CN110531494B - 一种工业镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业镜头，包括位于物侧的正焦距第一透镜组A和位于像侧的正焦距第二透镜组B；第一透镜组A包括可变光栏S，位于可变光栏S靠近物侧的透镜组A1，以及位于可变光栏S靠近像侧的透镜组A2；第二透镜组B为一个双胶合镜片。本发明提供的以2/3英寸芯片设计的工业镜头，通光孔径可以在F/2.8至F/8.0之间变化，且当通光孔径为F/2.8时，对工作距离大于0.2m的物体能实现1000万像素以上的成像质量。同时，该工业镜片可以匹配1英寸芯片，当通光孔径为F/8.0时，对工作距离大于0.2m的物体能够实现500万像素的成像质量，像质较高，能够满足工业需求。和现有技术相比，避免了使用昂贵的大尺寸镜头，具有广泛的应用。

Description

一种工业镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头领域，尤其是涉及一种工业镜头。
背景技术
工业相机俗称摄像机，相比于传统的民用相机而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等。工业镜头是工业相机的重要组成部分，工业镜头的主要作用是将目标成像在可以感光的芯片的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。
工业镜头尺寸需要与芯片的尺寸相匹配，否则无法完整拍摄图像，拍摄不到的部分图像会呈现黑色，从而引起严重的畸变和像差。例如，小尺寸的工业镜头适用的芯片的尺寸范围较窄，无法适用于大尺寸的芯片。
由于芯片的尺寸越大，可拍摄的物面尺寸就越大，但是大尺寸的芯片需要匹配大尺寸的工业镜头，而大尺寸的工业镜头价格昂贵，无法大规模使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种以尺寸为2/3英寸芯片设计的工业镜头，能够同时匹配1英寸芯片，且用于F/8.0通光孔径时，对工作距离大于0.2m的物体能实现500万像素以上的成像质量，成像质量较好，可以满足工业需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种工业镜头，包括正焦距第一透镜组A和正焦距第二透镜组B；
所述第一透镜组A位于物侧，所述第二透镜组B位于像侧；
所述第一透镜组A包括可变光栏S，位于可变光栏S靠近物侧的透镜组A1，以及位于可变光栏S靠近像侧的透镜组A2。
作为本发明再进一步的方案：所述第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f取值范围为：19mm≤f≤21mm。
作为本发明再进一步的方案：所述第一透镜组A的组合焦距fA满足条件：21mm≤fA≤30mm。
作为本发明再进一步的方案：所述第二透镜组B的组合焦距fB满足条件：fB≥40mm。
作为本发明再进一步的方案：所述工业镜头的光学总长TTHI满足条件：TTHI≤40mm。
作为本发明再进一步的方案：工作距离从无穷远至0.2m聚焦时，所述第二透镜组B固定，所述第一透镜组A相对第二透镜组B前后移动；
所述第一透镜组A的调焦移动量ΔL满足条件：ΔL≤5mm。
作为本发明再进一步的方案：当该工业镜头匹配1英寸芯片时，主光线角度CRA满足条件：CRA≤17°。
作为本发明再进一步的方案：所述透镜组A1包括一个正透镜和一个双胶合透镜。
作为本发明再进一步的方案：所述透镜组A2包括一个负透镜和一个双胶合透镜。
作为本发明再进一步的方案：所述第二透镜组B包括透镜B1和透镜B2，二者胶合形成双胶合透镜。
本发明的有益效果包括但不限于：
(1)本发明提供的以2/3英寸芯片设计的工业镜头，通光孔径可以在F/2.8至F/8.0之间变化，且当通光孔径为F/2.8时，对工作距离大于0.2m的物体能实现1000万像素以上的成像质量。同时，该工业镜片可以匹配1英寸芯片，当通光孔径为F/8.0时，对工作距离大于0.2m的物体能够实现500万像素的成像质量，像质较高，能够满足工业需求。和现有技术相比，避免了使用昂贵的大尺寸镜头，具有广泛的应用。
(2)本发明提供的工业镜头，只采用了8片球面镜片，且包含了三组双胶合镜片，减少了加工和装配成本，有利于产品的市场竞争。
(3)本发明所提供的工业镜头，可以实现以下技术指标：最大通光孔径为F/2.8，最大芯片尺寸为1英寸，工作距离为0.2m至无穷远，最大光学总长为40mm，主光线角度小于17°，畸变小于1％。2/3英寸芯片F/2.8通光孔径时，0.7视场的200lp/mm传递函数大于0.4；1英寸芯片F/8.0通光孔径时，0.7视场的100lp/mm传递函数大于0.35，像质较高。
附图说明
图1是本发明提供的工业镜头的光学系统图，其中(a)为2/3英寸芯片F/2.8通光孔径的结构示意图，(b)为1英寸芯片F/8.0通光孔径的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的工业镜头用于2/3英寸芯片F/2.8通光孔径，在200lp/mm下的调制传递函数图，图中T1表示子午方向，S1表示弧矢方向；
图3是本发明实施例1提供的工业镜头用于1英寸芯片F/8.0通光孔径，在100lp/mm下的调制传递函数图，图中T1表示子午方向，S1表示弧矢方向；
图4是本发明实施例1提供的工业镜头的畸变图；
图5是本发明实施例1提供的工业镜头用于1英寸芯片F/8.0通光孔径时的CRA图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
图1是本发明提供的工业镜头的光学系统图，其中图1(a)为2/3英寸芯片F/2.8通光孔径的结构示意图，图1(b)为1英寸芯片F/8.0通光孔径的结构示意图。如图1所示，该工业镜头包括正焦距第一透镜组A和正焦距第二透镜组B；
第一透镜组A位于物侧，包括可变光栏S，位于可变光栏S靠近物侧的透镜组A1和位于可变光栏S靠近像侧的透镜组A2；
其中，透镜组A1包括一个正透镜和一个双胶合透镜。透镜组A2包括一个负透镜和一个双胶合透镜；
第二透镜组B位于像侧，包括透镜B1和透镜B2，二者胶合形成双胶合透镜。
本发明的工业镜头第一透镜组A的组合焦距fA满足条件：21mm≤fA≤30mm。
第二透镜组B的组合焦距fB满足条件：fB≥40mm。
第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f取值范围为：19mm≤f≤21mm。
当第一透镜组A的组合焦距fA、第二透镜组B的组合焦距fB以及第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f满足上述条件时，可使得光线进入透镜组后发生合理得偏折、汇聚，可有效消除球差、象散和畸变。
本发明的工业镜头可满足条件式TTHI≤40mm，其中TTHI为工业镜头的光学总长。通过控制工业镜头的光学总长，可以使得工业镜头结构轻巧、成本低廉，携带方便，从而适用性广。
本发明的工业镜头工作距离从无穷远至0.2m聚焦时，第二透镜组B固定，第一透镜组A相对第二透镜组B前后移动。当工作距离从无穷远至0.2m之间移动时，第一透镜组A的调焦移动量ΔL≤5mm。通过控制第一透镜组A的调焦移动量，可有效控制透镜组的长度，进而有助于缩减镜筒的尺寸。
本发明的工业镜头匹配1英寸芯片时，视场边缘主光线的角度CRA满足条件：CRA≤17°。CRA的角度越小，进入的透射光就越多，成像越清晰。
本发明提供的以2/3英寸芯片设计的工业镜头，当用于2/3英寸芯片通光孔径F/2.8时，对工作距离0.2m的物体分辨率可达1000万像素；该工业镜头用于1英寸芯片通光孔径F/8.0时，分辨率可达500万像素，且最大畸变小于1％，像质较好。
实施例1：
本实施例中第一透镜组A沿光线入射方向，依次设有透镜组A1、可变光栏S和透镜组A2；
其中，透镜组A1延光线入射方向依次设有弯月正透镜A1，双凸正透镜A2和双凹负透镜A3，其中弯月正透镜A2和弯月负透镜A3构成一个双胶合透镜。
透镜组A2延光线入射方向依次设有弯月负透镜A4、弯月正透镜A5和平凸正透镜A6，其中弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成一个双胶合透镜。
第二透镜组B设有双凸正透镜B1和弯月负透镜B2，二者胶合形成一个双胶合透镜。
第一透镜组A的组合焦距fA为25.1mm，第二透镜组B的组合焦距fB为45mm，第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f为20.1mm。整个工业镜头的光学总长TTHI为35mm；工作距离从无穷远至0.2m聚焦时，第一透镜组A的调焦移动量ΔL为3.8mm；当该工业镜头匹配1英寸芯片时，视场边缘主光线的角度CRA为16°。
本实施例中，弯月正透镜A1和弯月正透镜A2之间的空气间隔为0.10mm；弯月负透镜A3和可变光栏S之间的空气间隔为2.73mm；可变光栏S和弯月负透镜A4之间的空气间隔为2.96mm；弯月正透镜A5和平凸正透镜A6之间的空气间隔为0.10mm；平凸正透镜A6和双凸正透镜B1之间的空气间隔为3.64mm。
在本实施例中，各个镜片的参数如表1所示。
表1实施例1各个镜片的参数
Figure BDA0002178096510000051
图2-图5是本实施例工业镜头的参数，利用光学设计软件ZEMAX、CODEV或SIGMA通过光线追迹以及所定义的算法计算而来的。
图2表示2/3英寸芯片F/2.8通光孔径在200lp/mm的传递函数，可以看出工业镜头的传递函数随视场增大而缓慢降低。200lp/mm传递函数在中心视场大于0.45，0.7视场大于0.4，边缘视场大于0.3。该分辨率，可以实现1000万像素拍摄。
图3表示1英寸芯片F/8.0通光孔径在100lp/mm的传递函数，可以看出工业镜头的传递函数随视场增大而缓慢降低。100lp/mm传递函数在中心视场等于0.4，0.7视场大于0.35，边缘视场接近0.2。对于F/8.0通光孔径该分辨率已经达到衍射极限，可以实现500万像素拍摄。
如图4所示，是本实施例的最大畸变，可以看出全视场最大畸变小于1％，满足设计要求。
如图5所示，是本实施例的最大CRA，可以看出全视场最大CRA小于16°，满足设计要求。CRA越大可兼容的最大芯片尺寸越小，CRA越小所需要的光学系统越复杂，综合成本和芯片尺寸，最大CRA要小于17°。
本发明提供的以2/3英寸芯片设计的工业镜头，当用于2/3英寸芯片通光孔径F/2.8时，对工作距离0.2m的物体分辨率可达1000万像素；该工业镜头用于1英寸芯片通光孔径F/8.0时，分辨率可达500万像素，且最大畸变小于1％，像质较好。
实施例2：
本实施例中第一透镜组A沿光线入射方向，依次设有透镜组A1、可变光栏S和透镜组A2；
其中，透镜组A1延光线入射方向依次设有弯月正透镜A1，双凸正透镜A2和双凹负透镜A3，其中弯月正透镜A2和弯月负透镜A3构成一个双胶合透镜。
透镜组A2延光线入射方向依次设有弯月负透镜A4、弯月正透镜A5和平凸正透镜A6，其中弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成一个双胶合透镜。
第二透镜组B设有双凸正透镜B1和弯月负透镜B2，二者胶合形成一个双胶合透镜。
第一透镜组A的组合焦距fA为24.1mm，第二透镜组B的组合焦距fB为56.86mm，第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f为19.78mm。整个工业镜头的光学总长TTHI为34.0mm；工作距离从无穷远至0.2m聚焦时，第一透镜组A的调焦移动量ΔL为3.1mm；当该工业镜头匹配1英寸芯片时，视场边缘主光线的角度CRA为16°。
本实施例中，弯月正透镜A1和弯月正透镜A2之间的空气间隔为0.10mm；弯月负透镜A3和可变光栏S之间的空气间隔为2.77mm；可变光栏S和弯月负透镜A4之间的空气间隔为2.90mm；弯月正透镜A5和平凸正透镜A6之间的空气间隔为0.10mm；平凸正透镜A6和双凸正透镜B1之间的空气间隔为1.30mm。
在本实施例中，各个镜片的参数如表2所示。
表2实施例2各个镜片的参数
Figure BDA0002178096510000071
本发明提供的以2/3英寸芯片设计的工业镜头，当用于2/3英寸芯片通光孔径F/2.8时，对工作距离0.2m的物体分辨率可达1000万像素；该工业镜头用于1英寸芯片通光孔径F/8.0时，分辨率可达500万像素，且最大畸变小于1％，像质较好。
实施例3：
本实施例中第一透镜组A沿光线入射方向，依次设有透镜组A1、可变光栏S和透镜组A2；
其中，透镜组A1延光线入射方向依次设有弯月正透镜A1，双凸正透镜A2和双凹负透镜A3，其中弯月正透镜A2和弯月负透镜A3构成一个双胶合透镜。
透镜组A2延光线入射方向依次设有弯月负透镜A4、弯月正透镜A5和平凸正透镜A6，其中弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成一个双胶合透镜。
第二透镜组B设有双凸正透镜B1和弯月负透镜B2，二者胶合形成一个双胶合透镜。
第一透镜组A的组合焦距fA为23.0mm，第二透镜组B的组合焦距fB为85.3mm，第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f为19.97mm。整个工业镜头的光学总长TTHI为30.9mm；工作距离从无穷远至0.2m聚焦时，第一透镜组A的调焦移动量ΔL为2.87mm；当该工业镜头匹配1英寸芯片时，视场边缘主光线的角度CRA为16°。
本实施例中，弯月正透镜A1和弯月正透镜A2之间的空气间隔为0.10mm；弯月负透镜A3和可变光栏S之间的空气间隔为2.68mm；可变光栏S和弯月负透镜A4之间的空气间隔为2.48mm；弯月正透镜A5和平凸正透镜A6之间的空气间隔为0.10mm；平凸正透镜A6和双凸正透镜B1之间的空气间隔为3.39mm。
在本实施例中，各个镜片的参数如表3所示。
表3实施例3各个镜片的参数
Figure BDA0002178096510000081
本发明提供的以2/3英寸芯片设计的工业镜头，当用于2/3英寸芯片通光孔径F/2.8时，对工作距离0.2m的物体分辨率可达1000万像素；该工业镜头用于1英寸芯片通光孔径F/8.0时，分辨率可达500万像素，且最大畸变小于1％，像质较好。
需要说明的是，以上实施例给出2/3英寸芯片F/2.8通光孔径和1英寸芯片F/8.0通光孔径的两种场景。这是两种极端的应用场景，实际应用中可以根据场景的具体要求改变芯片大小和可变光栏S的通光孔径大小，其中芯片尺寸大小可以在2/3至1英寸之间变化，可变光栏S的通光孔径可以在F/2.8至F/8.0之间变化，本申请对芯片的具体尺寸和可变光栅S的通光孔径不作具体的限制。
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种工业镜头，其特征在于，由正焦距第一透镜组A和正焦距第二透镜组B组成；
所述第一透镜组A位于物侧，所述第二透镜组B位于像侧；
所述第一透镜组A包括可变光栏S，位于可变光栏S靠近物侧的透镜组A1，以及位于可变光栏S靠近像侧的透镜组A2；
所述第一透镜组A和第二透镜组B的整体焦距f取值范围为：19mm≤f≤21mm；
所述第一透镜组A的组合焦距fA满足条件：21mm≤fA≤30mm；
所述第二透镜组B的组合焦距fB满足条件：fB≥40mm。
2.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述工业镜头的光学总长TTHI满足条件：TTHI≤40mm。
3.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，工作距离从无穷远至0.2m聚焦时，所述第二透镜组B固定，所述第一透镜组A相对第二透镜组B前后移动；
所述第一透镜组A的调焦移动量ΔL满足条件：ΔL≤5mm。
4.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，当该工业镜头匹配1英寸芯片时，主光线角度CRA满足条件：CRA≤17°。
5.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述透镜组A1由从物侧到像侧的一个正透镜和一个双胶合透镜组成。
6.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述透镜组A2由从物侧到像侧的一个双胶合透镜和一个正透镜组成。
7.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述第二透镜组B包括透镜B1和透镜B2，二者胶合形成双胶合透镜。
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