CN114114628A - 用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，由沿着光线入射方向依次设置的第一透镜组A、孔径光阑M及第二透镜组B组成；第一透镜组A包括依次设置的具有正光焦度的第一透镜A1、具有负光焦度的第二透镜A2、具有负光焦度的第三透镜A3；第二透镜组B包括依次设置的具有负光焦度的第四透镜B1、具有正光焦度的第五透镜B2、具有负光焦度的第六透镜B3、具有负光焦度的第七透镜B4、具有正光焦度的第八透镜B5、具有负光焦度的第九透镜B6、具有正光焦度的第十透镜B7，该光学系统具有大光圈、低畸变、远心度小、景深大及高分辨率等特点，并能同时在物方和像方均满足远心系统设计要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统。
背景技术
近年来，机器视觉技术出现为电子、汽车、精密机械等行业产品表面缺陷的在线检测提供了一种优选技术，用该技术来取代“人眼”进行工业产品表面缺陷和几何尺寸在线检测，已经成为智能仪器设计需要考虑重要部分，并且伴随着电子和计算机等技术不断发展，使得机器视觉系统在这些领域应用越来越广泛。机器视觉系统主要分为成像系统和图像处理系统两部分，成像系统镜头成像质量直接决定其工作性能。由于它特殊应用领域使得对镜头系统的分辨率、畸变等光学性能要求越来越高，而传统工业镜头检测效果仍然保持在低分辨率上，其检测物距范围小，检测效果不够理想，普遍存在边缘畸变大，体积大等问题，难以满足目前应用需要。综上所述，有必要设计出有效地方案来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统。
本发明的技术方案是，一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，由沿着光线入射方向依次设置的第一透镜组A、孔径光阑M及第二透镜组B组成；
所述第一透镜组A包括沿光轴方向从物面至像面依次设置的具有正光焦度的第一透镜A1、具有负光焦度的第二透镜A2、具有负光焦度的第三透镜A3；
所述第二透镜组B包括沿光轴方向从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第四透镜B1、具有正光焦度的第五透镜B2、具有负光焦度的第六透镜B3、具有负光焦度的第七透镜B4、具有正光焦度的第八透镜B5、具有负光焦度的第九透镜B6、具有正光焦度的第十透镜B7；
所述孔径光阑M位于第三透镜A3和第四透镜B1之间；
所述第四透镜B1、第五透镜B2、第六透镜B3依次密接组合成三胶合透镜；
所述第九透镜B6和第十透镜B7组合成双胶合透镜。
进一步的，所述第一透镜A1到第二透镜A2之间的空气间隙为0.13mm，第二透镜A2到第三透镜A3之间的空气间隙为3.13mm，第三透镜A3到孔径光阑M之间的空气间隙为25.26mm，孔径光阑M至第四透镜B1之间的空气间隙为35.15mm，第六透镜B3到第七透镜B4之间的空气间隙为8.01mm，第七透镜B4到第八透镜B5之间的空气间隙为8.00mm，第八透镜B5到第九透镜之间的空气间隙为5.16mm。
进一步的，所述第一透镜组A与第二透镜组B之间的空气间隙为60.41mm。
进一步的，所述第一透镜A1采用的材料为H-BAK3、折射率为1.54678、阿贝数为62.74，第二透镜A2采用的材料为H-ZF3、折射率为1.71736、阿贝数为29.51，第三透镜A3采用的材料为F1、折射率为1.60342、阿贝数为38.01，第四透镜B1采用的材料为D-LAF050、折射率为1.76842、阿贝数为49.29，第五透镜B2采用的材料为H-ZPK7、折射率为1.56907、阿贝数为71.31，第六透镜B3采用的材料为QF3、折射率为1.57503、阿贝数为41.30，第七透镜B4采用的材料为H-LAK67 、折射率为1.67000、阿贝数为51.76，第八透镜B5采用的材料为H-ZPK5 、折射率为1.59280、阿贝数为68.35，第九透镜B6采用的材料为K4A 、折射率为1.50802、阿贝数为61.06，第十透镜B7采用的材料为H-ZBAF5 、折射率为1.67103、阿贝数为47.28。
进一步的，该光学系统的物方全视场为28mm，像方全视场为11.12mm。
进一步的，该光学系统的F数为3.3，畸变小于0.07%，远心度最大不超过为0.06°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该光学系统具有大光圈、低畸变、远心度小、景深大及高分辨率等特点，并能同时在物方和像方均满足远心系统设计要求，很大程度上解决了机器视觉系统应用传统工业镜头带来视差和畸变引起测量精度影响。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的阐述。
附图说明
图1是本镜头的光学结构示意图。
图2是本镜头实施例的调制传递函数（MTF）曲线图。
图3是本镜头实施例的光路示意图。
图中：A1-第一透镜；A2-第二透镜；A3-第三透镜；B1-第四透镜；B2-第五透镜；B3-第六透镜；B4-第七透镜；B5-第八透镜；B6-第九透镜；B7-第十透镜；A-第一透镜组；M-孔径光阑；B-第二透镜组。
具体实施方式
如图1-3示，一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，由沿着光线入射方向依次设置的第一透镜组A、孔径光阑M及第二透镜组B组成；
所述第一透镜组A包括沿光轴方向从物面至像面依次设置的具有正光焦度的第一透镜A1、具有负光焦度的第二透镜A2、具有负光焦度的第三透镜A3；
所述第二透镜组B包括沿光轴方向从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第四透镜B1、具有正光焦度的第五透镜B2、具有负光焦度的第六透镜B3、具有负光焦度的第七透镜B4、具有正光焦度的第八透镜B5、具有负光焦度的第九透镜B6、具有正光焦度的第十透镜B7；
所述孔径光阑M位于第三透镜A3和第四透镜B1之间；
所述第四透镜B1、第五透镜B2、第六透镜B3依次密接组合成三胶合透镜；
所述第九透镜B6和第十透镜B7组合成双胶合透镜。
在本实施例中，第一透镜A1的朝向物方光学面凸向物方，朝向像方光学面凸向像方；第二透镜A2的朝向物方和像方光学面均凸向物方；第三透镜A3的朝向物方光学面凸向像方，朝向像方光学面均凸向物方；第四透镜B1的朝向物方和像方光学面均凸向物方；第五透镜B2的朝向物方光学面凸向物方，朝向像方光学面凸向像方；第六透镜B3的朝向物方和像方光学面均凸向像方；第七透镜B4的朝向物方和像方光学面均凸向像方；第八透镜B5的朝向物方光学面凸向物方，朝向像方光学面凸向像方；第九透镜B6的朝向物方光学面凸向像方，朝向像方光学面均凸向物方；第十透镜B7的朝向物方光学面凸向物方，朝向像方光学面凸向像方。
在本实施例中，所述第一透镜A1到第二透镜A2之间的空气间隙为0.13mm，第二透镜A2到第三透镜A3之间的空气间隙为3.13mm，第三透镜A3到孔径光阑M之间的空气间隙为25.26mm，孔径光阑M至第四透镜B1之间的空气间隙为35.15mm，第六透镜B3到第七透镜B4之间的空气间隙为8.01mm，第七透镜B4到第八透镜B5之间的空气间隙为8.00mm，第八透镜B5到第九透镜之间的空气间隙为5.16mm。
在本实施例中，所述第一透镜组A与第二透镜组B之间的空气间隙为60.41mm。
在本实施例中，所述第一透镜A1采用的材料为H-BAK3、折射率为1.54678、阿贝数为62.74，第二透镜A2采用的材料为H-ZF3、折射率为1.71736、阿贝数为29.51，第三透镜A3采用的材料为F1、折射率为1.60342、阿贝数为38.01，第四透镜B1采用的材料为D-LAF050、折射率为1.76842、阿贝数为49.29，第五透镜B2采用的材料为H-ZPK7、折射率为1.56907、阿贝数为71.31，第六透镜B3采用的材料为QF3、折射率为1.57503、阿贝数为41.30，第七透镜B4采用的材料为H-LAK67 、折射率为1.67000、阿贝数为51.76，第八透镜B5采用的材料为H-ZPK5 、折射率为1.59280、阿贝数为68.35，第九透镜B6采用的材料为K4A 、折射率为1.50802、阿贝数为61.06，第十透镜B7采用的材料为H-ZBAF5 、折射率为1.67103、阿贝数为47.28。
在本实施例中，该光学系统的物方全视场(物高)为28mm，像方全视场(像高)为11.12mm。
在本实施例中，该光学系统的F数为3.3，畸变小于0.07%，远心度最大不超过为0.06°。
本光学系统的结构参数如下表：
上表中，沿光轴方向从物方到像方，S1、S2分别对应为第一透镜A1的朝向物方和像方的光学面；S3、S4分别对应为第二透镜A2的朝向物方和像方的光学面；S5、S6分别对应为第三透镜A3的朝向物方和像方的光学面；S7、S8分别对应为第四透镜B1的朝向物方和像方的光学面；S8、S9分别对应为第五透镜B2的朝向物方和像方的光学面；S9、S10分别对应为第六透镜B3的朝向物方和像方的光学面；S11、S12分别对应为第七透镜B4的朝向物方和像方的光学面；S13、S14分别对应为第八透镜B5的朝向物方和像方的光学面；S15、S16分别对应为第九透镜B6的朝向物方和像方的光学面；S16、S17分别对应为第十透镜B7的朝向物方和像方的光学面。其中，S8对应为第四透镜B1与第五透镜B2的胶合面，S9对应为第五透镜B2与第六透镜B3的胶合面，S16对应为第九透镜B6与第十透镜B7的胶合面。
在本实施例中， 本镜头具有大相对孔径成像（F数为3.3），使得能够在光线较暗环境下可以得到清晰的像；采用像差理论计算系统第一透镜组和第二透镜组像差，并建立像差平衡方程来求解系统结构参数，然后结合光学设计软件对系统像差进行进一步像差校正，不断调整系统光学结构和参数，实现了在物方和像方处均满足远心系统设计要求情况下能达到高分辨率成像效果，最终提供了一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，该光学系统具有大光圈、低畸变、远心度小、景深大及高分辨率等特点，它能保证了在检测过程中的稳定性，有效减少图像失真程度，从而提高检测精度。
在本实施例中，图2分别给出了一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统在物方可观测半物体高度分别为0mm、9mm和14mm时，截止空间频率选取50lp/mm时的调制传递函数（MTF）曲线，在该视场范围内在子午和弧矢方向上的MTF值均大于0.65，表明该镜头的成像质量非常高。
综上所述，本光学系统可以使得用于机器视觉的光学系统具有大光圈、低畸变、远心度小、景深大及高分辨率等特点，保证了检测时的稳定性，能有效减少图像失真程度，从而提高检测精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以验证本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，其特征在于：由沿着光线入射方向依次设置的第一透镜组、孔径光阑及第二透镜组组成；
所述第一透镜组包括沿光轴方向从物面至像面依次设置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；
所述第二透镜组包括沿光轴方向从物面至像面依次设置的具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜；
所述孔径光阑位于第三透镜和第四透镜之间；
所述第四透镜、第五透镜、第六透镜依次密接组合成三胶合透镜；
所述第九透镜和第十透镜组合成双胶合透镜。
2.根据权利要求1所述的用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，其特征在于：所述第一透镜到第二透镜之间的空气间隙为0.13mm，第二透镜到第三透镜之间的空气间隙为3.13mm，第三透镜到孔径光阑之间的空气间隙为25.26mm，孔径光阑至第四透镜之间的空气间隙为35.15mm，第六透镜到第七透镜之间的空气间隙为8.01mm，第七透镜到第八透镜之间的空气间隙为8.00mm，第八透镜到第九透镜之间的空气间隙为5.16mm。
3.根据权利要求1所述的用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，其特征在于：所述第一透镜组与第二透镜组之间的空气间隙为60.41mm。
4.根据权利要求1所述的用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用的材料为H-BAK3、折射率为1.54678、阿贝数为62.74，第二透镜采用的材料为H-ZF3、折射率为1.71736、阿贝数为29.51，第三透镜采用的材料为F1、折射率为1.60342、阿贝数为38.01，第四透镜采用的材料为D-LAF050、折射率为1.76842、阿贝数为49.29，第五透镜采用的材料为H-ZPK7、折射率为1.56907、阿贝数为71.31，第六透镜采用的材料为QF3、折射率为1.57503、阿贝数为41.30，第七透镜采用的材料为H-LAK67 、折射率为1.67000、阿贝数为51.76，第八透镜采用的材料为H-ZPK5 、折射率为1.59280、阿贝数为68.35，第九透镜采用的材料为K4A 、折射率为1.50802、阿贝数为61.06，第十透镜采用的材料为H-ZBAF5 、折射率为1.67103、阿贝数为47.28。
5.根据权利要求1所述的用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，其特征在于：该光学系统的物方全视场为28mm，像方全视场为11.12mm。
6.根据权利要求1所述的用于机器视觉的大光圈低畸变高分辨率光学系统，其特征在于：该光学系统的F数为3.3，畸变小于0.07%，远心度最大不超过为0.06°。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 李明东;高兴宇;陈朋波;叶鹏;黄寅;: "基于机器视觉的高分辨率双远心物镜设计", 光学仪器, no. 03 * |
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