CN113253440A - 超紧凑大口径离轴反射式远心物镜 - Google Patents

超紧凑大口径离轴反射式远心物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其采用双反射镜同轴望远镜作为初始结构进行设计；增加改正镜组，以修改双反射镜同轴望远镜的焦比；将修改后的双反射镜同轴望远镜进行离轴，获得离轴改正望远镜；修改光瞳位置，并在后面与后透镜组组合成为远心物镜。本发明包括前离轴反射主镜、共轴反射副镜、改正镜组以及后透镜组；共轴反射副镜的光轴与改正镜组、后透镜组同轴；改正镜组包含与共轴反射副镜同轴分布的第一凹透镜；后透镜组包含与共轴反射副镜同轴分布的的第一凸透镜、后透镜组光瞳、第二凸透镜以及第二凹透镜。本发明通过使用离轴反射式设计方案，可以在重量或体积增加不大的情况下，大幅增加远心镜头的测量视场。

Description

超紧凑大口径离轴反射式远心物镜
技术领域
本发明属于远心光学系统技术领域，具体涉及一种超紧凑大口径离轴反射式远心物镜。
背景技术
远心镜头由于其主光线与光轴平行，因此可纠正传统工业镜头视差，在视觉检测和测量领域有更好的成像效果和成像精度。例如，利用机器视觉测量机械零件过程中，零件放置位置无法精确确定，且测量过程中间距有可能不断变化，远心镜头的无透视测量误差可以完美解决该问题；远心镜头具有很大的景深，在检测较厚物体时仍能保有极佳的影像对比度。远心镜头的诸多优点，使得其成为机器视觉领域的高端镜头，常用于半导体、平面显示及其他行业的机器视觉测量。
远心镜头的前透镜组口径与被测物体大小相当，随着被测目标的增大，必须要同等的增大远心物镜前透镜组口径。传统的折射式远心镜头，增大折射前透镜组带来的主要问题有：（1）为了克服重力及其他应力的影响，前透镜组需要保持足够的厚度以获得足够刚度，透射式系统的前透镜组重量与口径成3次方，这就使得折射式大口径远心物镜整体重量大幅提升。（2）大口径前透镜组的光焦度与系统整体校正像差难度互为矛盾关系，即前透镜组光焦度大，透射式远心物镜的长度与体积可以降低，但是快焦比前透镜组带来的大像差给后部透镜组的像差校正带来更大的负担；当前透镜组光焦度小，慢焦比前透镜组带来的像差较小，后部透镜组校正像差负担也小，但是慢焦比使得前透镜组与后透镜组的距离增大，系统的体积很大。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种超紧凑大口径离轴反射式远心物镜。
本发明通过以下技术方案予以实现：
超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其基于双反射镜同轴望远镜为设计基础，通过增加改正镜组以修改双反射镜同轴望远镜的焦比；将改正后的双反射镜同轴望远镜进行离轴，获得离轴改正望远镜；然后通过修改光瞳位置，并在后面与后透镜组组合成为远心物镜，通过组合不同的后透镜组，远心物镜分为物方远心镜、物与像的双远心镜；上述增加改正镜组与离轴处理的先后顺序可自由调换。
上述超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，包括前离轴反射主镜、共轴反射副镜、改正镜组以及后透镜组；前离轴反射主镜包含光轴离轴且光轴方向与入射主光线平行的离轴反射主镜；共轴反射副镜包含与改正镜组、后透镜组同轴分布的反射副镜；改正镜组包含与共轴反射副镜同轴分布的第一凹透镜；后透镜组包含与共轴反射副镜同轴分布的第一凸透镜、第二凸透镜、后透镜组光瞳以及第二凹透镜。
光曈是孔径光阑的像，分为入射光瞳与出射光瞳，在初始结构中双反射镜同轴望远镜的反射主镜设置为孔径光阑；上述修改光瞳位置具体为：将离轴改正望远镜的物面由无限远处移至离轴改正望远镜的前焦面处，离轴改正望远镜的后焦面设置为孔径光阑。
当远心物镜为物方远心镜，后透镜组的光曈包括入射光瞳与出射光瞳，计算后透镜组的入射光瞳位置，并将该入射光瞳位置与修改光瞳位置后的孔径光阑重合。
当远心物镜为物与像的双远心镜，先计算后透镜组的前焦面位置，并将该前焦面位置与修改光瞳位置后的孔径光阑重合。
进一步地，前离轴反射主镜与共轴反射副镜可以是球面、双曲面或非球面结构，优选地，采用更复杂的非球面面型，面型数据表达式为：
Figure 536280DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 430418DEST_PATH_IMAGE002
为曲率，
Figure 311786DEST_PATH_IMAGE003
为归一化径向坐标，
Figure 402102DEST_PATH_IMAGE004
为圆锥系数，
Figure 318105DEST_PATH_IMAGE005
为1阶至7阶非球面系数。
进一步地，前离轴反射主镜与共轴反射副镜由普通玻璃或者金属制成，并在表面增镀反射膜。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
（1）本发明通过使用离轴反射式设计方案，可以在重量或体积增加不大的情况下，大幅增加远心镜头的测量视场。
（2）本发明通过使用离轴反射式设计，反射镜扩大口径情况下，整体重量提升较小。
（3）本发明前透镜组采用两块反射式镜片，可以使得光线折叠，从而大幅降低系统的物理尺寸。
（4）本发明采用离轴反射设计可以避免前透镜组副镜的遮光效应。
附图说明
图1为初始结构的双反射镜同轴望远镜的光路示意图；
图2为初始结构进行离轴处理的光路示意图；
图3为初始结构增加改正镜组的光路示意图；
图4为初始结构进行离轴+增加改正镜组设计后的光路示意图；
图5为本发明中离轴反射式远心物镜的的光路示意图；
图6为本发明离轴反射式远心物镜渲染图；
图7为本发明离轴反射式远心物镜在常温下光学系统光学调制传递函数图；
图8 为本发明离轴反射式远心物镜点扩散函数图；
图9 为本发明离轴反射式远心物镜光扇图。
在本发明的描述中，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。
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、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、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。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
一种超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，基于双反射镜同轴望远镜为设计基础，通过增加改正镜、修改双反射镜同轴望远镜的焦比，将改正后的双反射镜同轴望远镜进行离轴，获得离轴改正望远镜；然后通过修改光瞳位置，并在后面与常见物镜组合成为远心物镜，上述增加改正镜组与离轴处理的先后顺序可自由调换。
（1）双反射镜同轴望远镜初始结构设计
本实施例采用双反射镜同轴望远镜作为初始结构，其光学结构如图1所示，包括两组对称的同轴望远镜初始反射主镜1、位于两组同轴望远镜初始反射主镜1中心线位置的同轴望远镜初始反射副镜2，初始结构的双反射镜同轴望远镜的光瞳位于同轴望远镜初始反射主镜1位置；
定义两个系数：
Figure 630749DEST_PATH_IMAGE006
（1）
式（1）中，
Figure 999413DEST_PATH_IMAGE007
为同轴望远镜初始反射副镜2的放大倍率，
Figure 158999DEST_PATH_IMAGE008
为同轴望远镜初始反射主镜1的二次曲面系数，
Figure 663930DEST_PATH_IMAGE009
为同轴望远镜初始反射副镜2的二次曲面系数。
则可以计算前面四阶系统总塞德尔系数，在具体实施中光学系统的总赛德尔系数可以一个面一个面计算然后求和，具体如下
Figure 634291DEST_PATH_IMAGE010
（2）
式（2）中，
Figure 818147DEST_PATH_IMAGE011
为同轴望远镜初始反射主镜1有效口径，
Figure 391211DEST_PATH_IMAGE012
为系统焦距，L为同轴望远镜初始反射副镜2的焦点到焦面距离，
Figure 390129DEST_PATH_IMAGE013
与
Figure 656025DEST_PATH_IMAGE014
均为式（1）中定义的参数，
Figure 858337DEST_PATH_IMAGE015
为视场，
Figure 500670DEST_PATH_IMAGE016
为同轴望远镜初始反射主镜1距离同轴望远镜初始反射副镜2的距离，
Figure 855560DEST_PATH_IMAGE017
为光瞳与同轴望远镜初始反射主镜1的距离，P为同轴望远镜初始反射主镜1的焦点到焦面的距离，
Figure 557936DEST_PATH_IMAGE018
为一到四阶塞德尔系数；
注意，
Figure 247544DEST_PATH_IMAGE019
为光瞳与同轴望远镜初始反射主镜1的距离，在初始结构中同轴望远镜初始反射主镜1设置为孔径光阑，则
Figure 162410DEST_PATH_IMAGE020
设置其为0时，由
Figure 138850DEST_PATH_IMAGE021
可以推出：
Figure 746549DEST_PATH_IMAGE022
（3）
推导得到主副镜的二次非球面系数均为双曲面：
Figure 923452DEST_PATH_IMAGE023
（4）
Figure 720638DEST_PATH_IMAGE024
（5）
推导像散系数如下：
Figure 174753DEST_PATH_IMAGE025
（6）
式（6）中，
Figure 343566DEST_PATH_IMAGE026
。
推导得到场曲系数如下：
Figure 883132DEST_PATH_IMAGE027
（2）双反射镜同轴望远镜离轴
双反射镜同轴望远镜设计的反射副镜遮挡会影响远心物镜的视场范围，将双反射镜同轴望远镜离轴处理就产生了没有遮挡的离轴双反射望远镜，可以理解为取双反射镜同轴望远镜光学镜的一半或者一部分，如图2所示，包括部分的同轴望远镜3和由部分同轴望远镜构成的离轴双反射望远镜4，阴影部分未拟采用的离轴双反射望远镜初始结构，该离轴双反射望远镜为整个同轴双反系统的一部分；
如图4所示，其示出了初始结构进行离轴+增加改正镜组设计后的光路示意图，离轴+增加改正镜组设计后的系统包括离轴望远镜反射主镜8，离轴望远镜反射副镜9和离轴望远镜改正镜10。
（3）增加视场改正镜组，与后组光学系统组合并优化。
离轴光学镜面的加工成本高并且难度大，并且快焦比主镜的离轴望远镜准直要求指标更高。为了降低加工成本与装调难度，可以采用焦比较慢的主镜，从而导致系统的整体长度会加长。根据设计要求，前透镜组的焦比可以通过增加视场改正镜，修改整体焦比。如图3所示，其示出了本发明双反射镜同轴望远镜初始结构通过增加改正镜组的结构，包含：同轴望远镜改进反射主镜5、同轴望远镜改进反射副镜6、同轴望远镜改正镜7。
在具体实施中，通过组合不同的后透镜组，本发明的远心物镜分为物方远心镜、物与像的双远心镜。
光曈是孔径光阑的像，分为入射光瞳与出射光瞳，在初始结构中双反射镜同轴望远镜的反射主镜设置为孔径光阑；上述修改光瞳位置具体为：将离轴改正望远镜的物面由无限远处移至离轴改正望远镜的前焦面处，离轴改正望远镜的后焦面设置为孔径光阑。
根据设计要求的方法倍率，选取适当的后组光学系统，进而形成不同的远心物镜；
当远心物镜为物方远心镜，后透镜组的光曈包括入射光瞳与出射光瞳，计算后透镜组的入射光瞳位置，并将该入射光瞳位置与修改光瞳位置后的孔径光阑重合（即后透镜组的入射光瞳位置与离轴改正望远镜的后焦面重合）；
当远心物镜为物与像的双远心镜，先计算后透镜组的前焦面位置，并将该前焦面位置与修改光瞳位置后的孔径光阑重合；
组合成对应的远心物镜之后，根据设计要求构建评价函数，并进行优化。
图5、图6分别为本发明中离轴反射式远心物镜的的光路示意图和渲染图；离轴反射式远心物镜具体包含：前离轴反射主镜11、共轴反射副镜12、改正镜组13和后透镜组14；改正镜组13包含沿光线入射同轴分布的第一凹透镜；后透镜组14包含沿光线入射同轴分布的第一凸透镜、第二凸透镜、后透镜组光瞳以及第二凹透镜，后透镜组光瞳采用带圆孔的不透光屏。
前离轴反射主镜11包含包含光轴离轴且光轴方向与入射主光线平行的离轴反射主镜，离轴反射主镜可以是球面、双曲面、非球面结构，本实施例采用双曲面，其他类型的主面面型应在本申请保护范畴。
共轴反射副镜12包含与改正镜组、后透镜组同轴分布的反射副镜，共轴反射副镜12可以是球面、双曲面、非球面结构，本实施例采用球面，其他类型的主面面型应在本申请保护范畴。
为设计更紧凑反射式双远心镜，前离轴反射主镜11与共轴反射副镜12可以采用更复杂的非球面面型，面型数据表达式为：
Figure 779281DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure 87903DEST_PATH_IMAGE029
为曲率，
Figure 162038DEST_PATH_IMAGE030
为归一化径向坐标，
Figure 923321DEST_PATH_IMAGE031
为圆锥系数，
Figure 124626DEST_PATH_IMAGE032
为1阶至7阶非球面系数。
本发明的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜的光学镜头系统当中由2片反射面（即前离轴反射主镜和共轴反射副镜）和4片透镜（即改正镜组的凹透镜，后透镜组的两组凸透镜和一组凹透镜）组成。
以入射光入射的前离轴反射主镜由普通玻璃或者金属制成，并增镀反射膜，其通光孔径为180*180mm的正方形。
以入射光入射的共轴反射副镜由普通玻璃或者金属制成，并在表面增镀反射膜，其孔径为Φ90mm。
如图7为离轴反射式远心物镜在常温下光学系统光学调制传递函数图，其中横坐标为空间分辨率，纵坐标为光学传递函数，可以看出本发明在常温常压下具有较好高品质成像质量。
如图8为离轴反射式远心物镜点扩散函数图，可以看出各个视场角条件下弥散斑大小变化不大，弥散斑基本处于衍射极限的艾里斑内。
如图9为离轴反射式远心物镜光扇图，其中，归一化光瞳坐标Px、Py分别表示弧矢光扇、子午光扇上的任一条光线； ex、ey表示对应的像差；可以看出本发明光学镜头具有较小像差。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于：包括前离轴反射主镜、共轴反射副镜、改正镜组以及后透镜组；
所述前离轴反射主镜包含光轴离轴且光轴方向与入射主光线平行的离轴反射主镜；
所述共轴反射副镜包含与改正镜组、后透镜组同轴分布的反射副镜；
所述改正镜组包含与共轴反射副镜同轴分布的第一凹透镜；
所述后透镜组包含与共轴反射副镜同轴分布的第一凸透镜、第二凸透镜、后透镜组光瞳以及第二凹透镜。
2.根据权利要求1所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于：所述远心物镜采用双反射镜同轴望远镜作为初始结构进行设计；
增加所述改正镜组，以修改双反射镜同轴望远镜的焦比；
将修改后的双反射镜同轴望远镜进行离轴，获得离轴改正望远镜；
修改光瞳位置，并在后面与所述后透镜组组合成为远心物镜；通过组合不同的后透镜组，所述远心物镜分为物方远心镜、物与像的双远心镜。
3.根据权利要求2所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于:增加改正镜组、离轴二者的先后顺序可自由调换。
4.根据权利要求2所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于:光曈是孔径光阑的像，在初始结构中双反射镜同轴望远镜的反射主镜设置为孔径光阑；所述修改光瞳位置具体为：将离轴改正望远镜的物面由无限远处移至所述离轴改正望远镜的前焦面处，所述离轴改正望远镜的后焦面设置为孔径光阑。
5.根据权利要求4所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于：当远心物镜为物方远心镜，后透镜组的光曈包括入射光瞳与出射光瞳，计算后透镜组的入射光瞳位置，并将入射光瞳位置与修改光瞳位置后的孔径光阑重合。
6.根据权利要求4所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于：当远心物镜为物与像的双远心镜，先计算后透镜组的前焦面位置，并将该前焦面位置与修改光瞳位置后的孔径光阑重合。
7.根据权利要求1所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于：所述前离轴反射主镜与所述共轴反射副镜采用非球面面型，该面型数据表达式为：
Figure 548034DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 293136DEST_PATH_IMAGE002
为曲率，
Figure 729933DEST_PATH_IMAGE003
为归一化径向坐标，
Figure 560486DEST_PATH_IMAGE004
为圆锥系数，
Figure 475353DEST_PATH_IMAGE005
为1阶至7阶非球面系数。
8.根据权利要求1至7任一项所述的超紧凑大口径离轴反射式远心物镜，其特征在于：所述前离轴反射主镜与所述共轴反射副镜由普通玻璃或者金属制成，并在表面增镀反射膜。
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