CN109164558A - 一种小型化物像双侧远心光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种小型化物像双侧远心光学***,包括包括在光线沿物平面到像平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、孔径光阑、第六透镜、第七透镜。所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、第二透镜采用双凸正光焦度透镜、第三透镜采用弯月负光焦度透镜、第四透镜采用弯月正光焦度透镜、第五透镜采用弯月负光焦度透镜、第六透镜采用弯月正光焦度透镜、第七透镜采用弯月正光焦度透镜。本发明进行了设计创新,具有极好的远心度、极低的畸变以及接近衍射极限的像质,可以获得消除物方视差以及恒定倍率的微米级测量精度,提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域,尤其涉及一种小型化物像双侧远心光学***。
背景技术
双侧远心光学***既可以消除物方空间被测物体的视觉误差,又可以消除像方空间探测器处于不同像面位置引起的倍率误差,获得恒定的检测倍率,在工业检测领域获得了广泛的应用。但许多双侧远心镜头检测成像效果不够理想,比如边缘畸变大,成像质量不够好等,特别是双侧远心镜头尺寸较长,不易于实现轻小型化。
发明内容
针对现有的物方远心光学***存在的不足,本发明提供了一种小型化物像双侧远心光学***。
为达到以上目的,本发明采用如下技术方案:
一种小型化物像双侧远心光学***,包括在光线沿物平面到像平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、孔径光阑、第六透镜、第七透镜;
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜构成正光焦度的前组,所述第六透镜以及所述第七透镜构成正光焦度的后组;
设所述光学***的总光焦度为φ,所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7,则φ1/φ=0.035,φ2/φ=0.036,φ3/φ=-0.038,φ4/φ=0.041,φ5/φ=-0.013,φ6/φ=0.065,φ7/φ=0.076。
进一步,所述第二透镜和所述第三透镜组成双胶合透镜组。
进一步,所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第七透镜采用弯月正光焦度透镜。
进一步,所述第一透镜前表面曲率半径为279.353mm,后表面曲率半径为-92.145mm,中心厚度为10.0mm,透镜通光口径为φ43.1mm;所述第二透镜前表面曲率半径为80.439mm,后表面曲率半径为-83.128mm,中心厚度为6.62mm,透镜通光口径为φ40.6mm;所述第三透镜前表面曲率半径为-83.128mm,后表面曲率半径为-1621.443mm,中心厚度为1.5mm,透镜通光口径为φ40.1mm;所述第四透镜前表面曲率半径为40.460mm,后表面曲率半径为115.796mm,材中心厚度为9.99mm,透镜通光口径为φ37.0mm;所述第五透镜前表面曲率半径为90.034mm,后表面曲率半径为17.589mm,中心厚度为10.0mm,透镜通光口径为φ13.3mm;所述第六透镜前表面曲率半径为-67.526mm,后表面曲率半径为-47.459mm,中心厚度为9.57mm,透镜通光口径为φ42.1mm;所述第七透镜前表面曲率半径为-215.047mm,后表面曲率半径为-89.201mm,中心厚度为8.22mm,透镜通光口径为φ52.2mm。
进一步,所述第一透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用氟冕玻璃材料制成、所述第三透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第五透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第六透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用重火石玻璃材料制成。
本发明有益效果如下:
本发明结构紧凑,在相同的成像视场、成像倍率、数值孔径以及物方工作距离指标下现有光学***的总长一般需要260mm以上,本***仅195mm,有利于实现光学***的轻小型化及低成本;
本发明光学***的透镜数量少,结构简单,光焦度分配合理,透镜的加工及装配公差较低,可制造性程度高,有利于节省制造成本;
本发明的物像双侧的远心度不超过0.022°,全视场畸变不超过0.005%,具有极好的远心度、极低的畸变以及接近衍射极限的像质,可以获得消除物方视差以及恒定倍率的微米级测量精度,提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明光学***的组成结构示意图;
图2为本发明光学***在30lp/mm处光学传递函数曲线图;
图3为本发明光学***在60lp/mm处光学传递函数曲线图;
图4为本发明光学***的畸变图;
图5为本发明光学***的照度图。
具体实施方式
为方便本领域普通技术人员更好地理解本发明的实质,下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。
结合图1、图2、图3、图4以及图5,一种小型化物像双侧远心光学***,包括在光线沿物平面1到像平面2传播方向上依次排列的第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7、孔径光阑8、第六透镜9、第七透镜10;
所述第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7构成正光焦度的前组,第六透镜9以及第七透镜10构成正光焦度的后组。
所述第二透镜4和所述第三透镜5组成双胶合透镜组。
所述第一透镜3采用双凸正光焦度透镜、第二透镜4采用双凸正光焦度透镜、第三透镜5采用弯月负光焦度透镜、第四透镜6采用弯月正光焦度透镜、第五透镜7采用弯月负光焦度透镜、第六透镜9采用弯月正光焦度透镜、第七透镜10采用弯月正光焦度透镜。
本实施例中,各个透镜尺寸如下:所述第一透镜前表面曲率半径为279.353mm,后表面曲率半径为-92.145mm,中心厚度为10.0mm,透镜通光口径为φ43.1mm;所述第二透镜前表面曲率半径为80.439mm,后表面曲率半径为-83.128mm,中心厚度为6.62mm,透镜通光口径为φ40.6mm;所述第三透镜前表面曲率半径为-83.128mm,后表面曲率半径为-1621.443mm,中心厚度为1.5mm,透镜通光口径为φ40.1mm;所述第四透镜前表面曲率半径为40.460mm,后表面曲率半径为115.796mm,材中心厚度为9.99mm,透镜通光口径为φ37.0mm;所述第五透镜前表面曲率半径为90.034mm,后表面曲率半径为17.589mm,中心厚度为10.0mm,透镜通光口径为φ13.3mm;所述第六透镜前表面曲率半径为-67.526mm,后表面曲率半径为-47.459mm,中心厚度为9.57mm,透镜通光口径为φ42.1mm;所述第七透镜前表面曲率半径为-215.047mm,后表面曲率半径为-89.201mm,中心厚度为8.22mm,透镜通光口径为φ52.2mm。
本实施例中,各个透镜制作材料如下:第一透镜3采用重火石玻璃材料制成、所述第二透镜4采用氟冕玻璃材料制成、所述第三透镜5采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜6采用重冕玻璃材料制成、所述第五透镜7采用重火石玻璃材料制成、所述第六透镜9采用重火石玻璃材料制成、所述第七透镜10采用重火石玻璃材料制成。
设光学***的总光焦度为φ,第一透镜至第六透镜的光焦度依次为φ1至φ7,则φ1/φ=0.035,φ2/φ=0.036,φ3/φ=-0.038,φ4/φ=0.041,φ5/φ=-0.013,φ6/φ=0.065,φ7/φ=0.076。
本实施例中,各透镜摆放位置关系为:第一透镜3与第二透镜4的距离为0.92mm;第三透镜5与第四透镜6的距离为0.2mm;第四透镜6与第五透镜7的距离为21.77mm;第五透镜与7与孔径光阑8的距离为1.41mm;孔径光阑8与第六透镜9的距离为57.6mm,第六透镜9与第七透镜10的距离为33.4mm,第七透镜10与像平面的距离为23.79mm。
本发明所述光学***属于物像双侧远心光路,物方主光线与光轴的夹角不超过0.022°,像方主光线与光轴的夹角不超过0.014°。
并且由图2可知,本光学***所有视场的光学传递函数值在30lp/mm时超过了0.65。
由图3可知,本光学***所有视场的光学传递函数值在60lp/mm时超过了0.43。接近了衍射极限,成像质量良好。
由图4可以看出,本发明在像方视场50mm范围内,畸变不超过0.005%,接近于零,有效避免了畸变引起的测量误差。
由图5可以看出,本发明在像方视场55mm范围内,相对照度优于99.2%,全视场照度分布均匀,避免了照度差异引起的测量精度下降。
本实施例,通过上述透镜组成的光学***所达到的技术指标如下:
物方数值孔径:0.08;
物方成像尺寸:25mm;
物方工作距离:113mm;
放大倍率:2.0;
光学相对畸变:≤0.005%;
像方成像尺寸:50mm;
物方远心度:≤0.022°;
像方远心度:≤0.014°;
光学总长:≤195mm;
相对照度:≥99.2%。
在本发明实例中,物方远心度不超过0.022°,像方远心度不超过0.014°,物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题,结合像方远心设计可以实现固定倍率且不受像平面位置的影响。该镜头极好的物方远心度设计结果,说明成像物面的主光线将平行与光轴,无论物面位于何处,都不会影响光学***对物体高度的成像倍率。也就是说,像空间与物空间的倍率恒定,为镜头提供了低失真度且消除视觉误差的图像获取能力。另外,本光学***的全视场畸变不超过0.005%,远优于市场上相同探测视场及探测倍率的光学***,消除了畸变引起的测量误差,提高了光学***的测量精度。由上述镜头的光学指标可以得知,本发明光学***的总长仅195mm,且只采用了7片透镜达到近衍射极限成像质量,与现有物方远心同指标的镜头相比,该镜头长度大幅减小,具有体积小,重量轻,制造成本低的优点,有利于在市场上进行推广。
以上具体实施方式对本发明的实质进行了详细说明,但并不能以此来对本发明的保护范围进行限制。显而易见地,在本发明实质的启示下,本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰,需要注意的是,这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种小型化物像双侧远心光学***,其特征在于:包括在光线沿物平面到像平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、孔径光阑、第六透镜、第七透镜;
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜构成正光焦度的前组,所述第六透镜以及所述第七透镜构成正光焦度的后组;
设所述光学***的总光焦度为φ,所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7,则φ1/φ=0.035,φ2/φ=0.036,φ3/φ=-0.038,φ4/φ=0.041,φ5/φ=-0.013,φ6/φ=0.065,φ7/φ=0.076。
2.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学***,其特征在于:所述第二透镜和所述第三透镜组成双胶合透镜组。
3.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学***,其特征在于:所述第一透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第二透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用弯月负光焦度透镜、所述第六透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第七透镜采用弯月正光焦度透镜。
4.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学***,其特征在于:所述第一透镜前表面曲率半径为279.353mm,后表面曲率半径为-92.145mm,中心厚度为10.0mm,透镜通光口径为φ43.1mm;所述第二透镜前表面曲率半径为80.439mm,后表面曲率半径为-83.128mm,中心厚度为6.62mm,透镜通光口径为φ40.6mm;所述第三透镜前表面曲率半径为-83.128mm,后表面曲率半径为-1621.443mm,中心厚度为1.5mm,透镜通光口径为φ40.1mm;所述第四透镜前表面曲率半径为40.460mm,后表面曲率半径为115.796mm,材中心厚度为9.99mm,透镜通光口径为φ37.0mm;所述第五透镜前表面曲率半径为90.034mm,后表面曲率半径为17.589mm,中心厚度为10.0mm,透镜通光口径为φ13.3mm;所述第六透镜前表面曲率半径为-67.526mm,后表面曲率半径为-47.459mm,中心厚度为9.57mm,透镜通光口径为φ42.1mm;所述第七透镜前表面曲率半径为-215.047mm,后表面曲率半径为-89.201mm,中心厚度为8.22mm,透镜通光口径为φ52.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学***,其特征在于:所述第一透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用氟冕玻璃材料制成、所述第三透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第五透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第六透镜采用重火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用重火石玻璃材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种小型化物像双侧远心光学***,其特征在于:设所述光学***的总光焦度为φ,所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7,则φ1/φ=0.035,φ2/φ=0.036,φ3/φ=-0.038,φ4/φ=0.041,φ5/φ=-0.013,φ6/φ=0.065,φ7/φ=0.076。
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