CN111458853B - 小景深高分辨率双远心光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种小景深高分辨率双远心光学镜头。本发明提供的小景深高分辨率双远心光学镜头，沿光轴方向由物侧至像侧依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、孔径光阑、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8，其结构简单，成本较低，具有良好的加工性能；具有极小的景深，可保证机器视觉测量系统能够稳定高效地获取连接器Pin针位置度；成像性能好，可支持2000万像素级别1in高分辨率工业相机；其远心度小，最大畸变小于0.1％，图像失真度大大降低，检测精度进一步提升，可应用于未来的机器视觉领域当中。

Description

小景深高分辨率双远心光学镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种小景深高分辨率双远心光学镜头。
背景技术
机器视觉是用机器代替人眼进行测量和判断。相较于人眼，机器视觉具有更强的适应性、更高的稳定性，在分辨能力、感光范围、响应速度等方面都能很好地弥补人眼的不足。机器视觉的关键技术主要涉及光源照明、光学镜头、图像信号处理以及执行机构等，其中光学镜头作为机器视觉系统的核心部件，扮演着眼睛的角色，其成像质量至关重要。
随着机器视觉系统在精密检测领域中的广泛应用，普通光学镜头难以满足检测要求。为弥补普通光学镜头的不足，远心镜头应运而生，其具有独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等，给机器视觉精密检测带来质的飞跃。远心是对镜头光学成像特性的一种描述，一个镜头是由一个光学系统组成，光学系统的前后两侧分别对应着拍摄物体和成像芯片，由于光路可逆，这两侧在一定条件下可互换，在光学定义上把光线进入光学系统的一侧叫做光学系统的物方，把光线通过光学系统折射出的一侧叫做光学系统的像方。当入瞳位于距离光学系统接近无限远处时，光学系统就是物方远心；当出瞳位于距离光学系统接近无限远处时，光学系统就是像方远心；当入瞳和出瞳分别位于光学系统无限远处时，那么光绪系统就是物像双侧远心，简称双远心。目前已有多种双远心镜头应用于机器视觉检测领域。
现今社会中，人们对电子元器件的生产质量和生产效率提出了更高的要求，特别是对Pin针位置度检测的管控日趋严格。由于目前多数双远心镜头景深较大，当采用双远心镜头对Pin针位置度检测时，Pin针的四壁轮廓与器件背景的灰度差异较小，难以稳定高效地获取Pin针的位置度。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的双远心镜头因景深较大而难以稳定高效地获取Pin针的位置度的缺陷，从而提出一种测量精度、成像质量好的小景深高分辨率双远心镜头。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种小景深高分辨率双远心光学镜头，沿光轴方向由物侧至像侧依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、孔径光阑、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8，所述光学镜头景深为0.5mm。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述双凸正透镜L1的物侧面曲率半径为204.022，像侧面曲率半径为-266.000；
所述弯月正透镜L2的物侧面曲率半径为71.097，像侧面曲率半径为185.927；
所述弯月正透镜L3的物侧面曲率半径为34.058，像侧面曲率半径为239.745；
所述弯月负透镜L4的物侧面曲率半径为443.561，像侧面曲率半径为16.366；
所述弯月负透镜L5的物侧面曲率半径为3315.393，像侧面曲率半径为52.525；
所述双凸正透镜L6的物侧面曲率半径为78.802，像侧面曲率半径为-41.628；
所述双凸正透镜L7的物侧面曲率半径为69.314，像侧面曲率半径为-170.086；
所述弯月负透镜L8的物侧面曲率半径为23.099，像侧面曲率半径为16.780。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述双凸正透镜L1的中心厚度为14.570mm，所述弯月正透镜L2的中心厚度为8.812mm，所述弯月正透镜L3的中心厚度为12.649mm，所述弯月负透镜L4的中心厚度为12.076mm，所述弯月负透镜L5的中心厚度为13.256mm，所述双凸正透镜L6的中心厚度为9.169mm，所述双凸正透镜L7的中心厚度为14.188mm，所述弯月负透镜L8的中心厚度为7.654mm。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述双凸正透镜L1到所述弯月正透镜L2之间的空气间隙为10.324mm，所述弯月正透镜L2到所述弯月正透镜L3的空气间隙为10.528mm，所述弯月正透镜L3到所述弯月负透镜L4的空气间隙为3.255mm，所述弯月负透镜L4到所述孔径光阑的空气间隙为10.907mm，所述孔径光阑到所述弯月负透镜L5的空气间隙为30.043mm，所述弯月负透镜L5到所述双凸正透镜L6的空气间隙为4.064mm，所述双凸正透镜L6到所述双凸正透镜L7的空气间隙为4.152mm，所述双凸正透镜L7到所述弯月负透镜L8的空气间隙为8.085mm。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述双凸正透镜L1的阿贝数为49.2，所述弯月正透镜L2的阿贝数为54.7，所述弯月正透镜L3的阿贝数为60.2，所述弯月负透镜L4的阿贝数为26.5，所述弯月负透镜L5的阿贝数为25.0，所述双凸正透镜L6的阿贝数为60.2，所述双凸正透镜L7的阿贝数为54.7，所述弯月负透镜L8的阿贝数为65.8。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述双凸正透镜L1的折射率为1.74，所述弯月正透镜L2的折射率为1.73，所述弯月正透镜L3的折射率为1.64，所述弯月负透镜L4的折射率为1.76，所述弯月负透镜L5的折射率为1.75，所述双凸正透镜L6的折射率为1.64，所述双凸正透镜L7的折射率为1.73，所述弯月负透镜L8的折射率为1.46。
进一步优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述双凸正透镜L1材料为镧火石玻璃，所述弯月正透镜L2材料为镧冕玻璃，所述弯月正透镜L3材料为镧冕玻璃，所述弯月负透镜L4材料为重火石玻璃，所述弯月负透镜L5材料为火石玻璃，所述双凸正透镜L6材料为镧火石玻璃，所述双凸正透镜L7材料为镧火石玻璃，所述弯月负透镜L8材料为冕玻璃。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述光学镜头的数值孔径为0.14。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述光学镜头的放大倍率为-0.5。
优选地，该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，所述光学镜头的光学畸变≤0.1％。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的小景深高分辨率双远心光学镜头，沿光轴方向由物侧至像侧依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、孔径光阑、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8，光学镜头景深为0.5mm。
该结构的小景深高分辨率双远心光学镜头，结构简单，成本较低，具有良好的加工性能；具有极小的景深，可保证机器视觉测量系统能够稳定高效地获取连接器Pin针位置度；成像性能好，可支持2000万像素级别1in高分辨率工业相机；其远心度小，最大畸变小于0.1％，图像失真度大大降低，检测精度进一步提升，可充分应用于未来的机器视觉领域当中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的小景深高分辨率双远心光学镜头结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的小景深高分辨率双远心光学镜头的调制传递函数曲线图；
图3为本发明实施例1提供的小景深高分辨率双远心光学镜头的场曲曲线图；
图4为本发明实施例1提供的小景深高分辨率双远心光学镜头的畸变曲线图；
图5为本发明实施例1提供的小景深高分辨率双远心光学镜头的垂轴色差曲线图；
图6为本发明实施例1提供的小景深高分辨率双远心光学镜头点列图；
附图标记说明：
L1-双凸正透镜；L2-弯月正透镜；L3-弯月正透镜；L4-弯月负透镜；L5-弯月负透镜；L6-双凸正透镜；L7-双凸正透镜；L8-弯月负透镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种小景深高分辨率双远心光学镜头，如图1所示，包括物方透镜组、孔径光阑和像方透镜组，物方透镜组和像方透镜组各四片透镜，其设置方式为：沿光轴方向由物侧2y至像侧2y′依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、孔径光阑、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8。
其中，上述各透镜材料的折射率满足：1.60<n1<1.80，1.60<n2<1.80，1.50<n3<1.70，1.60<n4<1.80，1.60<n5<1.80，1.50<n6<1.70，1.60<n7<1.80，1.30<n8<1.50；
其中，n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7和n8依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8的折射率。
上述各透镜材料的阿贝数满足：45<v1<55，50<v2<60，55<v3<65，20<v4<30，20<v5<30，55<v6<65，50<v7<60，60<v8<70；
其中，v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7和v8依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8的阿贝数。
符合上述条件的材料为：双凸正透镜L1材料为镧火石玻璃，弯月正透镜L2材料为镧冕玻璃，弯月正透镜L3材料为镧冕玻璃，弯月负透镜L4材料为重火石玻璃，弯月负透镜L5材料为火石玻璃，双凸正透镜L6材料为镧火石玻璃，双凸正透镜L7材料为镧火石玻璃，弯月负透镜L8材料为冕玻璃。
本发明对上述各透镜和孔径光阑之间的空气间隙进行了限定：双凸正透镜L1到弯月正透镜L2之间的空气间隙范围是8mm～12mm，弯月正透镜L2到弯月正透镜L3的空气间隙范围是8mm～12mm，弯月正透镜L3到弯月负透镜L4的空气间隙范围是1mm～5mm，弯月负透镜L4到孔径光阑的空气间隙范围是8mm～12mm，孔径光阑到弯月负透镜L5的空气间隙范围是28mm～32mm，弯月负透镜L5到双凸正透镜L6的空气间隙范围是2mm～6mm，双凸正透镜L6到双凸正透镜L7的空气间隙范围是2mm～6mm，双凸正透镜L7到弯月负透镜L8的空气间隙范围是6mm～10mm。
本实施例提供的小景深高分辨率双远心光学镜头具体面形参数如下表所示：
表1.光学镜头面形参数
Figure BDA0002448615510000081
本实施例中，弯月负透镜L8的光线出射面的中心离像侧2y′距离为24.898mm。
本实施例中，光学镜头的景深为0.5mm。
本实施例中，由上述镜头构成的光学系统达到了如下的光学指标：
数值孔径NA＝0.14；
光学后焦＝24.898mm；
工作距离Work Distance＝121.419mm；
放大倍率Magnification＝-0.5；
光学畸变Optical Distortion≤0.1％；
物方远心度Object Size Telecentricity≤9×10-8；
像方远心度Image Size Telecentricity≤0.007；
景深Depth of Field＝0.5mm；
成像面尺寸Image Size＝φ16mm；
由上述光学镜头性能指标可知，该小景深高分辨率双远心镜头光学畸变小，均小于等于0.1％，小于目前市面上同物距和同倍率下的畸变数值，有效降低图像边缘失真度，提高检测精度；物方远心度(Object Size Telecentricity)≤9×10-8，说明该光学镜头物方透镜组主光线充分平行于光轴，入瞳位于物方无限远，在景深范围内，无论物距如何变化，其像空间与物空间的比例恒为定值，为镜头提供了良好的消除视觉差异的能力；像方远心度(Image SizeTelecentricity)≤0.007，说明该光学镜头的像方透镜组主光线充分平行于光轴，出瞳位于像方无穷远，可以保证芯片受光面积的均匀性，使像面照度更加均匀；景深(Depth of Field)＝0.5mm，能够保证机器视觉测量系统稳定地获取Pin针位置度，满足应用需求；最大像面为φ16mm，像面较大。
如图2所示，为本发明实施例提供的光学镜头的调制传递函数曲线图。镜头在208线对处调制传递函数高于0.3，因此该光学镜头具有景深小、分辨率高的优势。
如图3所示，为本发明实施例提供的光学镜头的场曲曲线图。图中显示波长为490nm、550nm及570nm的光束的正切场曲值与弧矢场曲值均控制在良好的范围内。
如图4所示，为本发明实施例提供的光学镜头的畸变曲线图。图中显示波长为490nm、550nm及570nm的光束的畸变率均控制在(-0.1％，+0.1％)范围内。
如图5所示，为本发明实施例提供的光学镜头的垂轴色差曲线图。图中显示垂轴色差小于1μm。
如图6所示，为本发明实施例提供的光学镜头的光学镜头点列图。图中显示最大弥散斑方均根半径是3.806μm，只有像素大小的1.6倍，控制在良好的范围内。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，包括物方透镜组、孔径光阑和像方透镜组，物方透镜组和像方透镜组各四片透镜，其设置方式为：沿光轴方向由物侧至像侧依次为双凸正透镜L1、弯月正透镜L2、弯月正透镜L3、弯月负透镜L4、孔径光阑、弯月负透镜L5、双凸正透镜L6、双凸正透镜L7及弯月负透镜L8，所述光学镜头景深为0.5mm。
2.根据权利要求1所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述双凸正透镜L1的物侧面曲率半径为204.022，像侧面曲率半径为-266.000；
所述弯月正透镜L2的物侧面曲率半径为71.097，像侧面曲率半径为185.927；
所述弯月正透镜L3的物侧面曲率半径为34.058，像侧面曲率半径为239.745；
所述弯月负透镜L4的物侧面曲率半径为443.561，像侧面曲率半径为16.366；
所述弯月负透镜L5的物侧面曲率半径为3315.393，像侧面曲率半径为52.525；
所述双凸正透镜L6的物侧面曲率半径为78.802，像侧面曲率半径为-41.628；
所述双凸正透镜L7的物侧面曲率半径为69.314，像侧面曲率半径为-170.086；
所述弯月负透镜L8的物侧面曲率半径为23.099，像侧面曲率半径为16.780。
3.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述双凸正透镜L1的中心厚度为14.570mm，所述弯月正透镜L2的中心厚度为8.812mm，所述弯月正透镜L3的中心厚度为12.649mm，所述弯月负透镜L4的中心厚度为12.076mm，所述弯月负透镜L5的中心厚度为13.256mm，所述双凸正透镜L6的中心厚度为9.169mm，所述双凸正透镜L7的中心厚度为14.188mm，所述弯月负透镜L8的中心厚度为7.654mm。
4.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述双凸正透镜L1到所述弯月正透镜L2之间的空气间隙为10.324mm，所述弯月正透镜L2到所述弯月正透镜L3的空气间隙为10.528mm，所述弯月正透镜L3到所述弯月负透镜L4的空气间隙为3.255mm，所述弯月负透镜L4到所述孔径光阑的空气间隙为10.907mm，所述孔径光阑到所述弯月负透镜L5的空气间隙为30.043mm，所述弯月负透镜L5到所述双凸正透镜L6的空气间隙为4.064mm，所述双凸正透镜L6到所述双凸正透镜L7的空气间隙为4.152mm，所述双凸正透镜L7到所述弯月负透镜L8的空气间隙为8.085mm。
5.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述双凸正透镜L1的阿贝数为49.2，所述弯月正透镜L2的阿贝数为54.7，所述弯月正透镜L3的阿贝数为60.2，所述弯月负透镜L4的阿贝数为26.5，所述弯月负透镜L5的阿贝数为25.0，所述双凸正透镜L6的阿贝数为60.2，所述双凸正透镜L7的阿贝数为54.7，所述弯月负透镜L8的阿贝数为65.8。
6.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述双凸正透镜L1的折射率为1.74，所述弯月正透镜L2的折射率为1.73，所述弯月正透镜L3的折射率为1.64，所述弯月负透镜L4的折射率为1.76，所述弯月负透镜L5的折射率为1.75，所述双凸正透镜L6的折射率为1.64，所述双凸正透镜L7的折射率为1.73，所述弯月负透镜L8的折射率为1.46。
7.根据权利要求6所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述双凸正透镜L1材料为镧火石玻璃，所述弯月正透镜L2材料为镧冕玻璃，所述弯月正透镜L3材料为镧冕玻璃，所述弯月负透镜L4材料为重火石玻璃，所述弯月负透镜L5材料为火石玻璃，所述双凸正透镜L6材料为镧火石玻璃，所述双凸正透镜L7材料为镧火石玻璃，所述弯月负透镜L8材料为冕玻璃。
8.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的数值孔径为0.14。
9.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的放大倍率为-0.5。
10.根据权利要求1或2所述的小景深高分辨率双远心光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的光学畸变≤0.1％。
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