CN110007448B - 一种超低畸变的双远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低畸变的双远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组；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；所述第一透镜为光焦度为正的平凸透镜或双凸透镜，所述第二透镜和第四透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凹透镜，所述第五透镜为光焦度为正的弯月形透镜；所述第五透镜为厚透镜；所述第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜。本发明仅采用5片常规球面透镜元件实现了物像双侧远心设计，获得近衍射极限的像质与极低畸变设计，实现物方不低于200mm的超长工作距离成像。
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超低畸变的双远心光学系统。
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，同时在解决长工作距离与高分辨率探测成像之间的技术难题的前提无法获得低成本制造的优势。
发明内容
本发明提供一种超低畸变的双远心光学系统，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：一种超低畸变的双远心光学系统，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、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；所述光学系统的像面位于所述第五透镜的后端；
所述第一透镜为光焦度为正的平凸透镜或双凸透镜，所述第二透镜和第四透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凹透镜，所述第五透镜为光焦度为正的弯月形透镜；所述第五透镜为厚透镜；
所述第二透镜和第三透镜组成双胶合透镜。
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，所述最大视场的主光线在第二透镜上的高度值为hA2，则hA2与hA1的比值满足：
0.10≤|hA2/hA1|≤0.25。
进一步，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的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：
-21.5≤hz2/hz1≤-15.5。
进一步，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴上视场的边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，所述h2/h1满足：
0.85≤|h2/h1|≤1.15。
进一步，所述光学系统的总光焦度为所述第一透镜的光焦度为/>所述第二透镜和所述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/>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重火石玻璃，所述第四透镜和第五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：本发明光学系统结构紧凑，仅采用5片常规球面透镜元件实现了物像双侧远心设计，获得近衍射极限的像质与极低畸变设计，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。
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1，一种超低畸变的双远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑600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、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；所述光学系统的像面700位于所述第五透镜500的后端；
所述第一透镜100为光焦度为正的平凸透镜或双凸透镜，所述第二透镜200和第四透镜400为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜300为光焦度为负的双凹透镜，所述第五透镜500为光焦度为正的弯月形透镜；所述第五透镜500为厚透镜；
所述第二透镜200和第三透镜300组成双胶合透镜。
所述光阑600为孔径光阑。
所述第五透镜500采用厚透镜，且弯曲形状朝向像面700，处于近乎不晕位置，有利于降低球差、彗差等像差，同时能够有效校正光学系统的场曲，获得平场设计的效果。
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与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，双胶合透镜采用折射率相近、阿贝数相差较大的玻璃材料组合校正光学系统的色差，避免产生较大的球差、彗差等其它像差；光线经前透镜组会聚通过光阑600；光线从光阑600达到后透镜组，实现光线的进一步会聚并校正场曲及像散等像差，第五透镜500采用弯月形的厚透镜型式，即实现光线的会聚，又能够起到校正畸变及场曲的作用。最终将物面成像在像面700上，最终获得成像清晰的图像信息。
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光学系统成像后，以缩小的方式成像在像面700。
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700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，所述最大视场的主光线在第二透镜200上的高度值为hA2，则hA2与hA1的比值满足：
0.10≤|hA2/hA1|≤0.25。
所述光阑600位于所述第三透镜300和第四透镜400之间。
作为优化，所述第三透镜300靠近光阑600的光学面为第一光学面，所述第四透镜400靠近光阑600的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴外视场的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：
-21.5≤hz2/hz1≤-15.5。
作为优化，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴上视场的边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，所述h2/h1满足：
0.85≤|h2/h1|≤1.15。
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和所述第三透镜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/>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的材质为重火石玻璃，所述第四透镜400和第五透镜500的材质均为重镧火石玻璃。
本发明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光学系统的制造成本，易于实现批量产业化制造及推广。
作为优化，所述像面700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相机用于接收经过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。
本发明最大的创新是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。
本发明重点研究了物像双侧远心光学系统的结构特征及像差分布特点，基于接近对称的初始结构进行失对称的结构变化。由于前透镜组透镜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0.25，降低了光学玻璃材料的使用成本；单透镜承载主要光焦度，双胶合透镜光焦度较小，校正单透镜残余的部分球差及彗差，并主要校正色差；后透镜组采用远离光阑600的两片正光焦度透镜的结构型式，其中第四透镜400承载后透镜组的主要光焦度，其弯曲形状起到增加后透镜组的像差，补偿前透镜组大口径光学系统产生的球差、彗差以及像散等像差；最后一片透镜采用厚透镜型式，且弯曲形状朝向像面700，处于近乎不晕位置，有利于降低球差、彗差等像差，同时能够有效校正光学系统的场曲，获得平场设计的效果。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700位置的影响。该光学系统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，为光学系统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0.007％，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。
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超低畸变的双远心光学系统，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：≤0.007％；
成像谱段：486nm～656nm；
物方远心度：≤0.15°；
像元远心度：≤0.25°；
光学总长：≤245mm；
相对照度：≥99.2％。
参考他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0.34以上，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0.007％，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99.2％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物像双侧远心设计，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。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)
1.一种超低畸变的双远心光学系统，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、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；所述光学系统的像面位于所述第五透镜的后端；
所述第一透镜为光焦度为正的平凸透镜或双凸透镜，所述第二透镜和第四透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凹透镜，所述第五透镜为光焦度为正的弯月形透镜；所述第五透镜为厚透镜；
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φA，所述后透镜组的光焦度为φB，其中φB与φA的比值满足：
3.95≤|φB/φA|≤4.85；
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，所述第二透镜和所述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，则满足：
1.65≤|φA1/φ|≤2.05；
0.22≤|φA23/φ|≤0.35；
7.15≤|φB1/φ|≤8.05；
1.75≤|φB2/φ|≤2.15。
2.根据权利要求1所述的一种超低畸变的双远心光学系统，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。
3.根据权利要求1所述的一种超低畸变的双远心光学系统，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°。
4.根据权利要求1所述的一种超低畸变的双远心光学系统，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，所述最大视场的主光线在第二透镜上的高度值为hA2，则hA2与hA1的比值满足：
0.10≤|hA2/hA1|≤0.25。
5.根据权利要求1所述的一种超低畸变的双远心光学系统，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的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：
-21.5≤hz2/hz1≤-15.5。
6.根据权利要求5所述的一种超低畸变的双远心光学系统，其特征在于：所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴上视场的边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，所述h2/h1满足：
0.85≤|h2/h1|≤1.15。
7.根据权利要求1所述的一种超低畸变的双远心光学系统，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重火石玻璃，所述第四透镜和第五透镜的材质均为重镧火石玻璃。
8.根据权利要求1所述的一种超低畸变的双远心光学系统，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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| CN110007448A (zh) | 2019-07-12 |
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