CN114924376B - 一种筒镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种筒镜光学系统，包括：按照特定的光学间隔，从对焦物面向成像面沿所述筒镜光学系统的主光轴依次设置的第一胶合透镜、第二胶合透镜、第一透镜、第二透镜、第三胶合透镜、液态透镜、第四胶合透镜、第三透镜和第四透镜；通过软件控制电压来改变所述液态透镜的曲率特性，以实现所述筒镜光学系统的毫秒级快速对焦。本发明的设计使得筒镜自身实现可自动变焦，从而可配合标准物镜实现快速自动对焦，解决了工业相机中显微物镜对焦的难题，对焦效率和准确率得到了显著提升。此外，由于采用液态透镜实现对焦，在对焦过程中其他镜片没有位移，因此本发明的对焦稳定性更好，且不受安装位置形态的影响。

Description

一种筒镜光学系统
技术领域
本发明涉及工业相机技术领域，具体的涉及一种可配合标准物镜实现自动对焦的筒镜光学系统。
背景技术
在工业相机等领域，通常采用可实现全部物镜光学功能的无限共轭物镜作为物镜的主要形式，无限共轭物镜是在标准物镜后接筒镜(tube lens)形成的。与传统的显微物镜一样，无限共轭物镜同样具有比较大的光学倍率和比较大的物方数值孔径，但景深非常小，且随着倍率得变大，景深甚至小得可以忽略，这对于光学显微镜头对焦来说是非常困难的。且传统的对焦方式通常依靠机械运动带动镜头寻找最佳的物距位置，存在对焦效率低、准确度不好把握等问题。
液态镜片是一种可通过电压来改变镜片曲率特性的镜片，其可通过软件控制镜片曲率的变化，具有毫秒级的快速对焦能力，因此在显微系统中应用液态镜片可以很好的解决光学显微镜头的对焦问题。现有应用液态镜片的显微系统，一般是将液态镜片直接作为一个镜头放置在显微物镜与筒镜之间，或者筒镜与相机之间，以实现显微系统的快速对焦。但在这两种方式中，液态镜片受重力影响比较大，对镜片与光轴垂直度要求比较高，即只能在保证垂直度的状态下进行使用，当镜头处于倾斜或水平状态时，难以保证其良好使用。
因此，亟需设计一种新型筒镜光学系统，使其能直接配合标准物镜实现稳定的快速自动对焦，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种可配合标准物镜实现自动对焦的筒镜光学系统，使筒镜自身具有毫秒级的快速对焦能力，且具有不受安装位置形态影响的稳定性，同时可方便后期实现自动化的图像采集。
为了实现以上目的及其他目的，本发明是通过包括以下技术方案实现的：本发明提供了一种筒镜光学系统，其特征在于，包括：按照特定的光学间隔，从对焦物面向成像面沿所述筒镜光学系统的主光轴依次设置的第一胶合透镜、第二胶合透镜、第一透镜、第二透镜、第三胶合透镜、液态透镜、第四胶合透镜、第三透镜和第四透镜；通过软件控制电压来改变所述液态透镜的曲率特性，以实现所述筒镜光学系统的毫秒级快速对焦。
在一实施例中，所述筒镜光学系统还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述液态透镜内。
在一实施例中，所述对焦物面与所述第一胶合透镜之间的光学间隔为100mm，所述第四透镜与所述成像面之间的光学间隔为30mm。
在一实施例中，所述第一胶合透镜与所述第二胶合透镜之间的光学间隔为5.98mm～6.02mm；所述第二胶合透镜与所述第一透镜之间的光学间隔为179.95mm～180.05mm；所述第一透镜与所述第二透镜之间的光学间隔为10.20mm～10.24mm；所述第二透镜与所述第三胶合透镜之间的光学间隔为1.98mm～2.02mm；所述第三胶合透镜与所述液态透镜之间的光学间隔为4.98mm～5.02mm；所述液态透镜与所述第四胶合透镜之间的光学间隔为4.95mm～5.05mm；所述第四胶合透镜与所述第三透镜之间的光学间隔为0.49mm～0.51mm；所述第三透镜与所述第四透镜之间的光学间隔为10.20mm～10.24mm。
在一实施例中，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凹凸透镜，所述第三透镜为凹凸透镜，所述第四透镜为双凸透镜。
在一实施例中，所述第一胶合透镜包括第五透镜和第六透镜，所述第五透镜的像面与所述第六透镜的物面固定连接，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为凸凹透镜。
在一实施例中，所述第二胶合透镜包括第七透镜、第八透镜和第九透镜，所述第八透镜位于所述第七透镜和第九透镜之间，且所述第八透镜的物面与所述第七透镜的像面固定连接，所述第八透镜的像面与所述第七透镜的物面固定连接，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜为凹凸透镜，所述第九透镜为双凹透镜。
在一实施例中，所述第三胶合透镜包括第十透镜和第十一透镜，所述第十透镜的像面与所述第十一透镜的物面固定连接，所述第十透镜为平凹透镜，所述第十一透镜为凹凸透镜。
在一实施例中，所述第四胶合透镜包括第十二透镜和第十三透镜，所述第十二透镜的像面与所述第十三透镜的物面固定连接，所述第十二透镜为平凹透镜，所述第十三透镜为平凸透镜。
在一实施例中，所述筒镜光学系统的工作波长介于486nm～650nm之间。
在一实施例中，所述筒镜光学系统中除所述液态透镜外，其他透镜为玻璃透镜。
在一实施例中，所述液态透镜包括驱动电路组件，所述驱动电路组件用于向所述液态透镜上施加驱动电压或驱动电流。
在一实施例中，所述筒镜光学系统搭配焦距为200mm的标准物镜使用。
本发明提供了一种具有液态透镜的筒镜光学系统，使得筒镜自身实现可自动变焦，从而可配合标准物镜实现快速自动对焦，解决了工业相机中显微物镜对焦的难题，对焦效率和准确率得到了显著提升。此外，由于采用液态透镜实现对焦，在对焦过程中其他镜片没有位移，因此本发明的对焦稳定性更好，且不受安装位置形态的影响。同时，本发明的设计也更容易实现自动化的图像采集，通过添加一定的图像算法可拓展应用于超景深成像。
附图说明
图1显示为本发明一种筒镜光学系统的结构示意图。
图2显示为本发明在工作波长为486nm、588nm和656nm时在不同视野区域的光线光扇(Ray Fan)图。
图3显示为本发明在工作波长为486nm、588nm和656nm时的场曲(FieldCurvature)图和畸变(Distortion)图。
图4显示为本发明在工作波段内的傅里叶变换的调制传递函数(FFT MTF)图。
图5显示为本发明在工作波长为587.6nm时的像面照度图。
图6显示为本发明在工作波长为486nm、588nm和656nm时的弥散圆图。
具体实施方式
请参阅图1至图6。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，尽管本说明书中使用“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各个透镜，但这些透镜不应当受这些术语限制。这些术语仅仅用于使一个透镜与另一个透镜相区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。这些术语并不一定意味着透镜的特定顺序或布置。因此，在不脱离各个实施例的实施方式的教导的情况下，以下讨论的第一透镜可描述为第二透镜。
此外，各个透镜的最接近对焦物面A的表面被称为“物面”，各个透镜的最接近成像面B的表面被称为“像面”，且透镜物面为凸面或像面为凹面时，物面曲率或像面曲率为正，透镜物面为凹面或像面为凸面时，物面曲率或像面曲率为负。
如图1所示，本发明提供了一种筒镜光学系统100，所述筒镜光学系统100按照特定的光学间隔，从对焦物面A向成像面B沿所述筒镜光学系统100的主光轴C依次设置有第一胶合透镜110、第二胶合透镜120、第一透镜130、第二透镜140、第三胶合透镜150、液态透镜160、第四胶合透镜170、第三透镜180和第四透镜190，通过软件控制来施加驱动电压来改变所述液态透镜160的曲率特性，以实现所述筒镜光学系统100的毫秒级快速对焦。
如图1所示，在本实施例中，所述第一胶合透镜110的物面为凸球面，曲率半径为80mm，像面为凸球面，曲率半径为-400mm。所述第二胶合透镜120的物面为凸球面，曲率半径为70mm，像面为凹球面，曲率半径为30mm。所述第一透镜130为双凸透镜，中心厚度为4mm，物面为凸球面，曲率半径为200mm，像面为凸球面，曲率半径为-60mm。所述第二透镜140为凹凸透镜，中心厚度为4mm，物面为凸球面，曲率半径为12mm，像面为凹球面，曲率半径为110mm。所述第三胶合透镜150的物面为平面，曲率半径为正无穷，像面为凹球面，曲率半径为30mm。所述液态透镜160包括驱动电路组件(图中未示出)，通过所述驱动电路组件向所述液态透镜160的电极上施加驱动电压或者驱动电流，以改变所述液态透镜160的中心厚度和曲率从而改变焦距。所述液态透镜160内还设置有孔径光阑(图中为示出)，所述孔径光阑用于限制轴上成像光束的大小。所述第四胶合透镜170的物面为凹球面，曲率半径为-6mm，像面为凸球面，曲率半径为-20mm。所述第三透镜180为凹凸透镜，中心厚度为4mm，物面为凹球面，曲率半径为-140m，像面为凸球面，曲率半径为-40mm。所述第四透镜190为双凸透镜，中心厚度为7mm，物面为凸球面，曲率半径为70mm，像面为凸球面，曲率半径为-70mm。
如图1所示，在本实施例中，所述第一胶合透镜110可采用双胶合透镜，表面镀了可见光(400-700nm)用宽带防反射多层膜，包括第五透镜111和第六透镜112，所述第五透镜111的像面与所述第六透镜112的物面之间可以以光学胶体固定，也可采用机械式手段(例如定位槽)进行夹持固定。所述第五透镜111的像面曲率与所述第六透镜112的物面曲率相等。所述第五透镜111为双凸透镜，中心厚度为8mm，物面是凸球面，曲率半径为80mm，像面为凸球面，曲率半径为-39mm；所述第六透镜112为凸凹透镜，中心厚度为7mm，物面为凹球面，曲率半径为-39mm，像面为凸球面，曲率半径为-400mm。
所述第二胶合透镜120可采用三胶合透镜，表面镀了可见光(400-700nm)用宽带防反射多层膜，包括第七透镜121、第八透镜122和第九透镜123，所述第八透镜122位于所述第七透镜121和第九透镜123之间，且所述第八透镜122的物面与所述第七透镜121的像面固定连接，所述第八透镜122的像面与所述第七透镜121的物面固定连接。所述第七透镜121的像面曲率与所述第八透镜122的物面曲率相等，所述第八透镜122的像面曲率与所述第九透镜123的物面曲率相等。第八透镜122的物面与所述第七透镜121的像面之间以及所述第八透镜122的像面与所述第七透镜121的物面之间可以以光学胶体固定，也可采用机械式手段(例如定位槽)进行夹持固定。所述第七透镜121为双凸透镜，中心厚度为6mm，物面为凸球面，曲率半径为70mm，像面为凸球面，曲率半径为-70mm；所述第八透镜122为凹凸透镜，中心厚度为5mm，物面为凹球面，曲率半径为-70mm，像面为凸球面，曲率半径为-60mm；所述第九透镜123为双凹透镜，中心厚度为4mm，物面为凹球面，曲率半径为-60mm，像面为凹球面，曲率半径为30mm。
所述第三胶合透镜150可采用双胶合透镜，表面镀了可见光(400-700nm)用宽带防反射多层膜，包括第十透镜151和第十一透镜152，所述第十透镜151的像面与所述第十一透镜152的物面之间可以以光学胶体固定，也可采用机械式手段(例如定位槽)进行夹持固定。所述第十透镜151的像面曲率与所述第十一透镜152的物面曲率相等。所述第十透镜151为平凹透镜，中心厚度为2mm，物面为平面，曲率半径为正无穷，像面为凹球面，曲率半径为20mm；所述第十一透镜152为凹凸透镜，中心厚度为3mm，物面为凸球面，曲率半径为20mm，像面为凹球面，曲率半径为30mm。
所述第四胶合透镜170可采用双胶合透镜，表面镀了可见光(400-700nm)用宽带防反射多层膜，包括第十二透镜171和第十三透镜172，所述第十二透镜171的像面与所述第十三透镜172的物面之间可以以光学胶体固定，也可采用机械式手段(例如定位槽)进行夹持固定。所述第十二透镜171的像面曲率与所述第十三透镜172的物面曲率相等。所述第十二透镜171为平凹透镜，中心厚度为3mm，物面为凹球面，曲率半径为-6mm，像面为平面，曲率半径为正无穷，所述第十三透镜172为平凸透镜，中心厚度为4mm，物面为平面，曲率半径为正无穷，像面为凸球面，曲率半径为-20mm。
进一步地，为了保证成像质量，各透镜的口径偏差不大，各透镜的曲率半径的面型公差约束在牛顿环3～5个光圈范围内，局部公差约束在牛顿环0.3～0.5个光圈范围内(采用干涉仪检测)。需要说明的是，所述各透镜的形状参数可以根据需要进行灵活的调整，并不限于上述列举的参数。
如图1所示，在本实施例中，所述筒镜光学系统100的起始对焦物距d1为100mm，像距d2为30mm，所述筒镜光学系统100的光学总长(从所述第五透镜111的物面曲率中心到所述成像面B)为300mm。所述第一胶合透镜110到所述第二胶合透镜120的光学间隔为6.00mm，公差±0.02mm；所述第二胶合透镜120到所述第一透镜130的光学间隔为180.00mm，公差±0.05mm；所述第一透镜130到所述第二透镜140的光学间隔为10.22mm，公差±0.02mm；所述第二透镜140到所述第三胶合透镜150的光学间隔为2.00mm，公差±0.02mm；所述第三胶合透镜150到所述液态透镜160的光学间隔为5.00mm，公差±0.02mm；所述液态透镜160到所述第四胶合透镜170的光学间隔为5.00mm，公差±0.05mm；所述第四胶合透镜170到所述第三透镜180的光学间隔为0.50mm，公差±0.01mm；所述第三透镜180到所述第四透镜190的光学间隔为10.22mm，公差±0.02mm。需要说明的是，所述的光学间隔可以根据需要进行灵活的调整，并不限于上述列举的尺寸。
进一步地，在本实施例中，所述筒镜光学系统100中除所述液态透镜160外，其他透镜均为无色玻璃透镜。具体地，所述第五透镜111可采用轻冕牌玻璃(h-qk3l)，所述第六透镜112可采用重钡火石玻璃(h-zbaf52)；所述第七透镜121可采用重磷冕牌玻璃(h-zpk1a)，所述第八透镜122可采用重火石玻璃(h-zf4a)，所述第九透镜123可采用冕牌玻璃(h-k9l)；所述第一透镜130可采用重冕牌玻璃(h-zk20)；所述第二透镜140可采用重钡火石玻璃(h-zbaf52)；所述第十透镜151可采用重火石玻璃(h-zf2)，所述第十一透镜152可采用重冕牌玻璃(h-zk3a)；所述液态透镜160可采用CorningA58液体镜片；所述第十二透镜171可采用火石玻璃(h-f6)，所述第十三透镜172可采用重冕牌玻璃(h-zk3a)；所述第三透镜180可采用重冕牌玻璃(h-zk3a)；所述第四透镜190可采用重钡火石玻璃(h-zbaf52)。需要说明的是，所述筒镜光学系统100中除所述液态透镜160外，其他透镜的材质和牌号可根据实际情况进行调整，各透镜也可以采用玻璃透镜与塑胶透镜的组合，或者全部采用塑胶透镜。
进一步地，所述筒镜光学系统100的工作环境为可见光环境，工作波段为486nm～650nm之间。所述筒镜光学系统100的入瞳直径为31.9mm，光圈为F/6.6，焦距为160mm；所述成像面B尺寸为直径22mm，放大倍率为1X，所述筒镜光学系统100可搭配焦距为200mm的标准物镜使用。
请参阅图2，图2示出了所述筒镜光学系统100在工作波长为486nm、588nm和656nm时在不同视野区域的光线光扇(Ray Fan)图，图2显示了不同视野区域产生的像差集合，每个视野区域可分别看到子午面和弧矢面像差的差异。
请参阅图3，图3示出了所述筒镜光学系统100在工作波长为486nm、588nm和656nm时的场曲(Field Curvature)图和畸变(Distortion)图。在左图中，横坐标是毫米，纵坐标对应所述筒镜光学系统100的(半)视场区间Y+，实线从左向右依次代表工作波段为486nm、588nm和656nm时的子午面，虚线从左向右依次代表工作波段为486nm、588nm和656nm时的弧矢面，从左图中可以看出，场曲最大偏差不超过0.0643mm，可忽略。在右图中，横坐标是畸变百分比，纵坐标对应所述筒镜光学系统100的(半)视场区间Y+，3条曲线分别代表所述筒镜光学系统100在波长为486nm、588nm和656nm时畸变(Distortion)图，所述筒镜光学系统100最大的畸变出现在整个视场的边缘位置，且最大畸变为0.0802％，达到设计要求。需要说明的是，由于本发明的所述筒镜光学系统100旋转对称，因此图3、图5和图6只研究半视场的性能。
请参阅图4，图4示出了所述筒镜光学系统100在工作波段内的傅里叶变换的调制传递函数(FFT MTF)图，在图4中，横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数系数(Modulusof the OTF)，实线代表子午曲线，而虚线代表弧矢曲线，从图中可以看出在工作波段内，所述筒镜光学系统100的空间传递函数，这是所述筒镜光学系统100在这个波段内工作的性能参数之一，是整个系统分辨率评价的方式，图中示出了不同视场的对应的子午和弧矢的曲线图。
请参阅图5，图5示出了所述筒镜光学系统100的在工作波长为587.6nm时的像面照度图，在图5中，横坐标为(半)视场区间，纵坐标为相对照度(Relative Illumination)。相对照度主要体现光线经过光学系统后像面不同的区域内光照分布的情况，体现了不同视场光照度的衰减情况，是评价整个光学系统像面照度的重要指标。图5中的像面照度曲线在0.9～1.0之间，且边缘的像面照度可以达到中心像面照度的95％以上，说明随着视场大小的变化照度的均匀性也会有相应的变化，随视场的增大，像面照度逐渐下降。
请参照图6，图6示出了所述筒镜光学系统100在工作波长为486nm、588nm和656nm时的弥散圆图，为不同视野区域所有入瞳光线会聚到所述成像面B的扩散情况，不同曲线代表不同的波长，也是评价一个光学系统整体成像特性的一种重要方式。从图6中可以看出在设计波长范围内中心视场弥散斑和边缘视场弥散斑都能达到2.820微米以内。
综上，本发明提供了一种具有所述液态透镜160的所述筒镜光学系统100，使得所述筒镜光学系统100自身实现可自动变焦，从而可配合标准物镜实现快速自动对焦，解决了工业相机中显微物镜对焦的难题，使对焦效率和准确率得到了显著提升。此外，由于采用所述液态透镜160实现对焦，在对焦过程中其他镜片没有位移，因此本发明的对焦稳定性更好，且不受安装位置形态的影响。同时，所述液态透镜160可通过软件控制进行自动变焦，因此更容易实现自动化的图像采集，通过添加一定的图像算法可拓展应用于超景深成像。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种筒镜光学系统，其特征在于，包括：
从对焦物面向成像面沿所述筒镜光学系统的主光轴依次设置的第一胶合透镜、第二胶合透镜、第一透镜、第二透镜、第三胶合透镜、液态透镜、第四胶合透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一胶合透镜为双胶合透镜，所述第二胶合透镜为三胶合透镜，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凹凸透镜，所述第三胶合透镜为双胶合透镜，所述第四胶合透镜为双胶合透镜；所述第三透镜为凹凸透镜，所述第四透镜为双凸透镜；
所述第一胶合透镜包括第五透镜和第六透镜，所述第五透镜的像面与所述第六透镜的物面固定连接，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为凸凹透镜；
所述第二胶合透镜包括第七透镜、第八透镜和第九透镜，所述第八透镜位于所述第七透镜和第九透镜之间，且所述第八透镜的物面与所述第七透镜的像面固定连接，所述第八透镜的像面与所述第七透镜的物面固定连接，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜为凹凸透镜，所述第九透镜为双凹透镜；
所述第三胶合透镜包括第十透镜和第十一透镜，所述第十透镜的像面与所述第十一透镜的物面固定连接，所述第十透镜为平凹透镜，所述第十一透镜为凹凸透镜；
所述第四胶合透镜包括第十二透镜和第十三透镜，所述第十二透镜的像面与所述第十三透镜的物面固定连接，所述第十二透镜为平凹透镜，所述第十三透镜为平凸透镜；
通过软件控制电压来改变所述液态透镜的曲率特性，以实现所述筒镜光学系统的毫秒级快速对焦。
2.根据权利要求1所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述液态透镜内。
3.根据权利要求1所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，所述对焦物面与所述第一胶合透镜之间的光学间隔为100mm，所述第四透镜与所述成像面之间的光学间隔为30mm。
4.根据权利要求2所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，所述第一胶合透镜与所述第二胶合透镜之间的光学间隔为5.98mm～6.02mm；所述第二胶合透镜与所述第一透镜之间的光学间隔为179.95mm～180.05mm；所述第一透镜与所述第二透镜之间的光学间隔为10.20mm～10.24mm；所述第二透镜与所述第三胶合透镜之间的光学间隔为1.98mm～2.02mm；所述第三胶合透镜与所述液态透镜之间的光学间隔为4.98mm～5.02mm；所述液态透镜与所述第四胶合透镜之间的光学间隔为4.95mm～5.05mm；所述第四胶合透镜与所述第三透镜之间的光学间隔为0.49mm～0.51mm；所述第三透镜与所述第四透镜之间的光学间隔为10.20mm～10.24mm。
5.根据权利要求1所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，所述筒镜光学系统的工作波长介于486nm～650nm之间。
6.根据权利要求1所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，所述筒镜光学系统中除所述液态透镜外，其他透镜为玻璃透镜。
7.根据权利要求1所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，所述液态透镜包括驱动电路组件，所述驱动电路组件用于向所述液态透镜上施加驱动电压或驱动电流。
8.根据权利要求1所述的一种筒镜光学系统，其特征在于，所述筒镜光学系统搭配焦距为200mm的标准物镜使用。
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