CN114779450A - 一种紫外工业镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紫外工业镜头，该镜头包括沿光轴由物方到像方依次设置的前镜片组、光阑、后镜片组；所述前镜片组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G3正光焦度双凸透镜；所述后透镜组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜和G6负光焦度双凹透镜；各透镜前后表面均为球形。本发明整体结构尺寸小，可在0.29m～∞的工作范围内清晰成像，并且可有效满足大尺寸探测像面的成像要求，同时也能够匹配市面现有的探测像面。

Description

一种紫外工业镜头
技术领域
本发明属于机器视觉镜头技术领域，涉及一种紫外工业镜头。
背景技术
在现代工业技术领域中，生产制造商致力于出品更安全、更可靠、高质量的产品。工业持续、高速的发展离不开高性能的机器视觉镜头，因此工业镜头在机器视觉领域的应用越来越重要、越来越广泛。紫外工业镜头非常适合用于微小元件的表面检测；例如伪造钞票、信用卡以及伪造文件的识别。此外，紫外工业镜头也适用于半导体工业中电路板焊接后的质量检测、刑事侦查中的指纹识别等。目前市面上现有的紫外工业镜头中，焦距78mm的紫外工业镜头探测像面的对角线尺寸通常为18mm，最小工作距离为0.44m。虽然工业应用下要求紫外镜头近距离成像，但镜头在多个工作距离下使用时，各个状态的成像质量差强人意。由于检测行业中要求成像的物面范围越来越大，因此需要能匹配更大靶面的紫外工业镜头来满足行业发展趋势。而且工作距离越小，镜头成像质量也随之变差，高性能紫外工业镜头的价格更加高昂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种紫外工业镜头，该镜头的近距离工作距离较小且在多个工作距离成像时具有像质较高、稳定、低畸变等优点。
为了解决上述技术问题，本发明的紫外工业镜头包括沿光轴由物方到像方依次设置的前镜片组、光阑、后镜片组；所述前镜片组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G3正光焦度双凸透镜；所述后透镜组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜和G6负光焦度双凹透镜；各透镜前后表面均为球形。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜的前后表面曲率半径分别为40.579～43.655mm、46.114～50.214mm；G2负光焦度双凹透镜的前后表面曲率半径分别为-27.515～-27.260mm、33.986～34.270mm；G3正光焦度双凸透镜的前后表面曲率半径分别为52.090～52.576mm、-41.150～-40.180mm；G4正光焦度双凸透镜的前后表面曲率半径分别为67.568～70.882mm、-37.440～-37.260mm；G5正光焦度双凸透镜的前后表面曲率半径分别为23.280～23.550mm、-39.161～-38.520mm；G6负光焦度双凹透镜的前后表面曲率半径分别为-36.638～-35.989mm、18.523～18.679mm。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜的中心厚度为1.98～2.02mm；G2负光焦度双凹透镜的中心厚度为1.98～2.02mm；G3正光焦度双凸透镜的中心厚度为5.95～6.05mm；G4正光焦度双凸透镜的中心厚度为5.95～6.05mm；G5正光焦度双凸透镜的中心厚度为8.96～9.04mm；G6负光焦度双凹透镜的中心厚度为2.48～2.52mm。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜与G2负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为5.98～6.02mm；G2负光焦度双凹透镜与G3正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为1.18～1.22mm；G3正光焦度双凸透镜与光阑的中心空气间隔为2.18～2.22mm；光阑与G4正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为2.18～2.22mm；G4正光焦度双凸透镜与G5正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为0.98～1.02mm；G5正光焦度双凸透镜与G6负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为0.98～1.02mm；G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为64.21～91.67mm。
进一步，所述光阑的光圈在F3.8～F16范围内可调。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G6负光焦度双凹透镜均采用融石英材料；G3正光焦度双凸透镜、G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜均采用氟化钙材料。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜的前后曲率半径分别为41.670mm、47.532mm；G2负光焦度双凹透镜的前后曲率半径分别为-27.366mm、34.218mm；G3正光焦度双凸透镜的前后曲率半径分别为52.501mm、-40.887mm；G4正光焦度双凸透镜的前后曲率半径分别为68.575mm、-37.321mm；G5正光焦度双凸透镜的前后曲率半径分别为23.408mm、-39.050mm；G6负光焦度双凹透镜的前后曲率半径分别为-36.155mm、18.568mm。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜的中心厚度为2mm；G2负光焦度双凹透镜的中心厚度为2mm；G3正光焦度双凸透镜的中心厚度为6mm；G4正光焦度双凸透镜的中心厚度为6mm；G5正光焦度双凸透镜的中心厚度为9mm；G6负光焦度双凹透镜的中心厚度为2.5mm。
进一步，所述G1正光焦度弯月形透镜与G2负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为6mm；G2负光焦度双凹透镜与G3正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为1.2mm；G3正光焦度双凸透镜与光阑的中心空气间隔为2.2mm；光阑与G4正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为2.2mm；G4正光焦度双凸透镜与G5正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为1mm；G5正光焦度双凸透镜与G6负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为1mm。
本发明的有益效果在于：镜头所用透镜全部采用球面，易于加工和装调，易于减小成本；整体结构尺寸小，光学总长小于41.5mm，并且镜头能匹配对角线尺寸为32mm的探测像面，同时也能匹配对角线尺寸为18mm的探测像面；镜头的最小工作距离为0.29m，在最小工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.75，最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.59，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.21％、全视场的相对照度优于93％，成像性能较好；通过调节探测像面到G6负光焦度双凹透镜的距离，镜头可在0.29m～∞的工作范围内成像，并且镜头在-10℃～30℃的温度范围内工作时，也可以调节探测像面到G6负光焦度双凹透镜的距离实现不同温度对目标的清晰成像。该镜头可有效满足大尺寸探测像面的成像要求，同时也能够匹配市面现有的探测像面。
附图说明
图1是本发明的紫外工业镜头的结构示意图，其中O为光阑；
图2是本发明的紫外工业镜头在最小工作距离0.29m时的成像光路示意图；
图3是本发明的7紫外工业镜头在最小工作距离0.29m成像时的调制传递函数曲线图；
图4是本发明的紫外工业镜头在最小工作距离0.29m成像时的畸变曲线图；
图5是本发明的紫外工业镜头在最小工作距离0.29m成像时的相对照度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本发明的紫外工业镜头，包括沿光轴由物方到像方依次设置的前镜片组、光阑、后镜片组和探测像面。前镜片组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G3正光焦度双凸透镜；后透镜组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜和G6负光焦度双凹透镜。所有透镜均为球面，G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G6负光焦度双凹透镜均采用融石英材料；G3正光焦度双凸透镜、G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜均采用氟化钙材料。光阑的光圈在F3.8～F16范围内可调。
实施例1
各透镜的具体参数如表1所示。表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，tj表示第j个透镜的厚度，dn表示第n个透镜后表面到下一光学表面的空气间隔；do表示光阑到G4正光焦度双凸透镜前表面的空气间隔。
表1
Figure BDA0003600239650000051
在本实施例中，镜头的光学总长为41.1mm，焦距为78mm，探测像面的对角线尺寸为32mm，能够同时匹配对角线尺寸为18mm的探测像面；镜头的全视场角为23.2°；最大光圈为F3.8；中心工作波长为254nm，工作波段为240nm～270nm；
如图3所示，本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.75；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.59，能够对目标清晰成像。
如图4所示，本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，全视场最大光学畸变低于0.21％，保真程度较好。
如图5所示，本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，全视场的相对照度优于93％，像面具有较好的均匀度。
在本实施例中，紫外工业镜头的最小工作距离为0.29m，通过调节G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离，可在0.29m～∞的工作范围内实现不同工作距离的清晰成像；镜头卡口类型为F口时，工作距离0.29m对应的G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为91.67mm，工作距离∞对应的G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为64.60mm。镜头的工作温度范围为-10℃～30℃，不同温度下也可通过调节所述G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离实现目标的清晰成像。
本实施例的紫外工业镜头在0.35m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.71；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.58，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.21％，保真程度较好；全视场的相对照度优于91％，像面具有较好的均匀度。
本实施例的紫外工业镜头在0.45m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.66；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.51，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.21％，保真程度较好；全视场的相对照度优于91％，像面具有较好的均匀度。
本实施例的紫外工业镜头在0.55m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.63；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.36，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.21％，保真程度较好；全视场的相对照度优于91％，像面具有较好的均匀度。
实施例2
各透镜的具体参数如表2所示。表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，tj表示第j个透镜的厚度，dn表示第n个透镜后表面到下一光学表面的空气间隔；do表示光阑到G4正光焦度双凸透镜前表面的空气间隔。
表2
Figure BDA0003600239650000061
Figure BDA0003600239650000071
在本实施例中，镜头的光学总长为41.4mm，焦距为78mm，探测像面的对角线尺寸为32mm，能够同时匹配对角线尺寸为18mm的探测像面；镜头的全视场角为23.2°；最大光圈为F3.8；中心工作波长为254nm，工作波段为240nm～270nm；
本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.74；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.46，能够对目标清晰成像。
本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，全视场最大光学畸变低于0.2％，保真程度较好。
本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，全视场的相对照度优于93％，像面具有较好的均匀度。
在本实施例中，紫外工业镜头的最小工作距离为0.29m，通过调节G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离，可在0.29m～∞的工作范围内实现不同工作距离的清晰成像；镜头卡口类型为F口时，工作距离0.29m对应的G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为91.22mm，工作距离∞对应的G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为64.35mm。镜头的工作温度范围为-10℃～30℃，不同温度下也可通过调节所述G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离实现目标的清晰成像。
本实施例的紫外工业镜头在0.35m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.73；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.51，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.2％，保真程度较好；全视场的相对照度优于92％，像面具有较好的均匀度。
本实施例的紫外工业镜头在0.45m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.73；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.41，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.21％，保真程度较好；全视场的相对照度优于91％，像面具有较好的均匀度。
本实施例的紫外工业镜头在0.55m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.72；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.29，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.21％，保真程度较好；全视场的相对照度优于91％，像面具有较好的均匀度。
实施例3
各透镜的具体参数如表3所示。表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，tj表示第j个透镜的厚度，dn表示第n个透镜后表面到下一光学表面的空气间隔；do表示光阑到G4正光焦度双凸透镜前表面的空气间隔。
表3
Figure BDA0003600239650000081
在本实施例中，镜头的光学总长为40.8mm，焦距为78mm，探测像面的对角线尺寸为32mm，能够同时匹配对角线尺寸为18mm的探测像面；镜头的全视场角为23.2°；最大光圈为F3.8；中心工作波长为254nm，工作波段为240nm～270nm；
本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.6；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.38，能够对目标清晰成像。
本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，全视场最大光学畸变低于0.22％，保真程度较好。
本实施例的紫外工业镜头在0.29m工作距离成像时，全视场的相对照度优于89％，像面具有较好的均匀度。
在本实施例中，紫外工业镜头的最小工作距离为0.29m，通过调节G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离，可在0.29m～∞的工作范围内实现不同工作距离的清晰成像；镜头卡口类型为F口时，工作距离0.29m对应的G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为91.01mm，工作距离∞对应的G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为64.21mm。镜头的工作温度范围为-10℃～30℃，不同温度下也可通过调节所述G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离实现目标的清晰成像。
本实施例的紫外工业镜头在0.35m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.56；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.33，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.22％，保真程度较好；全视场的相对照度优于89％，像面具有较好的均匀度。
本实施例的紫外工业镜头在0.45m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.52；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.28，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.22％，保真程度较好；全视场的相对照度优于89％，像面具有较好的均匀度。
本实施例的紫外工业镜头在0.55m工作距离成像时，中心视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.51；最大视场在截止频率46lp/mm处的调制传递函数值优于0.21，能够对目标清晰成像；全视场最大光学畸变低于0.22％，保真程度较好；全视场的相对照度优于89％，像面具有较好的均匀度。

Claims (9)

1.一种紫外工业镜头，其特征在于包括沿光轴由物方到像方依次设置的前镜片组、光阑、后镜片组；所述前镜片组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G3正光焦度双凸透镜；所述后透镜组包括沿光轴从物方到像方依次设置的G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜和G6负光焦度双凹透镜；各透镜前后表面均为球形。
2.根据权利要求1所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜的前后表面曲率半径分别为40.579～43.655mm、46.114～50.214mm；G2负光焦度双凹透镜的前后表面曲率半径分别为-27.515～-27.260mm、33.986～34.270mm；G3正光焦度双凸透镜的前后表面曲率半径分别为52.090～52.576mm、-41.150～-40.180mm；G4正光焦度双凸透镜的前后表面曲率半径分别为67.568～70.882mm、-37.440～-37.260mm；G5正光焦度双凸透镜的前后表面曲率半径分别为23.280～23.550mm、-39.161～-38.520mm；G6负光焦度双凹透镜的前后表面曲率半径分别为-36.638～-35.989mm、18.523～18.679mm。
3.根据权利要求2所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜的中心厚度为1.98～2.02mm；G2负光焦度双凹透镜的中心厚度为1.98～2.02mm；G3正光焦度双凸透镜的中心厚度为5.95～6.05mm；G4正光焦度双凸透镜的中心厚度为5.95～6.05mm；G5正光焦度双凸透镜的中心厚度为8.96～9.04mm；G6负光焦度双凹透镜的中心厚度为2.48～2.52mm。
4.根据权利要求2或3所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜与G2负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为5.98～6.02mm；G2负光焦度双凹透镜与G3正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为1.18～1.22mm；G3正光焦度双凸透镜与光阑的中心空气间隔为2.18～2.22mm；光阑与G4正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为2.18～2.22mm；G4正光焦度双凸透镜与G5正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为0.98～1.02mm；G5正光焦度双凸透镜与G6负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为0.98～1.02mm；G6负光焦度双凹透镜到探测像面的距离为64.21～91.67mm。
5.根据权利要求1所述的紫外工业镜头，其特征在于所述光阑的光圈在F3.8～F16范围内可调。
6.根据权利要求1所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜、G2负光焦度双凹透镜和G6负光焦度双凹透镜均采用融石英材料；G3正光焦度双凸透镜、G4正光焦度双凸透镜、G5正光焦度双凸透镜均采用氟化钙材料。
7.根据权利要求2所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜的前后曲率半径分别为41.670mm、47.532mm；G2负光焦度双凹透镜的前后曲率半径分别为-27.366mm、34.218mm；G3正光焦度双凸透镜的前后曲率半径分别为52.501mm、-40.887mm；G4正光焦度双凸透镜的前后曲率半径分别为68.575mm、-37.321mm；G5正光焦度双凸透镜的前后曲率半径分别为23.408mm、-39.050mm；G6负光焦度双凹透镜的前后曲率半径分别为-36.155mm、18.568mm。
8.根据权利要求3所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜的中心厚度为2mm；G2负光焦度双凹透镜的中心厚度为2mm；G3正光焦度双凸透镜的中心厚度为6mm；G4正光焦度双凸透镜的中心厚度为6mm；G5正光焦度双凸透镜的中心厚度为9mm；G6负光焦度双凹透镜的中心厚度为2.5mm。
9.根据权利要求4所述的紫外工业镜头，其特征在于所述G1正光焦度弯月形透镜与G2负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为6mm；G2负光焦度双凹透镜与G3正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为1.2mm；G3正光焦度双凸透镜与光阑的中心空气间隔为2.2mm；光阑与G4正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为2.2mm；G4正光焦度双凸透镜与G5正光焦度双凸透镜的中心空气间隔为1mm；G5正光焦度双凸透镜与G6负光焦度双凹透镜的中心空气间隔为1mm。
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