视觉镜头的制作方法

本发明涉及光学系统和器件设计
技术领域：
，尤其涉及一种机器视觉镜头。
背景技术：
：机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分cmos和ccd两种)将要检测的目标转换成图像信号，然后由图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标特征，从而实现现场设备动作的控制。目前，一般的机器视觉镜头，无法兼顾大视场、大口径、长焦距、高分辨率及近物距的要求，无法满足高端产品需求。如专利号为“cn105866929a”的中国专利所示，该镜头从物方到像方依次由正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜、正光焦度的第六透镜与负光焦度第七透镜粘结，正光焦度第八透镜，负光焦度第九透镜与正光焦度第十透镜粘结。这种系统实现了高分辨率、大孔径、大视场的特点。但是由于机器视觉产品的日益发展，对镜头的探测范围等性能提出了更高的要求。而目前的视觉镜头结构无法进一步缩短物距，满足像质要求。技术实现要素：本发明的一个目的在于提供一种具备高分辨率、大视场角、大孔径以及近物距特性的视觉镜头。为实现上述发明目的，本发明提供一种视觉镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的构成固定组的第一透镜组以及构成调焦组的第二透镜组、光阑和第三透镜组；所述第一透镜组为负光焦度透镜组；所述第二透镜组和所述第三透镜组为正光焦度透镜组；所述第一透镜组由三片透镜组成；所述第二透镜组包括至少三片透镜；所述第三透镜组由四片透镜组成。根据本发明的一个方面，所述第一透镜组包括具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜以及具有负光焦度的第三透镜。根据本发明的一个方面，所述第二透镜组包括三片透镜时，所述第二透镜组包括第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第三透镜组包括具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜以及具有正光焦度的第十透镜。根据本发明的一个方面，所述第一透镜与所述第二透镜构成胶合镜片组；所述第四透镜与所述第五透镜构成胶合镜片组；所述第七透镜与所述第八透镜构成胶合镜片组。根据本发明的一个方面，所述第二透镜组包括四片透镜时，所述第二透镜组包括第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；所述第三透镜组包括具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜以及具有正光焦度的第十一透镜。根据本发明的一个方面，所述第一透镜与所述第二透镜构成胶合镜片组；所述第六透镜与所述第七透镜独立设置或者构成胶合镜片组；所述第八透镜与所述第九透镜构成胶合镜片组。根据本发明的一个方面，所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)构成胶合镜片组；所述第四透镜(4)与所述第五透镜(5)构成胶合镜片组；所述第八透镜(8)与所述第九透镜(9)构成胶合镜片组根据本发明的一个方面，所述第二透镜组包括五片透镜时，所述第二透镜组包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；所述第三透镜组包括具有正光焦度的第九透镜、具有负光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜以及具有正光焦度的第十二透镜。根据本发明的一个方面，所述第四透镜与所述第五透镜构成胶合镜片组；所述第七透镜与所述第八透镜构成胶合镜片组；所述第九透镜与所述第十透镜构成胶合镜片组。根据本发明的一个方面，所述镜头采用反摄远结构，其有效焦距为f，构成固定组的所述第一透镜组(a)的有效焦距为fa，有效焦距f与有效焦距fa之间满足关系式：-2.5＜fa/f＜-1.8。根据本发明的一个方面，所述第二透镜组、所述光阑和所述第三透镜组构成的所述调焦组的有效焦距为ft，其与所述镜头的有效焦距f之间满足关系式：1.2＜ft/f＜1.6。根据本发明的一个方面，所述第一透镜的阿贝数为v1，所述第二透镜的阿贝数为v2，阿贝数v1与阿贝数v2满足关系式：v1-v2＞16。根据本发明的一个方面，所述第三透镜的阿贝数为v3，满足关系式：50＜v3＜75。根据本发明的一个方面，所述第三透镜和所述第四透镜之间的空气间隔d34满足关系式：8.5＜d34＜19。根据本发明的一个方面，所述第二透镜组的总焦距为fb，所述调焦组的总焦距为f，总焦距fb与总焦距f之间满足关系式：0.8＜fb/f＜1.5。根据本发明的一个方面，所述第九透镜的折射率为n9，满足关系式：1.65＜n9＜1.75；所述第九透镜的阿贝数为v9，满足关系式：29＜v9＜55。根据本发明的一个方面，所述镜头的光圈f#满足关系式：2＜f#＜2.55。根据本发明的一个方面，所述镜头的调焦量δd满足关系式0.75＜δd＜1.6。根据本发明的一个方面，所述透镜均采用全玻璃球面镜片。根据本发明的视觉镜头采用反远摄结构，通过合理分配固定组和调焦组的光焦度，在保证系统具有较长的光学后焦的同时，有效降低光学系统畸变。根据本发明的视觉镜头，第二透镜组可以采用三至五片透镜组成，当第二透镜组由三片或者四片透镜组成时，其物距范围缩小为无穷远至0.4m，在整个物距范围内具有高分辨率，满足大视场大孔径近物距的使用需求，同时可以满足低成本的需求。当第二透镜组b由五片透镜组成时，其物距范围调整为0.9m至0.15m，在整个物距范围内同样具有高分辨率，满足大视场大孔径近物距的使用需求。根据发明的第一透镜和第二透镜阿贝数在上述范围内设置，有利于降低两胶合透镜的光焦度，减小主光线的入射角，从而降低高级球差及组装灵敏度。第三透镜的阿贝数在上述范围内设置，可以校正系统的倍率误差。第三透镜和第四透镜之间设置有空气间隔，可以校正系统场曲。第九透镜9的折射率和阿贝数的设置，可以校正系统轴向色差。根据本发明的视觉镜头，第二透镜组的总焦距fb与调焦组的总焦距f之间满足关系式0.8＜fb/f＜1.5的设置。如此设置可以降低系统的高阶像差。镜头的光圈值f#满足关系式：2＜f#＜2.55。如此设置可以使得镜头在整个景深范围内保持较高的相对照度。镜头的调焦量δd满足关系式0.75＜δd＜1.6。如此设置可实现较高的调焦率。附图说明图1示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的结构图；图2示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图；图3示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的最大视场弧矢向光线扇图；图4示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的轴向色差图；图5示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的横向色差图；图6示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的畸变图；图7示意性表示根据本发明的实施例2的视觉镜头的结构图；图8示意性表示根据本发明实施例2的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图；图9示意性表示根据本发明实施例2的视觉镜头的最大视场弧矢向光线扇图；图10示意性表示根据本发明实施例2的视觉镜头的轴向色差图；图11示意性表示根据本发明实施例2的视觉镜头的横向色差图；图12示意性表示根据本发明实施例2的视觉镜头的畸变图；图13示意性表示根据本发明的实施例3的视觉镜头的结构图；图14示意性表示根据本发明实施例3的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图；图15示意性表示根据本发明实施例3的视觉镜头的最大视场弧矢向光线扇图；图16示意性表示根据本发明实施例3的视觉镜头的轴向色差图；图17示意性表示根据本发明实施例3的视觉镜头的横向色差图；图18示意性表示根据本发明实施例3的视觉镜头的畸变图；图19示意性表示根据本发明的实施例4的视觉镜头的结构图；图20示意性表示根据本发明实施例4的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图；图21示意性表示根据本发明实施例4的视觉镜头的最大视场弧矢向光线扇图；图22示意性表示根据本发明实施例4的视觉镜头的轴向色差图；图23示意性表示根据本发明实施例4的视觉镜头的横向色差图；图24示意性表示根据本发明实施例4的视觉镜头的畸变图。具体实施方式为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。根据本发明的视觉镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一透镜组a、第二透镜组b、光阑s和第三透镜组c。在本发明中，第一透镜组a构成固定组，即调焦时第一透镜组a固定不动。第二透镜组b、光阑s和第三透镜组c构成调焦组，即相对于第一透镜组a调整调焦组对本发明的视觉镜头进行调焦。在本发明的视觉镜头中，第一透镜组a为负光焦度透镜组，第二透镜组b和第三透镜组c为正光焦度投进组。而且在本发明的视觉镜头中，第一透镜组a是由三片透镜组成，第二透镜组b可以由三至五片透镜组成，第三透镜组c由四片透镜组成。此外，根据本发明的视觉镜头，第一透镜组a包括具有正光焦度的第一透镜1、具有负光焦度的第二透镜2以及具有负光焦度的第三透镜3。根据本发明的一种实施方式，当第二透镜组b包括三片透镜时，第二透镜组b可以由具有正光焦度的第四透镜4、具有负光焦度的第五透镜5和具有正光焦度的第六透镜6组成。在本实施方式中，第二透镜组b中各透镜的光焦度也可以为其他的设置方式，只要保证第二透镜组b的整体光焦度为正即可。在本实施方式中，第三透镜组c包括具有正光焦度的第七透镜7、具有负光焦度的第八透镜8、具有正光焦度的第九透镜9以及具有正光焦度的第十透镜10。在本实施方式中，第一透镜1与第二透镜2构成胶合镜片组，第四透镜4与第五透镜5构成胶合镜片组。第七透镜7与第八透镜8构成胶合镜片组。根据本发明的另一种实施方式，当第二透镜组b包括四片透镜时，第二透镜组b可以由具有正光焦度的第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6以及具有负光焦度的第七透镜7组成；也可以由具有负光焦度的第四透镜4和具有正光焦度的第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7组成。当然，利用其他的光焦度组合方式构成的具有正光焦度的第二透镜组在本实施方式中也是可行的。在本实施方式中，第三透镜组c包括具有正光焦度的第八透镜8、具有负光焦度的第九透镜9、具有正光焦度的第十透镜10以及具有正光焦度的第十一透镜11。在本实施方式中，第一透镜组a中第一透镜1与第二透镜2构成胶合镜片组；第三透镜c中第八透镜8与第九透镜9构成胶合镜片组。第二透镜组b中第六透镜6与第七透镜7构成胶合镜片组，或者第四透镜4和第五透镜5构成胶合镜片组。根据本发明的第三种实施方式，当第二透镜组b包括五片透镜时，第二透镜组b可以由具有正光焦度的第四透镜4、第六透镜6和第七透镜5以及具有负光焦度的第五透镜5和第八透镜8组成。当然，利用其他的光焦度组合方式构成的具有正光焦度的第二透镜组在本实施方式中也是可行的。在本实施方式中，第三透镜组c包括具有正光焦度的第九透镜9、具有负光焦度的第十透镜10、具有正光焦度的第十一透镜11以及具有正光焦度的第十二透镜12。在本实施方式中，第四透镜4与第五透镜5构成胶合镜片组；第七透镜7与第八透镜8构成胶合镜片组；第九透镜9与所述第十透镜10构成胶合镜片组。根据本发明的视觉镜头采用反远摄结构，其有效焦距为f，构成固定组的第一透镜组a的有效焦距为fa，有效焦距f与有效焦距fa之间满足关系式：-2.5＜fa/f＜-1.8。在本发明中，第二透镜组b、光阑s和第三透镜组c构成的调焦组的有效焦距为ft，其与镜头的有效焦距f之间满足关系式：1.2＜ft/f＜1.6。在本发明中，通过合理分配固定组和调焦组的光焦度，在保证系统具有较长的光学后焦的同时，有效降低光学系统畸变。第一透镜1的阿贝数为v1，所述第二透镜的阿贝数为v2，阿贝数v1与阿贝数v2满足关系式：v1-v2＞16。如此设置有利于降低两胶合透镜的光焦度，减小主光线的入射角，从而降低高级球差及组装灵敏度。第三透镜3的阿贝数为v3，满足关系式：50＜v3＜75。如此设置可以校正系统的倍率误差。第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔d34满足关系式：8.5＜d34＜19。如此设置可以校正系统场曲。第九透镜9的折射率为n9，第九透镜的阿贝数为v9，并分别满足关系式：1.65＜n9＜1.75和29＜v9＜55。如此设置可以校正系统轴向色差。在本发明中，第二透镜组b的总焦距为fb，调焦组的总焦距为f，总焦距fb与总焦距f之间满足关系式：0.8＜fb/f＜1.5。如此设置可以降低系统的高阶像差。镜头的光圈值f#满足关系式：2＜f#＜2.55。如此设置可以使得镜头在整个景深范围内保持较高的相对照度。镜头的调焦量δd满足关系式0.75＜δd＜1.6。如此设置可实现较高的调焦率。在本发明的视觉镜头中，透镜可以均采用全玻璃球面镜片。根据本发明的视觉镜头，第二透镜组b可以采用3至5片透镜组成，当第二透镜组b由3片透镜组成时，其物距范围缩小为无穷远至0.4m，在整个物距范围内具有高分辨率，同时可以满足低成本的需求。当第二透镜组b由5片透镜组成时，其物距范围调整为无穷远至0.15m，在整个物距范围内具有高分辨率，满足大视场大孔径近物距的使用需求。以下是根据本发明的视觉镜头中各个透镜的材料变化以及各个相关参数的不同给出四组实施例来具体说明根据本发明的视觉镜头。根据本发明的上述实施方式，第二透镜组b中无论是设置有三片、四片或者五片透镜，视觉镜头中均设置有三组胶合镜片组，加上光阑、滤光片以及成像面的设置，根据本发明的视觉镜头具有21-25个光学面，这21-25个光学面按照本发明的结构顺序依次排列布置，为了便于叙述说明，根据光学面的个数进行编号，编号为s1-s25。四组实施例中的数据如下表1中数据：表1由表1可知，根据本发明的四组实施例视觉镜头中各项参数的设置，满足根据发明的视觉镜头对于各参数条件的要求。根据发明的实施例1，视觉镜头的物距wd＝400mm，ttl＝56.75mm，effl＝14.71mm。视觉镜头的视场角为2w＝48.22°，光圈值f#＝2.51，探测器件为2/3英寸感光芯片。以下表2列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率以及阿贝数：表2图1示意性表示根据本发明的实施例1的视觉镜头的结构图。如图1所示，在本实施例中，根据本发明的视觉镜头的第二透镜组b包括四片透镜，分别为具有正光焦度的第四透镜4、具有正光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6和具有负光焦度的第七透镜7。在本实施例中，第一透镜组a中的第一透镜1和第二透镜2构成胶合镜片组。第二透镜组b中的第六透镜6和第七透镜7构成胶合镜片组。第三透镜组c中第八透镜8和第九透镜9构成胶合镜片组。由表2可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足根据本发明视觉镜头的条件要求。以下表3列出了视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间的空气间隔d34：物距(mm)无穷远700400200d34(mm)15.3615.0614.8414.32表3由表3可知，在本实施例中，视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间空气间隔d34的设置满足根据本发明视觉镜头对于空气间隔8.5＜d34＜19的要求。图2-图6分别示意性表示根据本发明实施例1的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图、最大视场弧矢向光线扇图、轴向色差图、横向色差图和畸变图。由图2、图3可知，根据本发明的视觉镜头在物距范围缩小为无穷远至400mm时，光学系统在入瞳位置的像差控制在0至5μm范围内。由图4-图6可知，光学系统的轴向色差控制在0至8.00e-0.2mm范围内，横向色差控制在-1.50e+00至3.00e+00μm之间。光学系统的畸变控制在-1.00％范围内。因此，根据本发明实施例1的视觉镜头在具有大视场角、大孔径和近物距的情况下，仍具有良好的光学性能，成像清晰，分辨率高。图7示意性表示根据本发明的实施例2的视觉镜头的结构图。根据本发明的实施例2，视觉镜头的物距wd＝400mm，ttl＝57.1767mm，effl＝12.207mm。视觉镜头的视场角为2w＝48.44°，光圈f#＝2.23，探测器件为2/3英寸感光芯片。以下表4列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率以及阿贝数：表4如图7所示，在本实施例中，根据本发明的视觉镜头的第二透镜组b包括四片透镜，分别为具有负光焦度的第四透镜4、具有正光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6和具有负光焦度的第七透镜7。在本实施例中，第一透镜组a中的第一透镜1和第二透镜2构成胶合镜片组。第二透镜组b中的第四透镜4和第五透镜5构成胶合镜片组。第三透镜组c中第八透镜8和第九透镜9构成胶合镜片组。由表4可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足根据本发明视觉镜头的条件要求。以下表5列出了视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间的空气间隔d34：物距(mm)无穷远700400200d34(mm)9.819.069.568.94表5由表5可知，在本实施例中，视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间空气间隔d34的设置满足根据本发明视觉镜头对于空气间隔8.5＜d34＜19的要求。图8-图12分别示意性表示根据本发明实施例2的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图、最大视场弧矢向光线扇图、轴向色差图、横向色差图和畸变图。由图8、图9可知，根据本发明的视觉镜头在物距范围缩小为无穷远至400mm时，光学系统在入瞳位置的像差控制在0至5μm范围内。由图10-图12可知，光学系统的轴向色差控制在-4.00e-0.2mm至8.00e-0.2mm之间，横向色差控制在-1.00e+00μm至3.00e+00μm之间。光学系统的畸变控制在-1.00％范围内。因此，根据本发明实施例2的视觉镜头在具有大视场角、大孔径和近物距的情况下，仍具有良好的光学性能，成像清晰，分辨率高。图13示意性表示根据本发明的实施例3的视觉镜头的结构图。根据本发明的实施例3，视觉镜头的物距wd＝400mm，ttl＝56.5mm，effl＝12.402mm。视觉镜头的视场角为2w＝50.4°，光圈f#＝2.32，探测器件为2/3英寸感光芯片。以下表6列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率以及阿贝数：表6如图13所示，在本实施例中，根据本发明的视觉镜头的第二透镜组b包括三片透镜，分别为具有正光焦度的第四透镜4、具有负光焦度的第五透镜5和具有正光焦度的第六透镜6。在本实施例中，第一透镜组a中的第一透镜1和第二透镜2构成胶合镜片组。第二透镜组b中的第四透镜4和第五透镜5构成胶合镜片组。第三透镜组c中第八透镜8和第九透镜9构成胶合镜片组。由表6可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足根据本发明视觉镜头的条件要求。以下表7列出了视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间的空气间隔d34：物距(mm)无穷远700400d34(mm)17.6617.3716.15表7由表7可知，在本实施例中，视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间空气间隔d34的设置满足根据本发明视觉镜头对于空气间隔8.5＜d34＜19的要求。图14-图18分别示意性表示根据本发明实施例3的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图、最大视场弧矢向光线扇图、轴向色差图、横向色差图和畸变图。由图14、图15可知，根据本发明的视觉镜头在物距范围缩小为无穷远至400mm时，光学系统在入瞳位置的像差控制在0至4μm范围内。由图16-图18可知，光学系统的轴向色差控制在-5.00e-0.2mm至5.00e-0.2mm之间，横向色差控制在-1.00e+00μm至2.00e+00μm之间。光学系统的畸变控制在-2.00％范围内。因此，根据本发明实施例3的视觉镜头第二透镜组b中设置三个透镜时，在整个物距范围内，同样能够保证高的分辨率，满足在大视场角、大孔径和近物距的情况下的使用要求。图19示意性表示根据本发明的实施例4的视觉镜头的结构图。根据本发明的实施例4，视觉镜头的物距wd＝400mm，ttl＝58.5mm，effl＝12.05mm。视觉镜头的视场角为2w＝48.64°，光圈f#＝2.06，探测器件为2/3英寸感光芯片。以下表8列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率以及阿贝数：表8如图19所示，在本实施例中，根据本发明的视觉镜头的第二透镜组b包括五片透镜，分别为具有正光焦度的第四透镜4、具有负光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6、具有正光焦度的第七透镜7和具有负光焦度的第八透镜8。在本实施例中，第二透镜组b中的第四透镜4和第五透镜5构成胶合镜片组，第七透镜7和第八透镜8构成胶合镜片组。第三透镜组c中第八透镜9和第九透镜10构成胶合镜片组。由表8可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足根据本发明视觉镜头的条件要求。以下表9列出了视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间的空气间隔d34：物距(mm)900700400200150d34(mm)12.6112.5412.3211.8111.46表9由表9可知，在本实施例中，视觉镜头在不同物距下，第三透镜3与第四透镜4之间空气间隔d34的设置满足根据本发明视觉镜头对于空气间隔8.5＜d34＜19的要求。图20-图24分别示意性表示根据本发明实施例4的视觉镜头的最大视场子午向光线扇图、最大视场弧矢向光线扇图、轴向色差图、横向色差图和畸变图。由图20、图21可知，根据本发明的视觉镜头在物距范围缩小为900mm至150mm时，光学系统在入瞳位置的像差控制在0至5μm范围内。由图22-图24可知，光学系统的轴向色差控制在-3.50e-0.2mm至7.00e-0.2mm之间，横向色差控制在-2.50e+00μm至2.50e+00μm之间。光学系统的畸变控制在-1.00％范围内。因此，根据本发明实施例4的视觉镜头第二透镜组b中设置五个透镜时，在整个物距范围内，同样能够保证高的分辨率，满足在大视场角、大孔径和近物距的情况下的使用要求。上述内容仅为本发明的具体方案的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12