CN110018554A - 一种广角机器视觉镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器视觉镜头技术领域，具体涉及一种广角机器视觉镜头的光学系统，包括由物方到像方依次设置第一透镜组S1、光阑、第二透镜组S2、第三透镜组S3，所述第三透镜组S3为固定设置，所述第一透镜组S1、所述光阑和所述第二透镜组S2为移动设置，当工作距离改变时，所述第一透镜组S1、所述光阑和所述第二透镜组S2通过前后移动的方式来对焦。本发明实现了高像素广角机器视觉镜头的光学系统，全视场光学畸变低于0.7％；工作距离宽，从180mm～∞均可达到相应的成像要求，同时其通光孔径也可灵活调节。

Description

一种广角机器视觉镜头
技术领域
本发明属于机器视觉镜头技术领域，具体涉及一种广角机器视觉镜头。
背景技术
在工业自动化的背景下，机器视觉系统占有极为重要的地位，其主要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。而机器视觉镜头作为自动化机器的“眼睛”，其成像的质量是机器视觉系统成败的关键因素。随着机器视觉在电子产品制造、食品包装、智能物流、医学诊断等众多领域应用日益增多，机器视觉镜头的技术要求也越来越高，要求镜头具备工作距离宽、支持靶面大、像素高等特性。
目前，市面上的机器视觉镜头，如专利号为“201611173679.X”的专利，该镜头像素仅为800万，像素较低，不能满足现有市场要求；如专利号为“201810714854.4”的专利，该光学系统的最近物距为30mm，不能识别更为精细的结构，工作距离较窄；又如专利号为“201721204685.7”的专利，该专利全视场光学畸变低于2％，失真程度较高。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，研发出高像素宽工作距离的广角机器视觉镜头光学系统，满足工业发展需求。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种广角机器视觉镜头，包括机械系统及安装于所述机械系统内部的光学系统，所述光学系统由物方到像方依次设置第一透镜组S1、光阑、第二透镜组S2、第三透镜组S3，第三透镜组S3为固定设置，第一透镜组S1、光阑和第二透镜组S2为移动设置，当工作距离改变时，第一透镜组S1、光阑和第二透镜组S2通过前后移动的方式来对焦；
所述第一透镜组S1包括具有负光焦度及弯月结构的第一透镜G1、具有负光焦度及弯月结构的第二透镜G2、具有正光焦度及双凸结构的第三透镜G3、具有负光焦度及弯月结构的第四透镜G4、具有负光焦度及弯月结构的第五透镜G5、具有正光焦度及双凸结构的第六透镜G6；
所述第二透镜组S2包括具有正光焦度及双凸结构的第七透镜G7、具有负光焦度及双凹结构的第八透镜G8、具有正光焦度及双凸结构的第九透镜G9；
所述第三透镜组S3包括具有负光焦度及弯月结构的第十透镜G10、具有负光焦度及弯月结构的第十一透镜G11、具有正光焦度及双凸结构的第十二透镜G12；
所述光学系统的焦距f，所述第一透镜组S1的焦距f1，所述第二透镜组S2的焦距f2，所述第三透镜组S3的焦距f3，分别满足关系式：0.70<|f1/f|<1.60；2.0<|f2/f|<5.0；5<|f3/f|<25。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述光学系统的第十二透镜G12到像面的距离即光学后截距BFL与所述光学系统的焦距f，满足关系式：|BFL/f|＜1.5。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述光学系统的半像高y’与所述光学系统的焦距f，满足关系式：|y’/f|＜0.95。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述第一透镜G1的阿贝数为V1，其阿贝数V1满足关系式：15＜V1＜30。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述第三透镜G3与所述第四透镜G4组成第一胶合透镜U1，所述第五透镜G5与所述第六透镜G6组成第二胶合透镜U2，所述第一胶合透镜U1的焦距为fU1，所述第二胶合透镜U2的焦距fU2，其焦距fU1和f1的比值满足关系式：3＜|fU1/f1|＜19；fU2和f1的比值满足关系式0.6＜|fU2/f1|＜1.0。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述第七透镜G7与所述第八透镜G8组成第三胶合透镜U3，所述第三胶合透镜U3的焦距为fU3，fU3和f2的比值满足关系式：0.1＜|fU3/f2|＜1.0。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述第九透镜G9的折射率为n9，其折射率n9满足关系式：1.85＜n9＜2.1。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述第十透镜G10的阿贝数为V10，其阿贝数V10满足关系式：20＜V10＜35。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述第十一透镜G11与所述第十二透镜G12组成第四胶合透镜U4，所述第四胶合透镜U4的焦距为fU4，fU4和f3的比值满足关系式：0.1＜|fU4/f3|＜1.0。
作为本发明所述的广角机器视觉镜头的改进，所述的各个透镜均为球面镜。
本发明的有益效果在于：通过上述结构实现了高像素广角机器视觉镜头的光学系统，全视场光学畸变低于0.7％；工作距离宽，采用浮动对焦方式，从180mm～∞均可达到相应的成像要求，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
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例一的镜头光学系统图示；
图2为实施例一的镜头光学系统传递函数图；
图3为实施例一的镜头光学系统光学畸变曲线图；
图4为实施例二的镜头光学系统图示；
图5为实施例二的镜头光学系统传递函数图；
图6为实施例二的镜头光学系统光学畸变曲线图。
图中：1-光阑；2-像面；G1-第一透镜；G2-第二透镜；G3-第三透镜；G4-第四透镜；G5-第五透镜；G6-第六透镜；G7-第七透镜；G8-第八透镜；G9-第九透镜；G10-第十透镜；G11-第十一透镜；G12-第十二透镜；U1-第一胶合透镜；U2-第二胶合透镜；U3-第三胶合透镜；U4-第四胶合透镜。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
一种广角机器视觉镜头，包括机械系统及安装于所述机械系统内部的光学系统，光学系统由物方到像方依次设置第一透镜组S1、光阑1、第二透镜组S2、第三透镜组S3，第三透镜组S3为固定设置，第一透镜组S1、光阑1和第二透镜组S2为移动设置，当工作距离改变时，第一透镜组S1、光阑1和第二透镜组S2通过前后移动的方式来对焦；
第一透镜组S1包括具有负光焦度及弯月结构的第一透镜G1、具有负光焦度及弯月结构的第二透镜G2、具有正光焦度及双凸结构的第三透镜G3、具有负光焦度及弯月结构的第四透镜G4、具有负光焦度及弯月结构的第五透镜G5、具有正光焦度及双凸结构的第六透镜G6；
第二透镜组S2包括具有正光焦度及双凸结构的第七透镜G7、具有负光焦度及双凹结构的第八透镜G8、具有正光焦度及双凸结构的第九透镜G9；
第三透镜组S3包括具有负光焦度及弯月结构的第十透镜G10、具有负光焦度及弯月结构的第十一透镜G11、具有正光焦度及双凸结构的第十二透镜G12；
光学系统的焦距f，第一透镜组S1的焦距f1，第二透镜组S2的焦距f2，第三透镜组S3的焦距f3，分别满足关系式：0.70<|f1/f|<1.60；2.0<|f2/f|<5.0；5<|f3/f|<25。
优选的，光学系统的第十二透镜G12到像面2的距离即光学后截距BFL与光学系统的焦距f，满足关系式：|BFL/f|＜1.5。
优选的，光学系统的半像高y’与光学系统的焦距f，满足关系式：|y’/f|＜0.95。
优选的，第一透镜G1的阿贝数为V1，其阿贝数V1满足关系式：15＜V1＜30。
优选的，第三透镜G3与第四透镜G4组成第一胶合透镜U1，第五透镜G5与第六透镜G6组成第二胶合透镜U2，第一胶合透镜U1的焦距为fU1，第二胶合透镜U2的焦距fU2，fU1和f1的比值满足关系式：3＜|fU1/f1|＜19；fU2和f1的比值满足关系式：0.6＜|fU2/f1|＜1.0。
优选的，第七透镜G7与第八透镜G8组成第三胶合透镜U3，第三胶合透镜U3的焦距为fU3，fU3和f2的比值满足关系式：0.1＜|fU3/f2|＜1.0。
优选的，第九透镜G9的折射率为n9，其折射率n9满足关系式：1.85＜n9＜2.1。
优选的，第十透镜G10的阿贝数为V10，其阿贝数V10满足关系式：20＜V10＜35。
优选的，第十一透镜G11与第十二透镜G12组成第四胶合透镜U4，第四胶合透镜U4的焦距为fU4，fU4和f3的比值满足关系式：0.1＜|fU4/f3|＜1.0。
优选的，各个透镜均为球面镜。
实施例一：如图1所示，通过上述结构实现了焦距为50mm的高像素广角机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为其分辨率可达90lp/mm，与全画幅相机匹配时，其像素可达到2900万像素，全视场光学畸变低于0.2％。具体光学系统数据如下：
在实例一中，光学系统的焦距f为50mm，最大光圈为F#＝2.8，第一透镜组的焦距f1＝40.93mm，第二透镜组的焦距f2＝239mm，第三透镜组的焦距f3＝-408.48mm，第一胶合透镜组的焦距fU1＝177.24mm，第二胶合透镜组的焦距fU2＝28.86mm，第三胶合透镜组的焦距fU3＝-34.53mm，第四胶合透镜组的焦距fU4＝142.31mm，光学后截距BFL＝36.1mm，半像高y’＝22m。
各个关系式：|f1/f|＝0.82；|f2/f|＝4.78；|f3/f|＝8.17；
|BFL/f|＝0.72；|y’/f|＝0.44；|fU1/f1|＝4.33；|fU2/f1|＝0.71；
|fU3/f2|＝0.14；|fU4/f3|＝0.35。
满足关系式：0.70<|f1/f|<1.60；2.0<|f2/f|<5.0；5<|f3/f|<25；|BFL/f|＜1.5；|y’/f|＜0.95；3＜|fU1/f1|＜19；
0.6＜|fU2/f1|＜1.0；0.1＜|fU3/f2|＜1.0；0.1＜|fU4/f3|＜1.0。
图2所示为实施例一的MTF曲线图，0.75视场在90lp/mm的MTF值>0.45，理论分辨精度可达5微米，实现光学系统的高分辨成像。
图3所示为实施例一的光学畸变曲线图，全视场范围内最大光学畸变低于0.2％。
实施例二：如图4所示，通过上述结构实现了焦距为16mm的高像素广角机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为其分辨率可达125lp/mm，与1.1″芯片匹配时，其像素可达到1200万像素，全视场光学畸变低于0.68％。具体光学系统数据如下：
表面 半径 厚度 折射率
G1前表面 (mm2)3.2 (mm4).5 1.8
G1后表面 12.2 3.9
G2前表面 48.0 1.5 1.5
G2后表面 13.7 1.7
U1前表面 25.6 3.2 1.9
U1胶合面 -422.9 4.9 1.5
U1后表面 13.9 4.9
U2前表面 50.6 5.5 1.8
U2胶合面 19.4 6.5 1.8
U2后表面 -19.4 2.7
光阑 ∞ 1.4
U3前表面 25.3 4.0 1.6
U3胶合面 -13.7 3.7 1.8
U3后表面 18.6 7.8
G9前表面 45.5 3.0 1.9
G9后表面 -45.5 0.5
G10前表面 28.0 1.1 1.7
G10后表面 16.0 0.9
U4前表面 28.2 1.0 2.0
U4胶合面 13.1 4.1 1.7
U4后表面 -167.7 10.7
像面 ∞
在实例二中，光学系统的焦距f为16mm，最大光圈为F#＝1.6，第一透镜组的焦距f1＝20.74mm，第二透镜组的焦距f2＝27.55mm，第三透镜组的焦距f3＝187.15mm，第一胶合透镜组的焦距fU1＝140.04mm，第二胶合透镜组的焦距fU2＝16.65mm，第三胶合透镜组的焦距fU3＝-34.91mm，第四胶合透镜组的焦距fU4＝41.90mm，光学后截距BFL＝10.7mm，半像高y’＝8.4mm。
各个关系式：|f1/f|＝1.30；|f2/f|＝3.25；|f3/f|＝11.70；
|BFL/f|＝0.67；|y’/f|＝0.53；|fU1/f1|＝6.75；|fU2/f1|＝0.80；
|fU3/f2|＝0.67；|fU4/f3|＝0.22。
满足关系式：0.70<|f1/f|<1.60；2.0<|f2/f|<5.0；5<|f3/f|<25；|BFL/f|＜1.5；|y’/f|＜0.95；3＜|fU1/f1|＜19；0.6＜|fU2/f1|＜1.0；0.1＜|fU3/f2|＜1.0；0.1＜|fU4/f3|＜1.0。
图5所示为实施例二的MTF曲线图，0.75视场在125p/mm的MTF值>0.35，理论分辨精度可达3.45微米，实现光学系统的高分辨成像。
图6所示为实施例二的光学畸变曲线图，全视场范围内最大光学畸变低于0.68％。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种广角机器视觉镜头，其特征在于：包括机械系统及安装于所述机械系统内部的光学系统，所述光学系统由物方到像方依次设置第一透镜组S1、光阑(1)、第二透镜组S2、第三透镜组S3，第三透镜组S3为固定设置，第一透镜组S1、光阑(1)和第二透镜组S2为移动设置，当工作距离改变时，第一透镜组S1、光阑(1)和第二透镜组S2通过前后移动的方式来对焦；
所述第一透镜组S1包括具有负光焦度及弯月结构的第一透镜G1、具有负光焦度及弯月结构的第二透镜G2、具有正光焦度及双凸结构的第三透镜G3、具有负光焦度及弯月结构的第四透镜G4、具有负光焦度及弯月结构的第五透镜G5、具有正光焦度及双凸结构的第六透镜G6；
所述第二透镜组S2包括具有正光焦度及双凸结构的第七透镜G7、具有负光焦度及双凹结构的第八透镜G8、具有正光焦度及双凸结构的第九透镜G9；
所述第三透镜组S3包括具有负光焦度及弯月结构的第十透镜G10、具有负光焦度及弯月结构的第十一透镜G11、具有正光焦度及双凸结构的第十二透镜G12；
所述光学系统的焦距f，所述第一透镜组S1的焦距f1，所述第二透镜组S2的焦距f2，所述第三透镜组S3的焦距f3，分别满足关系式：0.70<|f1/f|<1.60；2.0<|f2/f|<5.0；5<|f3/f|<25。
2.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述光学系统的第十二透镜G12到像面(2)的距离即光学后截距BFL与所述光学系统的焦距f，满足关系式：|BFL/f|＜1.5。
3.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述光学系统的半像高y’与所述光学系统的焦距f，满足关系式：|y’/f|＜0.95。
4.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述第一透镜G1的阿贝数为V1，15＜V1＜30。
5.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述第三透镜G3与所述第四透镜G4组成第一胶合透镜U1，所述第五透镜G5与所述第六透镜G6组成第二胶合透镜U2，所述第一胶合透镜U1的焦距为fU1，所述第二胶合透镜U2的焦距fU2，fU1和f1的比值满足关系式：3＜|fU1/f1|＜19；fU2和f1的比值满足关系式：0.6＜|fU2/f1|＜1.0。
6.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述第七透镜G7与所述第八透镜G8组成第三胶合透镜U3，第三胶合透镜U3的焦距为fU3，fU3和f2的比值满足关系式：0.1＜|fU3/f2|＜1.0。
7.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述第九透镜G9的折射率为n9，1.85＜n9＜2.1。
8.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述第十透镜G10的阿贝数为V10，20＜V10＜35。
9.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述第十一透镜G11与所述第十二透镜G12组成第四胶合透镜U4，所述第四胶合透镜U4的焦距为fU4，fU4和f3的比值满足关系式：0.1＜|fU4/f3|＜1.0。
10.根据权利要求1所述的广角机器视觉镜头，其特征在于：所述的各个透镜均为球面镜。
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