物方远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为重火石玻璃，所述第二透镜的材质为重冕玻璃或者镧冕玻璃，所述第三透镜的材质为重火石玻璃，所述第四透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜的材质为轻火石玻璃或者钡冕玻璃。
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