CN112612131A - 一种大靶面宽工作距高清工业镜头 - Google Patents

一种大靶面宽工作距高清工业镜头 Download PDF

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CN112612131A
CN112612131A CN202110007543.6A CN202110007543A CN112612131A CN 112612131 A CN112612131 A CN 112612131A CN 202110007543 A CN202110007543 A CN 202110007543A CN 112612131 A CN112612131 A CN 112612131A
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lens group
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宋喆男
梁宏皓
汤熙斌
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Abstract

本发明公开了一种大靶面宽工作距高清工业镜头，包括从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2，调焦时，第一透镜组G1相对像面固定，第二透镜组G2沿光轴移动；大靶面宽工作距高清工业镜头还满足如下条件：2.0≤|F1/F2|≤6.0，‑0.3≤f/F1≤0.1，其中，F1为第一透镜组G1的焦距，F2为第二透镜组G2的焦距，f为光学系统焦距。本申请满足高像素大靶面的需求，且工作距离范围宽，解析性能好且稳定，光学系统畸变小，成像质量高。

Description

一种大靶面宽工作距高清工业镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种大靶面宽工作距高清工业镜头。
背景技术
随着机械制造业的不断发展，大型机械检测设备精度要求越来越高，市面上千万级像素的CCD、CMOS图像传感器更是不断涌现，对其镜头的像素和畸变要求也越来越高。尤其是在一些缺陷检测、定位监控、色选等应用中，对工业镜头的光学畸变、适用工作距离范围、分辨率等要求较高；而现有的工业镜头普遍存在支持靶面小、像素低、工作距离窄、畸变大等不同种类或不同程度的缺憾，因此对于高像素、低畸变、宽工作距离的工业镜头的研发就更为迫切。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种大靶面宽工作距高清工业镜头，满足高像素大靶面的需求，且工作距离范围宽，解析性能好且稳定，光学系统畸变小，成像质量高。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种大靶面宽工作距高清工业镜头，包括从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2，调焦时，第一透镜组G1相对像面固定，第二透镜组G2沿光轴移动；
大靶面宽工作距高清工业镜头还满足如下条件：
2.0≤|F1/F2|≤6.0
-0.3≤f/F1≤0.1
其中，F1为第一透镜组G1的焦距，F2为第二透镜组G2的焦距，f为光学系统焦距。
优选地，第一透镜组G1包括具有负光焦度的光学元件L11，光学元件L11为靠近物面的第一枚透镜，且满足如下条件：
3.0≤|F11/F1|≤25
其中，F11为光学元件L11的焦距。
优选地，第一透镜组G1还包括光学元件L12，光学元件L12为单透镜或胶合透镜组，并位于光学元件L11的像面侧。
优选地，第一透镜组G1还包括光学元件L13，光学元件L13为单透镜或胶合透镜组，并位于光学元件L12的像面侧。
优选地，光学元件L11满足如下条件：
1.90≤nd≤1.98
其中，nd为d线下的折射率。
优选地，第二透镜组G2包括从物面至像面依次设置的前透镜组GF、孔径光阑ST和后透镜组GB，调焦时，前透镜组GF、孔径光阑ST和后透镜组GB沿光轴同步移动。
优选地，后透镜组GB包括从物面至像面依次设置的光学元件L24、光学元件L25和光学元件L26，光学元件L24为胶合透镜组，光学元件L25为具有正或负光焦度的单透镜，光学元件L26为具有正光焦度的双凸透镜。
优选地，前透镜组GF包括从物面至像面依次设置的光学元件L21和光学元件L22，光学元件L21为双凸正透镜，光学元件L22为单透镜或胶合透镜组。
优选地，前透镜组GF还包括光学元件L23，光学元件L23为单透镜或胶合透镜组，并位于光学元件L22的像面侧。
优选地，大靶面宽工作距高清工业镜头还包括像面保护玻璃CG。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)通过控制第一透镜组G1与第二透镜组G2的焦距比、第一透镜组与光学系统的焦距比，提高调焦群的型倍率，实现短行程内达到更宽的工作距离，调焦速度快，且采用后调焦方式，可在宽工作距离范围内实现高质量成像，满足两千五百万级画素及1.2英寸的靶面需求，像素高、靶面大、畸变小；
2)通过控制物面侧第一枚透镜与第一透镜组G1的焦距比、第一枚透镜的折射率、孔径光阑ST位置和第二透镜组G2的光焦度分布，使其在成像过程中具有较小的光学畸变以及图像变形，且光学后焦长、主光线角度小，成像更加清晰。
附图说明
图1为本申请实施例1的镜头整体结构示意图；
图2是本申请实施例1镜头工作距为300mm时的MTF图；
图3是本申请实施例1镜头工作距为800mm时的MTF图；
图4是本申请实施例1镜头工作距为150mm时的MTF图；
图5为本申请实施例2的镜头整体结构示意图；
图6是本申请实施例2镜头工作距为300mm时的MTF图；
图7是本申请实施例2镜头工作距为800mm时的MTF图；
图8是本申请实施例2镜头工作距为150mm时的MTF图；
图9为本申请实施例3的镜头整体结构示意图；
图10是本申请实施例3镜头工作距为300mm时的MTF图；
图11是本申请实施例3镜头工作距为800mm时的MTF图；
图12是本申请实施例3镜头工作距为150mm时的MTF图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请说明书中的相关符号定义如下：F1为第一透镜组G1的焦距，F2为第二透镜组G2的焦距，f为光学系统焦距，F11为光学元件L11的焦距，Si为表面号；Ri为曲率半径；di为第i个表面和第i+1个表面之间的轴上表面距离；nd为折射率；νd为阿贝数；Fno为F数；θ为半视场角，RED为放大倍率；D(0)为工作距即物面至光学元件L11物面侧面顶点之间的轴上距离；D(1)为第一透镜组G1与第二透镜组G2的相邻面顶点之间的轴上距离；D(2)为第二透镜组G2与保护玻璃CG的相邻面顶点之间的轴上距离；∞表示表面为平面。镜头相关参数数据中，长度单位为mm，以下将省略示出单位。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
一种大靶面宽工作距高清工业镜头，包括从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2，调焦时，第一透镜组G1相对像面固定，第二透镜组G2沿光轴移动；
大靶面宽工作距高清工业镜头还满足如下条件：
2.0≤|F1/F2|≤6.0
-0.3≤f/F1≤0.1
其中，F1为第一透镜组G1的焦距，F2为第二透镜组G2的焦距，f为光学系统焦距。
其中，本申请的镜头包括从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2，光线依次穿过第一透镜组G1和第二透镜组G2中的各透镜在像面IMG进行成像。通过控制第一透镜组G1与第二透镜组G2的焦距比、第一透镜组G1与光学系统的焦距比分别在2.0≤|F1/F2|≤6.0和-0.3≤f/F1≤0.1范围内，提高调焦群即第二透镜组G2的型倍率，实现短行程内达到更宽的工作距离，调焦速度快，且采用后调焦方式，即固定第一透镜组G1，使第二透镜组G2沿光轴移动进行调焦，可在宽工作距离范围内实现高质量成像，满足两千五百万级画素及1.2英寸的靶面需求，光学后焦长、主光线角度和畸变变化小，成像更加清晰。
在一实施例中，第一透镜组G1包括具有负光焦度的光学元件L11，光学元件L11为靠近物面的第一枚透镜，且满足如下条件：
3.0≤|F11/F1|≤25
其中，F11为光学元件L11的焦距。
其中，第一透镜组G1中的L11光学元件和第一透镜组G1的焦距比控制在3.0≤|F11/F1|≤25范围内，在缩短镜头光学总长的同时，还保证在大靶面下具有较小的像散和畸变，使得镜头具有良好的轴外视场成像质量。
在一实施例中，第一透镜组G1还包括光学元件L12，光学元件L12为单透镜或胶合透镜组，并位于光学元件L11的像面侧。
其中，通过光学元件L12实现不同光焦度的配合，调整放大倍率、校正诸像差。
在一实施例中，第一透镜组G1还包括光学元件L13，光学元件L13为单透镜或胶合透镜组，并位于光学元件L12的像面侧。
其中，通过光学元件L13可进一步实现不同光焦度的配合，调整放大倍率、校正诸像差。
需要说明的是，光学元件L12和光学元件L13均为单透镜或胶合透镜组，可根据实际需求，如根据镜头尺寸大小、加工难易程度或成像质量进行设计，且还可增设或减少第一透镜组G1的光学元件的数量进行调整。
在一实施例中，光学元件L11满足如下条件：
1.90≤nd≤1.98
其中，nd为d线下的折射率。
其中，光学元件L11的折射率范围为1.90≤nd≤1.98，有助于提高镜头光圈，并通过提高光学元件材料的折射率减小球差，实现良好的成像性能。
在一实施例中，第二透镜组G2包括从物面至像面依次设置的前透镜组GF、孔径光阑ST和后透镜组GB，调焦时，前透镜组GF、孔径光阑ST和后透镜组GB沿光轴同步移动。
其中，通过控制孔径光阑ST的位置，使镜头在调焦时，满足入瞳位置与物距变化保持一致，保证宽工作距离内相对照度的稳定。
在一实施例中，后透镜组GB包括从物面至像面依次设置的光学元件L24、光学元件L25和光学元件L26，光学元件L24为胶合透镜组，光学元件L25为具有正或负光焦度的单透镜，光学元件L26为具有正光焦度的双凸透镜。
其中，通过胶合透镜组光学元件L24校正孔径光阑ST后的色差，并利用双凸正透镜光学元件L26进一步校正慧差、像散等像差，还增加光学后截距，为大靶面镜头的使用提供物理空间。
在一实施例中，前透镜组GF包括从物面至像面依次设置的光学元件L21和光学元件L22，光学元件L21为双凸正透镜，光学元件L22为单透镜或胶合透镜组。
其中，通过光学元件L21和光学元件L22可实现不同光焦度的配合，并调整放大倍率、校正诸像差。
在一实施例中，前透镜组GF还包括光学元件L23，光学元件L23为单透镜或胶合透镜组，并位于光学元件L22的像面侧。
其中，通过光学元件L23可进一步实现不同光焦度的配合，并调整放大倍率、校正诸像差。
需要说明的是，光学元件L22和光学元件L23均为单透镜或胶合透镜组，可根据实际需求，如根据镜头尺寸大小、加工难易程度或成像质量进行设计，且还可增设或减少前透镜组GF的光学元件的数量进行调整。
在一实施例中，大靶面宽工作距高清工业镜头还包括像面保护玻璃CG。
其中，保护玻璃CG用于保护像面不受损，延长使用寿命。
该镜头通过合理配置第一透镜组G1与第二透镜组G2的焦距比、以及第一透镜组G1与光学系统的焦距比，提高调焦群的型倍率，实现短行程内达到更宽的工作距离，调焦速度快，且采用后调焦方式，可在宽工作距离范围内实现高质量成像，满足高像素、大靶面、低畸变要求；并通过合理配置物面侧第一枚透镜与第一透镜组G1的焦距比、第一枚透镜L11的折射率、孔径光阑ST位置和第二透镜组G2的光焦度分布，实现轴上和轴外的高性能成像，使其在成像过程中具有较小的光学畸变以及图像变形，且光学后焦长、主光线角度小，成像清晰。
以下，基于附图详细说明本申请的大靶面宽工作距高清工业镜头相关实施例。
实施例1：
如图1-4所示，一种大靶面宽工作距高清工业镜头，包括从物面至像面依次设置的光学元件L11、光学元件L12、光学元件L13、光学元件L21、光学元件L22、孔径光阑ST、光学元件L24、光学元件L25、光学元件L26和像面保护玻璃CG。
具体地，如图1所示，L11为双凹透镜，L12为双凸透镜，L13为从物面至像面依次设置的双凹透镜和双凸透镜组成的胶合透镜组，L21为双凸正透镜，L22为从物面至像面依次设置的负弯月透镜和正弯月透镜组成的胶合透镜组，L24为从物面至像面依次设置的负弯月透镜和双凸透镜组成的胶合透镜组，L25为双凹透镜，L26为双凸透镜，图1中箭头表示第二透镜组G2为调焦群，可沿光轴移动调焦。且满足|F1/F2|＝4.09，f/F1＝-0.19，|F11/F1|＝5.84，镜头的参数满足：f＝24.97，Fno＝2.75，2θ＝42°。镜头的各透镜的光学数据参数如下表。
Figure BDA0002884119870000071
上述表中，表面号Si所在列中，0表示物面，21即IMG表示像面，表面号1至20依次为从物面至像面的各透镜、孔径光阑、保护玻璃的表面，需要说明的是，胶合透镜组中的不同透镜的胶合面表示为同一个表面。
本实施例调焦数据参数如下表。
D(0) 300 800 150
RED 0.08 0.03 0.16
f 24.97 24.8 25.3
D(1) 2.72 4.02 0.62
D(2) 8.26 6.95 10.35
图2-4所示，为本实施例的镜头分别在300mm、800mm和150mm的不同工作距下的MTF图，由图可得本实施例的镜头可在宽工作距离范围内实现高质量成像，满足高像素、大靶面、低畸变要求。
实施例2：
如图5-8所示，一种大靶面宽工作距高清工业镜头，包括从物面至像面依次设置的光学元件L11、光学元件L12、光学元件L21、光学元件L22、孔径光阑ST、光学元件L24、光学元件L25、光学元件L26和像面保护玻璃CG。
具体地，如图5所示，L11为双凹透镜，L12为从物面至像面依次设置的负弯月透镜和双凸透镜组成的胶合透镜组，L21为双凸正透镜，L22为从物面至像面依次设置的双凸透镜和双凹透镜组成的胶合透镜组，L24为从物面至像面依次设置的双凹透镜和双凸透镜组成的胶合透镜组，L25为平凸透镜，L26为双凸透镜，图5中箭头表示第二透镜组G2为调焦群，可沿光轴移动调焦。且满足|F1/F2|＝2.77，f/F1＝-0.28，|F11/F1|＝4.70，镜头的参数满足：f＝24.75，Fno＝2.8，2θ＝38°。本实施例镜头中的各透镜的光学数据参数如下表。
Figure BDA0002884119870000081
Figure BDA0002884119870000091
上述表中，表面号Si所在列中，0表示物面，19即IMG表示像面，表面号1至18依次为从物面至像面的各透镜、孔径光阑、保护玻璃的表面，需要说明的是，胶合透镜组中的不同透镜的胶合面表示为同一个表面。
本实施例调焦数据参数如下表。
D(0) 300 800 150
RED 0.08 0.03 0.16
f 24.75 24.44 25.29
D(1) 2.88 4.26 0.54
D(2) 13.04 11.66 15.38
图6-8所示，为本实施例的镜头分别在300mm、800mm和150mm的不同工作距下的MTF图，由图可得本实施例的镜头可在宽工作距离范围内实现高质量成像，满足高像素、大靶面、低畸变要求。
实施例3：
如图9-12所示，一种大靶面宽工作距高清工业镜头，包括从物面至像面依次设置的光学元件L11、光学元件L12、光学元件L13、光学元件L21、光学元件L22、光学元件L23、孔径光阑ST、光学元件L24、光学元件L25、光学元件L26和像面保护玻璃CG。
具体地，如图9所示，L11为双凹透镜，L12为从物面至像面依次设置的双凸透镜和双凹透镜组成的胶合透镜组，L13为双凸透镜，L21为双凸正透镜，L22为双凸透镜，L23为从物面至像面依次设置的双凸透镜和双凹透镜组成的胶合透镜组，L24为从物面至像面依次设置的双凹透镜和双凸透镜组成的胶合透镜组，L25为负弯月透镜，L26为双凸透镜，图9中箭头表示第二透镜组G2为调焦群，可沿光轴移动调焦。且满足|F1/F2|＝2.84，f/F1＝-0.26，|F11/F1|＝4.21，镜头的参数满足：f＝25.97，Fno＝4.0，2θ＝40.7°。
本实施例镜头中的各透镜的光学数据参数如下表。
Figure BDA0002884119870000101
上述表中，表面号Si所在列中，0表示物面，23即IMG表示像面，表面号1至22依次为从物面至像面的各透镜、孔径光阑、保护玻璃的表面，需要说明的是，胶合透镜组中的不同透镜的胶合面表示为同一个表面。
本实施例调焦数据参数如下表。
D(0) 300 800 150
RED 0.08 0.03 0.17
f 25.97 25.68 26.47
D(1) 2.70 4.18 0.25
D(2) 18.37 16.90 20.83
图10-12所示，为本实施例的镜头分别在300mm、800mm和150mm的不同工作距下的MTF图，由图可得本实施例的镜头可在宽工作距离范围内实现高质量成像，满足高像素、大靶面、低畸变要求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述大靶面宽工作距高清工业镜头包括从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2，调焦时，所述第一透镜组G1相对像面固定，所述第二透镜组G2沿光轴移动；
所述大靶面宽工作距高清工业镜头还满足如下条件：
2.0≤|F1/F2|≤6.0
-0.3≤f/F1≤0.1
其中，F1为所述第一透镜组G1的焦距，F2为所述第二透镜组G2的焦距，f为光学系统焦距。
2.如权利要求1所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述第一透镜组G1包括具有负光焦度的光学元件L11，所述光学元件L11为靠近物面的第一枚透镜，且满足如下条件：
3.0≤|F11/F1|≤25
其中，F11为所述光学元件L11的焦距。
3.如权利要求2所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述第一透镜组G1还包括光学元件L12，所述光学元件L12为单透镜或胶合透镜组，并位于所述光学元件L11的像面侧。
4.如权利要求3所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述第一透镜组G1还包括光学元件L13，所述光学元件L13为单透镜或胶合透镜组，并位于所述光学元件L12的像面侧。
5.如权利要求2至4任一权利要求所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述光学元件L11满足如下条件：
1.90≤nd≤1.98
其中，nd为d线下的折射率。
6.如权利要求1所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述第二透镜组G2包括从物面至像面依次设置的前透镜组GF、孔径光阑ST和后透镜组GB，调焦时，所述前透镜组GF、孔径光阑ST和后透镜组GB沿光轴同步移动。
7.如权利要求6所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述后透镜组GB包括从物面至像面依次设置的光学元件L24、光学元件L25和光学元件L26，所述光学元件L24为胶合透镜组，所述光学元件L25为具有正或负光焦度的单透镜，所述光学元件L26为具有正光焦度的双凸透镜。
8.如权利要求7所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述前透镜组GF包括从物面至像面依次设置的光学元件L21和光学元件L22，所述光学元件L21为双凸正透镜，所述光学元件L22为单透镜或胶合透镜组。
9.如权利要求8所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述前透镜组GF还包括光学元件L23，所述光学元件L23为单透镜或胶合透镜组，并位于所述光学元件L22的像面侧。
10.如权利要求1所述的大靶面宽工作距高清工业镜头，其特征在于：所述大靶面宽工作距高清工业镜头还包括像面保护玻璃CG。
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