CN213069308U - 光学系统、工业镜头及工业测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学系统、工业镜头及工业测量设备。光学系统由物侧至像侧依次包括：第一透镜，第一透镜为弯月负透镜，第一透镜的弯月方向朝向像侧；第二透镜，所述第二透镜为双凸正透镜；第三透镜，所述第三透镜为双凸正透镜；第四透镜，所述第四透镜为双凸正透镜；第五透镜，所述第五透镜为弯月负透镜，所述第五透镜的弯月方向朝向物侧；第六透镜，所述第六透镜为弯月正透镜，所述第六透镜的弯月方向朝向像侧；以及孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述光学系统的像方焦平面上。上述光学系统，孔径光阑设置于光学系统的像方焦平面上，使光学系统形成物方远心光路。能够避免因光学系统的视差、调焦不准及畸变等问题对尺寸测量精度的影响。

Description

光学系统、工业镜头及工业测量设备

技术领域

本实用新型涉及工业测量技术领域，特别是涉及一种光学系统、工业镜头及工业测量设备。

背景技术

随着精密加工技术的发展，工业测量中对加工工件的尺寸检测标准越来越高。传统的工业测量多采用工业镜头对加工工件进行取像，通过调焦等手段使加工工件成像于感光元件上，进而通过对感光元件上所成的图像尺寸进行测量以得到加工工件的尺寸。

然而，传统的工业镜头，因工业镜头的畸变、视差以及工业镜头调焦不准等问题，会导致加工工件于感光元件上成像的像高发生改变，进而导致测量产生误差，降低尺寸测量的精度。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的工业镜头尺寸容易产生测量误差，测量精度低的问题，提供一种光学系统、工业镜头及工业测量设备。

一种光学系统，由物侧至像侧依次包括：

第一透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第一透镜的弯月方向朝向像侧；

第二透镜，所述第二透镜为双凸正透镜；

第三透镜，所述第三透镜为双凸正透镜；

第四透镜，所述第四透镜为双凸正透镜；

第五透镜，所述第五透镜为弯月负透镜，所述第五透镜的弯月方向朝向物侧；

第六透镜，所述第六透镜为弯月正透镜，所述第六透镜的弯月方向朝向像侧；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述光学系统的像方焦平面上。

在其中一个实施例中，所述第一透镜与所述第二透镜胶合，所述第四透镜与所述第五透镜胶合。胶合透镜的设置能够更好地抑制所述光学系统中色差的产生，使所述光学系统成像的还原度。

在其中一个实施例中，所述第二透镜至所述第三透镜于光轴上的空气间隔，所述第三透镜至所述第四透镜于光轴上的空气间隔、所述第五透镜至所述第六透镜于光轴上的空气间隔以及所述第六透镜至所述孔径光阑之间于光轴上的距离分别为：9.9mm、60mm、1mm、11.129mm，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第六透镜包括第十一曲面和第十二曲面，所述第一曲面至所述第十二曲面由物侧至像侧依次排列，所述第一曲面至所述第十二曲面的曲率半径分别为：∞mm、31.851mm、31.851mm、-106.962mm、41.704mm、-390.322mm、21.933mm、-24.435mm、-24.435mm、∞mm、10.469mm、14.084mm，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜于光轴上的厚度、所述第二透镜于光轴上的厚度、所述第三透镜于光轴上的厚度、所述第四透镜于光轴上的厚度、所述第五透镜于光轴上的厚度以及所述第六透镜于光轴上的厚度分别为：4mm、14mm、10mm、10mm、2mm、4mm，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的折射率与阿贝数之比、所述第二透镜的折射率与阿贝数之比、所述第三透镜的折射率与阿贝数之比、所述第四透镜的折射率与阿贝数之比、所述第五透镜的折射率与阿贝数之比以及所述第六透镜的折射率与阿贝数之比分别为：1.82/46.6、1.50/81.6、1.50/81.6、1.60/65.5、1.82/46.6、1.95/17.9，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

在其中一个实施例中，所述孔径光阑的孔径大小为2.614±5％mm。

在其中一个实施例中，所述光学系统的焦距为：f＝50.897±5％mm，光圈数为：F/#＝9.6±5％，工作距离为110±5％mm。

一种工业镜头，包括感光元件以及上述任一实施例所述的光学系统，所述感光元件设置于所述光学系统的像侧。

一种工业测量设备，包括壳体以及上述的工业镜头，所述工业镜头设置于所述壳体。

上述光学系统，所述孔径光阑设置于所述光学系统的像方焦平面上，使所述光学系统形成物方远心光路。此时，交于物方无穷远的主光线通过所述光学系统后会聚于所述光学系统的出瞳中心，即所述孔径光阑的中心，主光线在物方的交点位置始终在无穷远处，不随物体移动发生改变。因此在所述光学系统的成像面上的投影像两端的两个弥散斑中心的主光线位置不变，即两个弥散斑中心距离始终不变。而在感光元件上的投影像中，两个弥散斑的中心距离也不随成像面与感光元件的感光面之间的偏移而变化。由此，在工业镜头采用上述光学系统，当光学系统产生视差或调焦不准时，加工工件于成像面上的像高也不会发生变化，进而避免了因光学系统的视差及调焦不准的问题对尺寸测量精度的影响。同时，形成物方远心光路的所述光学系统畸变程度小，加工工件于成像面上的还原度高，也能够避免畸变对尺寸测量精度的影响，进一步提升工业镜头对加工工件的测量精度。

附图说明

图1为本申请一些实施例中光学系统的示意图。

其中，100、光学系统；L1、第一透镜；S1、第一曲面；S2、第二曲面；L2、第二透镜；S3、第三曲面；S4、第四曲面；L3、第三透镜；S5、第五曲面；S6、第六曲面；L4、第四透镜；S7、第七曲面；S8、第八曲面；L5、第五透镜；S9、第九曲面；S10、第十曲面；L6、第六透镜；S11、第十一曲面；S12、第十二曲面；110、孔径光阑。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或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”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参见图1，图1示出了本申请一些实施例中光学系统100的示意图。光学系统100由物侧至像侧，即沿光线的入射方向依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6及孔径光阑110。并且，由物侧至像侧的方向上，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5及第六透镜L6的物侧面及像侧面分别为第一曲面S1、第二曲面S2、第三曲面S3、第四曲面S4、第五曲面S5、第六曲面S6、第七曲面S7、第八曲面S8、第九曲面S9、第十曲面S10、第十一曲面S11、第十二曲面S12。来自物侧的光线经光学系统100的调节后于光学系统100的成像面上(图未示出)成像。

具体地，第一透镜L1为具有负屈折力的弯月透镜，第一透镜L1的弯月方向朝向像侧。第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4均为具有正屈折力的双凸透镜。第五透镜L5为具有负屈折力的弯月透镜，且第五透镜L5的而弯月方向朝向物侧。第六透镜L6为具有正屈折力的弯月透镜，且第六透镜L6的弯月方向朝向像侧。孔径光阑110设置于光学系统100的像方焦平面上。

需要说明的是，在本申请中，光学系统100各透镜同轴设置，各透镜的轴线即为光学系统100的光轴，且光学系统100的入光侧为光学系统100的物侧，出光侧为光学系统100的像侧。另外，在本申请中，当描述一个透镜为弯月透镜，可理解为该透镜的物侧面及像侧面中的其中一个为平面，而另一个为弧形面，或者该透镜的物侧面及像侧面均为弧形面。而当描述一个透镜的弯月方向朝向物侧，可理解为该透镜的物侧面及像侧面中的弧形面的圆心位于物侧。例如，在一些实施例中，第一透镜L1的第一曲面S1为平面，第二曲面S2为凹面，即第二曲面S2的圆心位于像侧。第五透镜L5的第九曲面S9为凹面，第十曲面S10为平面，即第九曲面S9的圆心位于物侧。第六透镜L6的第十一曲面S11为凸面，第十二曲面S12为凹面，即第十一曲面S11与第十二曲面S12的圆心均位于像侧。

并且，在图1所示的光学系统100中，孔径光阑110仅示意性描述孔径光阑110的位置，并不表示孔径光阑110的孔径大小。

上述光学系统100，可与感光元件组装形成工业镜头(图未示出)，用于测量加工工件的尺寸。此时，加工工件即为光学系统100的被摄物，感光元件设置于光学系统100的像侧，且感光元件的感光面即为光学系统100的成像面，加工工件于光学系统100的成像面，即感光元件的感光面上成像，通过对感光元件所成的图像进行测量，即可获得加工工件的尺寸。并且，在一些实施例中，感光元件可以为电荷耦合元件(CCD)或互补金属氧化物半导体器件(CMOS Sensor)。

可以理解的是，孔径光阑110设置于光学系统100的像方焦平面上，使得光学系统100形成物方远心光路，孔径光阑110即为光学系统100的出瞳。此时，交于物方无穷远的主光线通过光学系统100后会聚于光学系统100的出瞳中心，即孔径光阑110的中心，主光线在物方的交点位置始终在无穷远处，不随物体移动发生改变。因此在光学系统100的成像面上的投影像两端的两个弥散斑中心的主光线位置不随物体的移动而改变，即两个弥散斑中心距离始终不变。而在感光元件上的投影像中，两个弥散斑的中心距离也不随成像面与感光元件的感光面之间的偏移而变化。由此，在工业镜头采用上述光学系统100，当光学系统100产生视差或调焦不准时，加工工件于感光元件上成像的像高也不会发生变化，进而避免了因光学系统100的视差及调焦不准的问题对尺寸测量精度的影响。同时，形成物方远心光路的所述光学系统100畸变程度小，加工工件于成像面上的还原度高，也能够避免畸变对尺寸测量精度的影响，进一步提升工业镜头对加工工件的测量精度。

进一步地，参考图1所示，在一些实施例中，第一曲面S1、第二曲面S2、第三曲面S3、第四曲面S4、第五曲面S5、第六曲面S6、第七曲面S7、第八曲面S8、第九曲面S9、第十曲面S10、第十一曲面S11、第十二曲面S12的曲率半径分别为：R1＝∞mm；R2＝31.851mm、R3＝31.851mm、R4＝-106.962mm、R5＝41.704mm、R6＝-390.322mm、R7＝21.933mm、R8＝-24.435mm、R9＝-24.435mm、R10＝∞mm；R11＝10.469mm、R12＝14.084mm。并且，各曲面的曲率半径允许的公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。此时，第一曲面S1为平面，第二曲面S2为凹面，第三曲面S3为凸面，第四曲面S4为凸面，第五曲面S5为凸面，第六曲面S6为凸面，第七曲面S7为凸面，第八曲面S8为凸面，第九曲面S9为凹面，第十曲面S10为平面，第十一曲面S11为凸面，第十二曲面S12为凹面。

需要说明的是，在图1所示的实施例中，各透镜的物侧面及像侧面，即第一曲面S1至第十二曲面S12均为球面，此时，各透镜的物侧面及像侧面于光轴处及于圆周处的曲率半径相等。而在另一些实施例中，第一曲面S1至第十二曲面S12中也可有部分曲面为非球面，非球面结构的采用能够提高透镜设计的灵活性，并有效地校正球差，改善成像质量。此时，非球面的曲率半径表示该非球面于光轴处的曲率半径。

在一些实施例中，第一透镜L1于光轴上的厚度，即第一透镜L1的中心厚度为：d1＝4±5％mm；第二透镜L2于光轴上的厚度为：d2＝14±5％mm；第三透镜L3于光轴上的厚度为：d4＝10±5％mm；第四透镜L4于光轴上的厚度为：d6＝10±5％mm；第五透镜L5于光轴上的厚度为：d7＝2±5％mm；第六透镜L6于光轴上的厚度为：d9＝4±5％mm。

另外，在一些实施例中，第一透镜L1与第二透镜L2之间于光轴上的空气间隔为0，第四透镜L4与第五透镜L5之间与光轴上的空气间隔为0，且第一透镜L1与第二透镜L2相胶合，第四透镜L4与第五透镜L5相胶合。胶合透镜的设置能够更好地抑制光学系统100色差的产生，使光学系统100成像的还原度更高。

并且，在一些实施例中，第二透镜L2至第三透镜L3于光轴上的空气间隔，即第四曲面S4至第五曲面S5于光轴上的距离为：d3＝9.9±5％mm。第三透镜L3至第四透镜L4于光轴上的空气间隔为：d5＝60±5％mm。第五透镜L5至第六透镜L6于光轴上的空气间隔为：d8＝1±5％mm。第六透镜L6至孔径光阑110之间于光轴上的距离，即第十二曲面S12至孔径光阑110于光轴上的距离为：d10＝11.129±5％mm。通过合理控制光学系统100中各透镜的中心厚度以及各透镜之间于光轴上的空气间隔，在提升测量精度的同时，也能够缩短光学系统100于光轴方向上的尺寸，有利于工业镜头的小型化设计。

更进一步地，在一些实施例中，第一透镜L1的折射率与阿贝数之比、第二透镜L2的折射率与阿贝数之比、第三透镜L3的折射率与阿贝数之比、第四透镜L4的折射率与阿贝数之比、第五透镜L5的折射率与阿贝数之比以及第六透镜L6的折射率与阿贝数之比分别为：1.82/46.6、1.50/81.6、1.50/81.6、1.60/65.5、1.82/46.6、1.95/17.9。其中，各透镜的折射率及阿贝数之比允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。通过对光学系统100中各透镜的折射率及阿贝数的比值进行合理配置，有利于抑制光学系统100色差的产生，进一步提升光学系统100成像的还原度。

在一些实施例中，孔径光阑110的孔径大小为2.614±5％mm。而光学系统100的总有效焦距为：f＝50.897±5％mm；光学系统100的光圈数为：F/#＝9.6±5％；光学系统100的工作距离，即光学系统100的物面至第一曲面S1于光轴上的距离，又即测量时加工工件至第一曲面S1于光轴上的距离为100±5％mm。并且，在一些实施例中，光学系统100的工作波长为可见光，可见光于加工工件的表面反射后进入光学系统100中。

需要说明的是，满足上述参数时，光学系统100于成像面上成像的像高为被摄物物高的0.5倍，即测量时加工工件于光学系统100的成像面上成缩小0.5倍的像。由此，光学系统100还能够实现缩小视野的效果。

另外，在一些实施例中，光学系统100中的各透镜的材质可以均为玻璃或均为塑料。采用塑料材质的透镜能够减少光学系统100的重量并降低生产成本，有利于实现工业镜头的小型化设计。而采用玻璃材质的透镜使光学系统100具备优良的光学性能以及较高的耐温性能。需要注意的是，光学系统100中各透镜的材质也可以为玻璃和塑料的任意组合，并不一定要是均为玻璃或均为塑料。

并且，在一些实施例中，光学系统100还包括红外滤光片(图未示出)，红外滤光片可设置于第六透镜L6与光学系统100的成像面之间，用于滤除干扰光，防止干扰光到达光学系统100的成像面而影响正常成像。

进一步地，在一些实施例中，光学系统100运用于工业镜头中，而工业镜头能够运用于工业测量设备(图未示出)中，以获取加工工件的尺寸。具体地，工业测量设备可以为工业相机、影像测量仪等具备尺寸测量功能的电子设备。进一步地，工业测量设备可以为带C型接口的工业相机，此时，工业测量设备中工业镜头的安装基准面到光学系统100的焦平面之间的距离为17.526mm。需要说明的是，在一些实施例中，工业测量设备还应当包括图像处理模块，用于对感光元件上所成的图像进行运算处理，获取图像各部分的尺寸，进而获取加工工件的尺寸。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，由物侧至像侧依次包括：

第一透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第一透镜的弯月方向朝向像侧；

第二透镜，所述第二透镜为双凸正透镜；

第三透镜，所述第三透镜为双凸正透镜；

第四透镜，所述第四透镜为双凸正透镜；

第五透镜，所述第五透镜为弯月负透镜，所述第五透镜的弯月方向朝向物侧；

第六透镜，所述第六透镜为弯月正透镜，所述第六透镜的弯月方向朝向像侧；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述光学系统的像方焦平面上。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜胶合，所述第四透镜与所述第五透镜胶合。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜至所述第三透镜于光轴上的空气间隔，所述第三透镜至所述第四透镜于光轴上的空气间隔、所述第五透镜至所述第六透镜于光轴上的空气间隔以及所述第六透镜至所述孔径光阑之间于光轴上的距离分别为：9.9mm、60mm、1mm、11.129mm，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第六透镜包括第十一曲面和第十二曲面，所述第一曲面至所述第十二曲面由物侧至像侧依次排列，所述第一曲面至所述第十二曲面的曲率半径分别为：∞mm、31.851mm、31.851mm、-106.962mm、41.704mm、-390.322mm、21.933mm、-24.435mm、-24.435mm、∞mm、10.469mm、14.084mm，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜于光轴上的厚度、所述第二透镜于光轴上的厚度、所述第三透镜于光轴上的厚度、所述第四透镜于光轴上的厚度、所述第五透镜于光轴上的厚度以及所述第六透镜于光轴上的厚度分别为：4mm、14mm、10mm、10mm、2mm、4mm，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率与阿贝数之比、所述第二透镜的折射率与阿贝数之比、所述第三透镜的折射率与阿贝数之比、所述第四透镜的折射率与阿贝数之比、所述第五透镜的折射率与阿贝数之比以及所述第六透镜的折射率与阿贝数之比分别为：1.82/46.6、1.50/81.6、1.50/81.6、1.60/65.5、1.82/46.6、1.95/17.9，允许公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述孔径光阑的孔径大小为2.614±5％mm。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距为：f＝50.897±5％mm，光圈数为：F/#＝9.6±5％，工作距离为110±5％mm。

9.一种工业镜头，其特征在于，包括感光元件以及权利要求1-8任一项所述的光学系统，所述感光元件设置于所述光学系统的像侧。

10.一种工业测量设备，其特征在于，包括壳体以及权利要求9所述的工业镜头，所述工业镜头设置于所述壳体。

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