一种高分辨率的机器视觉镜头的制作方法

本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种高分辨率的机器视觉镜头。

背景技术：

机器视觉系统的作用在于使用机器对目标件进行测量、判断和检测缺陷等，来减小或者是消除人为操作时的误判，提高测量精度和稳定性。其核心原理是通过机器视觉镜头将光信号传递给相机，再由相机将光信号转化为电信号给图像处理系统，图像处理系统对所采集的图像信息进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

一方面，在工业自动化的大背景下，机器视觉需求与日俱增，特别是在电子制造、食品包装和精密等众多行业中，对机器视觉镜头的分辨精度、适用工作范围、光学畸变等要求越来越高。另一方面，随着芯片技术不断的进步，相机的像元尺寸越来越小，这就要求与之匹配的镜头分辨率要进一步提高。然而国内现有的定焦机器视觉镜头普遍存在分辨精度不够高，与小像元的成像芯片匹配时无法充分发挥出相机的性能，因此对于高分辨率机器视觉镜头的研发更为迫切。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种高分辨率的机器视觉镜头，该视觉镜头具有高分辨，较宽的工作距离，低畸变的特点，还能够与像元尺寸为2.2μm的相机相匹配。

为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种高分辨率的机器视觉镜头，包括机械系统及安装于所述机械系统内部的光学系统，所述光学系统包括由物方到像依次设置的具有负光焦度的第一透镜组ga、具有正光焦度的第二透镜组gb和具有正光焦度的第三透镜组gc；所述第一透镜组ga包括由物方到像依次设置具有正光焦度、弯月结构的第一透镜g1，具有负光焦度、弯月结构的第二透镜g2，具有负光焦度、双凹结构的第三透镜g3；所述第二透镜组gb包括由物方到像依次设置的具有正光焦度、弯月结构的第四透镜g4，具有正光焦度、弯月结构的第五透镜g5；所述第三透镜组gc包括由物方到像依次设置的第一胶合透镜u1、第二胶合透镜u2、具有正光焦度、双凸结构的第十透镜g10；所述第一胶合透镜u1由具有负光焦度、弯月结构的第六透镜g6和具有正光焦度、双凸结构的第七透镜g7胶合而成；所述第二胶合透镜u2由具有负光焦度、双凹结构的第八透镜g8，具有正光焦度、双凸结构的第九透镜g9胶合而成；所述光学系统的焦距为f，所述第一透镜组ga的焦距为fga，所述第二透镜组gb的焦距fgb，所述第三透镜组gc的焦距fgc，它们分别满足关系式：0.8<|fga/f|<1.4，1.40<|fgb/f|<2.20，2.05<|fgc/f|<3.40。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，所述第一透镜g1的前表面顶点到感光元件的距离ttl与所述光学系统的焦距f，满足关系式|ttl/f|>7.2。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，所述光学系统的光学后截距bfl与所述光学系统的焦距f，满足关系式|bfl/f|>1.5。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，所述光学系统的半像高y’与所述光学系统的焦距f，满足关系式|y’/f|>0.48。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，所述第一透镜g1的折射率为n1，其折射率n1满足n1>1.8；所述第二透镜g2的折射率为n2，其折射率n2满足n2>1.85；所述第三透镜g3的折射率为n3，其折射率n3满足n3>1.95；所述第四透镜g4的折射率为n4，其折射率n4满足n4>1.95；所述第五透镜g5的折射率为n5，其折射率n5满足n5>1.90；所述第十透镜g10的折射率为n10，其折射率n10满足n10>1.85。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，所述第六透镜g6的折射率为n6，阿贝数为v6，所述第七透镜g7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n7和n7均满足关系式：n6>1.95，n7<1.55，其阿贝数分别满足关系式：v6<35，v7>75。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，所述第八透镜g8的折射率为n8，阿贝数为v8，所述第九透镜g9的折射率为n9，阿贝数为v9，其折射率n8和n9均满足关系式：n8>1.80，n9>1.70，其阿贝数分别满足关系式：v8<30，v9>45。

作为本发明所述的高分辨率的机器视觉镜头的改进，还包括光阑，所述光阑位于所述第五透镜g5与所述第六透镜g6之间，所述光阑的孔径为圆孔，所述光阑的光圈在f2.4～f16范围内可调。

本发明的有益效果在于：通过上述结构实现了焦距为8mm的一种高分辨率机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为φ9mm，其分辨率可达230lp/mm，一个线对(两个像元)宽度约4.4um，即一个像元为2.2um；当对应的最大成像芯片1/1.8”时，其像素可达到800万，全视场光学畸变低于0.5％；采用浮动对焦方式，实现工作距离50mm～∞的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中光学系统的光路图；

图3为本发明中光学系统的mtf图；

其中，0-光学系统；1-光阑。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，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，或一体地连接；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。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发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1～3所示，一种高分辨率的机器视觉镜头，包括机械系统及安装于机械系统内部的光学系统0，光学系统0包括由物方到像依次设置的具有负光焦度的第一透镜组ga、具有正光焦度的第二透镜组gb和具有正光焦度的第三透镜组gc；第一透镜组ga包括由物方到像依次设置具有正光焦度、弯月结构的第一透镜g1，具有负光焦度、弯月结构的第二透镜g2，具有负光焦度、双凹结构的第三透镜g3；第二透镜组gb包括由物方到像依次设置的具有正光焦度、弯月结构的第四透镜g4，具有正光焦度、弯月结构的第五透镜g5；第三透镜组gc包括由物方到像依次设置的第一胶合透镜u1、第二胶合透镜u2、具有正光焦度、双凸结构的第十透镜g10；第一胶合透镜u1由具有负光焦度、弯月结构的第六透镜g6和具有正光焦度、双凸结构的第七透镜g7胶合而成；第二胶合透镜u2由具有负光焦度、双凹结构的第八透镜g8，具有正光焦度、双凸结构的第九透镜g9胶合而成；光学系统0的焦距为f，第一透镜组ga的焦距为fga，第二透镜组gb的焦距fgb，第三透镜组gc的焦距fgc，它们分别满足关系式：0.8<|fga/f|<1.4，1.40<|fgb/f|<2.20，2.05<|fgc/f|<3.40。

优选的，第一透镜g1的前表面顶点到感光元件的距离ttl与光学系统0的焦距f，满足关系式|ttl/f|>7.2。

优选的，光学系统0的光学后截距bfl与光学系统0的焦距f，满足关系式|bfl/f|>1.5。

优选的，光学系统0的半像高y’与光学系统0的焦距f，满足关系式|y’/f|>0.48。

优选的，第一透镜g1的折射率为n1，其折射率n1满足n1>1.8；第二透镜g2的折射率为n2，其折射率n2满足n2>1.85；第三透镜g3的折射率为n3，其折射率n3满足n3>1.95；第四透镜g4的折射率为n4，其折射率n4满足n4>1.95；第五透镜g5的折射率为n5，其折射率n5满足n5>1.90；第十透镜g10的折射率为n10，其折射率n10满足n10>1.85。

优选的，第六透镜g6的折射率为n6，阿贝数为v6，第七透镜g7的折射率为n7，阿贝数为v7，其折射率n7和n7均满足关系式：n6>1.95，n7<1.55，其阿贝数分别满足关系式：v6<35，v7>75。

优选的，第八透镜g8的折射率为n8，阿贝数为v8，第九透镜g9的折射率为n9，阿贝数为v9，其折射率n8和n9均满足关系式：n8>1.80，n9>1.70，其阿贝数分别满足关系式：v8<30，v9>45。

优选的，还包括光阑1，光阑1位于第五透镜g5与第六透镜g6之间，光阑1的孔径为圆孔，光阑1的光圈在f2.4～f16范围内可调，当物距发生变化时，第二透镜组gb光轴方向前后移动进行对焦，第一透镜组ga和第三透镜组gc不动。

在本实例中，光学系统数据如下：

在本实例中，光学系统的焦距f为8mm，最大光圈为f#＝2.4，第一透镜组的组合焦距fga＝-8.59mm，第二透镜组的组合焦距fgb＝14.15mm，第三透镜组的组合焦距fgc＝20.8mm，第一透镜g1的前表面顶点到感光元件的距离ttl＝59.3mm，光学后截距bfl＝13.3mm，半像高y’＝4.5mm。

图3所示为本实施例的mtf曲线图，全视场在230lp/mm的mtf值>0.3，理论分辨精度可达2.2微米，实现光学系统的高分辨成像。

通过上述结构实现了焦距为8mm的一种高分辨率机器视觉镜头的光学系统，最大成像面为φ9mm，其分辨率可达230lp/mm，即对应的最大成像芯片1/1.8”时，其像素可达到8百万像素，全视场光学畸变低于0.5％；采用浮动对焦方式，实现工作距离50mm～∞的清晰对焦，能满足不同的应用需求，同时其通光孔径也可灵活调节。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。