CN115166956B - 一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头 - Google Patents

一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，沿入射光线方向依次固定设置的前固定组A、变倍组B、可变光阑S、中固定组C和后补偿组D；前固定组A包括沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜A1、双凸正透镜A2和月牙正透镜A3；变倍组B包括沿光线入射方向依次设置的双凹负透镜B1、双凹负透镜B2和月牙正透镜B3，且双凹负透镜B2和月牙正透镜B3相胶合；中固定组C包括沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜C1和平凸正透镜C2，且弯月负透镜C1和平凸正透镜C2相胶合；后补偿组D包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D1、弯月负透镜D2、平凸正透镜D3和弯月负透镜D4。本发明摄取不同比例的像面时，只需要对镜头进行变焦，而不需要切换镜头。

Description

一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头
技术领域
本发明涉及一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，属于成像镜头技术领域。
背景技术
对于配置相同芯片的工业相机，不同焦距镜头的视场角不一样，因此不同焦距的镜头可以对不同尺寸的物面成像，其中长焦镜头的视角比较小，用于细节特写观测，短焦镜头的视场角较大，用于大范围目标搜索。根据工业检测的特点，目前市场上的机器视觉工业镜头的主要焦距有8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm和75mm，其中12mm至50mm焦距范围的使用频率最高。通常，在工业检测中，用短焦镜头如8mm和12mm，来发现目标并锁定位置；用长焦镜头如35mm和50mm，来观测分析目标。当一个系统要对同一个物面成不同比例的像时，需要改变镜头的焦距，传统的做法是切换不同焦距的镜头，这样做不但需要重新对系统进行调像，而且拆卸安装镜头容易造成系统损伤。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，该变焦工业镜头摄取不同比例的像面时，只需要对镜头进行变焦，而不需要切换镜头。
本发明的技术方案如下：
一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，沿入射光线方向依次固定设置的前固定组A、变倍组B、可变光阑S、中固定组C和后补偿组D；所述变倍组B与所述后补偿组D滑动设置；所述前固定组A包括沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜A1、双凸正透镜A2和月牙正透镜A3，且所述弯月负透镜A1和所述双凸正透镜A2相胶合；所述变倍组B包括沿光线入射方向依次设置的双凹负透镜B1、双凹负透镜B2和月牙正透镜B3，且所述双凹负透镜B2和所述月牙正透镜B3相胶合；所述中固定组C包括沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜C1和平凸正透镜C2，且所述弯月负透镜C1和所述平凸正透镜C2相胶合；所述后补偿组D包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D1、弯月负透镜D2、平凸正透镜D3和弯月负透镜D4，且所述弯月负透镜D2和所述平凸正透镜D3相胶合。
进一步的，所述双凹负透镜B1和所述双凹负透镜B2为超低色散玻璃。
进一步的，所述双凹负透镜B1和所述双凹负透镜B2为H-FK61玻璃。
进一步的，所述前固定组A的焦距FA满足：
30.00mm≤FA≤40.00mm；
所述变倍组B的焦距FB满足：
-13.00mm≤FB≤-10.00mm；
所述中固定组C的焦距FC满足：
20.00mm≤FC≤30.00mm；
所述后补偿组D的焦距FD满足：
15.00mm≤FD≤25.00mm；
所述前固定组A与所述固定光阑S之间的中心厚度间隔CTAS满足：
20.00mm≤CTAS≤30.00mm。
所述中固定组C与像面I之间的中心厚度间隔CTCI满足：
30.00mm≤CTCI≤40.00mm。
进一步的，所述前固定组A的焦距FA为34.76mm，所述变倍组B的焦距FB为-11.70mm，所述中固定组C的焦距FC为27.44mm，所述后补偿组D的焦距FD为21.63mm，所述前固定组A与所述固定光阑S之间的中心厚度间隔CTAS为26.82mm，所述中固定组C与像面I之间的中心厚度间隔CTCI为34.93mm。
进一步的，所述前固定组A和所述可变光阑S的间隔为26.21mm，所述可变光阑S和所述中固定组C的间隔为0.612mm，所述中固定组C和所述像面I的间隔为34.93mm。
进一步的，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为0.48mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为16.52mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为12.90mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为10.60mm。
进一步的，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为6.94mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为10.06mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为11.93mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为11.57mm。
进一步的，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为12.73mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为4.27mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为12.37mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为11.13mm。
进一步的，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为15.75mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为1.25mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为14.40mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为9.10mm。
本发明具有如下有益效果：
变焦范围：12mm-50mm
芯片半像高：4.65mm
相对孔径：F/2.8-F/16
适用波长：可见光(0.45um-0.78um)，中心波长0.5876um
物距范围：0.3m-1.0m
畸变要求：小于5％
相对照度：大于70％
像质要求：0.7视场MTF@100lp/mm≥0.4
光学总长：小于75mm
该变焦工业镜头相对照度符合工业镜头要求，同时长焦情况下畸变较小。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的焦距为12mm时100lp/mm的传函。
图3为本发明实施例的焦距为20mm时100lp/mm的传函。
图4为本发明实施例的焦距为35mm时100lp/mm的传函。
图5为本发明实施例的焦距为50mm时100lp/mm的传函。
图6为本发明实施例不同焦距时的畸变图。
图7为本发明实施例不同焦距时的相对照度图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
参考图1，一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，沿入射光线方向依次固定设置的前固定组A、变倍组B、可变光阑S、中固定组C和后补偿组D；所述变倍组B与所述后补偿组D滑动设置；所述前固定组A包括沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜A1、双凸正透镜A2和月牙正透镜A3，且所述弯月负透镜A1和所述双凸正透镜A2相胶合；所述变倍组B包括沿光线入射方向依次设置的双凹负透镜B1、双凹负透镜B2和月牙正透镜B3，且所述双凹负透镜B2和所述月牙正透镜B3相胶合；所述中固定组C包括沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜C1和平凸正透镜C2，且所述弯月负透镜C1和所述平凸正透镜C2相胶合；所述后补偿组D包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D1、弯月负透镜D2、平凸正透镜D3和弯月负透镜D4，且所述弯月负透镜D2和所述平凸正透镜D3相胶合。
在本发明的一种实施方式中，所述双凹负透镜B1和所述双凹负透镜B2为超低色散玻璃。
更具体的，所述双凹负透镜B1和所述双凹负透镜B2为H-FK61玻璃。
实施例二
一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，在实施例一的基础上，所述前固定组A的焦距FA满足：
30.00mm≤FA≤40.00mm；
所述变倍组B的焦距FB满足：
-13.00mm≤FB≤-10.00mm；
所述中固定组C的焦距FC满足：
20.00mm≤FC≤30.00mm；
所述后补偿组D的焦距FD满足：
15.00mm≤FD≤25.00mm；
所述前固定组A与所述固定光阑S之间的中心厚度间隔CTAS满足：
20.00mm≤CTAS≤30.00mm。
所述中固定组C与像面I之间的中心厚度间隔CTCI满足：
30.00mm≤CTCI≤40.00mm。
实施例三
一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，在实施例二的基础上，所述前固定组A的焦距FA为34.76mm，所述变倍组B的焦距FB为-11.70mm，所述中固定组C的焦距FC为27.44mm，所述后补偿组D的焦距FD为21.63mm，所述前固定组A与所述固定光阑S之间的中心厚度间隔CTAS为26.82mm，所述中固定组C与像面I之间的中心厚度间隔CTCI为34.93mm。
实施例四
一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，在实施例三的基础上，所述前固定组A和所述可变光阑S的间隔为26.21mm，所述可变光阑S和所述中固定组C的间隔为0.612mm，所述中固定组C和所述像面I的间隔为34.93mm。
在本实施例中，镜头教具分别为f＝12mm、f＝20mm、f＝35mm和f＝50mm时，对应各个镜片的详细参数如表1.1和表1.2所示。
表1.1焦距为f＝50mm的各个镜片的参数
表1.2变焦数据表
变焦厚度/mm f＝12mm f＝20mm f＝35mm f＝50mm
表面5 0.48 6.94 12.73 15.75
表面10 16.52 10.06 4.27 1.25
表面14 12.90 11.93 12.37 14.40
表面21 10.60 11.57 11.13 9.10
在该实施例中，调整镜头教具f＝12mm时，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为0.48mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为16.52mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为12.90mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为10.60mm。
在该实施例中，调整镜头教具f＝12mm时，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为6.94mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为10.06mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为11.93mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为11.57mm。
在该实施例中，调整镜头教具f＝12mm时，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为12.73mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为4.27mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为12.37mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为11.13mm。
在该实施例中，调整镜头教具f＝12mm时，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为15.75mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为1.25mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为14.40mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为9.10mm。
根据以上数据，采用光线追迹软件例如ZEMAX、CODEV、SYNOPSYS、OSLO和SIGMA等，建立光学系统模型，设置系统参数后，即可以对变焦工业镜头进行评价。如图2和图3所示，分别是焦距f＝12mm和f＝20mm的传递函数随视场的变化，可以看出全视场在100lp/mm的传递函数(MTF)都大于0.4满足技术指标要求；如图4和5所示，分别是焦距为f＝35mm和f＝50mm的传递函数随视场的变化，可以看出0.8视场以内在100lp/mm的传递函数(MTF)大于0.4，满足技术指标要求。如图6所示，是本实施例在不同焦距的畸变图，由图可见整个系统的焦距在5％以内，其中短焦的畸变为负，长焦的畸变为正，且短焦的畸变比长焦大很多，这是因为对于相同的像高，短焦的视场角比较大。对于工业应用的机器视觉镜头，如果相对照度小于70％，那么拍摄的画面可能会出现暗角。如图7所示，是本实施例在不同焦距的相对照度图，可以看出在12mm至50mm的整个焦距范围内，相对照度都大于70％，特别是焦距小于20mm的短焦部分，相对照度大于90％；对于长焦部分，特别是最大焦距50mm时，边缘视场的相对照度为79％，满足技术指标要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，沿入射光线方向依次由前固定组A、变倍组B、可变光阑S、中固定组C和后补偿组D组成；所述变倍组B与所述后补偿组D滑动设置；所述前固定组A由沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜A1、双凸正透镜A2和月牙正透镜A3组成，且所述弯月负透镜A1和所述双凸正透镜A2相胶合；所述变倍组B由沿光线入射方向依次设置的双凹负透镜B1、双凹负透镜B2和月牙正透镜B3组成，且所述双凹负透镜B2和所述月牙正透镜B3相胶合；所述中固定组C由沿光线入射方向依次设置的弯月负透镜C1和平凸正透镜C2组成，且所述弯月负透镜C1和所述平凸正透镜C2相胶合；所述后补偿组D由沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D1、弯月负透镜D2、平凸正透镜D3和弯月负透镜D4组成，且所述弯月负透镜D2和所述平凸正透镜D3相胶合；
所述前固定组A的焦距F A 满足：
；
所述变倍组B的焦距F B 满足：
；
所述中固定组C的焦距F C 满足：
；
所述后补偿组D的焦距F D 满足：
；
所述前固定组A与所述可变光阑S之间的中心厚度间隔CT AS 满足：
；
所述中固定组C与像面I之间的中心厚度间隔CT CI 满足：
。
2.根据权利要求1所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述双凹负透镜B1和所述双凹负透镜B2为超低色散玻璃。
3.根据权利要求2所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述双凹负透镜B1和所述双凹负透镜B2为H-FK61玻璃。
4.根据权利要求1所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述前固定组A的焦距F A 为34.76mm，所述变倍组B的焦距F B 为-11.70mm，所述中固定组C的焦距F C 为27.44mm，所述后补偿组D的焦距F D 为21.63mm，所述前固定组A与所述可变光阑S之间的中心厚度间隔CT AS 为26.82mm，所述中固定组C与像面I之间的中心厚度间隔CT CI 为34.93mm。
5.根据权利要求4所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述前固定组A和所述可变光阑S的间隔为26.21mm，所述可变光阑S和所述中固定组C的间隔为0.612mm，所述中固定组C和所述像面I的间隔为34.93mm。
6.根据权利要求5所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为0.48mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为16.52mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为12.90mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为10.60mm。
7.根据权利要求5所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为6.94mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为10.06mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为11.93mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为11.57mm。
8.根据权利要求5所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为12.73mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为4.27mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为12.37mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为11.13mm。
9.根据权利要求5所述用于机器视觉成像的变焦工业镜头，其特征在于，所述前固定组A和所述变倍组B的间隔为15.75mm，所述变倍组B和所述可变光阑S的间隔为1.25mm，所述中固定组C和所述后补偿组D的间隔为14.40mm，所述后补偿组D和所述像面I的间隔为9.10mm。
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