CN213399045U - 一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提供一种大相对孔径、超低畸变、高分辨率、结构简单紧凑、加工成本低、成像质量好的高分辨率双远心光学镜头。一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，包括镜头，所述镜头由对称设置于孔径光阑两侧的第一镜片组和第二镜片组构成，所述第一镜片组按光线入射方向依次包括第一双凸透镜、第一弯月透镜、第二双凸透镜和第一双凹透镜，所述第二镜片组按光线入射方向依次包括第二双凹透镜，第三双凸透镜，第二弯月透镜和第四双凸透镜，所述第一弯月透镜背向光线入射方向弯曲，所述第二弯月透镜弯向光线入射方向，所述第二双凸透镜与第一双凹透镜构成双胶合透镜组，所述第二双凹透镜与第三双凸透镜构成双胶合透镜组。

Description

一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头

技术领域

本实用新型涉及光学检测设备、光学测量设备领域技术领域，具体涉及一种用于光学精密测量和光学检测的高分辨率双远心光学镜头。

背景技术

远心镜头作为光学检测与光学测量领域的一类重要镜头，它可以解决传统非远心扫描镜头，由于物距不同时放大倍率不同,而造成的较大的测量偏差，即远心镜头可以减小甚至消除视差对测量精度的干扰，它可以在一定的物距范围内,使得被测量位置在CCD上面的位置不会随离焦量的增大而增大,因此，可以对被测物体进行高精度检测，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要。远心镜头已经广泛应用于机器视觉精密测量系统等场合。但是，目前市场上部分双远心镜相对孔径偏小，这会导致远心镜头分辨率不高，另外这些镜头的畸变大多低于0.1％，远心度大都在0.1°左右，对于一些精度要求更高的应用已无法满足。

中国实用新型专利CN 203799100 U公开了一种双远心镜头，镜头包括十片透镜，按光线入射方向依次是由五片透镜组成的第一透镜组、光阑、由五片透镜组成的第二透镜组，其中第一透镜组与第二透镜组对称地设置于光阑两侧，镜头的放大倍率为-1×，相对孔径为1：12.5，物方视场2Y＝70mm；所述光学镜头采用第一镜片组和第二镜片组相对于光阑呈对称结构，正负畸变相互抵消，畸变较小，达到了设计目的；但它存在以下不足：第一是镜片数较多，所使用地玻璃材料种类较多且来自多家不同玻璃制造公司，使得加工的难度和加工成本大幅度增加；其二是相对孔径较小，镜头分辨率较低且光能利用率不足。

增大光学镜头的相对孔径是十分必要的，虽然会带来设计难度的增加，但它可使系统的集光能力和系统分辨率得到提升。因此，设计一种大相对孔径、高分辨率、低畸变、加工成本低的双远心光学镜头，以解决目前大多数双远心镜头存在的分辨率及光能利用率不足的问题，对于光学精密检测与光学精密测量方面的应用具有重大实际意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种大相对孔径、超低畸变、高分辨率、结构简单紧凑、加工成本低、成像质量好的用于光学精密测量和光学检测的高分辨率双远心光学镜头。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，包括镜头，所述镜头由对称设置于孔径光阑两侧的第一镜片组和第二镜片组构成，所述第一镜片组按光线入射方向依次包括第一双凸透镜、第一弯月透镜、第二双凸透镜和第一双凹透镜，所述第二镜片组按光线入射方向依次包括第二双凹透镜，第三双凸透镜，第二弯月透镜和第四双凸透镜，所述第一弯月透镜背向光线入射方向弯曲，所述第二弯月透镜弯向光线入射方向，所述第二双凸透镜与第一双凹透镜构成双胶合透镜组，所述第二双凹透镜与第三双凸透镜构成双胶合透镜组。

本实用新型的镜头采用对称式结构作为初始结构，在进行像差校正与平衡的同时，增大了光学镜头的相对孔径，系统的集光能力和系统分辨率得到显著提升；且结构对称，方便安装，正、负畸变相互抵消，能达到超低畸变的设计目的，同时具备分辨率高和超高远心度等优点，适用于光学精密测量和光学检测。且本实用新型的镜头仅由八片折射透镜构成，降低了镜头的加工难度和加工成本，具有实际应用价值。

作为优选，所述第一双凸透镜、第一弯月透镜、第二双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凹透镜、第三双凸透镜、第二弯月透镜、第四双凸透镜的光焦度依次对应为φ₁₁、φ₁₂、φ₁₃、φ₁₄、φ₃₁、φ₃₂、φ₃₃和φ₃₄，相对于光学镜头焦距归一化的取值范围分别为：2.3≤φ₁₁≤2.5、1.70≤φ₁₂≤1.9、0.50≤φ₁₃≤0.80、-0.55≤φ₁₄≤-0.35、-0.55≤φ₃₁≤-0.35、0.50≤φ₃₂≤0.80、1.70≤φ₃₃≤1.9、2.3≤φ₃₄≤2.5。

上述设置以保证正、负畸变相互抵消，能达到超低畸变的设计目的，以使本实用新型镜头适用于光学精密测量和光学检测。

作为优选，所述第一双凸透镜、第一弯月透镜、第二双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凹透镜、第三双凸透镜、第二弯月透镜、第四双凸透镜均为由玻璃材料制成的镜片。八个折射透镜采用玻璃制成制成，能提高本实用新型镜头的分辨率。

作为优选，所述第一双凸透镜、第一弯月透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜、第二弯月透镜和第四双凸透镜均为由H-LAF1材料制成的镜片，所述第一双凹透镜和第二双凹透镜均为由H-ZF2材料制成的镜片。八个折射透镜采用国产材料制成，成本较低，生产更为方便。

作为优选，所述镜头的工作F数的取值范围为4.5≤F/#≤6.5。

作为优选，所述镜头的物方视场为20mm。

作为优选，所述镜头的物方远心度和像方远心度均小于0.08°。

作为优选，所述镜头的放大倍率为-1×，镜头的畸变小于0.003％。

与现有技术相比，本实用新型提供的光学镜头的有益效果是：①本实用新型提供镜头采用对称式结构作为初始结构，合理选择玻璃材料，在进行像差校正与平衡的同时，增大了光学镜头的相对孔径，系统的集光能力和系统分辨率得到显著提升；②镜头仅由八片透镜构成，且全部镜片仅由两种国产玻璃材料制成，降低了镜头的加工难度和加工成本，具有实际应用价值；③本实用新型提供的镜头结构对称，方便安装，正、负畸变相互抵消，达到超低畸变的设计目的，同时具备分辨率高和超高远心度等优点。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图；

图2是本实用新型的实施例提供的光学镜头的畸变曲线图；

图3是本实用新型一个实施例所述的光学镜头的场曲、像散曲线图；

图4是本实用新型一个实施例所述的光学镜头的光线追迹点列图；

图5是本实用新型一个实施例所述的光学镜头的传递函数曲线MTF曲线图；

图6是本实用新型一个实施例所述的光学镜头的相对照度图。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

由图1所示，本实用新型公开了一种用于光学精密测量和光学检测的高分辨率双远心光学镜头，包括镜头，镜头由对称设置于孔径光阑2两侧的第一镜片组1和第二镜片组3构成。

第一镜片组1按光线入射方向依次包括第一双凸透镜11、第一弯月透镜12、第二双凸透镜13和第一双凹透镜14。第一弯月透镜12背向光线入射方向弯曲，第二双凸透镜 13与第一双凹透镜14构成双胶合透镜组。

第二镜片组3按光线入射方向依次包括第二双凹透镜31，第三双凸透镜32，第二弯月透镜33和第四双凸透镜34。第二弯月透镜33弯向光线入射方向，第二双凹透镜31 与第三双凸透镜32构成双胶合透镜组。

其中，第一双凸透镜11、第一弯月透镜12、第二双凸透镜13、第一双凹透镜14、第二双凹透镜31、第三双凸透镜32、第二弯月透镜33、第四双凸透镜34的光焦度依次对应为φ₁₁、φ₁₂、φ₁₃、φ₁₄、φ₃₁、φ₃₂、φ₃₃和φ₃₄，相对于光学镜头焦距归一化的取值范围分别为：2.3≤φ₁₁≤2.5、1.70≤φ₁₂≤1.9、0.50≤φ₁₃≤0.80、-0.55≤φ₁₄≤-0.35、 -0.55≤φ₃₁≤-0.35、0.50≤φ₃₂≤0.80、1.70≤φ₃₃≤1.9、2.3≤φ₃₄≤2.5。在本实施例中，φ₁₁＝2.4，φ₁₂＝1.8，φ₁₃＝0.6，φ₁₄＝-0.4，φ₃₁＝-0.4，φ₃₂＝0.6，φ₃₃＝1.8，φ₃₄＝2.4。

本实用新型的镜头的焦距f＝53mm，F数为F/#＝5.6，物方视场2Y＝20mm，工作波长为 486nm～656nm。

本实施例各光学元件的参数如下表所示。

由图2所示，它是本实施例提供的光学镜头的畸变曲线图，图中，横坐标为相对于像面的畸变值(单位％)，纵坐标表示归一化视场，由图2结果可知，光学镜头的畸变像差已得到了充分的校正，畸变率得到了小于0.003％。

由图3所示，它是本实施例提供的光学镜头的场曲像散曲线图，图中，横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线，图中虚线曲线和实线曲线分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，由图3结果可知，镜头有效的校正了像散和场曲，使得两曲线之间的差值即像散值在像差容限范围内。

由图4所示，它是光线通过本实施例提供的光学镜头的光线追迹点列图，图中各个视场的点列图均方根半径小于2.4m，点列图几何半径小于4.4m，满足系统使用要求。

由图5所示，它是本实施例提供的光学镜头各个视场对应像面上的传递函数MTF曲线。由图5可知，在120lp/mm下各视场的MTF值均大于0.4，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明镜头成像清晰、均匀，系统在全波段全视场具有很好的成像质量。

由图6所示，它是本实施例提供的光学镜头的相对照度图，由图6可知，光束在像面位置处的辐射照度分布均匀、能量集中，满足使用要求。

本实用新型技术方案提供的用于光学精密测量和光学检测的高分辨率双远心光学镜头，仅由八片透镜组成，通过提升镜头成像的相对孔径，以增加系统的集光能力和系统分辨率，可获得光照度分布均匀、能量集中、分辨率高的图像；同时，采用对称式结构实现超低畸变，畸变小于0.003％。

本实用新型技术方案提供的光学镜头，经过严格的像差校正，镜头具有相对孔径大、超低畸变、高分辨率、加工成本低、结构简单紧凑等优点，可用于光学精密测量和光学检测，应用前景广阔。

Claims (8)

1.一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于包括镜头，所述镜头由对称设置于孔径光阑(2)两侧的第一镜片组(1)和第二镜片组(3)构成，所述第一镜片组(1)按光线入射方向依次包括第一双凸透镜(11)、第一弯月透镜(12)、第二双凸透镜(13)和第一双凹透镜(14)，所述第二镜片组(3)按光线入射方向依次包括第二双凹透镜(31)，第三双凸透镜(32)，第二弯月透镜(33)和第四双凸透镜(34)，所述第一弯月透镜(12)背向光线入射方向弯曲，所述第二弯月透镜(33)弯向光线入射方向，所述第二双凸透镜(13)与第一双凹透镜(14)构成双胶合透镜组，所述第二双凹透镜(31)与第三双凸透镜(32)构成双胶合透镜组。

2.根据权利要求1所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述第一双凸透镜(11)、第一弯月透镜(12)、第二双凸透镜(13)、第一双凹透镜(14)、第二双凹透镜(31)、第三双凸透镜(32)、第二弯月透镜(33)、第四双凸透镜(34)的光焦度依次对应为φ₁₁、φ₁₂、φ₁₃、φ₁₄、φ₃₁、φ₃₂、φ₃₃和φ₃₄，相对于光学镜头焦距归一化的取值范围分别为：2.3≤φ₁₁≤2.5、1.70≤φ₁₂≤1.9、0.50≤φ₁₃≤0.80、-0.55≤φ₁₄≤-0.35、-0.55≤φ₃₁≤-0.35、0.50≤φ₃₂≤0.80、1.70≤φ₃₃≤1.9、2.3≤φ₃₄≤2.5。

3.根据权利要求1所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述第一双凸透镜(11)、第一弯月透镜(12)、第二双凸透镜(13)、第一双凹透镜(14)、第二双凹透镜(31)、第三双凸透镜(32)、第二弯月透镜(33)、第四双凸透镜(34)均为由玻璃材料制成的镜片。

4.根据权利要求3所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述第一双凸透镜(11)、第一弯月透镜(12)、第二双凸透镜(13)、第三双凸透镜(32)、第二弯月透镜(33)和第四双凸透镜(34)均为由H-LAF1材料制成的镜片，所述第一双凹透镜(14)和第二双凹透镜(31)均为由H-ZF2材料制成的镜片。

5.根据权利要求1所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述镜头的工作F数的取值范围为4.5≤F/#≤6.5。

6.根据权利要求1所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述镜头的物方视场为20mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述镜头的物方远心度和像方远心度均小于0.08°。

8.根据权利要求1所述的一种用于光学测量和检测的高分辨率双远心光学镜头，其特征在于所述镜头的放大倍率为-1×，镜头的畸变小于0.003％。

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