本發(fā)明涉及一種用于視覺(jué)檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)，具體涉及一種超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著自動(dòng)化技術(shù)的普及和深入，工業(yè)在線(xiàn)測(cè)量的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，視覺(jué)測(cè)量以高效、穩(wěn)定、非接觸等優(yōu)勢(shì)配合自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用也越來(lái)越發(fā)揮其更大的優(yōu)勢(shì)。目前主流的高精度視覺(jué)測(cè)量都依賴(lài)于物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，受制于這種光學(xué)系統(tǒng)目前只能做到的拍攝視野為200mm，很多大尺寸的產(chǎn)品在線(xiàn)檢測(cè)就變得很困難，甚至無(wú)法檢測(cè)。國(guó)內(nèi)也有公司在技術(shù)和工藝上在做拍攝視野為200mm以上的雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，但是這種光學(xué)系統(tǒng)難以控制畸變，所以目前還沒(méi)有很好的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，它使拍攝視野達(dá)到350mm，并且整個(gè)系統(tǒng)的畸變小于0.1％。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，包括自前至后依次設(shè)置于主光軸上的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、膠合片、第四透鏡和第五透鏡；其中，

所述第一透鏡的物面為凸球面，像面為平面；

所述第二透鏡的物面為凸球面，像面為凹球面；

所述第三透鏡的物面為凹球面，像面為凹球面；

所述膠合片由一物面為凸球面、像面為凹球面的前鏡片和一物面為凸球面、像面為凸球面的后鏡片膠合而成；

所述第四透鏡的物面為凸球面，像面為凸球面；

所述第五透鏡的物面為凸球面，像面為凹球面；

所述膠合片與第四透鏡之間設(shè)有光闌；

所述第一透鏡到第二透鏡的光學(xué)間隔為159.744mm；所述第二透鏡到第三透鏡的光學(xué)間隔為398.952mm；第三透鏡到所述膠合片的光學(xué)間隔為190mm；所述膠合片到光闌的光學(xué)間隔為5.25mm；所述光闌到第四透鏡的光學(xué)間隔為13.81mm；所述第四透鏡到第五透鏡的光學(xué)間隔為3.2mm；所述第五透鏡到成像面的光學(xué)間隔為21.26mm；

所述主光軸與物方入射光線(xiàn)和像方出射光線(xiàn)的平行偏差角均為±0.6度。

上述的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡的物面的曲率半徑為126.8mm，該第一透鏡的像面的曲率半徑為正無(wú)窮；所述第二透鏡的物面的曲率半徑為107.6mm，該第二透鏡的像面的曲率半徑為65.9mm；所述第三透鏡的物面的曲率半徑為169.52mm，該第三透鏡的像面的曲率半徑為98.5mm；所述膠合片的前鏡片的物面的曲率半徑為88.94mm,該前鏡片的像面的曲率半徑為349.8mm,所述膠合片的后鏡片的物面與前鏡片41的像面膠合，該后鏡片的物面的曲率和前鏡片的像面的曲率一致，該后鏡片的像面的曲率半徑為46.79mm；所述第四透鏡的物面的曲率半徑為219.8mm,該第四透鏡的像面的曲率半徑為231mm；所述第五透鏡的物面的曲率半徑為52.89mm,該第五透鏡的像面的曲率半徑為187.5mm。

上述的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡至第三透鏡均采用冕玻璃制作；所述膠合片的前鏡片采用鑭冕玻璃制作；所述膠合片的后鏡片采用重火石玻璃制作；所述第四透鏡采用重磷冕玻璃制作；所述第五透鏡采用重火石玻璃制作。

本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)由五個(gè)透鏡和一個(gè)膠合片并按照一定的光學(xué)間隔組成，它解決了以下兩個(gè)問(wèn)題：

1)使拍攝視野達(dá)到350mm；

2)在拍攝視野達(dá)到350mm的狀態(tài)下，使視場(chǎng)內(nèi)的最大畸變小于0.1％。

本發(fā)明的技術(shù)方案突破了現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)這種遠(yuǎn)心光學(xué)鏡頭的產(chǎn)品局限，解決了在視野大于200mm的范圍內(nèi)仍能實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)光學(xué)測(cè)量的問(wèn)題，為自動(dòng)化大視野的視覺(jué)測(cè)量拓展了更廣闊的應(yīng)用空間。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的畸變和場(chǎng)曲圖；

圖3是本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制光學(xué)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)圖；

圖4是本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的像面照度曲線(xiàn)圖；

圖5是本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的彌散圓示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的一種超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，包括自前至后依次設(shè)置于主光軸10上的第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、膠合片4、第四透鏡6和第五透鏡7；其中：

第一透鏡1采用冕玻璃(h-k9l)制作并且物面為凸球面，曲率半徑為126.8mm，像面為平面，曲率半徑為正無(wú)窮；

第二透鏡2采用冕玻璃(h-k9l)制作并且物面為凸球面，曲率半徑為107.6mm,像面為凹球面，曲率半徑為65.9mm；

第三透鏡3采用冕玻璃(h-k9l)制作并且物面為凹球面，曲率半徑為169.52mm，像面為凹球面,曲率半徑為98.5mm；

膠合片4由前鏡片41和后鏡片42膠合而成；前鏡片41的物面為凸球面，曲率半徑為88.94mm，該前鏡片41的像面為凹球面，曲率半徑為349.8mm；后鏡片42的物面為凸球面并且曲率和前鏡片41的像面的曲率一致，該后鏡片42的像面為凹球面，曲率半徑為46.79mm；膠合片4的前鏡片41采用鑭冕玻璃(h-lak52)制作，膠合片4的后鏡片42采用重火石玻璃(h-zf4)制作；

第四透鏡6采用重磷冕玻璃(h-zpk1)制作并且物面為凸球面，曲率半徑為219.8mm,像面為凸球面，曲率半徑為231mm；

第五透鏡7采用重火石玻璃(h-zf4)制作并且物面為凸球面，曲率半徑為52.89mm,像面為凹球面，曲率半徑為187.5mm；

膠合片4與第四透鏡6之間設(shè)有光闌5；

第一透鏡1到第二透鏡2的光學(xué)間隔為159.744mm；第二透鏡2到第三透鏡3的光學(xué)間隔為398.952mm；第三透鏡3到膠合片4的光學(xué)間隔為190mm；膠合片4到光闌5的光學(xué)間隔為5.25mm；光闌5到第四透鏡6的光學(xué)間隔為13.81mm；第四透鏡6到第五透鏡7的光學(xué)間隔為3.2mm；第五透鏡7到成像面8的光學(xué)間隔為21.26mm；

主光軸10與物方入射光線(xiàn)20和像方出射光線(xiàn)30的平行偏差角均為±0.6度。物方入射光線(xiàn)20的遠(yuǎn)心度＜0.03％；像方出射光線(xiàn)30的遠(yuǎn)心度＜0.06％。

本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，采用的工作光波段為420nm-650nm，并通過(guò)不同折射率和色散系數(shù)的膠合片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軸向色差和垂軸色差做了補(bǔ)償校正。

本發(fā)明的超大視場(chǎng)的物像雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)解決了以下兩個(gè)問(wèn)題：

1)如何使拍攝視野達(dá)到350mm；對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明采用的第一透鏡的直徑大于300mm，由于目前國(guó)內(nèi)的光學(xué)冷加工工藝無(wú)法保證直徑大于300mm以上的球面透鏡的曲率精度，而對(duì)于視覺(jué)測(cè)量用的雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，曲率面形的精度直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的成像精度，其中對(duì)于球差、場(chǎng)曲等光學(xué)像差來(lái)說(shuō)影響非常大。因此本發(fā)明僅將第一透鏡的物面做成曲率球面，像面做成了平面，又對(duì)該曲率球面的面型精度做了公差分析，對(duì)于目前的光學(xué)冷加工來(lái)說(shuō)完全可以使這個(gè)曲率球面的光圈值可以放寬到4個(gè)光圈。

2)如何在拍攝視野達(dá)到350mm的狀態(tài)下，使視場(chǎng)內(nèi)的最大畸變小于0.1％；對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，由于視場(chǎng)大的光學(xué)系統(tǒng)在物方邊緣到0.7倍邊緣的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)比較大的光學(xué)畸變，在設(shè)計(jì)這個(gè)物像雙側(cè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)時(shí)，考慮到本系統(tǒng)是應(yīng)用在圖像測(cè)量領(lǐng)域的，必須要把整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的畸變控制下來(lái)，為此通過(guò)加大光闌前方的第一透鏡與第二透鏡之間、第二透鏡與第三透鏡之間、第三透鏡與膠合片之間的光學(xué)間隔，并通過(guò)調(diào)整物方入射光線(xiàn)的遠(yuǎn)心度和像方出射光線(xiàn)的遠(yuǎn)心度，將整個(gè)系統(tǒng)的最大畸變控制在0.08％以?xún)?nèi)，具體可參見(jiàn)圖2。圖2表示在不同視場(chǎng)內(nèi)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像的畸變大小，橫坐標(biāo)表示畸變的百分比，縱坐標(biāo)表示光學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)區(qū)間，一般畸變最大的位置出現(xiàn)在整個(gè)視場(chǎng)的邊緣，上圖可以看到畸變是按照規(guī)律分布的，且最大畸變量在0.08％。

另外，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的成本，將第一透鏡至第三透鏡均采用價(jià)格便宜的冕玻璃制作。

圖2表示在不同視場(chǎng)內(nèi)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像的畸變大小，橫坐標(biāo)表示畸變的百分比，縱坐標(biāo)表示光學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)區(qū)間，一般畸變最大的位置出現(xiàn)在整個(gè)視場(chǎng)的邊緣，從圖2可以看到畸變是按照規(guī)律分布的，且最大畸變量在0.08％。

圖3表示在工作波段下，本發(fā)明的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的空間傳遞函數(shù)，這是整個(gè)系統(tǒng)在這個(gè)波段下工作的性能參數(shù)之一，是整個(gè)系統(tǒng)的分辨率的一種評(píng)價(jià)方式。圖3中顯示了不同視場(chǎng)的曲線(xiàn)圖。

圖4體現(xiàn)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后像面不同區(qū)域內(nèi)光照分布情況，體現(xiàn)了不同視場(chǎng)光照度的衰減情況，從圖4中可以看到曲線(xiàn)接近于一條直線(xiàn)，且都在1的位置，說(shuō)明整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)照度非常均勻，衰減可以忽略。

圖5體現(xiàn)了不同視場(chǎng)成像的像差體現(xiàn)情況，體現(xiàn)了不同視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)像差的分布，也是評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)整體成像特性的一種重要方式。從圖5中可以看到各個(gè)視場(chǎng)的像差都已經(jīng)校正到極限。

本發(fā)明的技術(shù)方案突破了現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)這種遠(yuǎn)心光學(xué)鏡頭的產(chǎn)品局限，解決了在視野大于200mm的范圍內(nèi)仍能實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)光學(xué)測(cè)量的問(wèn)題，為自動(dòng)化大視野的視覺(jué)測(cè)量拓展了更廣闊的應(yīng)用空間。

以上實(shí)施例僅供說(shuō)明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。