CN111061051A - 一种短焦距高分辨率视觉镜头及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种短焦距高分辨率视觉镜头及其工作方法，包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向自左向右依次设置有负光焦度的前镜组A、可变光阑、正光焦度的后镜组B及成像面；所述前镜组A包括自左向右依次设置的第一负月牙型透镜、第一正月牙型透镜、第二正月牙型透镜、第一双凸透镜和第一双凹透镜；所述后镜组B包括自左向右依次设置的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜、第四双凸透镜。本发明结构紧凑、操作简便，采用半组移动调焦方式，能实现mm物距的高清成像且光学畸变小于‑0.8%，可为工业自动化检测系统提供优于1000万像素高分辨率的清晰图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种短焦距高分辨率视觉镜头及其工作方法。
背景技术
随着工业自动化的兴起，越来越多的自动化工厂行业依靠机器视觉代替人工进行视觉检测：如人工智能物流扫码、机械尺寸测量、零件缺陷检测等等。另外，随着工业相机的不断发展、芯片像素的不断提升对机器视觉镜头提出了更高的分辨率、更低的畸变、更近的工作物距、更小更紧凑的结构外形。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种短焦距高分辨率视觉镜头及其工作方法，结构紧凑、操作简便，采用半组移动调焦方式，能实现200mm物距的高清成像且光学畸变小于-0.8%，可为工业自动化检测系统提供优于1000万像素高分辨率的清晰图像，使该光学系统能满足目前人工智能物流扫码、机械尺寸测量、零件缺陷检测等相关检测要求，并为机器视觉提供更加小型、更加紧凑的镜头视觉方案。
本发明的技术方案是：一种短焦距高分辨率视觉镜头，包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向自左向右依次设置有负光焦度的前镜组A、可变光阑、正光焦度的后镜组B及成像面；所述前镜组A包括自左向右依次设置的第一负月牙型透镜、第一正月牙型透镜、第二正月牙型透镜、第一双凸透镜和第一双凹透镜，第一双凸透镜与第一双凹透镜组成第一胶合组；所述后镜组B包括自左向右依次设置的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜、第四双凸透镜，第二双凹透镜与第二双凸透镜组成第二胶合组。
进一步的，第一负月牙型透镜与第一正月牙型透镜之间的空气间隔为9.34mm，第一正月牙型透镜与第二正月牙型透镜之间的空气间隔为7.55mm，第二正月牙型透镜与第一双凸透镜空气间隔为2.79mm，第一双凹透镜与第二双凹透镜之间的空气间隔为4.35mm，第一双凹透镜与可变光阑之间的空气间隔为1.35mm，第二双凸透镜与第三双凸透镜之间的空气间隔为0.1mm，第三双凸透镜与第四双凸透镜之间的空气间隔范围为0.51mm-2.39mm,第四双凸镜片与成像面之间的空气间隔为9.28mm。
进一步的，所述镜筒包括主镜筒，在主镜筒内设置有位于主镜筒前端的前镜筒，在前镜筒后端设置有后镜筒，在主镜筒后方设置有连接法兰，前镜筒与后镜筒之间设置有用以连接前镜筒与后镜筒的锥端螺钉B，在前镜筒外周设置有可相对前镜筒转动的调焦转轮，在调焦转轮外周设置有调焦环，调焦转轮与前镜筒之间通过多头螺纹连接，调节环与调节转轮之间设置有用以连接调节环与调节转轮的锥端螺钉A，在主镜筒前端设置有限位凸块，在调焦环上设置有与限位凸块配合的限位槽，限位槽环绕分布在调焦环后端，在主镜筒外周还套设有可相对主镜筒转动的光阑环，在光阑外周设置有光阑摇柄，在光阑环上沿径向穿设有光阑导钉，光阑导钉下端与光阑摇柄连接，在主镜筒上设置有用以限制光阑导钉转动角度的光阑限位槽。
进一步的，其中前镜组A安装在前镜筒内，可变光阑固定在前镜筒后端，后镜组B的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜安装在后镜筒内，第四双凸透镜安装在连接法兰内，在第一负月牙型透镜左侧设置有压圈A，在第一负月牙型透镜与第一正月牙型透镜之间设置有隔圈A，在第一正月牙型透镜与第二正月牙型透镜之间设置有隔圈B，在第二正月牙型透镜与第一双凸透镜之间设置有隔圈C，在第二双凸透镜与第三双凸透镜之间设置有隔圈D，在第三双凸透镜右侧设置有压圈B，在第四双凸透镜右侧设置有压圈C。
进一步的，在后镜筒外周径向设置有限位导钉，在主镜筒内周设置有与限位导钉配合并沿轴向延伸的导向槽。
进一步的，在主镜筒外周沿径向穿设有用以锁紧调焦转轮的锁紧钉A，在光阑环外周沿径向穿设有用以将光阑环锁紧固定在主镜筒上的锁紧钉B。
进一步的，在前镜筒前端设置有滤光片，滤光片与前镜筒之间采用螺纹连接。
本发明提供的另一种技术方案是，一种短焦距高分辨率视觉镜头的工作方法，包括所述的短焦距高分辨率视觉镜头：（1）当光线入射时，光路顺序进入前镜组A、可变光阑以及后镜组B后在成像面进行成像，当光线经过第一负月牙型透镜时经镜片凹面折射后光线沿光轴方向往外分散，其中无效光线经隔圈A部分被拦截过滤；当光线经过第一正月牙型透镜时经镜片凸面折射后光线沿光轴方向往内汇聚，其中无效光线又经隔圈B内壁反射部分被消除；当光线经过第二正月牙型透镜时经镜片凹面折射后光线沿光轴方向往内汇聚，其中无效光线经隔圈C内壁反射被进一步消除；当光线经过第一双凸透镜与第一双凹透镜组成的第一胶合组时光线经两枚不同折射率镜片折射后，射出光线沿着光轴方向往光阑位置汇聚穿透；当光线经过第二双凹透镜与第二双凸透镜组成的第二胶合组时光线经两枚不同折射率镜片折射后，射出光线沿着光轴方向分散并经隔圈D对无效光线进行拦截过滤；当光线经过第三双凸透镜时经镜片凸面折射后光线沿着光轴方向往外分散，其中无效光线经压圈B内壁进一步被拦截过滤；当光线经过第四双凸透镜时经折射后光线沿着光轴方向往内汇聚投射在成像面上，使整个光学系统完整性得以保证，特别是通过在可变光阑前后分别设置第一胶合组与第二胶合组能矫正光路的畸变和像差；
（2）在使用时，当需要进行调焦时，通过转动调焦环，调焦环转动，带动调焦转轮转动，调焦转轮转动会通过多头螺纹传动会带动前镜筒的前后运动，由于前镜组与后镜组之间通过锥端螺钉B固接，所以后镜筒会跟随前镜筒进行前后运动，前镜筒与后镜筒前后运动会同时带动前镜组A和第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜进行前后移动，进而调节第三双凸透镜与第四双凸透镜之间的距离，完成调焦动作，接着旋紧锁紧钉A，将调焦转轮相对主镜筒进行固定；当需要调节可变光阑时，转动光阑环，光阑环转动，带动光阑摇柄转动，调节光阑摇柄转动带动可变光阑转动，完成可变光阑的调节后，旋紧锁紧钉B，将光阑环锁紧固定在主镜筒上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构紧凑、操作简便，采用半组移动调焦方式，能实现200mm物距的高清成像且光学畸变小于-0.8%，可为工业自动化检测系统提供优于1000万像素高分辨率的清晰图像，使该光学系统能满足目前人工智能物流扫码、机械尺寸测量、零件缺陷检测等相关检测要求，并为机器视觉提供更加小型、更加紧凑的镜头视觉方案。
为使得本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的光学系统调焦前的结构示意图；
图3为本发明实施例的光学系统调焦后的结构示意图；
图4为本发明实施例的MTF曲线图；
图5为本发明实施例的畸变变化曲线图；
图中：1、滤光片；2、压圈A；3、调焦环；4、锥端螺钉A；5、调焦转轮；6、前镜筒；7、主镜筒；8、后镜筒；9、锥端螺钉B；10、光阑导钉；11、光阑限位槽；12、光阑环；13、光阑摇柄；14、成像面；15、连接法兰；16、第一负月牙型透镜；17、压圈C；18、第四双凸透镜；19、第三双凸透镜；20、第二双凸透镜；21、隔圈D；22、压圈B；23、第二双凹透镜；24、可变光阑；25、第一双凹透镜；26、第一双凸透镜；27-限位导钉；28、导向槽；29、锁紧钉B；30、隔圈C；31、锁紧钉A；32、第二正月牙型透镜；33、隔圈B；34、第一正月牙型透镜；35、隔圈A。
具体实施方式
如图1~5所示，一种短焦距高分辨率视觉镜头，包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向自左向右依次设置有负光焦度的前镜组A、可变光阑、正光焦度的后镜组B及成像面；所述前镜组A包括自左向右依次设置的第一负月牙型透镜、第一正月牙型透镜、第二正月牙型透镜、第一双凸透镜和第一双凹透镜，第一双凸透镜与第一双凹透镜组成第一胶合组；所述后镜组B包括自左向右依次设置的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜、第四双凸透镜，第二双凹透镜与第二双凸透镜组成第二胶合组。
本实施例中，第一负月牙型透镜与第一正月牙型透镜之间的空气间隔为9.34mm，第一正月牙型透镜与第二正月牙型透镜之间的空气间隔为7.55mm，第二正月牙型透镜与第一双凸透镜空气间隔为2.79mm，第一双凹透镜与第二双凹透镜之间的空气间隔为4.35mm，第一双凹透镜与可变光阑之间的空气间隔为1.35mm，第二双凸透镜与第三双凸透镜之间的空气间隔为0.1mm，第三双凸透镜与第四双凸透镜之间的空气间隔范围为0.51mm-2.39mm,第四双凸镜片与成像面之间的空气间隔为9.28mm。
本实施例中，所述镜筒包括主镜筒，在主镜筒内设置有位于主镜筒前端的前镜筒，在前镜筒后端设置有后镜筒，在主镜筒后方设置有连接法兰，前镜筒与后镜筒之间设置有用以连接前镜筒与后镜筒的锥端螺钉B，在前镜筒外周设置有可相对前镜筒转动的调焦转轮，在调焦转轮外周设置有调焦环，调焦转轮与前镜筒之间通过多头螺纹连接，调节环与调节转轮之间设置有用以连接调节环与调节转轮的锥端螺钉A，在主镜筒前端设置有限位凸块，在调焦环上设置有与限位凸块配合的限位槽，限位槽环绕分布在调焦环后端，在主镜筒外周还套设有可相对主镜筒转动的光阑环，在光阑外周设置有光阑摇柄，在光阑环上沿径向穿设有光阑导钉，光阑导钉下端与光阑摇柄连接，在主镜筒上设置有用以限制光阑导钉转动角度的光阑限位槽。调焦转轮与前镜筒之间通过多头螺纹连接，该多头螺纹的螺距为1mm，使系统在调焦时，更加精准；通过在主镜筒前端设置有限位凸块，在调焦环上设置有与限位凸块配合的限位槽，可以避免前镜筒和后镜筒内的镜片超出移动行程，以保证镜头其200mm物距的高清成像；将可变光阑固定于前镜筒后端，有效的提升了该可变光阑的稳定性，使镜头更加小型、更加紧凑；在主镜筒外周设置光阑限位槽，有效避免了光阑开合的极限使用，同时也保证了光阑使用的稳定性。
本实施例中，其中前镜组A安装在前镜筒内，可变光阑固定在前镜筒后端，后镜组B的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜安装在后镜筒内，第四双凸透镜安装在连接法兰内，在第一负月牙型透镜左侧设置有压圈A，在第一负月牙型透镜与第一正月牙型透镜之间设置有隔圈A，在第一正月牙型透镜与第二正月牙型透镜之间设置有隔圈B，在第二正月牙型透镜与第一双凸透镜之间设置有隔圈C，在第二双凸透镜与第三双凸透镜之间设置有隔圈D，在第三双凸透镜右侧设置有压圈B，在第四双凸透镜右侧设置有压圈C。
本实施例中，在后镜筒外周径向设置有限位导钉，在主镜筒内周设置有与限位导钉配合并沿轴向延伸的导向槽。在前镜筒和后镜筒前后移动的过程中，通过导向槽与限位导钉配合，避免前镜筒与后镜筒绕中心轴转动，使前镜筒与后镜筒只能进行轴向的前后移动。
本实施例中，在主镜筒外周沿径向穿设有用以锁紧调焦转轮的锁紧钉A，在光阑环外周沿径向穿设有用以将光阑环锁紧固定在主镜筒上的锁紧钉B。
本实施例中，在前镜筒前端设置有滤光片，滤光片与前镜筒之间采用螺纹连接。
本实施例中，各镜片的参数如下表所示：
表1、具体镜片参数如下表
本实施例中，此光学系统实现的技术指标如下：
①像面尺寸：2／3"
②有效焦距：12mm
③近摄距：200mm
④光学畸变：≤-0.8%
⑤相对孔径：F2.8
⑥分辨率：≥1000万像素
⑦后焦距：9.28mm（in air）
⑧工作波长：450nm～750nm
本发明提供的另一种技术方案是，一种短焦距高分辨率视觉镜头的工作方法，包括所述的短焦距高分辨率视觉镜头：（1）当光线入射时，光路顺序进入前镜组A、可变光阑以及后镜组B后在成像面进行成像，当光线经过第一负月牙型透镜时经镜片凹面折射后光线沿光轴方向往外分散，其中无效光线经隔圈A部分被拦截过滤；当光线经过第一正月牙型透镜时经镜片凸面折射后光线沿光轴方向往内汇聚，其中无效光线又经隔圈B内壁反射部分被消除；当光线经过第二正月牙型透镜时经镜片凹面折射后光线沿光轴方向往内汇聚，其中无效光线经隔圈C内壁反射被进一步消除；当光线经过第一双凸透镜与第一双凹透镜组成的第一胶合组时光线经两枚不同折射率镜片折射后，射出光线沿着光轴方向往光阑位置汇聚穿透；当光线经过第二双凹透镜与第二双凸透镜组成的第二胶合组时光线经两枚不同折射率镜片折射后，射出光线沿着光轴方向分散并经隔圈D对无效光线进行拦截过滤；当光线经过第三双凸透镜时经镜片凸面折射后光线沿着光轴方向往外分散，其中无效光线经压圈B内壁进一步被拦截过滤；当光线经过第四双凸透镜时经折射后光线沿着光轴方向往内汇聚投射在成像面上，使整个光学系统完整性得以保证，特别是通过在可变光阑前后分别设置第一胶合组与第二胶合组能矫正光路的畸变和像差；（2）在使用时，当需要进行调焦时，通过转动调焦环，调焦环转动，带动调焦转轮转动，调焦转轮转动会通过多头螺纹传动会带动前镜筒的前后运动，由于前镜组与后镜组之间通过锥端螺钉B固接，所以后镜筒会跟随前镜筒进行前后运动，前镜筒与后镜筒前后运动会同时带动前镜组A和第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜进行前后移动，进而调节第三双凸透镜与第四双凸透镜之间的距离，完成调焦动作，接着旋紧锁紧钉A，将调焦转轮相对主镜筒进行固定；当需要调节可变光阑时，转动光阑环，光阑环转动，带动光阑摇柄转动，调节光阑摇柄转动带动可变光阑转动，完成可变光阑的调节后，旋紧锁紧钉B，将光阑环锁紧固定在主镜筒上。
上述操作流程及软硬件配置，仅作为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向自左向右依次设置有负光焦度的前镜组A、可变光阑、正光焦度的后镜组B及成像面；所述前镜组A包括自左向右依次设置的第一负月牙型透镜、第一正月牙型透镜、第二正月牙型透镜、第一双凸透镜和第一双凹透镜，第一双凸透镜与第一双凹透镜组成第一胶合组；所述后镜组B包括自左向右依次设置的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜、第四双凸透镜，第二双凹透镜与第二双凸透镜组成第二胶合组。
2.根据权利要求1所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：第一负月牙型透镜与第一正月牙型透镜之间的空气间隔为9.34mm，第一正月牙型透镜与第二正月牙型透镜之间的空气间隔为7.55mm，第二正月牙型透镜与第一双凸透镜空气间隔为2.79mm，第一双凹透镜与第二双凹透镜之间的空气间隔为4.35mm，第一双凹透镜与可变光阑之间的空气间隔为1.35mm，第二双凸透镜与第三双凸透镜之间的空气间隔为0.1mm，第三双凸透镜与第四双凸透镜之间的空气间隔范围为0.51mm-2.39mm,第四双凸镜片与成像面之间的空气间隔为9.28mm。
3.根据权利要求2所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：所述镜筒包括主镜筒，在主镜筒内设置有位于主镜筒前端的前镜筒，在前镜筒后端设置有后镜筒，在主镜筒后方设置有连接法兰，前镜筒与后镜筒之间设置有用以连接前镜筒与后镜筒的锥端螺钉B，在前镜筒外周设置有可相对前镜筒转动的调焦转轮，在调焦转轮外周设置有调焦环，调焦转轮与前镜筒之间通过多头螺纹连接，调节环与调节转轮之间设置有用以连接调节环与调节转轮的锥端螺钉A，在主镜筒前端设置有限位凸块，在调焦环上设置有与限位凸块配合的限位槽，限位槽环绕分布在调焦环后端，在主镜筒外周还套设有可相对主镜筒转动的光阑环，在光阑外周设置有光阑摇柄，在光阑环上沿径向穿设有光阑导钉，光阑导钉下端与光阑摇柄连接，在主镜筒上设置有用以限制光阑导钉转动角度的光阑限位槽。
4.根据权利要求3所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：其中前镜组A安装在前镜筒内，可变光阑固定在前镜筒后端，后镜组B的第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜安装在后镜筒内，第四双凸透镜安装在连接法兰内，在第一负月牙型透镜左侧设置有压圈A，在第一负月牙型透镜与第一正月牙型透镜之间设置有隔圈A，在第一正月牙型透镜与第二正月牙型透镜之间设置有隔圈B，在第二正月牙型透镜与第一双凸透镜之间设置有隔圈C，在第二双凸透镜与第三双凸透镜之间设置有隔圈D，在第三双凸透镜右侧设置有压圈B，在第四双凸透镜右侧设置有压圈C。
5.根据权利要求4所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：在后镜筒外周径向设置有限位导钉，在主镜筒内周设置有与限位导钉配合并沿轴向延伸的导向槽。
6.根据权利要求5所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：在主镜筒外周沿径向穿设有用以锁紧调焦转轮的锁紧钉A，在光阑环外周沿径向穿设有用以将光阑环锁紧固定在主镜筒上的锁紧钉B。
7.根据权利要求7所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：在前镜筒前端设置有滤光片，滤光片与前镜筒之间采用螺纹连接。
8.一种短焦距高分辨率视觉镜头的工作方法，包括如权利要求7所述的短焦距高分辨率视觉镜头，其特征在于：（1）当光线入射时，光路顺序进入前镜组A、可变光阑以及后镜组B后在成像面进行成像，当光线经过第一负月牙型透镜时经镜片凹面折射后光线沿光轴方向往外分散，其中无效光线经隔圈A部分被拦截过滤；当光线经过第一正月牙型透镜时经镜片凸面折射后光线沿光轴方向往内汇聚，其中无效光线又经隔圈B内壁反射部分被消除；当光线经过第二正月牙型透镜时经镜片凹面折射后光线沿光轴方向往内汇聚，其中无效光线经隔圈C内壁反射被进一步消除；当光线经过第一双凸透镜与第一双凹透镜组成的第一胶合组时光线经两枚不同折射率镜片折射后，射出光线沿着光轴方向往光阑位置汇聚穿透；当光线经过第二双凹透镜与第二双凸透镜组成的第二胶合组时光线经两枚不同折射率镜片折射后，射出光线沿着光轴方向分散并经隔圈D对无效光线进行拦截过滤；当光线经过第三双凸透镜时经镜片凸面折射后光线沿着光轴方向往外分散，其中无效光线经压圈B内壁进一步被拦截过滤；当光线经过第四双凸透镜时经折射后光线沿着光轴方向往内汇聚投射在成像面上，使整个光学系统完整性得以保证，特别是通过在可变光阑前后分别设置第一胶合组与第二胶合组能矫正光路的畸变和像差；（2）在使用时，当需要进行调焦时，通过转动调焦环，调焦环转动，带动调焦转轮转动，调焦转轮转动会通过多头螺纹传动会带动前镜筒的前后运动，由于前镜组与后镜组之间通过锥端螺钉B固接，所以后镜筒会跟随前镜筒进行前后运动，前镜筒与后镜筒前后运动会同时带动前镜组A和第二双凹透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜进行前后移动，进而调节第三双凸透镜与第四双凸透镜之间的距离，完成调焦动作，接着旋紧锁紧钉A，将调焦转轮相对主镜筒进行固定；当需要调节可变光阑时，转动光阑环，光阑环转动，带动光阑摇柄转动，调节光阑摇柄转动带动可变光阑转动，完成可变光阑的调节后，旋紧锁紧钉B，将光阑环锁紧固定在主镜筒上。
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