CN117608063A - 一种高倍率显微变焦镜头 - Google Patents

一种高倍率显微变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及视觉检测领域,尤其是指一种高倍率显微变焦镜头,包括由从物方到像方依次排列设置的前准直镜片组、前变焦镜片组、后补偿镜片组、后聚焦镜片组;所述前准直镜片组的焦距为正,所述前变焦镜片组的焦距为正,所述后补偿镜片组的焦距为负,所述后聚焦镜片组的焦距为正;所述镜头的入瞳位置设置在所述前准直镜片组的物方侧,且光阑位置与所述入瞳位置重合。本发明提供的一种高倍率显微变焦镜头,通过将光阑位置前移,使光阑位置与入瞳位置重合,变焦的过程中,入瞳位置无需改变;实现了高倍率显微变焦镜头在变焦过程中不出现拦光现象的效果,可以实现更大的视野;同时兼容1.0英寸相机靶面设计,提升检测效率。

Description

一种高倍率显微变焦镜头
技术领域
本发明涉及工业自动化视觉检测领域,尤其是指一种高倍率显微变焦镜头。
背景技术
如今在电子制造领域,小到电容、电阻、连接器等元器件,大到PC板、硬盘等在电子制造行业的各个生产环节,几乎都要用到视觉检测。在视觉检测设备中,光学成像镜头作为其核心原件,对于精密检测起着关键的作用;为了适应不同行业的需求,特别是适应半导体行业的需求,对微小尺寸的高精度测量需要做到高分辨率的同时,还需要更高的放大倍率,因此,近年来市场上出现了高倍率显微镜头。
高倍率显微镜头的前焦点是无穷远,需接个无限共轭的APO物镜才能构成一套完整的有限共轭的光学系统。但是目前市场上的高倍率显微镜头基本上是由固定倍率的管镜加APO物镜的方式,这种方式的放大倍率是固定不变,很难满足对不同大小放大倍率的需求。另外,为了满足对不同放大倍率的需求,也有使用市场上的变倍镜头加APO物镜的结构形式,虽然这种方式可以实现不同倍率的变化需求,但是其影像存在不同的拦光现象,图像上存在暗角,影响检测效率和检测质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷,提供一种高倍率显微变焦镜头,能够实现不同倍率的变化需求的同时,不存在拦光现象,可以有效解决背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种高倍率显微变焦镜头,包括由从物方到像方依次排列设置的前准直镜片组、前变焦镜片组、后补偿镜片组、后聚焦镜片组;所述前准直镜片组的焦距为正,所述前变焦镜片组的焦距为正,所述后补偿镜片组的焦距为负,所述后聚焦镜片组的焦距为正;所述前变焦镜片组和所述后补偿镜片组能够沿光轴进行移动;所述镜头的入瞳位置设置在所述前准直镜片组的物方侧,且光阑位置与所述入瞳位置重合。
进一步地,所述前准直镜片组包括从物方到像方依次排列设置的焦距为负的第一透镜以及焦距为正的第二透镜,所述第一透镜与所述第二透镜胶合。
进一步地,所述前准直镜片组的焦距设为f1,所述前准直镜片组的光学工作距离设为WD,所述入瞳位置与所述前准直镜片组之间的距离设为Lp,其中f1、WD与Lp满足:WD=Lp<f1。
进一步地,所述前变焦镜片组包括从物方到像方依次排列设置的焦距为正的第三透镜以及焦距为负的第四透镜。
进一步地,所述前变焦镜片组的焦距设为f2,且50mm<f2<100mm。
进一步地,所述后补偿镜片组包括从物方到像方依次排列设置的焦距为负的第五透镜、焦距为负的第六透镜以及焦距为正的第七透镜;所述第六透镜与所述第七透镜胶合。
进一步地,所述后补偿镜片组的焦距设为f3,-50mm<f3<-20mm且-5<f2/f3<-2。
进一步地,所述前变焦镜片组与所述后补偿镜片组结合后的组合焦距设为f23,-70mm<f23<-40mm且0.3<f3/f23<1。
进一步地,所述后聚焦镜片组包括至少2片镜片,且至少存在1片正焦距镜片。
进一步地,所述后聚焦镜片组包括从物方到像方依次排列设置的焦距为正的第八透镜、焦距为正的第九透镜、焦距为负的第十透镜以及焦距为正的第十一透镜。
本发明的有益效果:
1、本发明的高倍率显微变焦镜头的镜头焦距为150mm~450mm,倍率为0.75X~2.25X,变焦比为3.0X,可解决当前高倍率显微镜头的倍率固定不可变倍的问题;同时,本发明的镜头焦距更短,低倍倍率小,整体的成像视场变大,可支持1.0英寸靶面相机,满足大视野需求,提升检测效率;
2、本发明的高倍率显微变焦镜头通过将光阑位置前移,使光阑位置与入瞳位置重合,均位于前准直镜片组的物方侧;从而实现在变焦的过程中,无需改变入瞳位置,避免了高倍率显微变焦镜头在变焦过程中出现拦光的现象,达到了高分辨率、广视野、高变倍比的性能,可广泛适应不同领域的检测需求,大大提升产品的检测精度以及效率。
附图说明
图1为本发明的高倍率显微变焦镜头的结构示意图。
图2为本发明的高倍率显微变焦镜头的光路图。
图3为本发明的高倍率显微变焦镜头在改变倍率时各镜片组的位置变化示意图。
图4为本发明实施例一中取第一组变量时的球差曲线图。
图5为本发明实施例一中取第一组变量时的MTF曲线图。
图6为本发明实施例一中取第二组变量时的球差曲线图。
图7为本发明实施例一中取第二组变量时的MTF曲线图。
图8为本发明实施例一中取第三组变量时的球差曲线图。
图9为本发明实施例一中取第三组变量时的MTF曲线图。
图10为本发明实施例一中取第四组变量时的球差曲线图。
图11为本发明实施例一中取第四组变量时的MTF曲线图。
附图标记说明:
1-前准直镜片组;11-第一透镜;12-第二透镜;2-前变焦镜片组;21-第三透镜;22-第四透镜;3-后补偿镜片组;31-第五透镜;32-第六透镜;33-第七透镜;4-后聚焦镜片组;41-第八透镜;42-第九透镜;43-第十透镜;44-第十一透镜;5-入瞳位置;6-光阑位置。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1至图3所示,本发明提供的一种高倍率显微变焦镜头,其包括由从物方到像方依次排列设置的前准直镜片组1、前变焦镜片组2、后补偿镜片组3、后聚焦镜片组4;所述前准直镜片组1的焦距为正,所述前变焦镜片组2的焦距为正,所述后补偿镜片组3的焦距为负,所述后聚焦镜片组4的焦距为正;所述前变焦镜片组2和所述后补偿镜片组3能够沿光轴进行移动;所述镜头的入瞳位置5设置在所述前准直镜片组1的物方侧,且光阑位置6与所述入瞳位置5重合。
具体地,通过改变前变焦镜片组2和后补偿镜片组3在光轴上的位置,达到变倍的效果,解决了当前高倍率显微镜头的倍率固定不可变倍的问题。并且传统的变焦镜头,在变焦的过程中,光阑动,入瞳位置不动,100%挡光;如果设置光阑动、入瞳位置动,结构复杂,不容易实现。本实施例中同时通过将光阑位置6前移,使光阑位置6与入瞳位置5重合,均位于前准直镜片组1的物方侧;从而实现在变焦的过程中,无需改变入瞳位置,避免了高倍率显微变焦镜头在变焦过程中出现拦光的现象,达到了高分辨率、广视野、高变倍比的性能,可广泛适应不同领域的检测需求,大大提升产品的检测精度以及效率。
优选地,所述前准直镜片组1包括从物方到像方依次排列设置的焦距为负的第一透镜11以及焦距为正的第二透镜12,所述第一透镜11与所述第二透镜12胶合。如此设置,光束经过前准直镜片组1后,以平行光准直出射。
优选地,所述前准直镜片组1的焦距设为f1,所述前准直镜片组1的光学工作距离设为WD,所述入瞳位置5与所述前准直镜片组1之间的距离设为Lp,其中f1、WD与Lp满足:WD=Lp<f1。如此设置,有效控制边缘视场光线的像高,避免光线存在被遮挡的可能。
优选地,所述前变焦镜片组2包括从物方到像方依次排列设置的焦距为正的第三透镜21以及焦距为负的第四透镜22。
优选地,所述前变焦镜片组2的焦距设为f2,且50mm<f2<100mm。
优选地,所述后补偿镜片组3包括从物方到像方依次排列设置的焦距为负的第五透镜31、焦距为负的第六透镜32以及焦距为正的第七透镜33;所述第六透镜32与所述第七透镜33胶合。
优选地,所述后补偿镜片组3的焦距设为f3,-50mm<f3<-20mm且-5<f2/f3<-2。
优选地,所述前变焦镜片组2与所述后补偿镜片组3结合后的组合焦距设为f23,-70mm<f23<-40mm且0.3<f3/f23<1。
优选地,所述后聚焦镜片组4包括至少2片镜片,且至少存在1片正焦距镜片。
优选地,所述后聚焦镜片组4包括从物方到像方依次排列设置的焦距为正的第八透镜41、焦距为正的第九透镜42、焦距为负的第十透镜43以及焦距为正的第十一透镜44。
具体地,通过合理设置各透镜的的种类以及焦距、各透镜之间焦距的比例关系,从而对各透镜在整个镜头的光学系统中具体作用作了进一步限定,一方面保证各透镜的相互配合,实现清晰成像;另一方面使得镜头的焦距为150mm~450mm,实现比较现有的镜头焦距更短,可以实现更大的视野,提升检测效率;同时实现倍率为0.75X~2.25X、变焦比为3.0X,低倍倍率小,整体的成像视场变大,可支持1.0英寸靶面相机,满足大视野需求,进一步提升检测效率。
下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的高倍率显微变焦镜头的具体实施例。
实施例一
参见附图1-3,一种高倍率显微变焦镜头,其包括由从物方到像方依次排列设置的前准直镜片组1、前变焦镜片组2、后补偿镜片组3、后聚焦镜片组4;所述前准直镜片组1的焦距为正,所述前变焦镜片组2的焦距为正,所述后补偿镜片组3的焦距为负,所述后聚焦镜片组4的焦距为正;所述前变焦镜片组2和所述后补偿镜片组3能够沿光轴进行移动;所述镜头的入瞳位置5设置在所述前准直镜片组1的物方侧,且光阑位置6与所述入瞳位置5重合。
本实施例中,前准直镜片组1、前变焦镜片组2、后补偿镜片组3、后聚焦镜片组4的焦距以及前变焦镜片组2与后补偿镜片组3结合后的组合焦距分别如下:
f1=186.72mm;
f2=97.17mm;
f3=-29.66mm;
f4=90.3mm;
f23=-58mm。
表1以一种可行的实施方式,详细说明了本发明实施例一提供的高倍率显微变焦镜头中各个透镜的具体光学物理参数的设计值。表1中的序号“S1-S18”根据各个透镜的表面顺序来进行编号,其中“S1”代表第一透镜11的前表面,“S2”代表第一透镜11的后表面,依次类推。
表1中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3为变量,具体地,ZOOM1表示前准直镜片组1与前变焦镜片组2之间的距离,ZOOM2表示前变焦镜片组2与后补偿镜片组3之间的距离,ZOOM3表示后补偿镜片组3与后聚焦镜片组4之间的距离。
表1各透镜的光学物理参数的设计值
Surface Type Radius Thickness Glass Diameter
入瞳平面 STANDARD Infinity 100 20
S1 STANDARD 65.30702 3 H-QF14 22
S2 STANDARD 28.75783 6 H-BAK7A 22
S3 STANDARD 189.8302 ZOOM1 22
S4 STANDARD 147.6256 5.7 H-ZK8 22
S5 STANDARD -40.70868 2 H-ZF13 22
S6 STANDARD -75.33399 ZOOM2 22
S7 STANDARD -56.6722 2 H-LAK53B 18
S8 STANDARD 132.0797 2.1 18
S9 STANDARD -82.30611 2 H-ZLAF55C 18
S10 STANDARD 28.68792 5 H-ZF62 19
S11 STANDARD 147.6898 ZOOM3 19
S12 STANDARD 166.353 8 H-FK61 46
S13 STANDARD -67.99052 1 46
S14 STANDARD 124.6729 6.9 H-ZK10L 45
S15 STANDARD -257.0753 1.6 44
S16 STANDARD -94.31092 2.5 H-ZLAF51 44
S17 STANDARD 91.67937 9 H-ZPK1A 44
S18 STANDARD -163.1756 170.5 44
表2详细说明了本发明实施例一提供的高倍率显微变焦镜头中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3的四组变量取值。
表2ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3的四组变量取值
第一组 第二组 第三组 第四组
ZOOM1 4.3 33.72 59.55 81.34
ZOOM2 14.86 14.85 11.87 7.77
ZOOM3 73.57 44.13 21.32 3.61
实施例一中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3分别取四组变量时,其对应的光学分析结果如图4-图11所示。其中,图4和图5为实施例一中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3取第一组变量时的球差曲线图和MTF曲线图;图6和图7为实施例一中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3取第二组变量时的球差曲线图和MTF曲线图;图8和图9为实施例一中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3取第三组变量时的球差曲线图和MTF曲线图;图10和图11为实施例一中ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3取第四组变量时的球差曲线图和MTF曲线图。
从图4、6、8、10中可以得出,本实施例中的高倍率显微变焦镜头的ZOOM1、ZOOM2、ZOOM3取四组变量时的球差均较小,即表明本实施例中的高倍率显微变焦镜头成像画面失真小,清晰度高。从图5、7、9、11中可以得出,衍射极限值如TSDiff.Limit所示,本实施例中的高倍率显微变焦镜头在绝大部分视场上MTF值接近物理光学的衍射极限,即成像质量指标接近理想状况下的极限值,说明本实施例中的高倍率显微变焦镜头成像质量非常好。
以上所述实施例仅表达了本发明的若干实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高倍率显微变焦镜头,其特征在于:包括由从物方到像方依次排列设置的前准直镜片组(1)、前变焦镜片组(2)、后补偿镜片组(3)、后聚焦镜片组(4);所述前准直镜片组(1)的焦距为正,所述前变焦镜片组(2)的焦距为正,所述后补偿镜片组(3)的焦距为负,所述后聚焦镜片组(4)的焦距为正;所述前变焦镜片组(2)和所述后补偿镜片组(3)能够沿光轴进行移动;所述镜头的入瞳位置(5)设置在所述前准直镜片组(1)的物方侧,且光阑位置(6)与所述入瞳位置(5)重合。
2.根据权利要求1所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述前准直镜片组(1)包括从物方到像方依次排列设置的焦距为负的第一透镜(11)以及焦距为正的第二透镜(12),所述第一透镜(11)与所述第二透镜(12)胶合。
3.根据权利要求2所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述前准直镜片组(1)的焦距设为f1,所述前准直镜片组(1)的光学工作距离设为WD,所述入瞳位置(5)与所述前准直镜片组(1)之间的距离设为Lp,其中f1、WD与Lp满足:WD=Lp<f1。
4.根据权利要求1所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述前变焦镜片组(2)包括从物方到像方依次排列设置的焦距为正的第三透镜(21)以及焦距为负的第四透镜(22)。
5.根据权利要求4所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述前变焦镜片组(2)的焦距设为f2,且50mm<f2<100mm。
6.根据权利要求5所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述后补偿镜片组(3)包括从物方到像方依次排列设置的焦距为负的第五透镜(31)、焦距为负的第六透镜(32)以及焦距为正的第七透镜(33);所述第六透镜(32)与所述第七透镜(33)胶合。
7.根据权利要求6所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述后补偿镜片组(3)的焦距设为f3,-50mm<f3<-20mm且-5<f2/f3<-2。
8.根据权利要求7所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述前变焦镜片组(2)与所述后补偿镜片组(3)结合后的组合焦距设为f23,-70mm<f23<-40mm且0.3<f3/f23<1。
9.根据权利要求1所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述后聚焦镜片组(4)包括至少2片镜片,且至少存在1片正焦距镜片。
10.根据权利要求9所述的高倍率显微变焦镜头,其特征在于:所述后聚焦镜片组(4)包括从物方到像方依次排列设置的焦距为正的第八透镜(41)、焦距为正的第九透镜(42)、焦距为负的第十透镜(43)以及焦距为正的第十一透镜(44)。
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