CN114063271B - 变倍可变距工业检像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变倍可变距工业检像光学系统，包括前固定组镜片、变倍调焦组镜片、可变光阑、后固定组镜片及补偿调节组镜片，前固定组镜片包含弯月负透镜A1、弯月正透镜A2、弯月正透镜A3；变倍调焦组镜片包含弯月负透镜A4、双凹负透镜A5、弯月正透镜A6；后固定组镜片包含弯月正透镜B1、光焦度为的弯月负透镜B2、双凹负透镜B3、双凸正透镜B4、双凸正透镜B5；补偿调节组镜片包含双凸正透镜B6、双凹负透镜B7、双凸正透镜B8。该系统不仅能在不同焦距不同倍率下进行检测工作，还可实现全焦距段变物距检测功能，具备超宽的检测物距范围，可适用于多样的检测环境当中。

Description

变倍可变距工业检像光学系统
技术领域
本发明涉及一种变倍可变距工业检像光学系统。
背景技术
传统工业检测领域采用的镜头大多是普通定焦镜头，这类镜头检测功能单一，倍率固定使其无法适应于不同大小的被检物体；同时，畸变的存在使得这类镜头在检测物体时容易造成边缘失真，影响检测精度。普通定焦镜头对被检环境要求较高，通常只可在恒温且机台稳定的环境下进行检测工作，适用范围小，检测物距范围窄，景深大小固定，应用时因为空间尺寸限制，同倍率时物距固定，极容易造成干涉现象，因此需更换不同镜头进行检测，具有较强的不可替代性，使得检测设备成本增加。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种变倍可变距工业检像光学系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种变倍可变距工业检像光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向依次设置的前固定组镜片、变倍调焦组镜片、可变光阑、后固定组镜片以及补偿调节组镜片，所述前固定组镜片包含光焦度为负的弯月透镜A1、光焦度为正的弯月透镜A2、光焦度为正的弯月透镜A3；所述变倍调焦组镜片包含光焦度为负的弯月透镜A4、光焦度为负的双凹透镜A5、光焦度为正的弯月透镜A6；所述后固定组镜片包含光焦度为正的弯月透镜B1、光焦度为负的弯月透镜B2、光焦度为负的双凹透镜B3、光焦度为正的双凸透镜B4、光焦度为正的双凸透镜B5；所述补偿调节组镜片包含光焦度为正的双凸透镜B6、光焦度为负的双凹透镜B7、光焦度为正的双凸透镜B8。
进一步的，所述弯月透镜A1与弯月透镜A2构成前固定组胶合片；所述双凹透镜A5与弯月透镜A6构成变倍调节组胶合片；所述弯月透镜B1与弯月透镜B2构成第一后固定组胶合片；所述双凹透镜B3与双凸透镜B4构成第二后固定组胶合片。
进一步的，所述弯月透镜A2到弯月透镜A3的空气距离为0.1mm；所述弯月透镜A4到双凹透镜A5的空气距离为3.9mm；所述可变光阑到弯月透镜B1的空气距离为0.8mm，所述弯月透镜B2到双凹负透镜B3的空气距离为1.2mm；所述双凸透镜B4到双凸透镜B5的空气距离为0.1mm；所述双凸透镜B6到双凹透镜B7的空气距离为0.7mm；所述双凹透镜B7到双凸透镜B8的空气距离1.4mm。
进一步的，所述前固定组镜片到变倍调焦组镜片的最短空气距离为0.5mm；所述变倍调焦组镜片到可变光阑的最大空气距离为12.9mm；所述后固定组镜片到补偿调节组镜片的最短空气距离为1.1mm，所述补偿调节组镜片到像面的最大空气距离为15.9mm。
进一步的，所述前固定组镜片的光焦度为正，变倍调焦组镜片的光焦度为负，后固定组镜片的光焦度为正，补偿调节组镜片的光焦度为正。
进一步的，设光学系统总焦距为f，前固定组镜片、变倍调焦组镜片、后固定组镜片以及补偿调节组镜片的组合焦距分别为f1、f2、f3、f4，其中极限短焦下满足以下条件：2.3<f1/f <2.7，-1.2< f2/f <-1.14，1.91< f3/f <1.96，1.65< f4/f <1.76；极限长焦下满足以下条件：0.7< f1/f <0.95，-0.4< f2/f <-0.28，0.5< f3/f <0.72，0.5< f4/f <0.7。
进一步的，所述弯月透镜A1与弯月透镜A2构成的胶合面弯向可变光阑一侧，所述弯月透镜A3弯向可变光阑一侧；所述弯月透镜A4弯向可变光阑一侧，所述双凹透镜A5与弯月透镜A6构成的胶合面弯向可变光阑；所述弯月透镜B1与弯月透镜B2构成的胶合面背向可变光阑一侧，所述双凹透镜B3与双凸透镜B4构成的胶合面背向可变光阑一侧。
进一步的，所述前固定组胶合片采用冕牌材料和火石材料的配合方式。
进一步的，所述变倍调节组胶合片采用折射率相差较大的材料。
进一步的，在后固定组镜片中，光焦度为负的弯月透镜B2和双凹透镜B3采用高折射率火石材料。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，不仅能在不同焦距不同倍率下进行检测工作，还可实现全焦距段变物距检测功能，具备超宽的检测物距范围，可适用于多样的检测环境当中。
附图说明
图1是本发明实施例中无穷远物距下短焦光学系统示意图；
图2是本发明实施例中最近物距下长焦光学系统示意图；
图3是本发明实施例的光学传函值示意图；
图4是本发明实施例的畸变图。
图中：
A1-弯月透镜A1；A2-弯月透镜A2；A3-弯月透镜A3；A4-弯月透镜A4；A5-双凹透镜A5；A6-弯月透镜A6；C-可变光阑；B1-弯月透镜B1；B2-弯月透镜B2；B3-双凹透镜B3；B4-双凸透镜B4；B5-双凸透镜B5；B6-双凸透镜B6；B7-双凹透镜B7；B8-双凸透镜B8；1-前固定组镜片；2-变倍调焦组镜片；3-后固定组镜片；4-补偿调节组镜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
如图1～2所示，本发明一种变倍可变距工业检像光学系统，所述光学检像系统采用十四枚玻璃镜片结构进行设计，该光学系统包括沿光线入射方向依次设置的前固定组镜片1、变倍调焦组镜片2、可变光阑C、后固定组镜片3以及补偿调节组镜片4，所述前固定组镜片1包含光焦度为负的弯月透镜A1、光焦度为正的弯月透镜A2、光焦度为正的弯月透镜A3；所述变倍调焦组镜片2包含光焦度为负的弯月透镜A4、光焦度为负的双凹透镜A5、光焦度为正的弯月透镜A6；所述后固定组镜片3包含光焦度为正的弯月透镜B1、光焦度为负的弯月透镜B2、光焦度为负的双凹透镜B3、光焦度为正的双凸透镜B4、光焦度为正的双凸透镜B5；所述补偿调节组镜片4包含光焦度为正的双凸透镜B6、光焦度为负的双凹透镜B7、光焦度为正的双凸透镜B8。补偿调节组镜片中加入光焦度为负的透镜，通过合理的光焦度匹配，补偿调节组镜片采用1.4：1：1.3的焦距分配形式，使得补偿组具备优异的场曲和彗星状像差矫正功能的同时减弱装配敏感度，是变倍同时可变距镜头可量产的技术关键。
本实施例中，所述弯月透镜A1与弯月透镜A2构成前固定组胶合片；所述双凹透镜A5与弯月透镜A6构成变倍调节组胶合片；所述弯月透镜B1与弯月透镜B2构成第一后固定组胶合片；所述双凹透镜B3与双凸透镜B4构成第二后固定组胶合片。
本实施例中，所述弯月透镜A2到弯月透镜A3的空气距离为0.1mm；所述弯月透镜A4到双凹透镜A5的空气距离为3.9mm；所述可变光阑到弯月透镜B1的空气距离为0.8mm，所述弯月透镜B2到双凹负透镜B3的空气距离为1.2mm；所述双凸透镜B4到双凸透镜B5的空气距离为0.1mm；所述双凸透镜B6到双凹透镜B7的空气距离为0.7mm；所述双凹透镜B7到双凸透镜B8的空气距离1.4mm。
本实施例中，所述前固定组镜片到变倍调焦组镜片的最短空气距离为0.5mm；所述变倍调焦组镜片到可变光阑的最大空气距离为12.9mm；所述后固定组镜片到补偿调节组镜片的最短空气距离为1.1mm，所述补偿调节组镜片到像面的最大空气距离为15.9mm。
本实施例中，所述前固定组镜片的光焦度为正，变倍调焦组镜片的光焦度为负，后固定组镜片的光焦度为正，补偿调节组镜片的光焦度为正。
本实施例中，在前固定组镜片中，所述弯月透镜A1与弯月透镜A2构成的胶合面弯向可变光阑一侧，所述弯月透镜A3弯向可变光阑一侧。
本实施例中，在变倍调焦组镜片中，所述弯月透镜A4弯向可变光阑一侧，所述双凹透镜A5与弯月透镜A6构成的胶合面弯向可变光阑。
本实施例中，在后固定组镜片中，所述弯月透镜B1与弯月透镜B2构成的胶合面背向可变光阑一侧，所述双凹透镜B3与双凸透镜B4构成的胶合面背向可变光阑一侧。
本实施例中，所述补偿调节组镜片中，光焦度为负的双凹透镜B7在平衡系统总球差的同时有缓慢提高像方光线高度的作用。
本实施例中，所述前固定组胶合片采用冕牌材料和火石材料的配合方式，在矫正大视野带来的色差的同时可以压缩一定的视场角。
本实施例中，所述变倍调节组胶合片采用折射率相差较大的材料，能在一定程度上改善系统大孔径下的球差，同时可兼顾色差的平衡。
本实施例中，在后固定组镜片中，光焦度为负的弯月透镜B2和双凹透镜B3采用高折射率火石材料，以降低镜面弯曲程度来降低敏感度。
本实施例中，所述补偿调节组镜片加入光焦度为负的透镜进行同焦距不同倍率下的场曲和彗差控制，可使得该镜头实现同焦距时不同倍率工作，补偿调节组缓慢靠近可变光阑侧，可使同焦距时放大倍率不断增加，补偿调节组缓慢靠近像面侧，可使同焦距时放大倍率不断减小，即实现了变倍可变距检像功能。
本实施例中，各镜片的参数如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中，该变倍工业检像光学系统具有如下特征：
1、设光学系统总焦距为f，前固定组镜片、变倍调焦组镜片、后固定组镜片以及补偿调节组镜片的组合焦距分别为f1、f2、f3、f4，其中极限短焦下满足以下条件：2.3< f1/f<2.7，-1.2< f2/f <-1.14，1.91< f3/f <1.96，1.65< f4/f <1.76；极限长焦下满足以下条件：0.7< f1/f <0.95，-0.4< f2/f <-0.28，0.5< f3/f <0.72，0.5< f4/f <0.7；
2、所述变倍可变距工业检像光学系统可适用于2/3 "芯片，光学后焦≥10mm，变倍比=4.0；其最近工作距离为100mm，亦可兼顾无穷远物距进行成像，其最大TV畸变≤0.8%。
本实施例中，图3是该光学系统的光学传函值示意图，图中，各视场传函数值在150线对下均大于0.4，其中心视场传函值在150线下达到0.6，确保其在检测工作中能进行高清晰度成像。
本实施例中，图4是该光学系统的畸变图，图中，中焦最近物距下光学畸变数值小于0.5%，确保系统能够进行低失真成像。
综上所述，该光学系统具备超宽工作物距范围，可在超近距离下进行缺陷检测、尺寸测量等工作，亦可通过改变倍率实现不同倍率下的测量工作；通过热膨胀系数分配及光焦度分配实现零温飘功能，使其适用环境更广泛，可替代市面上多种定焦和变焦镜头进行检测工作，有效节省检测设备成本。
本发明的优点在于：
（1）不仅能在不同焦距不同倍率下进行检测工作，还可实现全焦距段变物距检测功能，具备超宽的检测物距范围，可适用于多样的检测环境当中；
（2）采用经典的四组元变焦结构形式，能够满足变焦镜头倍率变化所需要的光焦度分配及变物距补偿空间；
（3）前固定组采用折射率及阿贝数相差较大的材料组合，在矫正大视野像差的同时可兼顾轴上像差矫正；
（4）后固定组采用经典双高斯对称胶合结构形式，可充分降低变焦镜头固定组存在的敏感度及光学畸变，补偿组正光焦度具备补偿作用，固定焦距时，移动物距至微距或者无穷远，仍然可以通过调整补偿组进行清晰聚焦。
（5）补偿调节组中加入光焦度为负的透镜进行同焦距不同倍率下的场曲和彗差控制，可使得该镜头实现同焦距时不同倍率工作，补偿调节组缓慢靠近可变光阑侧，可使同焦距时放大倍率不断增加，补偿调节组缓慢靠近像面侧，可使同焦距时放大倍率不断减小，即实现了变倍可变距检像功能。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述光学系统由沿光线入射方向依次设置的前固定组镜片、变倍调焦组镜片、可变光阑、后固定组镜片以及补偿调节组镜片组成，所述前固定组镜片由光焦度为负的弯月透镜A1、光焦度为正的弯月透镜A2、光焦度为正的弯月透镜A3组成；所述变倍调焦组镜片由光焦度为负的弯月透镜A4、光焦度为负的双凹透镜A5、光焦度为正的弯月透镜A6组成；所述后固定组镜片由光焦度为正的弯月透镜B1、光焦度为负的弯月透镜B2、光焦度为负的双凹透镜B3、光焦度为正的双凸透镜B4、光焦度为正的双凸透镜B5组成；所述补偿调节组镜片由光焦度为正的双凸透镜B6、光焦度为负的双凹透镜B7、光焦度为正的双凸透镜B8组成；
设光学系统总焦距为f，前固定组镜片、变倍调焦组镜片、后固定组镜片以及补偿调节组镜片的组合焦距分别为f1、f2、f3、f4，其中极限短焦下满足以下条件：2.3< f1/f <2.7，-1.2< f2/f <-1.14，1.91< f3/f <1.96，1.65< f4/f <1.76；极限长焦下满足以下条件：0.7< f1/f <0.95，-0.4< f2/f <-0.28，0.5< f3/f <0.72，0.5< f4/f <0.7。
2.根据权利要求1所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述弯月透镜A1与弯月透镜A2构成前固定组胶合片；所述双凹透镜A5与弯月透镜A6构成变倍调节组胶合片；所述弯月透镜B1与弯月透镜B2构成第一后固定组胶合片；所述双凹透镜B3与双凸透镜B4构成第二后固定组胶合片。
3.根据权利要求2所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述弯月透镜A2到弯月透镜A3的空气距离为0.1mm；所述弯月透镜A4到双凹透镜A5的空气距离为3.9mm；所述可变光阑到弯月透镜B1的空气距离为0.8mm，所述弯月透镜B2到双凹负透镜B3的空气距离为1.2mm；所述双凸透镜B4到双凸透镜B5的空气距离为0.1mm；所述双凸透镜B6到双凹透镜B7的空气距离为0.7mm；所述双凹透镜B7到双凸透镜B8的空气距离1.4mm。
4.根据权利要求1所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述前固定组镜片到变倍调焦组镜片的最短空气距离为0.5mm；所述变倍调焦组镜片到可变光阑C的最大空气距离为12.9mm；所述后固定组镜片到补偿调节组镜片的最短空气距离为1.1mm，所述补偿调节组镜片到像面的最大空气距离为15.9mm。
5.根据权利要求1所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述前固定组镜片的光焦度为正，变倍调焦组镜片的光焦度为负，后固定组镜片的光焦度为正，补偿调节组镜片的光焦度为正。
6.根据权利要求2所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述弯月透镜A1与弯月透镜A2构成的胶合面弯向可变光阑一侧，所述弯月透镜A3弯向可变光阑一侧；所述弯月透镜A4弯向可变光阑一侧，所述双凹透镜A5与弯月透镜A6构成的胶合面弯向可变光阑；所述弯月透镜B1与弯月透镜B2构成的胶合面背向可变光阑一侧，所述双凹透镜B3与双凸透镜B4构成的胶合面背向可变光阑一侧。
7.根据权利要求2所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述前固定组胶合片采用冕牌材料和火石材料的配合方式。
8.根据权利要求2所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：所述变倍调节组胶合片采用折射率相差较大的材料。
9.根据权利要求2所述的变倍可变距工业检像光学系统，其特征在于：在后固定组镜片中，光焦度为负的弯月透镜B2和双凹透镜B3采用高折射率火石材料。
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