CN110850571B - 一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，包括光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E，前固定组A包括负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3；变倍组B包括双凹透镜B1、平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接的第二胶合组；补偿组C包括双凸透镜C1、负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接的第三胶合组；后固定组E包括双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、平凸透镜E4与双凹透镜E5密接的第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7。本发明设计合理，通过变倍组、补偿组的运动，实现焦距连续可变。

Description

一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头
技术领域：
本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头。
背景技术：
在工业摄像领域，对图像还原度、图像帧频速率、单帧频信息量越来越高，以上需求引导工业成像设备朝以下方向发展：(1)探测器尺寸越来越大，有效像元数量增加，提高单帧频信息量；（2）镜头通光量大，曝光时间减小，提高帧频速率；（3）光学畸变小，图像还原度高，且因为图像处理时间减少，间接提高帧频速率。
因此在在线阵摄像领域，选择的镜头必须具备低畸变、大靶面、大相对孔径、高分辨率的特点。一般来说会采用定焦镜头，此类镜头在设计上可以降低难度，在高性价比的前提下实现高性能指标。例如，现有专利CN208953765U公开了一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉定焦镜头；现有专利CN208314311U公开了一种大靶面宽工作距离线扫定焦机器视觉镜头；现有专利CN110007433A公开了一种定焦线扫镜头。这些镜头有其固有缺陷，其视场是固定不变的，不能同时提供小目标放大进行细节识别、大目标完整采样的功能，必须配置多个摄像系统同时工作，在事实上需要更大的体积、更高的成本，可调整性较低。
发明内容：
本发明的目的是针对目前存在的不足之处，提供了一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E，所述前固定组A包括负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3；所述变倍组B包括双凹透镜B1、平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凸透镜C1、负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接的第三胶合组；所述后固定组E包括双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、平凸透镜E4与双凹透镜E5密接的第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7。
进一步的，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为6.14～63.23mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为118.76～3.12mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.05～60.59mm。
进一步的，所述第一胶合组和正弯月透镜A3之间的空气间隔为2.28mm；所述双凹透镜B1和第二胶合组之间的空气间隔为2.88mm；所述双凸透镜C1和第三胶合组之间的空气间隔为0.15mm；所述第四胶合组和负弯月透镜E3之间的空气间隔为31.46mm，所述负弯月透镜E3和第五胶合组之间的空气间隔为4.95mm，所述第五胶合组和双凸透镜E6之间的空气间隔为13.84mm，所述双凸透镜E6和反射镜E7之间的空气间隔为60.66mm。
进一步的，所述第一胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜A1和正弯月透镜A2，负弯月透镜A1和正弯月透镜A2的材料分别为SF6、LAFN23，具有负折射力，胶合面弯向像面侧，折射率之差为0.12；所述正弯月透镜A3采用超低色散材料H-FK61。
进一步的，所述第二胶合组的胶合面相邻透镜为平凹透镜B2与正弯月透镜B3，平凹透镜B2与正弯月透镜B3的材料分别为N-LAK34、N-SF66，具有正折射力，折射率之差为0.19，胶合面弯向像面侧。
进一步的，所述第三胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜C2与双凸透镜C3，负弯月透镜C2与双凸透镜C3的材料分别为SF6、LAFN23，具有负折射力，胶合面弯向像面侧；所述双凸透镜C1采用超低色散玻璃材料H-FK61。
进一步的，所述反射镜的下方设有线阵探测器，反射镜向矩阵探测器反射光路。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：
（1）采用正组补偿结构，使得前组光焦度较小，降低二级光谱像差，并使用超低色散材料H-FK61，极大提高了长焦端的分辨率水平，使焦距最长可以做到410mm，最大相对孔径达到1/5，能与高帧频相机配合使用，且适用于光照度条件较差的使用环境；
（2）可实现连续变焦，同时满足小目标放大进行细节识别、大目标完整采样的功能，短焦焦距为195mm；
（3）光学畸变小，在线阵探测器靶面尺寸达到58mm的前提下，光学畸变小于0.2%，图像失真度小，满足工业摄像需求；同时由于靶面像素数量大，因此图像信息量大；
（4）在线阵探测器前，设置一片反射镜，对光路转折，减小系统长度，使之紧凑化。
附图说明：
图1是本发明实施例的光学系统示意图；
图2是本发明实施例长焦时的MTF图；
图3是本发明实施例短焦时的MTF图；
图4是本发明实施例长焦时的光学畸变曲线；
图5是本发明实施例短焦时的光学畸变曲线。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～5所示，本发明一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E；通过改变前固定组A、变倍组B、补偿组C、光阑D之间的间隔，并保持总长度不变，实现焦距的连续变化。从广角端向望远端变焦时，所述变倍组B远离物体侧，所述补偿组C靠近物体侧。
本实施例中，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为6.14～63.23mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为118.76～3.12mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.05～60.59mm。
本实施例中，所述前固定组A具备至少一个负折射力的胶合面，且必须满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，其折射率之差大于0.1，胶合面弯向像面侧；所述前固定组A包含至少一片正透镜采用超低色散玻璃材料。具体为：前固定组A包括负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3，所述第一胶合组和正弯月透镜A3之间的空气间隔为2.28mm。所述第一胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜A1和正弯月透镜A2，负弯月透镜A1和正弯月透镜A2的材料分别为SF6、LAFN23，第一胶合组具有负折射力，胶合面弯向像面侧，折射率之差为0.12；所述正弯月透镜A3采用超低色散材料H-FK61，具有良好的消二级光谱能力，提高长焦时的分辨率水平。
本实施例中，所述变倍组B具备至少一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.15、小于0.25，胶合面弯向像面侧。具体为：所述变倍组B包括双凹透镜B1、平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接的第二胶合组，所述双凹透镜B1和第二胶合组之间的空气间隔为2.88mm。所述第二胶合组的胶合面相邻透镜为平凹透镜B2与正弯月透镜B3，平凹透镜B2与正弯月透镜B3的材料分别为N-LAK34、N-SF66，具有正折射力，折射率之差为0.19，胶合面弯向像面侧，具有消短焦像散、降低光学畸变、平衡不同焦距段色差的作用。
本实施例中，所述补偿组C至少具备两个具有正光焦度的透镜、至少一个具有负光焦度的透镜，且该负透镜与其中一个正透镜胶合，在该胶合片中，正、负透镜材料选取与所述前固定组A胶合片材料选取相同。具体为：所述补偿组C包括双凸透镜C1、负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接的第三胶合组，所述双凸透镜C1和第三胶合组之间的空气间隔为0.15mm。所述第三胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜C2与双凸透镜C3，负弯月透镜C2与双凸透镜C3的材料分别为SF6、LAFN23，具有负折射力，胶合面弯向像面侧；所述双凸透镜C1采用H-FK61，为超低色散玻璃材料，具有校正短焦二级光谱像差的作用，同时起到与补偿组其它镜片配合，对短焦位置消色差、消热差的作用。
本实施例中，所述后固定组E光焦度为负，且具有两个以上具有负光焦度的透镜。具体为：所述后固定组E包括双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、平凸透镜E4与双凹透镜E5密接的第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7，所述第四胶合组和负弯月透镜E3之间的空气间隔为31.46mm，所述负弯月透镜E3和第五胶合组之间的空气间隔为4.95mm，所述第五胶合组和双凸透镜E6之间的空气间隔为13.84mm，所述双凸透镜E6和反射镜E7之间的空气间隔为60.66mm。所述反射镜的下方设有线阵探测器F，反射镜向矩阵探测器反射光路；设置反射镜的目的在于对光路进行转折，使线阵探测器位于镜头下方，探测器尺寸与光学总长重叠一部分，减小系统长度，使之紧凑化。
本实施例中，各个镜片的物理参数如下表所示。
Figure 771145DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中，由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：
1、工作波段：450nm～700nm；
2、焦距：195mm～410mm连续变焦；
3、成像靶面：线阵探测器，像面尺寸58mm；
4、相对孔径：长焦1/5，短焦1/5；
5、图像光学畸变小，在长短焦位置，光学畸变均小于0.2%。
本发明采用正组补偿变焦结构，因此可以依靠最速变焦凸轮曲线实现紧凑化设计。当变倍组的倍率m2= -1时，补偿组的倍率为m31=m32=-1，在该焦距点位置平滑过渡，实现最速变焦，使得导程小、光学总长短，结构紧凑。应说明的是：上述胶合面折射率之差，依据实际设计指标，可适当调整。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统由沿光线从左向右入射方向依次设置的光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E组成，所述前固定组A由负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3组成；所述变倍组B由双凹透镜B1、第二胶合组组成，第二胶合组由平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接组成；所述补偿组C由双凸透镜C1、第三胶合组组成，第三胶合组由负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接组成；所述后固定组E由双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7组成，第五胶合组由平凸透镜E4与双凹透镜E5密接组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为6.14～63.23mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为118.76～3.12mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.05～60.59mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述第一胶合组和正弯月透镜A3之间的空气间隔为2.28mm；所述双凹透镜B1和第二胶合组之间的空气间隔为2.88mm；所述双凸透镜C1和第三胶合组之间的空气间隔为0.15mm；所述第四胶合组和负弯月透镜E3之间的空气间隔为31.46mm，所述负弯月透镜E3和第五胶合组之间的空气间隔为4.95mm，所述第五胶合组和双凸透镜E6之间的空气间隔为13.84mm，所述双凸透镜E6和反射镜E7之间的空气间隔为60.66mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述第一胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜A1和正弯月透镜A2，负弯月透镜A1和正弯月透镜A2的材料分别为SF6、LAFN23，第一胶合组具有负折射力，胶合面弯向像面侧，折射率之差为0.12；所述正弯月透镜A3采用超低色散材料H-FK61。
5.根据权利要求1所述的一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述第二胶合组的胶合面相邻透镜为平凹透镜B2与正弯月透镜B3，平凹透镜B2与正弯月透镜B3的材料分别为N-LAK34、N-SF66，第二胶合组具有正折射力，折射率之差为0.19，胶合面弯向像面侧。
6.根据权利要求1所述的一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述第三胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜C2与双凸透镜C3，负弯月透镜C2与双凸透镜C3的材料分别为SF6、LAFN23，第三胶合组具有负折射力，胶合面弯向像面侧；所述双凸透镜C1采用超低色散玻璃材料H-FK61。
7.根据权利要求1所述的一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，其特征在于：所述反射镜的下方设有线阵探测器，反射镜向矩阵探测器反射光路。
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