CN110462486A

CN110462486A - 用于在工业用途中生产过程中的质量保证的微距透镜的透镜系统

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Publication number: CN110462486A
Application number: CN201880021598.9A
Authority: CN
Inventors: 亨宁·梅纳特; 托马斯·施泰尼希
Original assignee: Carl Chase Jena Co Ltd
Current assignee: Carl Chase Jena Co Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: CN110462486B; WO2018177595A1; KR20190133188A; DE102017106837B4; DE102017106837A1; JP7344126B2; JP2020512596A

Abstract

本发明涉及一种用于在工业用途中生产过程中的质量保证的微距透镜的透镜系统，所述透镜具有物体侧透镜组、图像侧透镜组和位于两者之间的孔径光阑，其中所述物体侧透镜组从物体侧到图像侧包括：具有正的折射能力的第一透镜子组、具有负的折射能力的第二透镜子组和具有正的折射能力的第三透镜子组，图像侧透镜组从物体侧到图像侧包括：具有正的折射能力的第一透镜子组、具有负的折射能力的第二透镜子组和具有正的折射能力的第三透镜子组。

Description

用于在工业用途中生产过程中的质量保证的微距透镜的透镜系统

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种用于在工业用途中生产过程中的质量保证的微距透镜的透镜系统，例如在显示器的制造期间，具有这种透镜系统的微距透镜，以及使用这种微距透镜用于对物体进行光学检查的系统。

2.现有技术描述

工业微距透镜用于质量保证。这里借助于测试装置在扫描过程中扫描待测试的物体，例如具有一定大小的显示器。为了检测整个物体宽度，将多个检验单元，即具有透镜的相机布置成检验序列。举例来说，由此获得的信息能够通过诸如GigE Vision的标准化接口传送到现有网络并因此传送到中央评估单元。

在此，尝试在物体分辨率保持相同的情况下将每个检验序列的检验单元的数量保持尽可能少。在测试质量相同的情况下每个检验序列少量的检验单元使得调整费用、采购成本低并且使得与其连接的基础设施很少。

保持检验单元数量少的一种可能性是使用具有非常好的成像性能和大的像圈直径的透镜。在此，这种透镜的投资成本不得过度补偿与少量检验单元相关的节省。

目前可用于上述目的的工业微距透镜在所需的成像性能的情况下具有60mm的像圈直径。但如果将这种透镜用于像圈直径高达80mm的传感器的照明，则会出现明显的像差。测试质量因此在图像场边缘处不期望地降低。

使用已知的微距透镜结构不能用于实现对主要依赖于场的像差(例如像场曲率或像散)的充分校正。因此，在图像场边缘处的图像质量已经显著减少的情况下将像圈直径限制为至多2y'＝80mm。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于上述用途的微距透镜的透镜系统，所述透镜系统提供比现有已知的透镜更大的像圈直径。

此外，本发明的目的是提出一种用于微距透镜的透镜系统，所述透镜系统为现有的具有确定的光学传输长度(即物体和图像之间的间距)和确定的成像比例的检验站提供更好的成像性能。

所述目的通过具有独立权利要求1的特征的用于微距透镜的透镜系统、具有这种透镜系统的微距透镜以及具有这种微距透镜的用于物体的光学检验的系统来实现。在从属权利要求中详细说明了本发明的其他设计方案。

根据本发明的透镜系统包括物体侧透镜组、图像侧透镜组和位于两者之间的孔径光阑。物体侧透镜组从物体侧到图像侧包括具有正的折射能力的第一透镜子组、具有负的折射能力的第二透镜子组和具有正的折射能力的第三透镜子组。图像侧透镜组从物体侧到图像侧包括具有正的折射能力的第一透镜子组、具有负的折射能力的第二透镜子组和具有正的折射能力的第三透镜子组。因此，两个透镜组由折射能力分布为正-负-正并围绕孔径光阑对称布置的透镜子组构成。

在透镜系统的优选的实施方案中，可以单独或以任何组合提供以下特征：

物体侧透镜组的第一透镜子组基本上由一个或两个单透镜构成。

物体侧透镜组的第二透镜子组基本上由一个至三个单透镜或粘合构件构成。

物体侧透镜组的第三透镜子组基本上由一个单透镜和/或粘合构件构成。

图像侧透镜组的第一透镜子组基本上由一个或两个单透镜构成。

图像侧透镜组的第二透镜子组基本上由一个至三个单透镜或粘合构件构成。

图像侧透镜组的第三透镜子组基本上由一个单透镜和/或粘合构件构成。

表述“基本上由......构成”表示，除了上述作为构成部分的透镜之外，光学透镜系统还可以包括焦距(在数量上)大于或等于系统的整体焦距并且因此实际上没有折射能力的透镜和除了透镜之外的光学元件，例如光阑、掩模、玻璃罩和/或滤光片、机械部件(例如透镜法兰、透镜管、成像元件或/和相机抖动校正机制)。

优选地，透镜系统的成像比例为β’＝-0.7至β’＝-5.0。

在改进中，规定至少一个透镜子组中，优选地所有透镜子组中的光学元件具有│ΔPg，F│≥0.01这种异常部分色散，使得实现非常宽的光谱校正，特别是减小的次级光谱。

这里可以特别地设置，对在[-0.7，-5.0]的闭合成像比例区间内的透镜系统的纵向色差校正的残余误差X适用：

优选地，透镜系统的图像侧的数值孔径为NA'≥0.04。

在透镜系统的特定配置中，根据Maréchal准则(波前RMS≤λ/14’)作为多色波前像差的标准偏差测量的成像性能仅受衍射限制。

因此，使用根据本发明的透镜系统可以避免从传感器中心到边缘发生人工渐晕,从而确保衍射限制所需的孔径和所需的分辨率，直到传感器边缘。

在有利的实施方案中，整体焦距f'和传感器对角线2y'(max)之间的比率满足如下条件：

在同样的有利的实施方案中，物体侧透镜组的第一透镜子组具有物体侧弯月形透镜。有利地，弯月形透镜的曲率中点位于弯月形透镜的物体侧。

在透镜系统的同样的有利的实施方案中提供，图像侧透镜组的第一透镜子组具有图像侧弯月形透镜。有利地，图像侧弯月形透镜的曲率中点位于弯月形透镜的图像侧。

以下条件适用于物体侧和图像侧弯月形透镜：

其中f'(M)是弯月形透镜的焦距并且，f'(总)是微距透镜的焦距。

在实施方案中，对最外的弯月形件的焦距的绝对值适用：

|f′(最外的弯月形件)|≤300mm。

本发明的改进设置，物体侧透镜组的第三透镜子组的透镜表面(直接紧邻孔径光阑)的曲率中心位于物体侧，或/和图像侧透镜组的第三透镜子组的透镜表面(紧邻孔径光阑)的曲率中心位于图像侧，并且对各个透镜表面的曲率半径R适用以下条件：

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的实施例。在附图中:

图1示出了具有第一成像比例的第一实施方案的透镜部分；

图2示出了具有第二成像比例的第二实施方案的透镜部分；

图3示出了具有第三成像比例的第三实施方案的透镜部分；

图4示出具有根据图1至图3之一的微距透镜的测试系统。

优选实施例描述

图1示出具有光学透镜系统1的按真实比例的透镜部分的微距透镜1001的第一实施方案。这里作为实施方案描述的透镜系统1具有-2的成像比例β'，并构造为两部分透镜系统并且沿着中心光轴A具有分别具有三个透镜子组的第一透镜组G1和第二透镜组G2。

第一透镜组G1的透镜子组用G11、G12和G13表示，第二透镜组G2的透镜子组用G23、G22和G21表示。在每个透镜组G1、G2中，各个透镜子组的折射率的顺序是正-负-正。具体地，这意味着第一透镜组G1的外侧的第一透镜子组G11的折射率为正，第一透镜组G1的中间的第二透镜子组G12的折射率为负，第一透镜子组G1的内侧的第三透镜子组G13的折射率为正。

第二透镜组G2的折射能力分布是相同的，即第二透镜组G2的外侧的第一透镜子组G21的折射率为正，第二透镜组G2的中间的第二透镜子组G22的折射率为负，内侧的第三透镜子组G23的折射率为正。

在两个透镜组G1、G2之间设有孔径光阑APE。图中所示的孔径或光阑不一定代表尺寸和形式的真实比例，而是给出光阑/孔径沿光轴A的位置。

现在，从左到右，即从物体侧到图像侧描述透镜系统的结构。出于说明的原因，物体和物体侧第一透镜之间以及图像侧最后透镜和图像之间的距离已经减小。绘制的中心光线和边缘光线在这里相应地示出为缩短了。

物体侧第一透镜组G11整体具有正的折射能力并且在物体侧具有弯月形透镜10。弯月形透镜10由阿贝数ν_d为24.42和折射系数n_d为1.805181的燧石玻璃制成。关于阿贝数和折射系数的所有规格适用于波长为587.5618nm的Fraunhofer线d。弯月形透镜10在物体侧具有凹形的表面101并且在图像侧具有凸形的表面102。与该实施例的所有表面一样，凹形的表面101是球形的并且可以具有例如-57.8965mm的曲率半径。

然而原则上，这里描述的光学系统可以按比例增大或减小，例如，为了适应不同的图像尺寸，因此此处指定的半径、直径、厚度和距离应仅理解为示例性的。

图像侧凸形的表面102的曲率半径小于物体侧表面101的半径并且为-53.4548mm。物体侧第一弯月形透镜10的两个表面101、102的曲率中点位于物体侧。弯月形透镜10的两个表面101、102的顶点之间的间距为7.00mm。

具有凸凹设计的透镜11设置为透镜子组G11中的第二透镜和整体上的第二透镜。第二透镜11由阿贝数为67.74和折射系数为1.595220的冕玻璃制成。

第二透镜11具有曲率半径为52.9806mm的物体侧第一凸形弯曲的表面111。凸形的表面111的顶点距弯月形透镜10的图像侧第二表面102的顶点2.00mm。

图像侧第二凹形弯曲的表面112具有的曲率半径为407.9243mm，其顶点距物体侧表面111的顶点7.00mm。

第一单透镜10和第二单透镜11一起形成整体具有正的折射能力的第一透镜子组G11。

第二透镜子组G12具有负的折射能力并且基本上由单个单透镜，特别是第三透镜12构成。第三透镜12由燧石玻璃制成，其阿贝数为42.41，折射系数为1.637750。物体侧凹形弯曲的表面121具有-51.8151mm的曲率半径，图像侧同样凹形弯曲的表面122具有42.5852mm的曲率半径。图像侧表面122的顶点距物体侧表面121的顶点4.00mm。

第三透镜子组G13具有正的折射能力，并且基本上由粘合构件构成，所述粘合构件由物体侧第四透镜13和具有不同玻璃类型的图像侧第五透镜14组成。关于两个透镜13、14之间的粘合部位的光学性质，将不再讨论进一步的细节，因为其对整个系统的影响被认为是可忽略的。

在物体侧，第四透镜13具有曲率半径为135.8602mm的凸形弯曲的表面131。表面131的顶点与第三透镜12的图像侧表面122的顶点的间距为8.00mm。

就几何形状而言，第四透镜13的图像侧表面与第五透镜14的物体侧表面141相同。第五透镜14的物体侧表面具有相对于第五透镜14的凸起形状，并具有59.0741mm的曲率半径；第五透镜14的物体侧表面的顶点距第四透镜13的物体侧第一表面131的距离为9.00mm。

第五透镜14同样由冕玻璃制成，其阿贝数为67.74，折射系数为1.595220。第五透镜14的图像侧第二表面142同样具有凸起形状，具有-63.4152mm的曲率半径，并且其顶点距第五透镜14的物体侧第一表面141的顶点8.00mm。

孔径光阑以1.00mm的距离与第五透镜14相邻。

在1.00mm的另一距离处是第六透镜15的物体侧第一表面151的顶点，第六透镜15与第七透镜16一起形成粘合构件。该粘合构件又形成图像侧透镜组G2的第三透镜子组G23。

物体侧凸形的表面151的曲率半径为82.5025mm，其顶点距第七透镜16的物体侧凹形的第一表面161的顶点6.00mm。第六透镜15由与制成第五透镜14相同的具有67.74的阿贝数和1.595220的折射系数的冕玻璃制成。

第七透镜16同样由冕玻璃制成，并具有56.81的阿贝数和1.607379的折射系数。上述物体侧第一表面161具有-67.1127mm的半径。物体侧表面161的顶点距图像侧凸形的第二表面162的顶点5.00mm。

物体侧凸形的第二表面162具有-54.9014mm的曲率半径。

形成具有负的折射能力的第二透镜子组G22的第八透镜17以与表面的顶点相关的10.00mm的距离与形成具有正的折射能力的第三透镜子组G23的粘合构件相邻。

在物体侧，第八透镜17具有曲率半径为-55.0234mm的凹形弯曲的表面171；在图像侧设置有曲率半径为68.6862mm的同样的凹形弯曲的表面172。表面171、172在其顶点处彼此间隔开4.00mm。第八透镜17由阿贝数为42.41和折射系数为1.637750的燧石玻璃制成。

与其相邻的第二透镜组G2的第一透镜子组G21基本上由两个弯月形透镜18、19构成。

第一透镜子组G21的物体侧第一透镜18也是由制成第五透镜14和第六透镜15的具有67.74的阿贝数和1.595220的折射系数的冕玻璃制成。第九透镜18的物体侧表面181具有凹形形状，其顶点距第八透镜17的图像侧第二表面172的顶点15.00mm并且具有-89.8561mm的曲率半径。图像侧第二表面182形成为凸起形状，具有-52.0433mm的曲率半径并且距物体侧第一表面181的顶点7.00mm。

第十透镜19与第九透镜18一起形成第一透镜子组G21。第十透镜19由阿贝数为18.90和折射系数为1.922860的燧石玻璃制成。物体侧凸形的第一表面191具有85.7767的曲率半径。其顶点距第九透镜18的图像侧第二表面182的顶点2.00mm。第十透镜19的图像侧凹形的第二表面192具有88.7231mm的曲率半径；其顶点距物体侧第一表面191的顶点6.00mm。

物体OBJ距第一透镜10的第一表面101的顶点126.58mm。图像BIL距第十透镜19的第二表面192的顶点303.40mm。

将表面名称、半径、厚度和材料规格再次清楚地总结在下表中。

图2示出了按真实比例的透镜部分的光学透镜系统2的微距透镜1002的第二实施方案。图2中示出的透镜系统2具有-5的成像比例β'。原则上，透镜系统具有与第一实施例中描述的透镜系统1相同的结构，即其具有两个透镜组G1和G2，每个透镜组分别具有三个透镜子组G11、G12、G13和G23、G22、G21。透镜子组中的折射能力的顺序分别为正-负-正。

再一次，出现了具有10个透镜的透镜系统。各个透镜从物体到图像的的顺序及其与透镜子组的隶属关系如下：

第一弯月形透镜20与第二透镜21一起形成第一透镜组G1的具有正的折射能力的第一透镜子组G11，其中所述第一弯月形透镜20具有物体侧凸形的表面201和图像侧凹形的表面202，所述第二透镜21具有物体侧凹形的表面211和图像侧凸形的表面222。

第二透镜子组G12由第三透镜22和第四透镜23构成的粘合构件形成，其中所述第三透镜22具有物体侧凸形的表面221，并且所述第四透镜23具有物体侧凹形的表面231和图像侧凹形的表面232。第二透镜子组G12具有负的折射能力。

第一透镜组G1的第三透镜子组G13由单个弯月形透镜(即第五透镜24)形成，所述第五透镜24具有物体侧凸形的表面241和图像侧凹形的表面242。

第二透镜组G2的具有正的折射能力的第三透镜子组G23与第一透镜组G1的第三透镜子组G13相邻。在这两个透镜子组之间设置有孔径光阑APE。

第二透镜组G2的第三透镜子组G23基本上由单个弯月形透镜(即第六透镜25)构成，所述第六透镜25具有物体侧凹形的表面251和图像侧凸形的表面252。

第二透镜组G2的第二透镜子组G22也具有负的折射能力并且包括粘合构件。该粘合构件基本上由具有物体侧凹形的表面261的第七透镜26构成，所述凹形的表面261的几何形状很大程度上遵循第六透镜25的相邻的图像侧表面252的几何形状。在图像侧，物体侧凸形的表面271通过胶合部位邻接第八透镜27，第七透镜26与第八透镜27形成胶合构件。第八透镜27在图像侧具有凸形的表面272。

第二透镜组G2的第一透镜子组G21具有正的折射能力并且基本上由双凸的第九透镜28以及弯月形透镜29构成，所述第九透镜28具有物体侧表面281和图像侧表面282，所述弯月形透镜29具有物体侧凸形的表面291和图像侧凹形的表面292。

透镜的曲率半径、厚度和玻璃参数如下表所示：

图3示出了按比例的透镜部分的光学透镜系统3的微距透镜1003的第三实施方案。图3中示出的透镜系统3具有-0.7的成像比例β'。透镜系统还具有与上述两个实施方案原则上相同的结构。所述微距透镜1003能够划分成两个透镜组G1、G2，所述透镜组分别具有三个透镜子组G11、G12、G13和G23、G22、G21。在透镜子组中，折射能力的顺序分别是正-负-正。

透镜系统3具有13个透镜，其中四个透镜连接形成两个粘合构件。从物体到图像的各个透镜的顺序及其与透镜子组的隶属关系如下：

第一透镜组G1的第一透镜分组G11具有正的折射能力，并且基本上由物体侧第一弯月形透镜30与图像侧第二弯月形透镜31形成，其中物体侧第一弯月形透镜30具有物体侧凸形的表面301和图像侧凹形的表面302，图像侧第二弯月形透镜31具有物体侧凸形的表面311和图像侧凹形的表面312。

第一透镜组G1的第二透镜子组G12整体上具有负的折射能力并且基本上由两个单透镜构成。第三弯月形透镜32具有在物体侧凹形的表面321和在图像侧凸形的表面322。第四透镜33是双凹的并且具有在物体侧凸形的表面331和在图像侧凹形的表面332。

第一透镜组G1的第三透镜子组G13整体上具有正的折射能力并且基本上由粘合构件和双凹的单透镜构成。粘合构件由第五透镜34和第六透镜35组成，所述第五透镜34具有物体侧凸形的表面341，所述第六透镜35具有在物体侧凸形的表面351以及在图像侧凹形的表面352，其中第五透镜34与凸形的表面351粘合。属于第三透镜组G13的另一单透镜是具有物体侧表面361和图像侧表面362的双凹的第七透镜36。

第二透镜组G2的第三透镜子组G23由具有正的折射能力的粘合构件构成，所述粘合构件由第八透镜37和第九透镜38组成。第八透镜37是双凸的，并具有物体侧表面371，第九透镜38为弯月形，并具有物体侧凹形的表面381和图像侧凸形的表面382，第八透镜37在物体侧与凹形的表面381粘合。

第二透镜组G2的第二透镜子组G22由第十透镜39和第十一透镜40形成，所述第十和第十一透镜整体具有负的折射能力。第十透镜39是双凹的，并具有物体侧表面391和图像侧表面392，第十一透镜40设计为具有物体侧凸形的表面401和物体侧凹形的表面402的弯月形透镜。

第二透镜组G2的第一透镜子组G21基本上由两个弯月形透镜41、42构成。这些弯月形透镜的物体侧第一个形成第十二透镜41，所述第十二透镜41具有在物体侧凹形的表面411以及在图像侧凸形的表面412。图像侧的第二弯月形透镜是第十三透镜42，所述第十三透镜42同样具有在物体侧凹形的表面421以及在图像侧凸形的表面422。

透镜的曲率半径、厚度和玻璃参数如下表所示：

图4示出了测试系统2000。测试系统2000设计用于对物体2001的表面进行光学检验。待检验的表面优选在平面中延伸。举例来说，待检验的表面可以是显示器。

测试系统2000包括具有多个检验相机2006的检验相机装置2005，所述多个检验相机分别包括具有透镜系统的微距透镜1001。根据应用情况，也能够采用根据本发明的不同微距透镜1002、1003或具有不同合适焦距的微距透镜。在图4所示的实施方案中，一定数量的检查相机2006布置成序列2008。

在该实施方案中，测试系统2000包括传送设备2004，所述传送设备2004在该实施方案中将待检查的物体2001沿着相对于序列2008，尤其是垂直于序列2008的传送方向2002水平地传送。传送设备2004例如可以是运送带或移动台。显然地，传送设备2004也可以针对沿不同于水平线的方向的传送运动设计。此外，代替移动物体2001，也可以替代地设置检验相机装置2005相对于待检验的物体2001移动。

Claims

1.一种用于在工业用途中生产过程中的质量保证的微距透镜的透镜系统(1)，包括

a)物体侧透镜组(G1)、图像侧透镜组(G2)和位于两者之间的孔径光阑(APE)，其中

b)所述物体侧透镜组(G1)从物体侧到图像侧包括具有正的折射能力的第一透镜子组(G11)、具有负的折射能力的第二透镜子组(G12)和具有正的折射能力的第三透镜子组(G13)，

c)所述图像侧透镜组(G2)从物体侧到图像侧包括具有正的折射能力的第一透镜子组(G23)、具有负的折射能力的第二透镜子组(G22)和具有正的折射能力的第三透镜子组(G21)。

2.根据权利要求1所述的透镜系统，其中

a)所述物体侧透镜组的第一透镜子组(G11)由一个或两个单透镜(10、11)构成，

b)所述物体侧透镜组的第二透镜子组(G12)由一个至三个单透镜(12)或粘合构件构成，

c)所述物体侧透镜组的第三透镜子组(G13)由单个单透镜或/和粘合构件(13、14)构成，

d)所述图像侧透镜组的第一透镜子组(G21)由一个或两个单透镜(18、19)构成，

e)所述图像侧透镜组的第二透镜子组(G22)由一个至三个单透镜(17)或粘合构件构成，或/和

f)所述图像侧透镜组的第三透镜子组(G23)由单个单透镜或/和粘合构件(15、16)构成。

3.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中所述透镜系统(1)的成像比例为β’＝-0.7至β’＝-5.0。

4.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中在至少一个所述透镜子组中，光学元件具有│ΔPg,F│≥0.01的异常部分色散。

5.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中对在[-0.7；-5.0]的闭合成像比例区间内的透镜系统的纵向色差校正的残余像差X适用：

6.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中对图像侧的数值孔径NA'适用：NA'≥0.04。

7.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中根据Maréchal准则，波前RMS≤λ/14’，作为多色波前像差的标准偏差测量的成像性能仅受衍射限制。

8.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中对透镜系统的整体焦距f'和传感器对角线2y'(max)之间适用如下关系：

9.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中

a)所述物体侧透镜组(G1)的第一透镜子组(G11)包括物体侧弯月形透镜(10)，并且其中所述物体侧弯月形透镜(10)的曲率中点位于所述弯月形透镜(10)的物体侧，或/和

b)所述图像侧透镜组(G2)的第一透镜子组(G21)包括图像侧弯月形透镜(19)，并且其中所述图像侧弯月形透镜(19)的曲率中点位于所述弯月形透镜(19)的图像侧，并且适用如下条件：

c)其中f'(M)是所述弯月形透镜的焦距并且f'(总)是所述微距透镜的焦距。

10.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中

a)所述物体侧透镜组的第三透镜子组(G13)的紧邻孔径光阑的透镜表面的曲率中点位于物体侧，或/和

b)所述图像侧透镜组(G2)的第三透镜子组(G23)的紧邻孔径光阑的透镜表面的曲率中点位于图像侧，以及

c)对相应的透镜表面的曲率半径R适用以下条件：

11.根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统，其中在成像性能衍射限制的情况下，像圈直径2y'是80mm至100mm。

12.一种微距透镜(1001、1002、1003)，包括根据上述权利要求中任一项所述的透镜系统(1、2、3)。

13.一种系统(2000)，用于使用根据权利要求12所述的微距透镜对物体进行光学检查。