CN114488485A - 一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，从物方到像方依次布置有具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的调焦组G2、可变光阑G3，以及具有正光焦度的后固定组G4，其中调焦组G2能够沿光轴方向移动对焦。本发明从物方到像方依次排列有十六片透镜，其中第二片和第十三片透镜采用塑料非球面，通过合理的光焦度分配控制像差，使镜头F数达到2.8，靶面尺寸达到41.6mm，全视场角在80°以上时，镜头的光学畸变小于0.2％，避免了物侧视场角和通光口径有限，靶面过小的问题。

Description

一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头
技术领域
本发明涉及工业镜头设计技术领域，特别涉及一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头。
背景技术
随着工业技术的快速发展，越来越多的成像系统被应用于工业检测当中。工业镜头作为成像系统的核心部件，直接决定了相机采集到的图像质量的好坏。随着相机分辨率和靶面尺寸的提升，市场对工业镜头光学性能的需求也更加严苛，线阵相机的靶面大小已经从十几年前的14mm到如今的40mm以上，小靶面工业镜头已经无法满足印刷、机械制造、大幅面显示器生产等行业的检测任务。
目前市场上能够匹配大靶面相机的光学镜头还较少，能够实现工业检测中近距离大幅面成像的镜头更为稀缺。如：发明专利一种高分辨率大视场工业镜头，申请号为202011624194.4。如图1所示的结构，采用了三片单透镜和五片双胶合透镜，实现了像面尺寸>40mm，全视场畸变小于0.5％的光学性能，通过浮动对焦的方式来使镜头适应不同的工作距离，但其F数只有4.5,焦距为35mm，通光口径和视场范围都不够大。发明专利一种高分辨率工业镜头，申请号为202011616497.1。如图2所示的结构，采用六片单透镜，三片双胶合透镜实现了F数为2.8，物方视场达到70°的光学性能，但其像面尺寸<20mm,无法满足大靶面相机的使用需求。
上述现有技术在镜头靶面尺寸达到40mm的基础上，视场角和通光口径都普遍较小，而能够做大视场、低畸变镜头的靶面尺寸往往较小，无法适配于大靶面工业相机。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的不足，为实现以上目的，采用特殊的面型选择和光焦度分配，使镜头F数达到2.8，靶面尺寸达到41.6mm，全视场角在80°以上时，镜头的光学畸变小于0.2％，避免物侧视场角和通光口径有限，靶面过小的问题。
本发明由物方到像方依次布置有具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的调焦组G2、可变光阑G3、具有正光焦度的后固定组G4和成像面，其中调焦组G2可沿光轴方向前后移动对焦。
所述前固定组G1包括沿光轴方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述调焦组G2包括沿光轴方向依次排列的第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述后固定组G4包括沿光轴方向依次排列的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜和第十六透镜。
所述前固定组G1、所述调焦组G2和所述后固定组G4的焦距和镜头整体的焦距比值依次满足(-1.4，-1.2)、(1.8，2.1)、(2.8，3.1)。
该工业镜头的光学后焦和整体焦距的比值满足(0.6，1)。
所述工业镜头的像高大于40mm，且所述工业镜头的总长度与所述工业镜头的半像高的比值满足(7.5，8.5)。
所述可变光阑G3设置为可调F数，F数的调节范围满足(2.8，16)。
所述第二透镜、所述第十三透镜优选为塑料非球面透镜。
所述第五透镜、所述第六透镜优选胶合组成第一胶合透镜，胶合后第一胶合透镜焦距为57mm。
所述第七透镜、所述第八透镜和所述第九透镜优选胶合组成第二胶合透镜,胶合后的第二胶合透镜焦距为105mm；
所述第十透镜、所述第十一透镜和所述第十二透镜优选胶合组成第三胶合透镜，胶合后的第三胶合透镜焦距为-51mm；
所述第十四透镜、所述第十五透镜优选胶合组成第四胶合透镜，胶合后的第四胶合透镜焦距为-125mm；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第六透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十二透镜和所述第十五透镜均优选设置为负光焦度；
所述第四透镜、所述第五透镜、所述第七透镜、所述第十一透镜、所述第十三透镜、所述第十四透镜和所述第十六透镜均优选设置为正光焦度。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
通过对光焦度进行合理分配，对各透镜面型参数综合优化，配合多组胶合透镜校正色差，采用两片非球面透镜进一步控制畸变，从而使得F数达到2.8，靶面尺寸达到41.6mm，物侧的视场角大于80°，全视场最大畸变小于0.2％。相比于现有技术，使得整个光学系统协同作用，同时达到兼容了大靶面、大视场、高分辨率、大通光口径和低畸变的光学性能。能够满足行业最新的印刷、机械制造、大幅面显示器生产等行业的检测任务要求。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1为现有技术公开的一种高分辨率大视场工业镜头的结构示意图；
图2为现有技术公开的一种高分辨率工业镜头的结构示意图；
图3为本申请公开实施例的大靶面广角低畸变工业镜头的结构示意图；
图4为本申请公开实施例的工业镜头的调制传递函数的示意图；
图5为本申请公开实施例的工业镜头的畸变曲线的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本实施例由物方到像方依次布置有具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的调焦组G2、可变光阑G3、具有正光焦度的后固定组G4和成像面，其中调焦组G2可沿光轴方向前后移动进行对焦。
本实施例中所述的前固定组G1包括沿光轴方向依次排列的第一透镜1和第二透镜2，所述调焦组G2包括沿光轴方向依次排列的第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6，所述后固定组G4包括沿光轴方向依次排列的第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13、第十四透镜14、第十五透镜15和第十六透镜16；
本实施例中所述前固定组G1、所述调焦组G2和所述后固定组G4的焦距和镜头整体的焦距比值依次满足(-1.4，-1.2)、(1.8，2.1)、(2.8，3.1)；
本实施例中该工业镜头的光学后焦和整体焦距的比值满足(0.6，1)；
本实施例中所述工业镜头的像高大于40mm，且镜头的总长度与镜头的半像高的比值为(7.5，8.5)；
本实施例中所述可变光阑G3设置为可调F数，F数的调节范围为(2.8，16)；
本实施例中所述第二透镜2、所述第十三透镜13优秀为塑料非球面透镜，用于校正畸变，在保证性能的同时减轻镜头重量。
本实施例中所述第五透镜5、所述第六透镜6优选胶合组成第一胶合透镜，胶合后第一胶合透镜焦距为57mm。
本实施例中所述第七透镜7、所述第八透镜8和所述第九透镜9优选胶合组成第二胶合透镜,胶合后的第二胶合透镜焦距为105mm；
本实施例中所述第十透镜10、所述第十一透镜11和所述第十二透镜12优选胶合组成第三胶合透镜，胶合后的第三胶合透镜焦距为-51mm；
本实施例中所述第十四透镜14、所述第十五透镜15优选胶合组成第四胶合透镜，胶合后的第四胶合透镜焦距为-125mm；
本实施例中所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第六透镜6、所述第八透镜8、所述第九透镜9、所述第十透镜10、所述第十二透镜12和所述第十五透镜15均优选设置为负光焦度；
本实施例中所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第七透镜7、所述第十一透镜11、所述第十三透镜13、所述第十四透镜14和所述第十六透镜16均优选设置为正光焦度。
本实施例镜头的结构参数，包括曲率半径、厚度、折射率、阿贝数，如表1所示：
表1本实施例中镜头结构参数
表面编号 曲率半径/mm 厚度/mm 折射率 阿贝数
表面S1 44.539 8.00 1.74 44.9
表面S2 25.000 9.34
表面S3 29.184 5.06 1.54 55.7
表面S4 12.760 26.21
表面S5 -29.023 8.67 1.61 46.2
表面S6 -50.702 0.24
表面S7 -2563.044 4.34 1.73 48.8
表面S8 -80.856 5.37
表面S9 57.865 6.97 1.69 49.2
表面S10 -35.766 3.00 1.76 27.5
表面S11 -101.705 7.00
光阑 无穷大 3.00
表面S12 54.041 4.48 1.76 27.5
表面S13 -82.078 3.00 1.49 70.4
表面S14 43.074 3.18 1.76 27.5
表面S15 50.277 2.41
表面S16 87.141 3.00 1.72 29.5
表面S17 16.991 10.47 1.57 63.0
表面S18 -17.076 3.00 1.76 27.5
表面S19 91.496 1.00
表面S20 44.192 10.00 1.54 55.7
表面S21 -41.391 1.326
表面S22 -41.422 10.601 1.52 56.8
表面S23 -16.137 3.00 1.75 37.5
表面S24 -41.648 0.50
表面S25 115.288 6.82 1.76 27.5
表面S26 -151.081 15.02
像面IMG
表1中，表面S3、表面S4、表面S20、表面S21为非球面，其各阶非球面系数如表2所示：
表2本实施例中镜片非球面系数
Figure BDA0003503789950000051
Figure BDA0003503789950000061
非球面公式为：
Figure BDA0003503789950000062
其中Z(h)为非球面沿光轴方向的高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为透镜的曲率，K为圆锥系数，a4、a6、a8、a10、a12分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶非球面系数，表2中e代表科学计数号。
本实施例工业镜头经测试如下：
本实施例的工业镜头的调制传递函数MTF在100lp/mm的空间频率下，如图4所示，零视场MTF可达到0.6以上，边缘视场MTF可达到0.2以上，具有良好的成像质量。
由畸变曲线可得，本实施例的工业镜头全视场最大畸变小于0.2％，如图5所示，在实现大视场的同时有效地控制了畸变，满足工业检测领域的使用。
本实施例中，对光焦度进行合理分配，对各透镜面型参数综合优化，配合多组胶合透镜校正色差，采用两片非球面透镜进一步控制畸变，从而使得F数达到2.8，靶面尺寸达到41.6mm，物侧的视场角大于80°，全视场最大畸变小于0.2％，镜头的调制传递函数如图4所示，畸变曲线如图5所示，整个光学系统协同作用，同时达到兼容了大靶面、大视场、高分辨率、大通光口径和低畸变的光学性能。而现有技术在镜头靶面尺寸达到40mm的基础上，视场角和通光口径都普遍较小，而能够做大视场、低畸变镜头的靶面尺寸往往较小，无法适配于大靶面工业相机。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，由物方到像方依次布置有具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的调焦组G2、可变光阑G3、具有正光焦度的后固定组G4和成像面，其中调焦组G2可沿光轴方向前后移动进行对焦；
所述前固定组G1包括沿光轴方向依次排列的第一透镜(1)和第二透镜(2)，所述调焦组G2包括沿光轴方向依次排列的第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)和第六透镜(6)，所述后固定组G4包括沿光轴方向依次排列的第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)、第十透镜(10)、第十一透镜(11)、第十二透镜(12)、第十三透镜(13)、第十四透镜(14)、第十五透镜(15)和第十六透镜(16)；
所述前固定组G1、所述调焦组G2和所述后固定组G4的焦距和镜头整体的焦距比值依次满足(-1.4，-1.2)、(1.8，2.1)、(2.8，3.1)；
该工业镜头的光学后焦和整体焦距的比值满足(0.6，1)；
所述工业镜头的像高大于40mm，且所述工业镜头的总长度与所述工业镜头的半像高的比值满足(7.5，8.5)；
所述可变光阑G3设置为可调F数，F数的调节范围满足(2.8，16)。
2.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第二透镜(2)、所述第十三透镜(13)均为塑料非球面透镜。
3.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第五透镜(5)、所述第六透镜(6)组成第一胶合透镜，胶合后的第一胶合透镜焦距为57mm。
4.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第七透镜(7)、所述第八透镜(8)和所述第九透镜(9)胶合组成第二胶合透镜,胶合后的第二胶合透镜焦距为105mm。
5.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第十透镜(10)、所述第十一透镜(11)和所述第十二透镜(12)胶合组成第三胶合透镜，胶合后的第三胶合透镜焦距为-51mm。
6.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第十四透镜(14)、所述第十五透镜(15)胶合组成第四胶合透镜，胶合后的第四胶合透镜焦距为-125mm。
7.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第一透镜(1)、所述第二透镜(2)、所述第三透镜(3)、所述第六透镜(6)、所述第八透镜(8)、所述第九透镜(9)、所述第十透镜(10)、所述第十二透镜(12)和所述第十五透镜(15)均设置为负光焦度。
8.根据权利要求1所述一种f22mm的大靶面广角低畸变工业镜头，其特征在于，所述第四透镜(4)、所述第五透镜(5)、所述第七透镜(7)、所述第十一透镜(11)、所述第十三透镜(13)、所述第十四透镜(14)和所述第十六透镜(16)均设置为正光焦度。
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