CN109991724A - 一种双远心定焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双远心定焦光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组；所述前透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述后透镜组包括第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述光学系统的像面位于所述第六透镜的后端；所述第一透镜、第三透镜和第五透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜为光焦度为负的平凹透镜，所述第四透镜为光焦度为负的双凹透镜，所述第六透镜为光焦度为正的弯月形透镜；所述第三透镜和第四透镜组成双分离透镜。本发明采用6片球面透镜实现物像双侧远心成像，并实现高分辨率与极低畸变成像，获得近衍射极限像质的光学系统设计，同时可以实现在光阑所在平面集成布置照明光源组件。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种双远心定焦光学系统。
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。物像双侧远心光学系统既可以消除物方空间被测物体的视觉误差，又可以消除像方探测器处于不同像面位置引起的倍率误差，获得恒定的检测倍率，实现无失真的形状及尺寸等特征检测，在工业检测领域获得了广泛的应用。
当前市面上物像双侧远心光学系统存在透镜数量较多、成本较高等问题，成像质量方面存在边缘畸变及远心度较大等不足，无法解决解决了实现长工作距离与高分辨率探测成像之间的技术难题。
发明内容
本发明提供一种双远心定焦光学系统，通过较少透镜数量，实现高分辨率与极低畸变成像，有利于降低制造成本。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种双远心定焦光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组；
所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述光学系统的像面位于所述第六透镜的后端；
所述第一透镜、第三透镜和第五透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜为光焦度为负的平凹透镜，所述第四透镜为光焦度为负的双凹透镜，所述第六透镜为光焦度为正的弯月形透镜；
所述第一透镜和第二透镜组成双分离透镜，所述第三透镜和第四透镜组成双分离透镜。
进一步，所述第三透镜为厚透镜。
进一步，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。
进一步，所述前透镜组的光焦度为正，所述后透镜组的光焦度为正，所述前透镜组的光焦度为所述后透镜组的光焦度为其中与的比值满足：
进一步，所述光学系统的不同物点光束的主光线与光轴的夹角为θ1，到达像面光束的主光线与光轴的夹角为θ2，所述θ1和θ2满足：
0°≤|θ1|≤0.15°；
0°≤|θ2|≤0.25°。
进一步，所述第三透镜的光焦度为所述第四透镜的光焦度为所述和的比值满足：
进一步，所述光学系统的总光焦度为第一透镜和第二透镜的组合光焦度为所述第三透镜和第四透镜组成的双分离透镜的光焦度为所述第五透镜的光焦度为所述第六透镜的光焦度为则满足：
进一步，所述第一透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜的材质为镧火石玻璃，所述第三透镜的材质为镧冕玻璃，所述第四透镜的材质为重火石玻璃，所述第五透镜与第六透镜的材质均为重镧火石玻璃。
进一步，所述像面处设置CCD相机或CMOS相机，所述CCD相机或CMOS相机用于接收物面信号。
本发明的有益效果是：本发明采用6片球面透镜实现物像双侧远心成像，并实现高分辨率与极低畸变成像，获得近衍射极限像质的光学系统设计，同时可以实现在光阑所在平面集成布置照明光源组件。
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是本发明光学系统实现照明光源组件集成设计的示意图；
图3是本发明光学系统光学传递函数曲线图；
图4是本发明光学系统的畸变图；
图5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1，一种双远心定焦光学系统，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和后透镜组；
所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜100和第二透镜200，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜300、第四透镜400、第五透镜500和第六透镜600；所述光学系统的像面800位于所述第六透镜600的后端；
所述第一透镜100、第三透镜300和第五透镜500均为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜200为光焦度为负的平凹透镜，所述第四透镜400为光焦度为负的双凹透镜，所述第六透镜600为光焦度为正的弯月形透镜；
所述第一透镜100和第二透镜200组成双分离透镜，所述第三透镜300和第四透镜400组成双分离透镜。
所述光阑700为孔径光阑。
所述第六透镜600的弯曲形状朝向像面800，接近于不晕位置，减少球差、彗差以及像散等像差，增加厚度有利于校正光学系统的场曲，获得平场的像质分布。
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。
所述光学系统的物面经过光学系统成像后，以缩小的方式成像在像面800上。
作为优化，所述前透镜组的光焦度为正，所述后透镜组的光焦度为正，所述前透镜组的光焦度为所述后透镜组的光焦度为其中与的比值满足：
作为优化，所述光学系统的不同物点光束的主光线与光轴的夹角为θ1，到达像面800光束的主光线与光轴的夹角为θ2，所述θ1和θ2满足：
0°≤|θ1|≤0.15°；
0°≤|θ2|≤0.25°。
作为优化，所述第三透镜300的光焦度为所述第四透镜400的光焦度为所述和的比值满足：
作为优化，所述第三透镜300为厚透镜。
第三透镜300靠近光阑700的光学面弯曲形状背向光阑700，产生正畸变像差补偿光学系统像差，且增加透镜的厚度以降低出射光线的高度，并产生一定的场曲像差起到系统平场的作用。
作为优化，所述光学系统的总光焦度为第一透镜100和第二透镜200的组合光焦度为所述第三透镜300和第四透镜400组成的双分离透镜的光焦度为所述第五透镜500的光焦度为所述第六透镜600的光焦度为则满足：
作为优化，所述第一透镜100的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜200的材质为镧火石玻璃，所述第三透镜300的材质为镧冕玻璃，所述第四透镜400的材质为重火石玻璃，所述第五透镜500与第六透镜600的材质均为重镧火石玻璃。
本发明光学系统结构紧凑，仅采用6片常规球面透镜元件实现了物像双侧远心设计，并获得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。
本发明采用常规光学玻璃材料，透镜数量少，光学透镜的加工与装调公差宽松，有利于实现批量低成本的制造。
作为优化，所述像面800处设置CCD相机或CMOS相机，所述CCD相机或CMOS相机用于接收物面信号。
所述CCD相机或CMOS相机用于接收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。
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，前透镜组采用正负光焦度分离的透镜组将光束进行会聚，小的空气间隙有利于校正球差及彗差；光线经前透镜组会聚通过光阑700；后透镜组首先采用靠近光阑700的正负光焦度分离的小透镜组第三透镜和第四透镜校正色差，并适当控制降低光线的出射高度，然后采用正光焦度透镜实现将光束以远心的方式成像到像面800上，最终获得成像清晰的图像信息。
在本发明实施例中，首先采用较少的光学透镜数量解决了实现长工作距离与高分辨率探测成像之间的技术难题，并实现了物像双侧远心与极低畸变的探测成像，获得近衍射极限像质的光学系统设计。
本发明进行了实现照明光源组件集成到光学系统内部的光学系统设计以及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。
本发明整体架构上采用“正、负、正”的光焦度分布的光学系统结构型式，在此基础上进行失对称变化。前透镜组采用正负分离的透镜校正球差、彗差及倍率色差。后透镜组首先采用正负光焦度分离的小透镜组校正系统的色差，并补偿一定的畸变，通过适当增加第三透镜300的厚度，起到降低光线出射高度，减轻像差校正压力。最后采用两片正光焦度透镜实现将光束以远心的方式成像到像面800上，并通过增加靠近像面800的透镜厚度实现平场设计。最终获得了近衍射极限的成像质量。
在本发明实施例中，物方远心度不超过0.15°，像方远心度不超过0.25°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题，结合像方远心设计可以实现固定倍率且不受像面800位置的影响。该镜头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，为镜头提供了低失真度且消除视觉误差的图像获取能力。全视场畸变不超过0.02％，消除了畸变引起的测量误差，提高了光学系统的测量精度。
本发明光学系统只采用了6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。
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一种双远心定焦光学系统，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：≤0.02％；
成像谱段：486nm～656nm；
物方远心度：≤0.15°；
像元远心度：≤0.25°；
光学总长：≤240mm；
相对照度：≥99.1％。
本发明光学系统的前透镜组采用正负光焦度分离的透镜组，口径与物面尺寸相当，前透镜组的其它位置不放置任何透镜；由于光阑700所在平面位于前透镜组的焦面位置，在光阑700位置的通光口径之外设置照明光源组件，照明光源发出的光可以不被遮拦的通过前透镜组并以平行光出射的方式投射在物面上，可以实现将照明光源组件集成在光学系统内部，无需采用其它的光学元件耦合照明光投射在物面上，实现高度集成及小型化的设计。
本发明实施例光学系统具有集成照明光源组件的特征，有助于减少将照明光源耦合到物面的光路组件，降低产品的开发成本。
参考图2，图2表征了本发明实施例在光阑700所在平面实现将照明光源组件集成设计的示意，其中Obj为物面，LED为照明光源，LEDAssem为安装照明光源的组件，LensStruc为安装前透镜组及照明光源组件的镜筒结构件，L为照明光源经过前透镜组后投射到物面的光线。光阑700所在平面为前透镜组的焦面位置，在该平面放置照明光源发出的光经过前透镜组后将以平行光均匀出射。
在本发明实施例中，前透镜组除了在最前端设置了与物面尺寸相当的两片透镜外，在其它位置没有光学透镜，无需增加安装结构；因此，可以将照明光源组件布置在光阑700所在平面，照明光源发出的光不会被光学透镜或者结构件遮挡，结合平行光出射的性质，将能够实现对物面的均匀照明。
参考图3，图3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0.35以上，实现近衍射极限像质，成像质量良好。
参考图4，图4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0.02％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差。
参考图5，图5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99.1％以上，保证了像面照度均匀性。
本发明采用6片球面透镜实现物像双侧远心成像，并实现高分辨率与极低畸变成像，获得近衍射极限像质的光学系统设计，同时可以实现在光阑所在平面集成布置照明光源组件。
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 (9)
1.一种双远心定焦光学系统，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、光阑和后透镜组；
所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述光学系统的像面位于所述第六透镜的后端；
所述第一透镜、第三透镜和第五透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜为光焦度为负的平凹透镜，所述第四透镜为光焦度为负的双凹透镜，所述第六透镜为光焦度为正的弯月形透镜；
所述第一透镜和第二透镜组成双分离透镜，所述第三透镜和第四透镜组成双分离透镜。
2.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜为厚透镜。
3.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，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。
4.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述前透镜组的光焦度为正，所述后透镜组的光焦度为正，所述前透镜组的光焦度为所述后透镜组的光焦度为其中与的比值满足：
5.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述光学系统的不同物点光束的主光线与光轴的夹角为θ1，到达像面光束的主光线与光轴的夹角为θ2，所述θ1和θ2满足：
0°≤|θ1|≤0.15°；
0°≤|θ2|≤0.25°。
6.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜的光焦度为所述第四透镜的光焦度为所述和的比值满足：
7.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述光学系统的总光焦度为第一透镜和第二透镜的组合光焦度为所述第三透镜和第四透镜组成的双分离透镜的光焦度为所述第五透镜的光焦度为所述第六透镜的光焦度为则满足：
8.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜的材质为镧火石玻璃，所述第三透镜的材质为镧冕玻璃，所述第四透镜的材质为重火石玻璃，所述第五透镜与第六透镜的材质均为重镧火石玻璃。
9.根据权利要求1所述的一种双远心定焦光学系统，其特征在于：所述像面处设置CCD相机或CMOS相机，所述CCD相机或CMOS相机用于接收物面信号。
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