CN111722381A - 一种视觉镜头 - Google Patents

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刘创标
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Abstract

本发明实施例公开了一种视觉镜头。该视觉镜头包括：沿光轴依次排列的第一透镜组、光阑和第二透镜组；第一透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；第二透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二透镜。本发明实施例提供的视觉镜头分辨率高、畸变小、工作距离长。

Description

一种视觉镜头
技术领域
本发明实施例涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种视觉镜头。
背景技术
随着工业自动化程度越来越高，带动了机器视觉系统的不断发展。机器视觉系统目前被广泛应用于测量、判断、自动化生产等多个方面。
机器视觉系统的核心便是机器视觉镜头，其成像质量是决定机器视觉系统是否可靠的最重要的条件。然而现有技术中的机器视觉镜头的像素低、畸变大、视场角小。
发明内容
本发明实施例提供一种视觉镜头，以实现分辨率高、畸变小、工作距离长的效果。
本发明实施例提供了一种视觉镜头，该视觉镜头包括：沿光轴依次排列的第一透镜组、光阑和第二透镜组；所述第一透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；
所述第二透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二透镜。
可选地，所述第一透镜组包括固定透镜组；所述第二透镜组包括调焦透镜组。
可选地，所述第一透镜组和所述视觉镜头的焦距满足关系式：3<|fg/f|<8；
所述第二透镜组和所述视觉镜头的焦距满足关系式：1<|ft/f|<4；
其中，f为所述视觉镜头的焦距，fg为所述第一透镜组的焦距，ft为所述第二透镜组的焦距。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜的焦距与所述视觉镜头的焦距分别满足关系式：
3.0<|f1/f|<7.0；
1.5<|f2/f|<3.8；
0.9<|f3/f|<12；
1.5<|f4/f|<5.5；
1.6<|f5/f|<4.0；
1.5<|f6/f|<7.2；
0.7<|f7/f|<2.5；
0.4<|f8/f|<0.9；
1.2<|f9/f|<6.0；
0.8<|f10/f|<3.2；
|f11/f|>4.5；
1.1<|f12/f|<3.2；
其中，f为所述视觉镜头的焦距，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距，f5为所述第五透镜的焦距，f6为所述第六透镜的焦距，f7为所述第七透镜的焦距，f8为所述第八透镜的焦距，f9为所述第九透镜的焦距，f10为所述第十透镜的焦距，f11为所述第十一透镜的焦距，f12为所述第十二透镜的焦距。
可选地，所述第四透镜和所述第五透镜构成第一胶合透镜。
可选地，所述第七透镜和所述第八透镜构成第二胶合透镜。
可选地，所述第七透镜的阿贝数和所述第八透镜的阿贝数满足关系式：|vd7-vd8|>30；其中，vd7为所述第七透镜的阿贝数，vd8为所述第八透镜的阿贝数。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜均为玻璃透镜。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜均为玻璃球面透镜。
本发明实施例提供的视觉镜头，通过设置沿光轴依次排列的第一透镜组、光阑和第二透镜组；其中，第一透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；第二透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二透镜，解决现有技术中的视觉镜头的像素低、畸变大、视场角小的问题，实现分辨率高、畸变小、工作距离长的效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种视觉镜头的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的又一种视觉镜头的结构示意图；
图3是图2所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的场曲图；
图4是图2所示的视觉镜头588nm的畸变图；
图5是图2所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的轴向像差图；
图6是图2所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的垂轴色差图；
图7是图1所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的场曲图；
图8是图1所示的视觉镜头588nm的畸变图；
图9是图1所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的轴向像差图；
图10是图1所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的垂轴色差图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种视觉镜头的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的视觉镜头包括：沿光轴依次排列的第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30；第一透镜组10包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第一透镜11、具有负光焦度的第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有负光焦度的第四透镜14、具有正光焦度的第五透镜15和具有正光焦度的第六透镜16；第二透镜组30包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第七透镜31、具有负光焦度的第八透镜32、具有正光焦度的第九透镜33、具有正光焦度的第十透镜34、具有正光焦度的第十一透镜35和具有负光焦度的第十二透镜36。
其中，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜组)。在本实施例中，可以将各个透镜固定于一个镜筒(图1中未示出)内，通过合理分配透镜的光焦度，使得视觉镜头成像效果好。
在本实施例中，第一透镜组10的作用为补偿作用，第二透镜组30的作用为聚焦作用，光阑20的作用为调节第一透镜组10和第二透镜组30接收的光束的强弱，提升成像质量。通过合理的分配第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜31、第八透镜32、第九透镜33、第十透镜34、第十一透镜35和第十二透镜36的光焦度，使得本发明实施例提供的视觉镜头的全视场光学畸变小于1％，像面最小分辨尺寸小于2μm，在全工作距都保持良好的成像质量以适应不同的测量要求。
本实施例的技术方案，通过设置沿光轴依次排列的第一透镜组、光阑和第二透镜组；其中，第一透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；第二透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二透镜，解决现有技术中的视觉镜头的像素低、畸变大、视场角小的问题，实现分辨率高、畸变小、工作距离长的效果。
可选地，继续参见图1，第一透镜组10包括固定透镜组；第二透镜组30包括调焦透镜组。
具体的，当工作距离改变时，调焦透镜组相对固定透镜组前后移动进行对焦，从而寻找最佳成像面，提高成像质量。
可选地，继续参见图1，第一透镜组10和视觉镜头的焦距满足关系式：3<|fg/f|<8；第二透镜组30和视觉镜头的焦距满足关系式：1<|ft/f|<4；其中，f为视觉镜头的焦距，fg为第一透镜组10的焦距，ft为第二透镜组30的焦距。
可选地，继续参见图1，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜31、第八透镜32、第九透镜33、第十透镜34、第十一透镜35和第十二透镜36的焦距与视觉镜头的焦距分别满足关系式：3.0<|f1/f|<7.0；1.5<|f2/f|<3.8；0.9<|f3/f|<12；1.5<|f4/f|<5.5；1.6<|f5/f|<4.0；1.5<|f6/f|<7.2；0.7<|f7/f|<2.5；0.4<|f8/f|<0.9；1.2<|f9/f|<6.0；0.8<|f10/f|<3.2；|f11/f|>4.5；1.1<|f12/f|<3.2；其中，f为视觉镜头的焦距，f1为第一透镜11的焦距，f2为第二透镜12的焦距，f3为第三透镜13的焦距，f4为第四透镜14的焦距，f5为第五透镜15的焦距，f6为第六透镜16的焦距，f7为第七透镜31的焦距，f8为第八透镜32的焦距，f9为第九透镜33的焦距，f10为第十透镜34的焦距，f11为第十一透镜35的焦距，f12为第十二透镜36的焦距。
如上所述的各透镜参数，可实现相互之间的配合，一方面通过各透镜焦距调节光束的光线线路，最终实现高分辨率，小畸变；另一方面，通过各透镜焦距调节使得视觉镜头在全工作距都保持良好的成像质量以适应不同的测量要求。
可选地，继续参见图1，第四透镜14和第五透镜15构成第一胶合透镜。这样设置的好处在于，一方面可以用来校正色差，提高成像质量；另一方面可以进一步缩小视觉镜头的体积，实现小型化。
需要说明的是，第四透镜14和第五透镜15可以构成第一胶合透镜，如图1所示；第四透镜14和第五透镜15也可以分开设置，本实施例不进行具体限定。可选的，图2是本发明实施例提供的又一种视觉镜头的结构示意图，如图2所示，第四透镜14和第五透镜15分开设置。
可选地，继续参见图1，第七透镜31和第八透镜32构成第二胶合透镜。这样设置的好处在于，一方面可以用来校正色差，提高成像质量；另一方面可以进一步缩小视觉镜头的体积，实现小型化。
在上述方案的基础上，可选地，继续参见图1，第七透镜31的阿贝数和第八透镜32的阿贝数满足关系式：|vd7-vd8|>30；其中，vd7为第七透镜31的阿贝数，vd8为第八透镜32的阿贝数。
具体的，当|vd7-vd8|>30时，可以保证，第七透镜31和第八透镜32为低色散透镜，采用色散较低的透镜进行进一步色差校正，可以一定程度上提高色差校正的能力，进而改善视觉镜头的成像质量。
可选地，继续参见图1，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜31、第八透镜32、第九透镜33、第十透镜34、第十一透镜35和第十二透镜36均为玻璃透镜。
示例性的，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜31、第八透镜32、第九透镜33、第十透镜34、第十一透镜35和第十二透镜36可全部采用玻璃材料制成，如此，可以利用玻璃透镜的温度稳定性，来保证视觉镜头在高低温环境下的性能稳定。
可选地，继续参见图1，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜31、第八透镜32、第九透镜33、第十透镜34、第十一透镜35和第十二透镜36均为玻璃球面透镜。如此，既保证视觉镜头在高低温环境下的性能稳定，同时还降低了视觉镜头的成本。
下面将结合具体示例，对本发明实施例提供的视觉镜头进行进一步的描述，需要说明的是，下述示例不构成对本申请的限定。
示例性的：继续参见图2，在该实施例中，图2所示的视觉镜头中沿光轴从物方到像方的各个透镜的曲率半径、中心厚度(即相邻镜面中心点的距离)、折射率和阿贝数满足表1所列条件：
表1为所述视觉镜头的一种设计值(f＝8.0mm；光圈F2.4)：
面序号 曲率半径 厚度 折射 阿贝数
S1 30.01 4.00 1.62 60.4
S2 238.44 0.10
S3 23.11 0.80 1.83 42.7
S4 9.85 3.67
S5 80.79 0.80 1.92 20.9
S6 14.60 2.17
S7 -18.39 0.80 1.62 60.4
S8 32.32 0.66
S9 100.00 5.33 1.92 20.9
S10 -20.72 0.10
S11 28.53 5.04 1.83 42.7
S12 84.56 6.44
STO PL 2.43
S14 10.36 3.20 1.50 81.6
S15 -5.27 0.80 1.83 42.7
S16 20.64 1.00
S17 25.09 3.50 1.50 81.6
S18 -6.83 0.10
S19 18.42 2.50 1.83 42.7
S20 -51.93 0.10
S21 100.00 2.00 1.83 42.7
S22 620.67 1.50
S23 -8.85 0.80 1.83 42.7
S24 -30.40 3.73
S25 PL 1.65 1.52 64.2
S26 PL 5.34
表1中的面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，其中“S1”代表第一透镜11的前表面，“S2”代表第一透镜12的后表面，依次类推；曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“PL”代表该表面为平面，曲率半径为无穷大；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，折射率代表当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1；阿贝数代表当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性，空格代表当前位置为空气。
其中，图3是图2所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的场曲图；图4是图2所示的视觉镜头588nm的畸变图；图5是图2所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的轴向像差图；图6是图2所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的垂轴色差图。由图3可知，本实施例提供的视觉镜头的场曲较小，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小。由图4可知，本实施例提供的视觉镜头的全视场光学畸变小。由图5和图6可知，本实施例提供的视觉镜头轴向像差小，垂轴色差小。即通过图3、图4、图5和图6可知，本发明实施例提供的视觉镜头的成像质量好，全视场光学畸变小，分辨率高，在全工作距都保持良好的成像质量。
示例性的，继续参见图1，在该实施例中，图1所示的镜头中沿光轴从物方到像方的各个透镜的曲率半径、中心厚度(即相邻镜面中心点的距离)、折射率和阿贝数满足表2所列条件：
表2为所述视觉镜头的又一种设计值(f＝8.0mm；光圈F2.4)：
Figure BDA0002601302700000101
Figure BDA0002601302700000111
表2中的面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，其中“S1”代表第一透镜的前表面，“S2”代表第一透镜的后表面，依次类推；曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“PL”代表该表面为平面，曲率半径为无穷大；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，折射率代表当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1；阿贝数代表当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性，空格代表当前位置为空气。
图7是图1所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的场曲图；图8是图1所示的视觉镜头588nm的畸变图；图9是图1所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的轴向像差图；图10是图1所示的视觉镜头486nm、588nm、656nm的垂轴色差图。由图7可知，本实施例提供的视觉镜头的场曲较小，在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小。由图8可知，本实施例提供的视觉镜头的全视场光学畸变小。由图9和图10可知，本实施例提供的视觉镜头轴向像差小，垂轴色差小。即通过图7、图8、图9和图10可知，本发明实施例提供的视觉镜头的成像质量好，全视场光学畸变小，分辨率高，在全工作距都保持良好的成像质量。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种视觉镜头，其特征在于，包括：沿光轴依次排列的第一透镜组、光阑和第二透镜组；所述第一透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；
所述第二透镜组包括沿光轴从物方至像方依次排列的具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二透镜。
2.根据权利要求1所述的视觉镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括固定透镜组；所述第二透镜组包括调焦透镜组。
3.根据权利要求1所述的视觉镜头，其特征在于，所述第一透镜组和所述视觉镜头的焦距满足关系式：3<|fg/f|<8；
所述第二透镜组和所述视觉镜头的焦距满足关系式：1<|ft/f|<4；
其中，f为所述视觉镜头的焦距，fg为所述第一透镜组的焦距，ft为所述第二透镜组的焦距。
4.根据权利要求1所述的视觉镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜的焦距与所述视觉镜头的焦距分别满足关系式：
3.0<|f1/f|<7.0；
1.5<|f2/f|<3.8；
0.9<|f3/f|<12；
1.5<|f4/f|<5.5；
1.6<|f5/f|<4.0；
1.5<|f6/f|<7.2；
0.7<|f7/f|<2.5；
0.4<|f8/f|<0.9；
1.2<|f9/f|<6.0；
0.8<|f10/f|<3.2；
|f11/f|>4.5；
1.1<|f12/f|<3.2；
其中，f为所述视觉镜头的焦距，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距，f5为所述第五透镜的焦距，f6为所述第六透镜的焦距，f7为所述第七透镜的焦距，f8为所述第八透镜的焦距，f9为所述第九透镜的焦距，f10为所述第十透镜的焦距，f11为所述第十一透镜的焦距，f12为所述第十二透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的视觉镜头，其特征在于，所述第四透镜和所述第五透镜构成第一胶合透镜。
6.根据权利要求1所述的视觉镜头，其特征在于，所述第七透镜和所述第八透镜构成第二胶合透镜。
7.根据权利要求6所述的视觉镜头，其特征在于，所述第七透镜的阿贝数和所述第八透镜的阿贝数满足关系式：|vd7-vd8|>30；其中，vd7为所述第七透镜的阿贝数，vd8为所述第八透镜的阿贝数。
8.根据权利要求1所述的视觉镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜均为玻璃透镜。
9.根据权利要求8所述的视觉镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜均为玻璃球面透镜。
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