一种光学镜头的制作方法

本发明涉及一种超大靶面、超高分别率、零畸变、超大光圈的工业镜头。

背景技术：

伴随着加工制造业开始向高精尖的方向转型，机器视觉的市场也得到了前所未有的开拓。简单地说，机器视觉系统就是用机器来代替人眼：在不适合人工作业的危险环境或人眼生理极限难以满足要求的场合，机器视觉就可以发挥作用；在大批量生产中，人工视觉检查效率低下且精度不高，机器视觉能极大地提高生产效率与自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，在生产线上对产品进行快速地测量、引导、检测、识别和定位，形成一条高质量的生产链系统。时至今日，机器视觉已经成为计算机学科的重要分支。

机器视觉系统的眼睛就是工业相机，相机的眼瞳便是镜头，可以说镜头的质量直接决定了系统的整体性能。根据对应传感器架构的不同，又分为线扫描镜头和面扫描镜头。由于线扫描相机具有高传输速率、超高分辨率、大动态范围、高灵敏度的天然优势，因而对于连续高速运动、高精度检测、大幅面视场的工业检测项目，线扫描相机是必然的选择。

线阵传感器的感光部是一段狭长的线型区域，对应镜头的成像靶面会达到数英寸之大，常规的工业镜头有效像圆过小，根本无法满足使用需求；不同于一般的摄影镜头，工业检测对于画面中心与周边的像质差异、明暗变化、畸变有着苛刻的要求，为了保证性能的优良，镜头往往只能在体积与长度上妥协，因而镜头安装要预留很大的空间。因为作业环境的差异和检测对象的不同，过于庞大的镜头难以在各种检测场合下兼容使用；随着很多精密制造业的兴起，诸多工业检测的要求都达到了几微米的数量级，市面上已有的工业镜头，其最小分辨率大都在10微米以上，已经不再适用；同时，为了得到精细的画面与锐利的拍摄效果，要求镜头的光圈尽可能做大，但是长焦段的线扫描工业镜头光圈普遍较小。

专利公开文献P2011-107313A该专利中介绍了一款小型化的工业镜头，但是其像高过小，无法适用于大靶面的线扫描工业相机。

总体上，现有技术具有如下缺点：

1.镜头超大靶面与小体积难以实现。由于线阵传感器的像素点是以一列或几列的线型排列，同时为了保证单颗像素的进光量充足，像素点往往较大，这使得感光区域非常狭长。传统的大靶面成像常常使用数个相机拍摄，获取图像后再进行拼接与合成，但这一过程带来的巨大计算量，在要求越来越严格的实时监测中已经成为硬伤。越来越多的工业检测开始寻求一款具有超大靶面的工业成像镜头。受限于现有的加工和组装工艺，数英寸的有效圆径会使得镜头的设计难度呈几何式增长，不得不使用大量的镜片堆叠与及其复杂的机构，众多的镜片会造成镜头体积增大，过大的累积公差也会降低镜头的组装良率和效率。如何在较短的体积内，用简单的结构实现大靶面是该款镜头的一大技术难点。

2.过多使用非球面镜片。近年来，晶圆阵面、电路集成等工艺都已经达到了1μm的数量级，必须要求检测镜头的分辨率也达到这一水准。为了保证生产中被测物体的中心与边缘都能被清晰地捕捉到，要求镜头必须实现无畸变、中心与周边的性能没有明显差异，周边光量无明显变化。普通的工业镜头常通过使用非球面镜片来实现上述要求，非球面的使用可以有效提升成像质量、平衡画面中心与周边的性能差异。而在镜头前端约束光线的面型上使用非球面，可以大大约束成像变形量，达到无畸变的效果。但是非球面具有高敏感度的特性决定了精密的工业镜头中，难以使用非球面镜片。采用纯球面镜片的结构实现上述需求成为该镜头设计的关键。

3.大光圈镜头的设计难度。镜头的光圈大小直接决定了成像的亮度，较大的光圈口径也能使得画面的观感更为锐利，细节再现的真实感大大增强。但是同样的，大光圈也会造成成像质量下降、镜头体积增大、景深过浅等问题，给光学设计带来很大的难度。如何在规避以上问题的前提下，尽可能地放大镜头的光圈也是目前需要攻克的一个难点。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种超大靶面、亿万级分辨率、零畸变、具有超大光圈、较小体积的线扫描光学镜头。

基于对以上各类工业镜头固有缺陷的研究，本发明根据经典光学成像公式的推演计算，结合在设计光学设计生产中的经验，并通过专业软件仿真验证，以期创新设计一种新型结构的工业镜头，能够改进一般现有的镜头各种缺陷，使其具有更为优异的性能和更为广泛的适用性。经过不断的试验与改进，并在实际环境中模拟测试，完成了本发明设计，

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光学镜头，沿光轴从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有正光焦度的第四镜片L4、具有负光焦度的第五镜片L5、具有正光焦度的第六镜片L6、具有正光焦度的第七镜片L7、具有负光焦度的第八镜片L8、具有负光焦度的第九镜片L9、具有正光焦度的第十镜片L10、具有正光焦度的第十一镜片L11、具有正光焦度的第十二镜片L12、具有负光焦度的第十三镜片L13、具有负光焦度的第十四镜片L14、具有正光焦度的第十五镜片L15、具有正光焦度的第十六镜片L16。其中，所述的第四镜片L4与第五镜片L5胶合，所述的第七镜片L7与第八镜片L8胶合，所述的第九镜片L9与第十镜片L10胶合，所述的第十二镜片L12与第十三镜片L13胶合。所述的第八镜片L8与第九镜片L9之间，配置有系统的孔径光阑STP。在成像面IMG，配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。

优选地，第一镜片(L1)、具有正光焦度的第二镜片(L2)和第三镜片(L3)都为光焦度较小的正透镜，三者共同构成形成光焦度较大的第一镜片组(G1)，分摊了光焦度，有效地降低了各个镜片的敏感度；第一镜片(L1)采用了超低色散玻璃，约束了光学系统的轴上色差；第二镜片(L2)、第三镜片(L3)均采用高折射率材料，极大地改善了球面像差，同时大幅延长了镜头的工作距离。第一镜片(L1)、第二镜片(L2)、第三镜片(L3)满足以下的条件式：

(1)Vd1>65或Vd2>65

(2)Nd3>1.8

(3)1.65>f123/Φ1r1>0.85

其中Vd1表示镜片L1的阿贝数，Vd2表示镜片L2的阿贝数，Nd3表示镜片L3的折射率，f123表示三枚镜片的总焦距，Φ1r1表示镜片L1前表面的有效口径。

优选地，第四镜片(L4)、具有负光焦度的第五镜片(L5)、第六镜片(L6)组成第二镜片组(G2)，所述的第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合；其中，第四镜片(L4)和第五镜片(L5)搭配了合理的镜片折射率和阿贝数，有效地减小了光学系统的轴外色差；镜片(L6)采用了超低色散玻璃，约束了光学系统的轴上色差；第四镜片(L4)、第五镜片(L5)和第六镜片(L6)共同作用，缓和了光线的曲折程度。第四镜片(L4)、第五镜片(L5)、第六镜片(L6)满足以下的条件式：

(4)-2.7>f45/Φ4r1>-4.00

(5)Vd6>65

其中f45表示镜片L4与镜片L5胶合镜片的焦距，Φ4r1表示镜片L4前表面的有效口径，Vd6表示镜片L6的阿贝数。

优选地，第七镜片(L7)、第八镜片(L8)、第九镜片(L9)、第十镜片(L10)组成第三镜片组(G3)，所述的第七镜片(L7)与第八镜片(L8)胶合，所述的第九镜片(L9)与第十镜片(L10)胶合。其中，第八镜片(L8)与第九镜片(L9)之间，配置有孔径光阑(STP)。采用这类正透镜、负透镜、光阑、负透镜、正透镜顺序排列的结构，能够有效地减小光学系统的尤其是球差、像散和场曲，使得镜头中心与周边达到相同画质成为可能。第七镜片(L7)、第八镜片(L8)、第九镜片(L9)、第十镜片(L10)满足以下的条件式：

(6)1.55>f7/f9>0.55

(7)1.45>f8/f10>0.50

(8)-1.75>f9/f10>-0.55

其中f7表示镜片L7的焦距，f8表示镜片L8的焦距，f9表示镜片L9的焦距，f10表示镜片L10的焦距。

优选地，第十一镜片(L11)、第十二镜片(L12)、第十三镜片(L13)、第十四镜片(L14)组成第四镜片组(G4)，所述的第十二镜片(L12)与第十三镜片(L13)胶合。其中，超低色散玻璃的使用调节了光学系统的色差，在胶合件中搭配了阿贝数与折射率，进一步减小了系统的场曲。第十一镜片(L11)、第十二镜片(L12)、第十三镜片(L13)、第十四镜片(L14)满足以下的条件式：

(9)Vd11>65

(10)Vd12>55

(11)Vd14>60

(12)-1.95>f14/Φ14r1>-3.05

其中Vd11表示镜片L11的阿贝数，Vd12表示镜片L12的阿贝数,Vd14表示镜片L14的阿贝数,f14表示镜片L14的阿贝数，Φ14r1表示镜片L14前表面的有效口径。

优选地，第十五镜片(L15)、第十六镜片(L16)，二者共同形成光焦度较大的第五镜片组(G5)，分摊了光焦度，有效地降低了各个镜片的敏感度，同时这一镜片决定了光学出瞳的位置，可以有效地压缩镜头的光学全长，为镜头实现大光圈提供可能。第十一镜片(L15)、第十二镜片(L16)满足以下的条件式：

(13)-1.85>f1516/Φ15r1>-3.20

(14)Nd15>1.8

(15)Nd16>1.8

其中f1516表示两枚镜片的总焦距，Φ15r1表示镜片L15前表面的有效口径，Nd15表示镜片L15的折射率，Nd16表示镜片L16的折射率。

另外，在第十六镜片(L16)和成像面(IMG)之间，配置有一片保护玻璃(CG)。保护玻璃(CG)可根据需要配置、而在不需要时可以省略。滤光片(ICF)的作用是滤除杂散光。

本发明创造的优点如下：

1.兼顾了镜头的超大靶面与小体积

本发明通过复杂的光学计算，以传统的双高斯结构为基础，通过多群组的组合与拆分，优化了原有结构的缺陷，将镜头的性能提升至亿万级像素的级别。设计中，在前群连续使用高折射率的镜片，大大压缩了镜头的总长，同时保证了摄影距离不受损失；而在尾端，在传统单凸透镜的基础上，以双胶合件配合双凸透镜的形式取代，做到了不带入新的光学像差的同时，平稳放大了系统的靶面到Φ82mm以上。

2.不使用非球面镜片

在本发明中，在前群与后群原本使用非球面镜片的位置，特别地采用正负透镜胶合件配合单透镜的方式来替代，经由光学模拟软件严密地推导，反复修改参数，在对球差与慧差的控制上做到了与非球面相同的水准。在镜头的凸透镜元件上，大胆地使用大量异常色散玻璃，也达到了非球面能够收敛周边色差的效果。最终，实现了不使用非球面镜片的目标。

3.实现了超大光圈

通过对诸多相似结构的分析和实物的拆解测试，本发明发现设计结构中对于光圈敏感部位在镜头的后群部分，因此，在这些关键位置采取了多枚凸透镜堆叠的方式，将中心主光线层层放大，在尽量不影响镜头外径与成像质量的前提下实现了F0.8的超大光圈，超出目前市面上常见的工业镜头5倍以上。根据实测，成像亮度大幅提高、色彩鲜鋭度及其丰富。

附图说明

图1是本发明的镜头的光学结构示意图。

图2是本发明的实施例1镜头相对于d线的各像差图。

具体实施方式

下面参照附图进一步说明本发明的技术方案。

一种光学镜头，沿光轴从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片(L1)、具有正光焦度的第二镜片(L2)、具有正光焦度的第三镜片(L3)、具有正光焦度的第四镜片(L4)、具有负光焦度的第五镜片(L5)、具有正光焦度的第六镜片(L6)、具有正光焦度的第七镜片(L7)、具有负光焦度的第八镜片(L8)、具有负光焦度的第九镜片(L9)、具有正光焦度的第十镜片(L10)、具有正光焦度的第十一镜片(L11)、具有正光焦度的第十二镜片(L12)、具有负光焦度的第十三镜片(L13)、具有负光焦度的第十四镜片(L14)、具有正光焦度的第十五镜片(L15)、具有正光焦度的第十六镜片(L16)。其中，所述的第四镜片(L4)与第五镜片(L5)胶合，所述的第七镜片(L7)与第八镜片(L8)胶合，所述的第九镜片(L9)与第十镜片(L10)胶合，所述的第十二镜片(L12)与第十三镜片(L13)胶合。所述的第八镜片(L8)与第九镜片(L9)之间，配置有系统的孔径光阑(STP)。另外，在第十六镜片(L16)和成像面(IMG)之间，配置有一片保护玻璃(CG)。保护玻璃(CG)可根据需要配置、而在不需要时可以省略。在成像面(IMG)，配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。

以下，示出关于实施例1的定焦镜头的各种数值数据。

有效焦距EFL＝120.50

F数＝0.77

垂轴放大率β＝5

表1显示了实施例1镜头的结构参数。

表1

符号说明

L1、L2…L16第一透镜、第二透镜…第十六透镜

S1、S2…S30第一表面、第二表面…第三十表面

G1、G2…G5第一镜片组、第二镜片组…第五镜片组

STP孔径光阑

IMG成像面

CG保护玻璃。