CN115032778B

CN115032778B - 一种工业镜头的变倍组件

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Publication number: CN115032778B
Application number: CN202210708311.8A
Authority: CN
Inventors: 吴帅; 吴沛林
Original assignee: Guangzhou Changbudao Optical Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Changbudao Optical Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2042-06-21
Also published as: CN115032778A

Abstract

本发明是一种大靶面工业镜头的工业镜头的变倍组件，该组件置于工业镜头的物方空间或或像方空间可使***的倍率产生变化。当置于像空间时，组件从左至右依次由正透镜H1，负透镜H2，第1双胶合镜组H34，第2双胶合透镜组H56构成。物空间情况下的构造布局与像空间构造布局正好相反。本发明提供的变倍元件工作波段为可见光，该变倍元件搭配特定的大靶面工业镜头使用时，能够拓宽光学***的使用倍率，降低了工业镜头的倍率使用成本，进一步促进了机器视觉检测***的广泛应用。

Description

一种工业镜头的变倍组件

技术领域

本发明属于工业镜头的技术领域，特别涉及一种能够拆卸的安装在大靶面工业镜头的前端(物方侧)或后端(像方侧)而放大或缩小整体***的倍率的一种变倍元件装置。

背景技术

作为需要搭配安装在主镜头中从而使***整体的焦距发生变化的光学***，需要实现镜头和相机之间的转换。已知有安装在主镜头和照相机之间的后置转换镜，如专利文献CN 109507790 A中公开一种具有良好的光学性能的后置增距镜及具备该后置增距镜的摄像装置。该后置增距镜从物体侧依次由正的第1透镜组(RG1)、负的第2透镜组(RG2)及正的第3透镜组(RG3)构成，第1透镜组(RG1)由接合将凹面朝向像侧的负透镜(RL1a)与将凸面朝向物体侧的正透镜(RL1b)而成的接合透镜构成，第2透镜组(RG2)由接合将凹面朝向像侧的负透镜(RL2a)、将凸面朝向两侧的正透镜(RL2b)及将凹面朝向物体侧的负透镜(RL2c)而成的接合透镜构成，第3透镜组(RG3)由接合将凸面朝向物体侧的正透镜(RL3a)与负透镜(RL3b)而成的接合透镜构成，满足规定的条件式(1)及(2)。然而，集中在民用消费领域的镜头，由于取景距离相对较长(通常在1.5m至无穷远)，所以同一画幅情况下焦距是表征镜头拍摄范围的关键参数，故此领域的可拆卸光学***一般是标定具备改变***焦距来描述。

而应用在机器视觉领域的工业镜头，通常工作距离是很近的，所以使用倍率和工业相机靶面大小来说明检测范围则更为直观。机器视觉领域的类似搭配主镜头使用的可拆卸光学装置的研究成果并不多，且在大靶面成像情况下能够满足所希望的光学性能的倍率段都比较狭窄。因此，需要特定组合的光学元件将合成光学***的倍率与主镜头的倍率进行较大的区分，而且不会同时改变物距和后焦，更进一步的还能实现一定的光学性能。一定程度上能够节约主镜头因倍率不够而需重新定制整个光学***的成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种工业镜头的变倍组件，该变倍组件应用于大靶面工业镜头，以改变光学***的倍率，满足特定工作距下所需倍率的检测需求。

本发明的另一目的在于提供一种工业镜头的变倍组件，该变倍组件能够拓宽光学***的使用倍率，降低工业镜头的倍率使用成本，促进机器视觉检测***的广泛应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种工业镜头的变倍组件HL，具有正光焦度，置于像空间时，包括沿入射光线传输方向设置的正透镜H1，负透镜H2，第1双胶合镜组H34，第2双胶合透镜组H56构成；所述第1双胶合镜组H34由负透镜H3和正透镜H4胶合而成，所述第2双胶合透镜组H56由正透镜H5和负透镜H6胶合而成；物空间情况下的构造布局与像空间构造布局正好相反；作为第1胶合透镜组的焦距f(H34)和第2胶合透镜组的焦距f(H56)以及所述变倍组件HL的焦距f(HL)，满足如下关系式(1)和(2)：

0.2＜f(H34)/f(HL)＜0.4； (1)

0.55＜-f(H56)/f(HL)＜0.75。 (2)

该组件HL置于工业镜头的物方空间时，在特定物距和主镜头间距下能够实现光学***的不同倍率，此时，合成光学***的焦平面位置与主镜头一致。该组件HL置于工业镜头的像方空间时，存在一个与主镜头的间隔，该间隔使合成光学***的光学性能最佳。

进一步，本发明的变倍组件中，还满足下述条件式(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)：

0.05＜N(p-avg)-N(n-avg)＜0.25。(3)

0.04＜∑(air)/f(HL)＜0.08。 (4)

0.3＜f(H4)/f(H34)＜0.5。 (5)

0.5＜f(H6)/f(H56)＜0.6。 (6)

4.5＜[(1/f(H34)-1/f(H56)]*f(HL)＜5.5。 (7)

1.8＜[(1/f(H34)+1/f(H56)]*f(HL)＜2.1。 (8)

0.3＜-f(H34)/f(H56)＜0.6。 (9)

其中，N(p-avg)是变倍组件中所有正透镜关于d线折射率的平均值；N(n-avg)是变倍组件中所有负透镜关于d线折射率的平均值，∑(air)是变倍组件中包括的光轴上所有空气间隔的总和，f(H4)是第1胶合透镜组的正透镜焦距；f(H6)是第二胶合透镜组的负透镜焦距，f(H34)是第1胶合透镜组的焦距；f(H56)是第二胶合透镜组的焦距；f(HL)是整个变倍组件的焦距。

本发明的变倍组件中，当置于主镜头像方侧使用时，从物方侧至像方侧方向，所述正透镜H1包含第一曲面、第二曲面；负透镜H2包含第三曲面、第四曲面；第一双胶合透镜包含第五曲面、第六曲面和第七曲面；第二双胶合透镜包含第八曲面、第九曲面和第十曲面。

上述第一曲面、第二曲面的优选的曲率半径(单位mm，下同)分别为83.427、139.982；第三曲面和第四曲面的优选的曲率半径分别为801.649、76.338；第五曲面、第六曲面和第七曲面的优选的曲率半径分别为224.175、59.447、-105.158；第八曲面、第九曲面、第十曲面的优选的曲率半径分别为-90.923、-59.631、-379.509。

本发明的变倍组件中，所述正透镜H1的优选的中心厚度为8.98mm；所述负透镜H2的优选的中心厚度为3mm；所述第一胶合透镜的优选的中心厚度为33.94mm；所述第二胶合透镜的优选的中心厚度为24.05mm。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的变倍元件工作波段为可见光，该变倍元件搭配特定的大靶面工业镜头使用时，能够拓宽光学***的使用倍率，降低了工业镜头的倍率使用成本，进一步促进了机器视觉检测***的广泛应用。

附图说明

图1为变倍组件置于主镜头的物方，合成***倍率为1.05×时的光线追迹图。

图2为主镜头工作倍率＝0.5×状态下的光线追迹图。

图3为变倍组件置于主镜头的像方，合成***倍率为0.35×时的光线追迹图。

图4为对应图1状态的合成光学***Ⅱ的像差图。

图5为对应图2状态的主镜头的像差图。

图6为对应图3状态的合成光学***Ⅰ的像差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了描述方便，在主镜头物方安装该变倍元件组的整个***简称为合成光学***Ⅰ。在像方安装该变倍元件组的整个***简称为合成光学***Ⅱ。

图示的孔径光阑stop并不一定表示大小及形状，而是表示光轴z上的位置。参阅图1，表示与本发明中的变倍组件置于主镜头的物方，属合成光学***Ⅰ型式，此时倍率为1×。在图1中，虚线框所在空间为主镜头的物体侧。变倍组件HL具有正光焦度，此时安装于主镜头物体侧而放大了***的倍率。图中所示的安装位置并非型式Ⅰ的唯一安装位置，在各安装位置下，合成光学***Ⅰ仍然和主镜头保持了相同的光学后焦。

图2为单体主镜头透镜布局结构图，主镜头的最佳工作倍率设置成了0.5×，通常此类镜头会设计成在变换共轭距的情况下，可以工作在以0.5×为中心的一个狭窄倍率段，并仍能保持较好的光学性能。

图3表示与本发明中的变倍组件置于主镜头的像方，属合成光学***Ⅱ型式，合成光学***Ⅱ在保证和主镜头同样的物距下，此时倍率为0.35×。显然变倍组件HL安装于主镜头像方侧而缩小了***的倍率，此时，该变倍组件HL置于主镜头像方的位置为像差得到抑制的最佳位置，置于其它位置则可能带来光学性能的下降而导致无法使用。

本发明实施例中涉及的变倍组件，该组件HL置于工业镜头的物方空间时，在特定物距和主镜头间距下能够实现光学***的不同倍率，此时，合成光学***的焦平面位置与主镜头一致。该组件HL置于工业镜头的像方空间时，存在一个与主镜头的间隔，该间隔使合成光学***的光学性能最佳。其特征为一种变倍组件，具有正光焦度，置于像空间时，包括沿入射光线传输方向设置的正透镜H1，负透镜H2，第1双胶合镜组H34(由负透镜H3和正透镜H4胶合而成)，第2双胶合透镜组H56(由正透镜H5和负透镜H6胶合而成)构成。物空间情况下的构造布局与像空间构造布局正好相反。

该可拆卸变倍组件HL作为安装在主镜头物方的可拆卸部件时，与主镜头在光轴上的间隔范围为25mm-250mm物距范围内可获取到相应倍率下的最佳像质：

首先，对主镜头数值实施例进行说明。其单体对应的具体的透镜数据示于表1中，表1为主镜头的单体结构数值示例；并将与规格有关的数据示于表2中，表2为给出变倍组件置于主镜头像方的合成***结构数值示例；并且将主镜头在0.5×倍率下的各像差图在图5中给出。

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表1

在表1的透镜数据中，在图2中最靠近物面的透镜的左边面设为第1个面，面编号从左至右逐渐增加。在曲率半径栏中给出各面的曲率半径，在面间隔栏中给出各面与其下一面的光轴上的间隔。并且，在n栏中给出了各光学元件的d线(λ＝587.6nm)下的折射率，在V栏中给出了各光学元件的d线(λ＝587.6nm)下的阿贝系数。关于曲率半径的符号则遵循符号法则，将面形状凸向物体侧的情况为正，凸向像侧的情况为负。

图2所示主镜头的***参数为工作F.NO＝5.8，倍率Pmag＝0.5,成像靶面最大支持φ66mm。

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表2

在表2中给出的透镜数据中，长度的单位为mm，但光学***可以按比例进行缩放，因此也适用其它合适单位。

表3为变倍组件置于主镜头物方时，合成***的倍率与合成***的倍率之间的关系，在表3的透镜数据中，在图1中最靠近物面的透镜的左边面设为第1个面，面编号从左至右逐渐增加。在曲率半径栏中给出各面的曲率半径，在面间隔栏中给出各面与其下一面的光轴上的间隔。并且，在n栏中给出了各光学元件的d线(λ＝587.6nm)下的折射率，在V栏中给出了各光学元件的d线(λ＝587.6nm)下的阿贝系数。关于曲率半径的符号则遵循符号法则，将面形状凸向物体侧的情况为正，凸向像侧的情况为负。

面编号	曲率半径	厚度	折射率	阿贝数
					物面	无限	139.6
1	379.509	3.00	1.73	28.3
					2	59.631	21.05	1.92	20.8
3	90.923	2.71
					4	105.158	30.94	1.75	52.3
5	-59.447	3.00	1.76	27.5
					6	-224.175	7.12
7	-76.338	3.00	1.67	32.1
					8	-801.649	10.34
9	-139.982	8.98	1.92	20.8
					10	-83.427	23.93
11	40.710	7.06	1.92	20.8
					12	143.957	2.00	1.74	28.2
13	33.966	3.35
					14	69.873	6.15	1.65	33.8
15	-109.884	1.50
					16	-100.780	2.00	1.85	23.7
17	29.246	7.66	1.83	7.22
					18	无限	2.50
19光阑	无限	3.63
					20	-102.905	6.03	1.68	55.5
21	-28.758	5.05	1.67	32.1
					22	140.352	3.42
23	-420.497	11.28	1.83	42.7
					24	-53.488	0.80
25	-44.308	2.00	1.74	28.2
					26	189.378	16.76	1.92	20.8
27	-83.537	187.12
					像面

表3

表3所示数值例对应图1的剖面结构，其***参数为工作F.NO＝5.8，倍率Pmag＝1,成像靶面最大支持φ58mm。

在光学后焦为187.12mm的情况下，表4为变倍组件HL置于主镜头物方侧不同位置时的***参数列表。表4给出了不同物距和间隔d情况下的***倍率情况。

物距	60	81	99.3	112.8	126.4	139.6
							间隔d	259.5	213.8	166.3	125.4	77.8	23.9
倍率	0.7	0.77	0.84	0.9	0.97	1.05

表4

将表3所示数值例对应的的各像差图示于图4中。图4为像差图(包络能量图，畸变曲线，球差曲线)，对应图1状态的合成光学***Ⅱ。

另外，从图4的左侧依次示出各视场的包络能量图和***的球差及畸变曲线。在表示为包络能量图的像差图中、各视场以不同颜色的线来区分。在表示畸变的像差图中，示出以d线(λ＝587.6nm)为基准波长的像差。在球面像差图中，将关于d线(λ＝587.6nm)、C线(λ＝656.3nm)、F线(λ＝486.1nm)、g线(λ＝435.8nm)的像差分别以不同颜色加以表示。另外，球面像差图的F.No表示F值，其他像差图的ω表示半视场角。对这些记号的含义，以图4为例子进行了说明，但对于图5，图6也完全相同。图5为像差图(包络能量图，畸变曲线，球差曲线)，对应图2状态的主镜头。图6为像差图(包络能量图，畸变曲线，球差曲线)，对应图3状态的合成光学***Ⅰ。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工业镜头的变倍组件，其特征在于变倍组件工作波段为可见光，所述变倍组件具有正光焦度，置于工业镜头的像方空间时，由沿入射光线传输方向设置的正透镜H1，负透镜H2，第1双胶合镜组H34，第2双胶合透镜组H56构成；所述第1双胶合镜组H34由负透镜H3和正透镜H4胶合而成，所述第2双胶合透镜组H56由正透镜H5和负透镜H6胶合而成；作为第1双胶合透镜组的焦距f（H34）和第2双胶合透镜组的焦距f（H56）以及所述变倍组件的焦距f(HL)，满足如下关系式：

0.2＜f（H34）/ f(HL)＜0.4；

0.55＜-f（H56）/ f(HL)＜0.75。

2.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述变倍组件，满足下述条件式：

0.05＜N（p-avg）- N（n-avg）＜0.25

其中，N（p-avg）是变倍组件中所有正透镜关于d线折射率的平均值；N（n-avg）是变倍组件中所有负透镜关于d线折射率的平均值。

3.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述变倍组件，满足下述条件式：

0.04＜∑（air）/ f(HL)＜0.08

其中，∑（air）是变倍组件中包括的光轴上所有空气间隔的总和。

4.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述变倍组件，满足下述条件式：

0.3＜f（H4）/ f（H34）＜0.5

0.5＜f（H6）/ f（H56）＜0.6

其中，f（H4）是第1双胶合透镜组的正透镜焦距；f（H6）是第2双胶合透镜组的负透镜焦距。

5.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述变倍组件，满足下述条件式：

4.5＜[（1/f（H34）-1/f（H56）]*f（HL）＜5.5 。

6.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述变倍组件，满足下述条件式：

1.8＜[（1/f（H34）+1/f（H56）]*f（HL）＜2.1。

7.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述变倍组件，满足下述条件式：

0.3＜-f（H34）/ f（H56）＜0.6。

8.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于从物方侧至像方侧方向，所述正透镜H1包含第一曲面、第二曲面；负透镜H2包含第三曲面、第四曲面；第1双胶合透镜组包含第五曲面、第六曲面和第七曲面；第2双胶合透镜组包含第八曲面、第九曲面和第十曲面；

所述第一曲面、第二曲面的曲率半径分别为83.427mm、139.982mm；

所述第三曲面和第四曲面的曲率半径分别为801.649mm、76.338mm；

所述第五曲面、第六曲面和第七曲面的曲率半径分别为224.175mm、59.447mm、-105.158mm；

所述第八曲面、第九曲面、第十曲面的曲率半径分别为-90.923mm、-59.631mm、-379.509mm。

9.如权利要求1所述的工业镜头的变倍组件，其特征在于所述正透镜H1的中心厚度为8.98mm；所述负透镜H2的中心厚度为3mm；所述第1双胶合透镜组H34的中心厚度为33.94mm；所述第2双胶合透镜组H56的中心厚度为24.05mm。