一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于机器视觉检测的大视场无CaF2超消色差镜头，所述超消色差镜头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面包括从物面到像面依次排列的前组、中间组及后组；所述前组与中间组间的距离为21.1698±0.5mm，所述中间组与后组间的距离为14.1420±0.1mm；前组包括顺序排列的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜；中间组包括顺序排列的第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜；后组包括第四负透镜和第六正透镜。本实用新型具有大视场、高分辨率、低畸变及超消色差特性，无CaF2材料降低制造成本，应用于机器视觉检测可以大幅提升机器视觉检测的精度。
【专利说明】
一种用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头
技术领域
[0001] 本发明涉及光学成像技术中机器视觉检测设备，具体是一种用于机器视觉检测的 大视场无 CaF2超消色差镜头。
【背景技术】
[0002] 机器视觉检测是现代工业常用的检测技术，其集合了光学、精密仪器制造、控制、 计算机图像处理等多门学科。近年来，随着我国工业集成化、智能化程度的提升，对机器视 觉检测镜头的成像质量的要求也在不断提高。传统的机器视觉检测镜头都无法做到在大视 场情况下的复消色差或超消色差设计。轴向色差的存在严重限制了镜头成像质量的提高。
[0003] 超消色差的原理是对5个波长的光线在0.707带校正色差，这极大地提高了镜头的 成像质量，与传统的机器视觉检测镜头相比，在相同使用条件下，超消色差镜头成像更加清 晰，分辨率更高。
[0004] 公开号为CN104808315的中国专利所设计的镜头具有较大的视场，但未校正轴向 色差。
[0005] 公开号为CN103499871的中国专利所设计的镜头实现了超消色差，但其视场较小， 无法适用于机器视觉检测。
【发明内容】
[0006] 本发明专利目的在于克服现有机器视觉检测镜头无法实现大视场条件下的高分 辨率超消色差的要求，提供一种用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，该超消 色差镜头符合大视场、高分辨率、低畸变、高像质要求。
[0007]实现本发明专利目的的技术方案：
[0008] -种用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，由透镜及光阑面组成，所 述透镜及光阑面包括从物面到像面依次排列的前组、中间组及后组;所述前组与中间组间 的距离为21.1698 ± 0.5mm，所述中间组与后组间的距离为14.1420 ± 0.1 mm;
[0009] 所述前组具有视场转换功能，包括从物面到像面顺序排列的第一正透镜、第二正 透镜和第一负透镜；
[0010]所述中间组具有高分辨率功能，包括顺序排列的第三正透镜、第二负透镜、第四正 透镜、第三负透镜和第五正透镜；
[0011]所述后组具有补偿轴向色差功能，包括第四负透镜和第六正透镜。
[0012]所述正透镜均具有正折射能力。
[0013] 所述透镜表面可以为球面也可以为非球面。
[0014] 所述第二正透镜与第一负透镜组成一第一双胶合透镜，第二负透镜与第四正透镜 组成一第二双胶合透镜，第四负透镜与第六正透镜组成一第三双胶合透镜，双胶合透镜具 有较大光焦度。
[0015] 所述后组还包括第五负透镜，所述第五负透镜置于第五正透镜与第四负透镜之 间。
[0016] 所述中间组还包括一光阑面，所述光阑面置于第四正透镜与第三负透镜之间。
[0017] 所述镜头的物方视场为60mm X 60mm，像方视场8mm X 8mm，全视场像方成像分辨率 达到280cycles/mm，物方分辨率为10.7μηι。
[0018] 该镜头的工作距离为240mm，焦距f ' = 80mm，相对孔径D/f ' = 0.325，物方视场角2 ω = 14.25° ;镜头畸变小，畸变值小于0.1 %，且镜头内的透镜均不含CaF2材料。
[0019] 所述镜头实现超消色差的波段范围为0.4μπι-0.7μπι。
[0020] 所述镜头实现超消色差的波长为0 · 436μπι、0 · 474μπι、0 · 520μπι、0 · 575μπι和0 · 680μπι 五种波长，残余位置色差值〈3.143Ε-4。
[0021] 所述镜头在可见光光谱范围内，任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置 色差值I δ ' λ1-δ ' A21〈5.62Ε-4，其中δ ' A1表示波长为λ?时，〇. 7带光的轴向像差值;δ ' A2表示波 长为λ2时，0.7带光的轴向像差值。
[0022]本发明具有如下特点：
[0023] 1.本发明在0.4μπι-0.7μπι波段实现超消色差，成像质量高；
[0024] 2.本发明在可见光光谱范围内，任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置 色差值I δ ' λ1-δ ' A21〈5.62Ε-4，具有较好的色差校正效果；
[0025] 3.本发明具有大视场下的高分辨率特性，物方分辨率高；
[0026] 4.本发明具有较小的畸变，物体成像变形小，利于减小机器视觉检测的误差；
[0027] 5.本发明采用无 CaF2材料，镜头制造成本低。
[0028] 本发明的有益效果为:本发明具有大视场、高分辨率、低畸变及超消色差特性，无 CaF2材料降低制造成本，应用于机器视觉检测可以大幅提升机器视觉检测的精度。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明实施例1中镜头的光路图；
[0030] 图2为本发明实施例1中镜头的调制传递函数图；
[0031 ]图3为本发明实施例1中镜头的点列图；
[0032]图4为本发明实施例1中镜头的场曲与畸变图；
[0033 ]图5为本发明实施例1中镜头的纵向像差图；
[0034]图6为本发明实施例1中镜头的衍射环绕的能量分布图；
[0035]图7为本发明实施例1中镜头的点扩散函数图；
[0036] 图8为本发明实施例1中镜头的光线扇形图；
[0037] 图9为本发明实施例1中镜头在可见光光谱内的纵向像差图。
[0038] 图10为本发明实施例2中镜头的光路图；
[0039]图11为本发明实施例2中镜头的调制传递函数图；
[0040]图12为本发明实施例2中镜头的点列图；
[0041] 图13为本发明实施例2中镜头的场曲与畸变图；
[0042] 图14为本发明实施例2中镜头的纵向像差图；
[0043]图15为本发明实施例2中镜头的衍射环绕的能量分布图；
[0044]图16为本发明实施例2中镜头的点扩散函数图；
[0045] 图17为本发明实施例2中镜头的光线扇形图；
[0046] 图18为本发明实施例2中镜头在可见光光谱内的纵向像差图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和实施例对本发明专利进行进一步说明，但不是对本发明专利的限 定。
[0048] 实施例1
[0049] 如图1，一种应用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，所述超消色差镜 头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面分为具有视场转换功能的前组6 1、高分辨率成 像功能的中间组62及补偿轴向色差功能的后组G3,所述前组6 1、中间组62及后组G3从物面到 像面依次排列，三组均具有正光焦度;所述前组6 1与中间组62间的距离为21.1698±0.5mm， 中间组G2与后组G 3间的距离为14.1420±0· 1謹；
[0050] 所述前组61包括顺序排列的第一正透镜Ll、第二正透镜L2和第一负透镜L3,第二 正透镜L2与第一负透镜L3组成一第一双胶合透镜。
[0051] 中间组G2包括顺序排列的第三正透镜L4、第二负透镜L5、第四正透镜L6、光阑面、 第三负透镜L7和第五正透镜L8,第二负透镜L5与第四正透镜L6组成一第二双胶合透镜。 [0052] 后组G3包括第四负透镜L9和第六正透镜LlO，第四负透镜L9和第六正透镜LlO组成 一第三双胶合透镜，组成的双胶合透镜具有较大光焦度。
[0053]本实施例中所使用透镜均为球面透镜。
[0054]所述超消色差镜头采用三段式结构，镜头的透镜单元均为不含CaF2材料制成的透 镜。镜头的工作距离为240mm，焦距f' = 80mm，相对孔径D/f' =0.325，物方视场角2 ω = 14 · 25°，物方视场为60mm X 60mm，物方分辨率达到10 · 7μηι，像方视场8mm X 8mm，像面接收器 件使用1 /2 〃的CO)工业相机，像面视场为8mm，像元尺寸5.4μηι X 5.4μηι。
[0055] 采用上述结构的实施例的具体结构数据如表1 一镜头的结构数据表所示。透镜LI 包含表面1、2，透镜厚度为12.5000mm，透镜Ll到透镜L2间的距离为27.9597mm;透镜L2包含 表面3、4，透镜厚度为8.8986mm;透镜L3包含表面4、5，透镜厚度为6.4382mm，透镜L3到透镜 L4间的距离为21.1698mm;透镜L4包含表面6、7，透镜厚度为7.8mm，透镜L4到透镜L5间的距 离为0.5455mm;透镜L5包含表面8、9,透镜厚度为6mm;透镜L6包含表面9、10,透镜厚度为 4.6946mm，透镜L6到光阑面间的距离为22.8790;光阑面包含表面11，光阑面到透镜L7间的 距离为〇.4974mm;透镜L7包含表面12、13,投影厚度为5mm，透镜L7到透镜L8间的距离为 0.4905mm;透镜L8包含表面14、15,透镜厚度为6mm，透镜L8到透镜L9间的距离为14.142mm; 透镜L9包含表面16、17,透镜厚度为6.8594mm;透镜LlO包含表面17、18,透镜厚度为 5.7107mm，透镜LlO到像面间的距离为4mm。
[0056] 表1
[0059] 像差曲线图见附图。如图2，全视场MTF值达至Ij280cycIes/mm，接近衍射极限；由图3 可见最大视场处的RMS斑点半径为3.812μπι，小于CCD像元尺寸5.4μπι ;由图4可见，系统畸变 小，畸变值〈0 · 2 % ;由图5可见，0 · 436μπι、0 · 474μπι、0，520μπι、0 · 575μπι和0 · 680μπι波长的光线 在0.707带基本会聚于一点，系统实现超消色差，残余位置色差值〈3.62Ε-4;根据附图6-附 图8可知，本实施例的综合像差、像质及照度均达到要求。
[0060] 本发明在可见光区域，不同波长光线在0.707带的球差见表2,色差图见图9。表2中 的数据表明在0.4-0.7μπι波长范围内，任意波长光线在0.707带处的球差均处在-4.02Ε-4一-9.64Ε-4范围内，即任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值I δ'λ1-δ 'λ2 〈5.62E-4，其中δ'λl表示波长为λl时，0.7带光的轴向像差值;δ'λ2表示波长为λ2时，0.7带光 的轴向像差值。
[0061 ]在图9中可以明显看出在0.4-0.7μπι波长范围内，不同波长光线的色差状况。
[0062]表 2
[0064] 本实施例采用三段式结构形式，采用10片镜片，其中包括3个双胶合透镜。
[0065] 实施例2
[0066] 本实施例给出一种在实施例1基础上增加透镜和非球面的变型应用。参照图10, 一 种应用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，所述超消色差镜头由透镜及光阑面 组成，所述透镜及光阑面分为具有视场转换功能的前组&、高分辨率成像功能的中间组6 2及 补偿轴向色差功能的后组G3,所述前组61、中间组62及后组G 3从物面到像面依次排列，三组 均具有正光焦度;所述前组61与中间组&间的距离为21.1698±0.5mm，中间组G 2与后组G3 间的距离为14.1420±0.1 mm;
[0067] 所述前组61包括顺序排列的第一正透镜Ll、第二正透镜L2和第一负透镜L3,第二 正透镜L2与第一负透镜L3组成一第一双胶合透镜。
[0068] 中间组G2包括顺序排列的第三正透镜L4、第二负透镜L5、第四正透镜L6、光阑面、 第三负透镜L7和第五正透镜L8,第二负透镜L5与第四正透镜L6组成一第二双胶合透镜。 [0069] 本实施例中，后组G3还包括第五负透镜L9,即后组G3包括第五负透镜L9、第四负透 镜LlO和第六正透镜Lll，第四负透镜LlO与第六正透镜Lll组成一第三双胶合透镜，组成的 双胶合透镜具有较大光焦度。
[0070] 其中所用透镜可以为球面透镜也可以为非球面透镜。
[0071] 超消色差镜头采用三段式结构，镜头的透镜单元均为不含CaF2材料制成的透镜。 镜头的工作距离为240mm，焦距f ' = 80mm，相对孔径D/f ' = 0.325，物方视场角2 ω = 14.25°， 物方视场为60mm X 60mm，物方分辨率达到10.7μηι，像方视场7.76_ X 7.76mm，像面接收器件 使用1/2〃的CO)工业相机，像面视场为8mm，像元尺寸5.4μηι X 5.4μηι。
[0072] 采用上述结构的实施例的具体结构数据如表3-镜头的结构数据表所示。透镜LI 包含表面1、2，透镜厚度为12.5000mm，透镜Ll到透镜L2间的距离为27.9597mm;透镜L2包含 表面3、4，透镜厚度为8.8986mm;透镜L3包含表面4、5，透镜厚度为6.4382mm，透镜L3到透镜 L4间的距离为21.1698mm;透镜L4包含表面6、7，透镜厚度为7.8mm，透镜L4到透镜L5间的距 离为0.5455mm;透镜L5包含表面8、9,透镜厚度为6mm;透镜L6包含表面9、10,透镜厚度为 4.6946mm，透镜L6到光阑面间的距离为22.8790;光阑面包含表面11，光阑面到透镜L7间的 距离为〇.4974mm;透镜L7包含表面12、13,投影厚度为5mm，透镜L7到透镜L8间的距离为 0.4905mm;透镜L8包含表面14、15,透镜厚度为6mm，透镜L8到透镜L9间的距离为14.142mm; 透镜L9包含表面16、17,透镜厚度为0.8589mm;透镜L9到透镜LlO间的距离为0.4973mm;透镜 LlO包含表面18、19,透镜厚度为6.8594mm;透镜Lll包含表面18、19,透镜厚度为5.7107mm， 透镜LlO到像面间的距离为4mm。
[0073] 表 3
[0077]式中Z为曲面沿光轴的偏移量，c为顶点曲率，r为透镜表面半口径，k为二次曲面常 数，A2、A4、A6分别为二阶、四阶、六阶系数。
[0078]非球面的系数如表4所示 [0079]表 4
[0081 ]像差曲线图见附图。如图11，全视场MTF值达至Ij280eyeIes/mm，接近衍射极限；由图 12可见最大视场处的RMS斑点半径为0.809μπι，小于CXD像元尺寸5.4μπι;由图13可见，系统畸 变小，畸变值 由图 14可见，0· 436μπι、0 · 474μπι、0，520μπι、0 · 575μπι 和0 · 680μπι 波长的 光线在0.707带基本会聚于一点，系统实现超消色差，残余位置色差值〈3.143Ε-4;根据附图 15-附图17可知，本实施例的综合像差、像质及照度均达到要求。
[0082] 本发明在可见光区域，不同波长光线在0.707带的球差见表5,色差图见图18。表5 中的数据表明在0.4-0.7μπι波长范围内，任意波长光线在0.707带处的球差均处在1.28E-3-5.22Ε-4范围内，即任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值I δ 'λ1-δ 'λ21〈 7.58E-4，其中δ ' λ1表示波长为λ?时，〇. 7带光的轴向像差值;δ ' λ2表示波长为λ2时，0.7带光 的轴向像差值。在图18中可以明显看出在0.4-0.7μπι波长范围内，不同波长光线的色差状 况。 「00831 券 F； L0085」本实施例采用三段式结构形式，采用
11片镜片，其中包括3个双胶合透镜。
[0086]本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明 的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理 或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于，所述超消色差镜 头由透镜及光阑面组成，所述透镜及光阑面包括从物面到像面依次排列的前组、中间组及 后组；所述前组与中间组间的距离为21.1698 ± 0.5mm，所述中间组与后组间的距离为 14.1420±0.1mm; 所述前组包括顺序排列的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜； 所述中间组包括顺序排列的第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五 正透镜； 所述后组包括第四负透镜和第六正透镜。2. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述透镜表面为球面或非球面。3. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述第二正透镜与第一负透镜组成一第一双胶合透镜，第二负透镜与第四正透镜组成一第 二双胶合透镜，第四负透镜与第六正透镜组成一第三双胶合透镜。4. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述后组还包括第五负透镜，所述第五负透镜置于第五正透镜与第四负透镜之间。5. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述中间组还包括一光阑面，所述光阑面置于第四正透镜与第三负透镜之间。6. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述镜头的物方视场为60mm X 60mm，像方视场8mm X 8mm，全视场像方成像分辨率达到 280cycles/mm，物方分辨率为 10.7μηι。7. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述镜头工作距离为240mm，焦距f' = 80mm，相对孔径D/f' = 0.325，物方视场角2 ω = 14.25°，畸变值小于0.2%，且镜头内的透镜均不含CaF2材料。8. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述镜头实现超消色差的波段范围为〇. 4μηι-0.7μηι。9. 如权利要求1或8所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在 于，所述镜头实现超消色差的波长为〇. 436μπι、0.474μπι、0.520μπι、0.575μπι和0.680μπι五种波 长，残余位置色差值〈3.143Ε-4。10. 如权利要求1所述的用于机器视觉检测的大视场无 CaF2超消色差镜头，其特征在于， 所述镜头在可见光光谱范围内，任意两条及以上波长的光线在0.707带残余位置色差值 δ 'λ1-δ 'λ21〈5.62E-4，其中δ 'λ1表示波长为λ?时，〇 . 7带光的轴向像差值;δ 'λ2表示波长为λ2 时，0.7带光的轴向像差值。
【文档编号】G02B13/18GK205427289SQ201521045752
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月15日
【发明人】高兴宇, 杨骜
【申请人】桂林电子科技大学