CN109164559A - 一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、分光棱镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、光阑。其中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凹负光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第四透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第五透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第六透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第七透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜采用弯月形正光焦度透镜。本发明物方数值孔径达到0.5，探测集光能力强；分辨率达到0.85μm，可实现高分辨率成像；另外本发明能实现物像双侧远心及低畸变。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统。
背景技术
当前机器视觉系统采用物像双侧远心光学系统具有无影像变形、无视角误差、超宽景深、超低畸变以及成像倍率恒定等优点，相比普通工业镜头具有明显的技术优势，在精密工业检测领域获得了广泛的应用。现有市场的物像双侧远心光学镜头一般应用在可见光检测谱段，在近红外谱段的远心工业镜头种类较少，并存在分辨率不够高、探测能力不够强等缺陷。
发明内容
针对现有的物方远心光学系统存在的不足，本发明提供了一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、分光棱镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜构成前透镜组，所述第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜构成后透镜组；
所述前透镜组的光焦度设为φA，所述后透镜组的光焦度设为φC，所述系统的光焦度设为φ，
则φA与φ的比值满足如下条件：
1.8≤φA/φ≤2.2；
则φC与φ的比值满足如下条件：
9.1≤φC/φ≤10.5。
进一步，所述第一透镜前表面曲率半径为32.863mm，后表面曲率半径为-55.462mm，中心厚度4.2mm，透镜通光口径为φ16.8mm；所述第二透镜前表面曲率半径为-24.588mm，后表面曲率半径为14.602mm，中心厚度为2.5mm，透镜通光口径为φ12.2mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-468.981mm，后表面曲率半径为-52.485mm，中心厚度为8.7mm，透镜通光口径为φ52.3mm；所述第四透镜前表面曲率半径为140.698mm，后表面曲率半径为-162.111mm，中心厚度为6.7mm，透镜通光口径为φ50.2mm；所述第五透镜前表面曲率半径为-66.202mm，后表面曲率半径为39.859mm，中心厚度为2.5mm，透镜通光口径为φ48.2mm；所述第六透镜前表面曲率半径为39.859mm，后表面曲率半径为-185.774mm，中心厚度为11.9mm，透镜通光口径为φ48.2mm；所述第七透镜前表面曲率半径为50.225mm，后表面曲率半径为-578.471，中心厚度为9.6mm，透镜通光口径为φ49.1mm；所述第八透镜前表面曲率半径为23.513mm，后表面曲率半径为35.756mm，中心厚度为5.1mm，透镜通光口径为φ29.2mm。
进一步，所述第五透镜与所述第六透镜组成双胶合透镜。
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凹负光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第四透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第五透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第六透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第七透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜采用弯月形正光焦度透镜。
进一步，所述第一透镜采用重镧火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用火石玻璃材料制成、所述第三透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第四透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜采用火石玻璃材料制成、所述第六透镜采用澜冕玻璃材料制成、所述第七透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第八透镜采用重镧火石玻璃材料制成。
本发明有益效果如下：
本发明采用近红外谱段进行工业检测成像，相比可见光谱段具有抗外界杂光能力强，不易受干扰的优点；
本发明实现了大数值孔径探测成像，解决了当前CCD或CMOS相机在近红外谱段探测能力不足的问题，有利于获得高对比度的被测物体图像信息；
本发明的分辨率达到0.85μm，实现物理分辨率进入亚微米成像的探测能力，满足高端工业检测机器视觉对高分辨率检测成像的需求。
附图说明
图1为本发明光学系统的组成结构示意图；
图2为本发明光学系统在600lp/mm处光学传递函数曲线图；
图3为本发明光学系统的畸变图。
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以及图3，一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，包括在光线沿像平面11到物平面12传播方向上依次排列的第一透镜1、第二透镜2、分光棱镜3、第三透镜4、第四透镜5、光阑6、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10；
所述第一透镜1、第二透镜2构成前透镜组，所述第三透镜4、第四透镜5、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9以及第八透镜10构成后透镜组。
近红外照明光源通过分光棱镜3进行照明光路与成像光学镜头的耦合。
本优选实施例中，可在像平面11可放置CCD或CMOS相机，接收工业镜头系统放大的物面信号，从而获得清晰高倍率的物面信息。
所述前透镜组的光焦度设为φA，所述后透镜组的光焦度设为φC，所述系统的光焦度设为φ，
则φA与φ的比值满足如下条件：
1.8≤φA/φ≤2.2；
则φC与φ的比值满足如下条件：
9.1≤φC/φ≤10.5。
本实施例中，各个透镜尺寸如下：所述第一透镜1前表面曲率半径为32.863mm，后表面曲率半径为-55.462mm，中心厚度4.2mm，透镜通光口径为φ16.8mm；所述第二透镜2前表面曲率半径为-24.588mm，后表面曲率半径为14.602mm，中心厚度为2.5mm，透镜通光口径为φ12.2mm；所述第三透镜4前表面曲率半径为-468.981mm，后表面曲率半径为-52.485mm，中心厚度为8.7mm，透镜通光口径为φ52.3mm；所述第四透镜5前表面曲率半径为140.698mm，后表面曲率半径为-162.111mm，中心厚度为6.7mm，透镜通光口径为φ50.2mm；所述第五透镜7前表面曲率半径为-66.202mm，后表面曲率半径为39.859mm，中心厚度为2.5mm，透镜通光口径为φ48.2mm；所述第六透镜8前表面曲率半径为39.859mm，后表面曲率半径为-185.774mm，中心厚度为11.9mm，透镜通光口径为φ48.2mm；所述第七透镜9前表面曲率半径为50.225mm，后表面曲率半径为-578.471，中心厚度为9.6mm，透镜通光口径为φ49.1mm；所述第八透镜10前表面曲率半径为23.513mm，后表面曲率半径为35.756mm，中心厚度为5.1mm，透镜通光口径为φ29.2mm
所述第五透镜7与所述第六透镜8组成双胶合透镜。
本实施例中，各个透镜制作材料如下：所述第一透镜1采用重镧火石玻璃材料制成、所述第二透镜2采用火石玻璃材料制成、所述第三透镜4采用重冕玻璃材料制成、所述第四透镜5采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜7采用火石玻璃材料制成、所述第六透镜8采用澜冕玻璃材料制成、所述第七透镜9采用重冕玻璃材料制成、所述第八透镜10采用重镧火石玻璃材料制成。
所述第一透镜1采用双凸正光焦度透镜、所述第二透镜2采用双凹负光焦度透镜、所述第三透镜4采用弯月正光焦度厚透镜、所述第四透镜5采用双凸正光焦度透镜、所述第五透镜7采用双凹负光焦度透镜、所述第六透镜8采用双凸正光焦度透镜、所述第七透镜9采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜10采用弯月形正光焦度透镜。
本实施例中，各透镜摆放位置关系为：第一透镜1与第二透镜2的距离为11.2mm；第二透镜2与分光棱镜3的距离为11.7mm；分光棱镜3与第三透镜4的距离为61.7mm；第三透镜4与第四透镜5的距离为3.0mm；第四透镜5与光阑6的距离为1.2mm；光阑6与第五透镜7的距离为6.1mm；第六透镜8与第七透镜9的距离为0.5mm；第七透镜9与第八透镜10的距离为28.5mm；第八透镜10与物平面12的距离为25mm。
本发明所述光学系统属于物像双侧远心光路，物方主光线与光轴的夹角不超过0.02°，像方主光线与光轴的夹角不超过0.05°。
本发明的大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统具体参数为：
物方数值孔径0.5；成像倍率4倍；物方工作距离25mm；相对畸变不超过0.015％；物方分辨率0.85μm；成像谱段800nm至850nm。
由图2可知，本光学系统所有视场的光学传递函数值在600lp/mm时接近0.4，达到了衍射极限像质，成像质量良好。
由图3可以看出，本发明在像方视场10mm范围内，畸变不超过0.015％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差。
在本发明实例中，主要解决近红外谱段探测分辨率受限于波长较长不易提高的技术难题，实现衍射极限像质的大数值孔径光学系统设计。为了实现0.85μm的高分辨率，本光学系统的数值孔径达到0.5以上；本系统对物平面的收光角度达到60°，光学系统的主要像差为球差与彗差，除了三级像差以及五级像差外，还会产生七级以上像差。本发明实例为了解决该难题，采用复杂化的匹兹瓦光学结构型式，主要对物面一侧的透镜组进行复杂化设计，采用了近乎不晕透镜承担光焦度，该位置的球差处于极小值，能够有效降低系统的球差像差；采用双胶合透镜与单透镜组合校正色差；采用两个单透镜校正双胶合透镜凹面及胶合面产生的球差及彗差。从像差校正结果来看，本设计较完善的校正了球差、彗差、像散、场曲、畸变以及色差。最终获得了衍射极限的成像质量，在数值孔径达到0.5的条件下，成像分辨率优于0.85μm，这是市面上现有产品无法实现的。
并且在本发明实例中，物方远心度不超过0.02°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题，可以获得无失真的高分辨率图像；像方远心度不超过0.05°，降低了CCD或CMOS相机与光学系统的调整精度。全视场畸变不超过0.015％，消除了畸变引起的测量误差，提高了光学系统的测量精度。由上述镜头的光学指标可以得知，本发明光学系统的总长仅195mm，且只采用了8片透镜达到衍射极限成像质量，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 (5)
1.一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，其特征在于：包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的第一透镜、第二透镜、分光棱镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜构成前透镜组，所述第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜构成后透镜组；
所述前透镜组的光焦度设为φA，所述后透镜组的光焦度设为φC，所述系统的光焦度设为φ，
则φA与φ的比值满足如下条件：
1.8≤φA/φ≤2.2；
则φC与φ的比值满足如下条件：
9.1≤φC/φ≤10.5。
2.根据权利要求1所述的一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜前表面曲率半径为32.863mm，后表面曲率半径为-55.462mm，中心厚度4.2mm，透镜通光口径为φ16.8mm；所述第二透镜前表面曲率半径为-24.588mm，后表面曲率半径为14.602mm，中心厚度为2.5mm，透镜通光口径为φ12.2mm；所述第三透镜前表面曲率半径为-468.981mm，后表面曲率半径为-52.485mm，中心厚度为8.7mm，透镜通光口径为φ52.3mm；所述第四透镜前表面曲率半径为140.698mm，后表面曲率半径为-162.111mm，中心厚度为6.7mm，透镜通光口径为φ50.2mm；所述第五透镜前表面曲率半径为-66.202mm，后表面曲率半径为39.859mm，中心厚度为2.5mm，透镜通光口径为φ48.2mm；所述第六透镜前表面曲率半径为39.859mm，后表面曲率半径为-185.774mm，中心厚度为11.9mm，透镜通光口径为φ48.2mm；所述第七透镜前表面曲率半径为50.225mm，后表面曲率半径为-578.471，中心厚度为9.6mm，透镜通光口径为φ49.1mm；所述第八透镜前表面曲率半径为23.513mm，后表面曲率半径为35.756mm，中心厚度为5.1mm，透镜通光口径为φ29.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第五透镜与所述第六透镜组成双胶合透镜。
4.根据权利要求1所述的一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，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凹负光焦度透镜、所述第三透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第四透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第五透镜采用双凹负光焦度透镜、所述第六透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第七透镜采用双凸正光焦度透镜、所述第八透镜采用弯月形正光焦度透镜。
5.根据权利要求1所述的一种大数值孔径近红外物像双侧远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用重镧火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用火石玻璃材料制成、所述第三透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第四透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜采用火石玻璃材料制成、所述第六透镜采用澜冕玻璃材料制成、所述第七透镜采用重冕玻璃材料制成、所述第八透镜采用重镧火石玻璃材料制成。
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