CN115561887A - 用于机器视觉高光学扩展量模块化变焦镜头 - Google Patents

用于机器视觉高光学扩展量模块化变焦镜头 Download PDF

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CN115561887A CN202211206587.2A CN202211206587A CN115561887A CN 115561887 A CN115561887 A CN 115561887A CN 202211206587 A CN202211206587 A CN 202211206587A CN 115561887 A CN115561887 A CN 115561887A
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    • G02B15/163—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group
    • G02B15/167—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group having an additional fixed front lens or group of lenses
    • G02B15/173—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group having an additional fixed front lens or group of lenses arranged +-+

Abstract

本发明涉及与相机或者目镜一起使用的一种光学变焦镜头组件，其目的是为了观察和检查物体，或者用来与其它模块或者镜头、或者镜头组或者其它光学部件一起形成或者至少作为零件补充形成一套光学成像系统。其包括一个核心变焦模块，变焦模块包含五个光学组，配置成可以提供至少5.5:1的无焦镜头，光学组件的光学扩展量为1.15‑4.65mm2sr之间，并且按照8MP和32MP图像传感器配置。

Description

用于机器视觉高光学扩展量模块化变焦镜头
技术领域
本发明涉及与相机或者目镜一起使用的一种光学变焦镜头组件，其目的是为了观察和检查物体。具体地说，本发明涉及一光学组件或镜头组件，其特征是：具有多个模块化零件，高光学扩展量保持特性、波长校正范围宽，或变焦范围大，或者其特性组合。
背景技术
具有大变焦范围的长工作距离有限共轭镜头的历史可以追溯到几十年前。当时，Bausch和Lomb在他们的Stereo Zoom4型至7型中，使用了一种在1959年开始制造的变焦模块。所制造的最常见的变焦范围为0.7X-3X，变焦比约为4.3:1。附图1为：具有0.7-3X放大倍数范围的传统的Bausch和Lomb StereoZoom4所采用的目镜舱。附图2为：传统的Bausch和Lomb StereoZoom4所采用的完整的立体显微镜支架。
即使在那时，还是引入了一种目镜舱设计，使得立体显微镜头可在多种支架和台面上使用。该产品是为了和目镜放大镜一起使用，其规定了所需要的有限视场，以及为了实现2弧分/光线对的有限分辨率所需要的有限数值孔径。
从20世纪80年代开始，技术创新最终按两条产品开发路线进行，至今仍在继续。一条路线涉及在立体显微镜范围内继续使用。附图3是今天仍然在使用的传统的珠宝商的StereoZoom显微镜实例。附图3所示的立体显微镜变焦比为常见的6.5:1，通常使用0.7-4.5X的放大倍率范围的变焦室。按照附图3的光学组件，可用于各种不同的目镜放大镜和Barlow镜头，以调整视觉放大率。另一条路线涉及使用与单目镜视频系统很相似的、变焦比为6.5:1的变焦室。这些系统可以将物体或场景图片显示在一块最大约为11mm的传感器上，这个传感器通常被称为2/3”帧相机。该视场以及0.0388近似最大后数值孔径(NA)仍保持与原来的立体显微镜设计大致相同。这些相机，如果最大程度地加以利用，或者以其它方式对最大性能质量或者效率进行优化，基本上可以在近场衍射极限状态下实现0.45mm2sr(平方毫米立体弧度)的最大光学扩展量。
附图4以图例方式说明了一种可以实现光学扩展量的大约为0.45mm2sr，并具有近场衍射限定性能的光学部件的实例。附图4中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
这种可能性，被认为是由于相对照度损失很大和/或像差增加。对于一种较大的传感器，例如：对角线16mm，或者1”幅面的传感器，可与附图4的光学部件结合。这样，和在附图3显微镜中使用的大约相同的光学组件可以向在高于0.45mm2sr,最大约0.95mm2sr的光学扩展量范围内运行的相机中的一英寸幅面传感器视场提供图像。但是这种相机将表现出明显较低的衍射限定性能。
我们想要的是有一种相机，它包括一个光学组件，通过配置在0.45mm2sr以上的光学扩展量范围中表现出近场衍射限定性能，如：在大约0.45-0.95mm2sr或者大约0.5-1之间的光学扩展量范围内。我们还想要的是有这样一种相机和光学组件，通过配置在约为1-5mm2sr光学扩展量范围中工作，特别是这种相机和光学组件，也可以表现出近场衍射限定性能。
附图说明
图1为：具有0.7-3X放大倍数范围的Bausch和Lomb StereoZoom4所采用的传统目镜舱(现有技术)。
图2为：Bausch和Lomb StereoZoom4所采用的传统的完整立体显微镜支架(现有技术)。
图3为：一种传统珠宝商的StereoZoom显微镜(现有技术)。
图4：以图例方式说明了一种光学扩展量约为0.45mm2sr的显微镜用传统光学部件(现有技术)。
图5A-5B：以图例方式说明了显微镜用一种光学部件的有限轭距或者一种有限轭距相机的具体实施例，它包括三个光学模块，其中，模块1包括一只带有正片焦距组G1A的镜头附件，模块2包括一个光学扩展量约为1.57mm2sr的7:1无焦镜头，还包括5个镜片组，这5个镜片组包括：一个静止的正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片活动组G3、负片活动组G4和静止正片组G5A，模块3包括一个带有正片焦距组G5B的后适配器。
图6：是一种具有模块化特性的高光学扩展量有限轭距变焦镜头系统的具体实施例的系统图，包括一只物镜或者带有正片镜头组G1A的镜头附件、一只带有镜头组G1B,G2,G3,G4,G5A的核心变焦、带有正片组G5B的套管镜头、以及各种照度、机动、支架、以及列出的聚焦模块。
图7：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.57mm2sr的有限轭距系统的光学组件的核心变焦或者无焦模块的第一种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G、一个正片活动组G3、一个负片活动组G4、一个静止正片组G5A。
图8：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.54mm2sr的光学部件的核心变焦组件或者无焦模块的第二种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片静止组G3、一个负片活动组G4、和一个静止正片组G5A。
图9：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.58mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者无焦模块的第三种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个负片活动组G3、一个负片活动组G4、以及一个静止正片组G5A。
图10：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.58mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者无焦模块的第四种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片活动组G3、一个负片活动组G4、一个静止正片组G5A。图11以图例方式说明了一种光学扩展量约为2.88mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者远变焦组件的第五种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个负片活动组G3、一个负片活动组G4、以及一个静止正片组G5A。
图12：以图例方式说明了一种光学扩展量约为4.62mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者无焦模块的第六种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片静止组G3、一个负片活动组G4、以及一个静止正片组G5A。
图13：是在图5A-5B中，表示的具体实施例的模块3中，可能包括的套管镜头图，其光学扩展量约为1.58mm2sr，尺寸A、B、C如表8中所列变量。
图14：以图例方式说明了一种后适配器光学部件的实例，该光学部件具有表10所提出的光学指标。
图15：以图例方式说明了一种后适配器光学部件的实例，该光学部件具有表11所提出的光学指标。
图16:以图例方式说明了一种后适配器光学部件的实例，该光学部件具有表12所提出的光学指标。
图17:以图例方式说明了一种镜头附件光学部件的实例，该光学部件具有表13所提出的光学指标。
图18:以图例方式说明了一种镜头附件光学部件的实例，该光学部件具有表14所提出的光学指标。
例表说明
表1：包括一个按照某具体实施例配置并在图5A中以图例方式说明的有限轭距光学部件实例的光学指标实例。
表2：包括一个按照某具体实施例配置并在图7中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。
表3：包括一个按照某具体实施例配置并在图8中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。
表4：包括一个按照某具体实施例配置并在图9中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。
表5：包括一个按照某具体实施例配置并在图10中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。
表6：包括一个按照某具体实施例配置并在图11中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。
表7：包括一个按照某具体实施例配置并在图12中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。
表8：包括具有长工作距离/焦距比(WD/FL)并且其16-25mm直径的外入射光瞳置于50、75、100或150mm或者更大的距离上的镜头附件或者物镜的具体实施例。
表9：包括后适配器或者套管镜头的具体实施例，其具有短光程/焦距比并且其16-25mm直径的外入射光瞳置于50、75、100、150mm或者更大距离上，且光学扩展量约为1.58mm2sr。
表10：包括一种按照图14中所示的具体实施例配置的光学部件的光学指标实例。
表11：包括一种按照图15中所示的具体实施例配置的光学部件的光学指标实例。
表12：包括一种按照图16中所示的具体实施例配置的光学部件的光学指标实例。
表13：包括一种按照图17中所示的具体实施例配置的光学部件的光学指标实例。
表14：包括一种按照图18中所示的具体实施例配置的光学部件的光学指标实例。
表15：包括一种按照某具体实施例的视图矩阵的变焦视场。
具体实施例
一个有限轭距相机或显微镜，包含一个模块化光学组件或者模块化镜头系统，能够提供一定范围的数值孔径，或者通过多种感应器幅面大小的数值孔径，且具有变焦能力。一种按照某种具体实施例的镜头系统，可以具有有利的光学扩展能力，光学扩展量的定义为光瞳面积与视场的立体角的积[Smith-现代光学设计，第716页]。[光学扩展量＝π*A*sin2θ]等式1[Bentley&Olson—镜头设计的视场指导，120页，本书全文引用]，对于具有一个均匀立体角的平面来说，这里，A为该平面的面积，θ为边缘光束角度的一半。
提供一种光学扩展量约为1.15mm2sr，或者更高的镜头近场衍射限定光学设计，这种镜头配置成大致能完全利用的，一长宽比大约为4:3的8MP传感器。提供了一种采用类似设计的、光学扩展量大约为4.65mm2sr的近场衍射限定光学系统，这种系统配置大约能完全利用长度比约为4:3的32MP传感器。一种近场衍射限定光学设计，通常会在某种具体实施例中的斯太尔率会超过0.7、0.75、0.8、0.85或0.9，跟具有近场衍射限定性能一样，在这里我们一般是指一种斯太尔率至少0.8的有限轭距光学部件。在某些光学部件的具体实施例中，提供有光学扩展量约为1.15和4.65mm2sr之间的镜头系统，在设备整个对角径范围内，具有4075-8194单个感应装置的各种长宽比的数字，或者模拟图像获取设备上，这些光学部件被配置为大致能达到传感器限定性能。这些单个感应装置通常被称为数码相机的像素。介绍了多种具体实施例和实例，包括光学扩展量保持镜头系统，该镜头包含一个放大倍数变化至少为5.5:1的变焦比，并且光学扩展量处于1.45和4.65mm2sr。一般来说，具有类似大变焦范围的传统镜头系统，最大光学扩+展量数值处在0.237和0.55mm2sr之间。
按照某种具体实施例的光学部件，变焦范围可能处于5.5:1和16:1之间。图5A-5B中，以图例方式说明了有限轭距相机或者显微镜的光学布局的具体实施例。有限轭距光学部件一般用来显示物体的图片，这些物体置于小于光学部件的21x、20x或19x焦距的距离。有限轭距光学部件可以与图像传感器一起，组成有限轭距相机，或者可能用目镜来通过祼眼查看物体。有限轭距相机可以包括一块屏幕、一只处理器、用来保存图片的存储器、一只用来接收和/或传送图片数据的有线和/或无线通信接口。
各种具体实施例具有很多正片焦距镜头附件、模块1、组G1A，类似大视场(FOV)显微镜目镜。这些镜头附件允许改变工作距离、物体数值孔径值、视场、和/或远心度水平。各种具体实施例也可能具有一个核心变焦、无焦模块2，并提供5.5:1和16:1之间的变焦比。各种具体实施例也可能具有很多正片焦距适配器管或者后附件、模块3、组G5B，与套管镜头相似。适配器套管附件可以改变传感器尺寸范围以及传感器侧数值孔径值。
在图5A-5B中，图5A-5B中所示的有限轭距光学部件的核心变焦模块,模块2包括5个镜头组G1B,G2,G3,G4、G5A。
图4表示的传统光学部件不包括组G3。组G3可能包括一个静止或者活动的镜头组。组G3可能包括一个正片或者负片镜头组。组G3可能包括一个单镜头、或者两个或者多个镜头。
图6表示模块系统一种具体实施例，其带有模块1、2和3的多种组合。这种模块化设计可以包含两个或以上模块或者模块部件，一般来说可以与其它模块分开单独进行维修或者更换或者校准。按照某种具体实施例，传感器模块可能会被包含在成像系统里。其它模块配置可能包括一个机动化模块、照明模块、处理模块、接口模块、通信模块、或者这些模块的组合。
在某些具体实施例中，像差控制比在其它具体实施例中更高，这样有利于系统的模块化，可以更好地发挥作用。按照某种具体实施例的光学部件系统的放大倍数在它们的高放大倍数点可以高于2倍。
核心变焦模块
无焦镜头组或者模块2或者核心变焦模块的进一步具体实施例,可能包括或者以其它方式,按照以下特点中的一个或者多个进行配置。所述无焦镜头按照某些具体实施例提供，这些具体实施例被配置成可将光瞳缩小到最小的总移动长度。采用这些具体实施例，可以彻底控制光学像差。这些一起可以将多种物镜和套管镜头更好地组合在一起，连同核心变焦一起可提供最优的性能。这些经过改进的综合系统性能,比以前所提供的具有更大的孔径和视场。组合在一起会产生更多的光学带宽，对于在1.15-4.65mm2sr出射光瞳处，对于低倍变焦位置通过最小光学扩展量数值表示，对于按照某些分别带有8MP-32MP传感器的具体实施例配置的光学系统，在变焦镜头的最大光学扩展点处。
所述核心变焦模块的第一个具体实施例,包括一个7:1无焦镜头组件，在它的低倍位置的光学扩展量约为1.57mm2sr。具体实施例见图7所示，包括一个正片组(G1B)、一个活动负片组(G2)、一个活动正片组(G3)、一个活动负片组(G4)、一个正片组(G5A)。表2中给出了按照该具体实施例的一个数字实例。图7中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
所述核心变焦模块的第二种具体实施例，包括一个7:1无焦镜头组件，在它的低放大倍数位置光学扩展量约为1.54mm2sr。该具体实施例见图8所示，包括一个正片组(G1B)、一个活动负片组(G2)、一个活动正片组(G3)、一个活动负片组(G4)、一个正片组(G5A)。表3中给出了按照该具体实施例的一个数字实例。图8中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
所述核心变焦模块的第三个具体实施例，包括一个7:1无焦镜头组件，在它的低倍位置的光学扩展量约为1.58mm2sr。该具体实施例见图9所示，包括一个正片组(G1B)、一个活动负片组(G2)、一个活动负片组(G3)、一个活动负片组(G4)、一个正片组(G5A)。表4中给出了按照该具体实施例的一个数字实例。图9中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
所述核心变焦模块的第四个具体实施例，包括一个16:1无焦镜头组件，在它的低倍位置的光学扩展量约为1.58mm2sr。该具体实施例见图10所示，包括一个正片组(G1B)、一个活动负片组(G2)、一个活动正片组(G3)、一个活动负片组(G4)、一个正片组(G5A)。表5中给出了按照该具体实施例的一个数字实例。图10中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
所述核心变焦模块的第五个具体实施例包括一个6.2:1无焦镜头组件，在它的低倍位置的光学扩展量约为2.88mm2sr。该具体实施例见图11所示，包括一个正片组(G1B)、一个活动负片组(G2)、一个活动负片组(G3)、一个活动负片组(G4)、一个正片组(G5A)。表6中给出了按照该具体实施例的一个数字实例。图11中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
所述核心变焦模块的第六个具体实施例，包括一个5.7:1无焦镜头组件，在它的低倍位置的光学扩展量约为4.62mm2sr。该具体实施例见图12所示，包括一个正片组(G1B)、一个活动负片组(G2)、一个固定正片组(G3)、一个活动负片组(G4)、一个正片组(G5A)。表7中给出了按照该具体实施例的一个数字实例。图12中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。
另一种核心变焦模块具体实施例，可能包括5个光学组，它们具有与图7-12中以及表2-7中数字相似的一般属性。例如，另一种具体实施例也可能包含一个镜头附件组G1A和/或后适配器组G5B，这种具体实施例要么作为单独的光学组件，要么在一个模块中带有核心变焦部件。按照进一步具体实施例提供有各种在5.5:1和16:1之间的变焦比以及在1.15和4.65mm2sr之间的光学扩展量。进一步的具体实施例，可能包括为了校正其它像差需要的较大的直径，以及较长的光程设计，这些像差在高光学扩展量设计和/或较大放大率的高变焦范围中存在。为了实现近场衍射限定性能，可能包含其它设计特点，如每组更多的光学元件或者非球面元件，例如：在可能认为是本文介绍的具体实施例的变体的其它具体实施例中。进一步可供选择的具体实施例可以用于三种一般性分组类型，也就是说，1型(正片静止组 G1B、负片活动组G2、正片固定组G3、负片活动组G4、正片静止组G5A)、2型(正片静止组G1B、负片活动组G2、正片活动组G3、负片活动组G4、正片静止组G5A)、3型(正片静止组G1B、负片活动组G2、负片活动组G3、负片活动组G4、正片静止组G5A)，因为每种型式可以为像差校正和光瞳压缩提供明显的好处。在各种可供选择的具体实施例中，组G3可能包括一个正片或者负片活动组，或者组G3可以是静止的。
为了很好地对色差进行光学校正，可能按照某些具体实施例来设计无焦镜头组件。对于给定的系统波长和孔径，可以对镜头进行纠正，让轴向分色小于或者等于光的焦深，按照Rayleigh标准定义焦深等式,DOF＝±λ/(2*NA2)[Smith-现代光学设计，715页]，对于光的波长，这里按照430-670nm规定。这对于按照所述的某些具体实施例，如扩展范围5.5X-16X的变焦镜头来说尤其具有优势。
当与按照某些具体实施例的模块化物镜和套管镜头配对时，对于涵盖可见光和近红外(NIR)光谱的430-1100nm波段，某些具体实施例可以实现，比相对于550nm波长轴向分色的3、2、1，或者甚至比焦深的一半还低。
为了校正900-1700nm波长范围，或者短波红外光(SWIR)的分色，可以使用所述的具体实施例的装配调整。
类似地，在这个范围内的波长的轴向分色，相对于1200nm波长，在可供选择的具体实施例中，焦深可以达到3、2、1，或者甚至低于焦深的一半。
这种在近红外和短波红外光中，低坡度轴向变色使用户可以使用相同的镜头系统，来检查可见光和红外光应用。与较高的孔径相同，这种增加的波长聚焦能力提供了收集有关试样住息的额外能力。作为一种具体实施例使用实例，这种能力可以用短波长蓝光对需要详细检查的零件表面进行检查，从而继续采用或者不采用任何机械聚焦机构和/或软件聚焦程式，通过近红外光对皮下进行研究。
如果采用高放大倍数设置，拍摄类似显微镜检查图像时，按照某些具体实施例，可以控制从430nm至1100nm的整个光谱低于焦深。在采用中到低放大倍数设置时，按照某些具体实施例，可以校正近红外光最低小于焦深的两倍。
另外，在一些有利的具体实施例中，提供了对系统的波长焦距进行组装时间调整。这种通过合适的镀膜玻璃的调整，有利地提供了本文所提的短波红外波长(SWIR)从900-1700nm，同时涵盖按照某些具体实施例延伸的变焦范围。在某些具体实施例中的整个光谱范围内，当采用最高放大倍数设定时，可以将波长校正为低于焦深。在某些具体实施例中，从975nm-1700nm，在中等放大倍数位置可以小于焦深，低于975m，可以小于焦深的2倍。在某些具体实施例中，从1065-1660nm，最低的放大倍数设定，可以小于轴向色彩散焦的焦深，在短波红外波长范围内，可以小于这些数值以外的焦深的两倍。
镜头附件模块
镜头附件模块G1A或者其它方式用于第一物镜、前物镜或者物镜模块的进一步具体实施例可能包括或者以其它方式按照以下特点中的一个或者多个进行配置。
在某些具体实施例中，提供有多种长工作距离、固定焦距、带有外入射光瞳的物镜。这种入射光瞳可以置于合适的深度，以满足无焦镜头的足够的瞳深和移动范围，以提供与无焦镜头相匹配的光瞳，因此可以与按照某些具体实施例配置的对焦模块无缝对接工作。在某些具体实施例中，物镜可能具有16-25mm的入射光瞳。这种光瞳可能置于离镜头外50、75、100、150mm或者甚至于更远的距离。
采用某些具体实施例包括表8中以数字方式表示的第一个5个实例的物镜，其机械工作距离(W.D.)与焦距(F1)比可能为0.75或者以上(W.D./F1>0.75)。可供选择的具体实施例的工作距离与焦距比可能处于0.6至0.75之间。由于有利于成本或者性能方面的原因，一些具体实施例的工作距离与焦距比可能会有其它比值。在某些具体实施例中，工作距离结合大的入射光瞳为各种长工作距离应用提供了明显的数值孔径性能优势，这些应用包括但不局限于检查线路、接触探头、腔体检查、汽车组件和/或平板制造。
表8中给出的实例包括镜头附件和/或工作距离/焦距比大的物镜以及在某些具体实施例中50,75,100,150mm或者更远距离的16-25mm直径外入射光瞳。
按照某些具体实施例的物镜可能具有一个角输出，这个角输出结合16-25mm的光瞳一起表现出1.15-4.65mm2sr的光学扩展量。
其它镜头附件和/或物镜模块实例可能包括远心镜头附件，其主光束在某些具体实施例中的整个视场以及在整个变焦范围内与平面物体垂直度的偏差小于2°、1°、0.5°、或0.25°。按照图7-12中侧视图中给出的镜头图形和/或表2-7中给出的数值指示实例的缩小无焦镜头的光瞳支持按照某些具体实施例的镜头附件设计中的主光束角度缩小。
在图5A、5B和图6中以图例方式说明的有限轭距光学部件的实例每个都含有镜头附件模块G1A实例。图17-18以图例方式说明了可供选择的镜头附件模块G1A的具体实施例。表13-14分别含有用于图17-18的镜头附件模块G1A的光学指标实例。
根据Rayleigh标准DOF＝±λ/(2*NA2)，在与一个或者多个其它模块一起使用的其它镜头附件，在从整个波长范围的标称中心波长开始，能采用小于3x、2x或者甚至小于1x或者更低的焦深差，具有对400nm-1100nm进行对焦的能力。
另外，在某些具体实施例中，与一个或者多个其它模块一起使用的镜头可能会配置成，按照从900-1700nm近场衍射限制情况，采用类似于3x、2x或者甚至小于1x或者更低的焦深差工作，例如：在某些具体实施例中，在波段范围内不需要重调焦距。
后适配器模块
后适配器G5B，或者套管镜头、后模块或者第三个模块的进一步具体实施例，可能包括一个或者多个以下特点。
在某些具体实施例中，多种短后焦、固定焦距、套管镜头提供有外部入射光瞳、足够大的孔径以及接收角度，以产生1.15-4.65mm2sr的光学扩展量。这种入射光瞳可以处于足够的焦深，以满足按照某些具体实施例的无焦镜头模块的足够的瞳深以及移动范围，以提供与无焦镜头模块相匹配的光瞳，因此可以与对焦模块无缝对接工作。在某些具体实施例中，对改变瞳深进行有利的优化，为以独立的套管镜头的使用提供了有利的刚度。
按照某些具体实施例的套管镜头，可以有一种入射光瞳直径，用于在某些具体实施例中，处在16-25mm之间的外部入射光瞳套管镜头。
在某些具体实施例中的套管镜头，可以在50、75、100、150mm，或者更大的入射瞳深处，没有光晕地接收2.5-3.5°的最大准直场角度，这样可以为每个给定的焦距，提供对现有的传感器平台的有利的场覆盖。
包含按照上述第一个和/或第二个实例的数值的具体实施例，提供的光学扩展量数值处于1.15-4.65mm2sr之间。表8给出了为了选择符合1.58mm2sr的光学扩展量数值改变传感器覆盖范围的具体实施例的数值。表9给出了具有短光程/焦距比，并且其16-25mm直径的外入射光瞳置于50、75、100、150mm，或者更大距离上，且光学扩展量为1.58mm2sr的后适配器，或者套管镜头的具体实施例的某些数值实例。
在图13中，以图例方式说明了一个套管镜头实例，套管镜头可以按照图5A-5B的有限轭距光学部件的模块3的光学布置，可具有1.58mm2sr的光学扩展量，具有如表9中列出的，尺寸A或者焦距、尺寸B或者光程、尺寸C或者传感器对角长的多个实例变量。
在图5A、5B和图6中，以图例方式说明的有限轭距光学部件实例，每个都包含有后适配器模块G5B实例。在图14-16中，以图例方式说明了后适配器模块G5B的可供选择的具体实施例。表10-12中，分别含有用于图14-16的后适配器模块G5B的光学指标实例。
在某些具体实施例中，套管镜头可能有比套管镜头的焦距小的轨迹或者光程。某些具体实施例的轨道或者光程，是从套管镜头的机械入口到套管镜头的焦平面来确定的，尤其是当输入准直光束时。在其它具体实施例中，轨道或者光程与焦距的比可能小于0.9。表9中，包括一种按照这些具体实施例的多个实例的参数值。在图13中，以图形给出了焦距尺寸A、光程尺寸B、传感器规格尺寸C，这些具体的实例数值，可见表9中的多个实例。
另外，根据Rayleigh标准DOF＝±λ/(2*NA2)，按照某些具体实施例的套管镜头，可能被配置为在从整个波长范围的标称中心波长开始，具有能采用小于3x、2x或者甚至小于1x或者更低的焦深差，对400nm-1100nm进行对焦的能力。
另外，在某些具体实施例中，所述镜头可能会配置成按照从900-1700nm近场衍射极限情况，采用类似于3x、2x或者甚至小于1x或者更低的焦深差工作，在波段范围内不需要重调焦距。
尽管，本发明的图纸和具体实施例已经进行了描述和图示，应了解的是，本发明的范围并不局限于所讨论的特定的具体实施例。因此，具体实施例应被视为说明性的，而不是限制性的，并且应理解为，普通技术人员可以不脱离本发明的范围前提下制造出那些具体实施例中的变型。
例如：具体实施例可以包括具有近场衍射限制性能以及各种具体的光学扩展量数值处于0.5-1、1-5和/或0.5-5mm2sr之间、用于有限轭距系统的镜头部件。可供选择的具体实施例，可能包括连贯出现在组G1A和G1B镜头之间的，不同数量的平行节距。还有处于组G5A和G5B镜头之间的，不同数量的平行节距。按照某些可供选择的具体实施例的镜头附件模块，可能包括一个或多个正片和/或负片组。按照某些可供选择的具体实施例的后适配器模块，可能包括一个或得多个正片或负片组。
另外，在按照本文中的首选具体实施例所采用的，并且在上面已经描述的方法中，操作已在所选择的排印顺序中进行了描述。但是，顺序的选定和排列是为了方便排印，并不意味着执行操作要有任何特定的顺序，除非规定了特定的顺序或者在某一技术领域具有普通技艺的人员可能认为需要特定的顺序。
在上述技术指标中，与连词"和"连接的一组项目，不应理解为要求这些项目中的每一个都按照所有具体实施例在分组中出现，因为各种具体实施例的一个或者多个组成都可以由一个或者更多的其它具体实施例相互取代。此外，虽然本发明的项目、元件或组件可能以单数描述或要求，但其复数也属于本发明所考虑的范围以内，除非明文规定了对单数的限制，或者如有需要在某一技术领域具有普通技艺的人员明确理解。
在一些情况下，如果出现词义扩展的词和短语，如"一个或多个"、"至少"、"但不局限于"或其它短语，则不应被理解为指如果没有此类扩展短语，则意味着范围缩小。使用术语“相机”、“光学部件”、“模块”以及“镜头组”不应暗指在实例要求中所描述或者提出的部件或者功能性，因为一部相机、组件、模块、或者镜头组的零件都是一揽子全部配置在一起的。事实上，一部相机的任何或者所有各种部件(例如：光学组件和图像传感器)、光学组件(例如：模块1、2和3和/或镜头组G1,G1A,G1B,G2,G3,G4,G5,G5B,和/或G5B)、一个模块和/或一个镜头组都可以采用一揽子组合在一起，也可能分开放置或者维护，并可能进一步在或者通过多个位置进行制造、装配和/或分布。
可能使用不同的材料来制造几种具体实施例的光学部件的镜头。例如，可能也会使用各种玻璃和/或透明塑料或聚合材料，并没有限定为在光学指标表实例中确定的那些材料，如在表1左边第5列中，以及表2-7和表10-14左边的第4和第5列中确定的。实例包括聚酰亚胺。其中，聚合材料是具有折射率一般高于1.5的高折射率聚合物(HRIP)(参见，例如：Hung-JuYen和Guey-Sheng Liou(2010))。“一种容易获得具有高折射率的光学各向同性、无色、热塑性塑料聚酰亚胺材料的方法”J.Mater.Chem.20(20):4080；H.Althues,J.Henle和S.Kaskel(2007)。“用于透明聚合物的功能性无机纳米填料”化学协会，第9版(49):1454—65；Akhmad Herman Yuwono,Binghai Liu,Junmin Xue,John Wang,Hendry Izaac Elim,Wei Ji,Ying Li和Timothy John White(2004)。“控制透明纳米复合物TiO2-PMMA的结晶度和非线性光学特性”J.Mater.Chem.14(20):2978；Naoaki Suzuki,Yasuo Tomita,KentarohOhmori,Motohiko Hidaka和Katsumi Chikama(2006)。“用于体积全息记录的高透明性氧化锆纳米颗粒分散丙烯酸光敏聚合物”，光学出版14(26):012712,其通过引入并入本文)。
按照某些具体实施例，在显微镜和/或数码相机和/或摄影机中，也可能包含光学图像稳定技术。例如,在8,649,628,8,649,627,8,417,055,8,351,726,8,264,576,8,212,882,8,593,542,8,509,496,8,363,085,8,330,831,8,648,959,8,637,961,8,587,666,8,604,663,8,521,017,8,508,652,8,358,925,8,264,576,8,199,222,8,135,184,8,184,967,以及美国公布的专利申请号2012/0121243,2012/0207347,2012/0206618,2013/0258140,2013/0201392,2013/0077945,2013/0076919,2013/0070126,2012/0019613,2012/0120283,和2013/0075237中介绍的技术也可能使用，在此通过引用并入此文中。
另外，在此提出的各种具体实施例在示意图以及其它图例中予以了介绍。很明显，对于在某一技术领域具有普通技艺的人员来说在阅读本文以后，可以实施所给出的具体实施例以及它们的各种备选实例，没有对所图示的实例的局限。例如，示意图及其所附的说明不应解释为规定特定的结构或者配置。
通过技术规范以及图纸和表格图例介绍了光学组件的各种具体实施例。按照进一步的具体实施例的显微镜和数码相机以及摄影机以及其它移动设备或实验室设备或研究设备或光学系统可能包含其中的光学部件。可以高效率制造的几种相机实例包括与按照本文所述的具体实施例的光学部件一起结合的图像传感器模块。相机或光学组件的某些光学零件，如一个或者多个镜头、镜面和/或孔径、快门、固定某种光学元件的外壳或者镜筒、镜片或者镜筒、或其它光学镜片，如镜片、光源、辅助传感器、加速度计、陀螺仪、电源连接、数据存储芯片、微处理器、有线或无线传输/接收连接和/或接收器/发射器，或外壳对中和/或连接销或凹座或其它这种可能在某些具体实施例中包含的此类结构，即使它们未在此处专门介绍或者以图形方式表示出来。值得注意的是在某些具体实施例中可能包含有一个快门，而其它相机具体实施例没有快门。在这些相机具体实施例中可能含有或者可能没有包含闪存。
在某些具体实施例中，可能希望在一个尺寸比在另外一个尺寸中得到明显较宽的视场，并且可能只在一种尺寸上希望获得广的视场。在这种情况下，本文所述的一些原理可以被简化成将圆柱面应用到所提供的球形实例。
此外，上述和下述引用的所有参考资料和产品、背景、摘要、表格以及图表的简要说明，都是通过引用而全部作为可以替代具体实施例而纳入详细的介绍内容中。显微镜、光学组件和相机的几种具体实施例已通过物理、电子和光学结构方式在这里进行了介绍，并以图例方式进行了说明。在美国专利号7,224,056,7,683,468,7,936,062,7,935,568,7,927,070,7,858,445,7,807,508,7,569,424,7,449,779,7,443,597,7,449,779,7,768,574,7,593,636,7,566,853,7,858,445,7,936,062,9,091,843,9,316,808,8,005,268,8,014,662,8,090,252,8,004,780,8,119,516,7,920,163,7,747,155,7,368,695,7,095,054,6,888,168,6,844,991,6,583,444,和/或5,882,221,以及美国公布的专利申请号2013/0270419,2013/0258140,2014/0028887,2014/0043525,2012/0063761,2011/0317013,2011/0255182,2011/0274423,2010/0053407,2009/0212381,2009/0023249,2008/0296717,2008/0099907,2008/0099900,2008/0029879,2007/0190747,2007/0190691,2007/0145564,2007/0138644,2007/0096312,2007/0096311,2007/0096295,2005/0095835,2005/0087861,2005/0085016,2005/0082654,2005/0082653,and/or2005/0067688中的一个或者几个组合，可能介绍有包含在可替代的具体实施例范围内的显微镜、光学组件、相机的其它特点和部件的具体实施例。所有这些专利和已公布的专利申请都是通过引用而被纳入其中。
通过引用而被纳入的美国专利号7,593,636,7,768,574,7,807,508和7,244,056介绍了为了降低实物高度一些相机设备电气高度嵌入在光学高度以内的结构实例。在备选的具体实施例中，提供有一种有利的紧凑式光学组件或模块或其镜片组、显微镜和相机以及摄影机和其它移动设备和实验室以及研究设备。本文中还提供了有利的低光程(或者外形尺寸或者高度)与有效的焦距(或者外形尺寸或者高度)比，或者有利的TTL/EFL比值的光学组件和显微镜以及成像系统和相机。
同样通过引用而被纳入的US2013/0242080介绍了成像系统的实例，包括置于防水舱内部的光学部件和传感器以及相机模块。还提供了不涉及内部有一个或多个成像部件的防水密封外壳、用于光学和/或电气和/或图像数据的无线通信的机构。
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Claims (21)

1.一种有限轭距光学组件，用来查看或者检查物体, 或者用来与其它模块或者镜头、或者镜头组或者其它光学部件一起形成或者至少作为零件补充形成一套光学成像系统，其特征在于：包括一个核心变焦模块，变焦模块包含五个光学组，配置成可以提供处在1.15mm2sr和4.65mm2sr之间的光学扩展量；其中，所述光学组件配置为与图像传感器一起使用，图像传感器处于8MP和32MP之间。
2.根据权利要求1的一种有限轭距光学组件，从光学组件的物侧到图侧依次包括：一个静止组、一个活动组、一个第三组、另一个活动组和另一个静止组。
3.根据权利要求2的一种有限轭距光学组件，其中，第三组包括一个活动组。
4.根据权利要求1的一种有限轭距光学组件，从光学组件的物侧到图侧依次包括，一个正片组、一个负片组、一个正片组、一个负片组和一个正片组。
5.根据权利要求1的一种有限轭距光学组件，从光学组件的物侧到图侧依次包括，一个静止正片组、一个负片活动组、一个第三组、一个负片活动组、一个静止正片组。
6.根据权利要求5的一种有限轭距光学组件，其中，第三组包括一个静止的正片组。
7.根据权利要求5的一种有限轭距光学组件，其中，第三组包括一个活动的正片组。
8.根据权利要求5的一种有限轭距光学组件，其中，第三组包括一个活动的负片组。
9.根据权利要求1或者5的一种有限轭距光学组件，进一步包括一只镜头附件模块，该模块置于核心变焦模块的物侧。
10.根据权利要求9的有限轭距光学组件，其中，镜头附件模块包括一只正片焦距镜头组。
11.据权利要求10的一种有限轭距光学组件，进一步包括一只置于核心变焦模块像侧的后适配器模块。
12.据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中，后适配器模块包括一只正片焦距镜头组。
13.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中，后适配器模块包括一只套管镜头。
14.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中，光学组件的Strehl比值至少为0.8。
15.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中光学组件的Strehl比值至少为0.9。
16.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中光学组件的Strehl比值至少为0.7。
17.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中，光学组件的Strehl比值至少为0.85。
18.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中，光学组件的Strehl比值至少为0.75。
19.根据权利要求11的一种有限轭距光学组件，其中，光学组件具有近场衍射限制性能。
20.根据权利要求1、5或者11的一种有限轭距光学组件，包括一只照明模块、一只机动模块、一个固定模块、或者一个或者多个聚焦模块或者这些模块的组合。
21.根据权利要求1，5或者11的一种有限轭距光学组件，具有2X的放大倍数或者在高放大倍数位置2X以上的放大倍数。
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