阅读说明：本技术 一种大靶面连续变倍远心镜头 (Large-target-surface continuous zoom telecentric lens ) 是由 王杰 龚昭宇 余飞鸿 于 2019-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大靶面连续变倍远心镜头,所述远心镜头从物面起至像面依次包括具有正折射率光焦度的第一透镜组、具有正折射率光焦度的第二透镜组、具有正折射率光焦度的第三透镜组和具有正折射率光焦度的第四透镜组；其中第一透镜组、第四透镜组为固定组,第二透镜组、第三透镜组为移动组,当变倍远心镜头从低倍向高倍变倍时,第二透镜组向第一透镜组靠近,第三透镜组向第一透镜组靠近。本发明提供的大靶面连续变倍远心镜头能够实现匹配4/3英寸图像传感器,远心度小于0.05°,光学畸变小于0.02％,放大倍率0.5x-1x。(The invention discloses a large-target-surface continuous zooming telecentric lens, which sequentially comprises a first lens group with positive refractive power, a second lens group with positive refractive power, a third lens group with positive refractive power and a fourth lens group with positive refractive power from an object surface to an image surface; when the zoom telecentric lens is zoomed from low power to high power, the second lens group approaches to the first lens group, and the third lens group approaches to the first lens group. The large-target-surface continuous zooming telecentric lens provided by the invention can realize matching with an 4/3-inch image sensor, the telecentricity is less than 0.05 degrees, the optical distortion is less than 0.02 percent, and the magnification ratio is 0.5x-1 x.)

一种大靶面连续变倍远心镜头

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，尤其涉及一种大靶面连续变倍远心镜头。

背景技术

机器视觉系统就是用机器代替人眼来进行测量和判断。光学镜头则是机器视觉系统中重要的组成部分。与普通成像镜头相比，远心镜头由于其独特的光路结构，可以有效的纠正普通成像镜头的视差，从而在一定物距范围内都可以保证成像的倍率保持不变，因此广泛应用于各种机器视觉检测系统中。

目前市场上用于机器视觉检测系统的远心镜头主要有以下几种：

第一种放大倍率不变的远心镜头。定倍率远心镜头可以设计匹配大靶面的传感器，因此具有更大的视野范围，能够很好的保证检测的精度，但由于放大倍率固定，检测不同的物体需要更换不同倍率的镜头，使用的场景受到局限。

第二种连续变倍远心镜头。目前市场上的连续变倍远心镜头为了达到变倍的目的，设计匹配的传感器靶面较小，观察视野范围较小。同时由于远心度较差，在镜头景深范围内测量时，所得测量值存在差异，测量结果不够精确。如公开号为CN204188874U的中国专利公开了一种变倍远心镜头，涉及光学技术。从物面起到像面依次包括：具有正折射率光焦度的第一透镜组、具有正折射率光焦度的第二透镜组、具有负折射率光焦度的第三透镜组、具有正折射率光焦度的第四透镜组以及具有正折射率光焦度的第五透镜组；其中，第一透镜组、第三透镜组和第五透镜组为固定组，第二透镜组和第四透镜组为移动组，当变倍远心镜头从低倍向高倍变倍时，第二透镜组向第一透镜组靠近，第四透镜组向第三透镜组靠近。如公开号为CN109471244A的中国专利公开了基于机器视觉的大视场双远心镜头，包括：以光路入射方向从左至右依次设置的第一组透镜、第二组透镜、第三组透镜、第四组透镜和第五组透镜；其中，第一组透镜为具有正光焦度的平凸透镜；第二组透镜为具有正光焦度的凸凹透镜；第三组透镜为负光焦度的双凹透镜；第四组透镜双胶合透镜；第五组透镜为具有正光焦度的双凸透镜；且第三组透镜和第四组透镜中间为孔径光阑。

由此可见，目前市场上能够实现匹配4/3英寸图像传感器，远心度小于0.05°，光学畸变小于0.02％，放大倍率0.5x-1x的变倍远心镜头几乎没有。因此亟待开发一款匹配4/3英寸图像传感器，远心度小于0.05°，光学畸变小于0.02％，放大倍率0.5x-1x的变倍远心镜头来填补市场空缺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大靶面连续变倍远心镜头，能够实现匹配4/3英寸图像传感器，远心度小于0.05°，光学畸变小于0.02％，放大倍率0.5x-1x。

本发明所采取的技术方案为：

一种大靶面连续变倍远心镜头，其特征在于，所述远心镜头从物面起至像面依次包括具有正折射率光焦度的第一透镜组、具有正折射率光焦度的第二透镜组、具有正折射率光焦度的第三透镜组和具有正折射率光焦度的第四透镜组；其中第一透镜组、第四透镜组为固定组，第二透镜组、第三透镜组为移动组，当变倍远心镜头从低倍向高倍变倍时，第二透镜组向第一透镜组靠近，第三透镜组向第一透镜组靠近。

进一步地，所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组之间满足关系式：

0.15<|f_s2/f_s1|<0.9

0.1<|f_s3/f_s1|<0.85

0.75<|f_s4/f_s1|<1.25

其中，f_s1为第一透镜组的组合焦距，f_s2为第二透镜组的组合焦距，f_s3为第三透镜组的组合焦距，f_s4为第四透镜组的组合焦距。

更进一步地，所述第一透镜组S1包括由物方到像方依次设置的具有正光焦度的双凸第一透镜G1、具有正光焦度的弯月形第二透镜G2、具有正光焦度的平凸第三透镜G3和具有负光焦度的双凹第四透镜G4；其中，所述第三透镜G3与第四透镜G4胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，所述第一胶合透镜组的焦距为f_U1，并满足关系式：

0.1<|f_U1/f_s1|<0.3。

更进一步地，所述第二透镜组S2包括由物方到像方依次设置的具有负光焦度的弯月形第五透镜G5、具有正光焦度的平凸第六透镜G6和具有正光焦度的弯月形第七透镜G7；其中，所述第五透镜G5与第六透镜G6胶合形成具有正光焦度的第二胶合透镜组U2，所述第二胶合透镜组的焦距为f_U2，并满足关系式：

1.0<|f_U2/f_s2|<1.8。

更进一步地，所述第三透镜组S3包括由物方到像方依次设置的具有正光焦度的弯月形第八透镜G8、具有正光焦度的平凸第九透镜G9和具有负光焦度的平凹第十透镜G10。其中所述第九透镜G9与第十透镜G10胶合形成具有正光焦度的第三胶合透镜组U3，所述第二胶合透镜组的焦距为f_U3，并满足关系式：

3<|f_U3/f_s3|<4.5。

更进一步地，所述远心镜头还包括光阑，所述光阑设置于第八透镜G8与第三胶合透镜组U3之间。

更进一步地，所述光阑为圆形，跟随第三透镜组S3移动且直径保持不变。

更进一步地，所述第四透镜组S4包括由物方到像方依次设置的具有负光焦度的双凹第十一透镜G11、具有正光焦度的平凸第十二透镜G12和具有正光焦度的平凸第十三透镜G13。

优选地，所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组均为球面透镜。即，所述第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜G11、第十二透镜G12、第十三透镜G13均为球面透镜。

优选地，所述第一透镜组S1与所述第二透镜组S2的空气间隔为D1，所述第二透镜组S2与所述第三透镜组S3的空气间隔为D2，所述第三透镜组S3与所述第四透镜组S4的空气间隔为D3，D1、D2与D3满足关系式：

0.3<|D₁/D₂|<7.5

0.25<|D₁/D₃|<7.5

0.15<|D₂/D₃|<4.25。

本发明的有益效果是，采用结构简洁的四组元结构，通过移动组和变倍组的配合实现了镜头放大倍率的变化。本发明提供的大靶面连续变倍远心镜头实现了0.5x-1x的变倍范围，在变倍过程中无需重新调节物距与像距即可成像清晰；可以匹配最大靶面4/3英寸传感器，可观察的视野范围更大；物方远心度小于0.05°，保证测量数据的准确性以及在景深范围内测量数据的可重复性；所有放大倍率情况下光学畸变均小于0.02％，真实还原被测物体的形状；具有超高的物方分辨率，最大物方分辨率达到4.9μm。

附图说明

图1是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头的光学系统示意图；

图2是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头从低倍率到高倍率的对比图；

图3是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头在低倍率的MTF曲线图；

图4是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头在高倍率的MTF曲线图；

图5是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头在低倍率的畸变曲线图；

图6是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头在高倍率的畸变曲线图；

图7是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头在低倍率的点列图；

图8是实施例1中大靶面连续变倍远心镜头在高倍率的点列图；

图9是实施例2中大靶面连续变倍远心镜头的光学系统示意图；

图10是实施例3中大靶面连续变倍远心镜头的光学系统示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1所示，本发明提供的大靶面连续变倍远心镜头，从物面起至像面依次包括：

具有正折射率光焦度的第一透镜组S1：由物方到像方依次设置的具有正光焦度的双凸第一透镜G1、具有正光焦度的弯月形第二透镜G2、具有正光焦度的平凸第三透镜G3和具有负光焦度的双凹第四透镜G4；其中，第三透镜G3与第四透镜G4胶合形成具有负光焦度的第一胶合透镜组U1，第一胶合透镜组的焦距为f_U1，并满足关系式：

0.1<|f_U1/f_s1|<0.3；

具有正折射率光焦度的第二透镜组：由物方到像方依次设置的具有负光焦度的弯月形第五透镜G5、具有正光焦度的平凸第六透镜G6和具有正光焦度的弯月形第七透镜G7；其中，第五透镜G5与第六透镜G6胶合形成具有正光焦度的第二胶合透镜组U2，第二胶合透镜组的焦距为f_U2，并满足关系式：

1.0<|f_U2/f_s2|<1.8；

具有正折射率光焦度的第三透镜组：由物方到像方依次设置的具有正光焦度的弯月形第八透镜G8、具有正光焦度的平凸第九透镜G9和具有负光焦度的平凹第十透镜G10；其中，第九透镜G9与第十透镜G10胶合形成具有正光焦度的第三胶合透镜组U3，第二胶合透镜组的焦距为f_U3，并满足关系式：

3<|f_U3/f_s3|<4.5；

其中，第八透镜G8与第三胶合透镜组U3之间设置光阑，光阑为圆形，跟随第三透镜组S3移动且直径保持不变

具有正折射率光焦度的第四透镜组：由物方到像方依次设置的具有负光焦度的双凹第十一透镜G11、具有正光焦度的平凸第十二透镜G12和具有正光焦度的平凸第十三透镜G13。

其中，第一透镜组S1、第四透镜组S4为固定组，第二透镜组S2、第三透镜组S3为移动组，当变倍远心镜头从低倍向高倍变倍时，第二透镜组S2向第一透镜组S1靠近，第三透镜组S3向第一透镜组S1靠近。

其中，第一透镜组S1、第二透镜组S2、第三透镜组S3、第四透镜组S4之间满足关系式：

0.15<|f_s2/f_s1|<0.9

0.1<|f_s3/f_s1|<0.85

0.75<|f_s4/f_s1|<1.25

其中，f_s1为第一透镜组S1的组合焦距，f_s2为第二透镜组S2的组合焦距，f_s3为第三透镜组S3的组合焦距，f_s4为第四透镜组S4的组合焦距。

其中，第一透镜组S1与第二透镜组S2的空气间隔为D1，第二透镜组S2与第三透镜组S3的空气间隔为D2，第三透镜组S3与第四透镜组S4的空气间隔为D3，满足关系式：

0.3<|D₁/D₂|<7.5

0.25<|D₁/D₃|<7.5

0.15<|D₂/D₃|<4.25。

在本发明中，由上述镜片组成的光学系统结构达到了以下光学指标：

放大倍率：0.5x-1.0x；

工作距离：80mm；

靶面大小：4/3英寸；

物方远心度：小于0.05°；

光学畸变：小于0.02％；

最大分辨率：4.9μm；

适用谱线范围：450-700nm。

实施例1：

本实施例提供的大靶面连续变倍远心镜头的光学系统如图2所示，第一透镜至第十三透镜各个参数如下表所示：

其中，R为透镜表面中心半径大小，D为对应光学表面到下一光学表面与光轴上的距离，nd对应d光(波长587nm)的折射率；S1和S2为第一透镜的物方表面和像方表面，S3和S4为第二透镜的物方表面和像方表面，S5和S6为第三透镜的物方表面和像方表面，S6和S7为第四透镜的物方表面和像方表面，S8和S9为第五透镜的物方表面和像方表面，S9和S10为第六透镜的物方表面和像方表面，S11和S12为第七透镜的物方表面和像方表面，S13和S14为第八透镜的物方表面和像方表面，Stop为孔径光阑面，S15和S16为第九透镜的物方表面和像方表面，S16和S17为第十透镜的物方表面和像方表面，S18和S19为第十一透镜的物方表面和像方表面，S20和S21为第十二透镜的物方表面和像方表面，S22和S23为第十三透镜的物方表面和像方表面。

图2为本实施例提供的镜头(大靶面连续变倍远心镜头)从低倍率到高倍率的对比图，当变倍远心镜头从低倍向高倍变倍时，第二透镜组向第一透镜组方向靠近，第三透镜组向第一透镜组方向靠近。

图3为本实施例提供的镜头低倍率情况下的MTF曲线图。从图3可知，低倍率情况下镜头的MTF曲线接近衍射极限，在100lp/mm时MTF值大于0.3。

图4为本实施例提供的镜头高倍率情况下的MTF曲线图。从图4可知，高倍率情况下镜头的MTF曲线接近衍射极限，在100lp/mm时MTF值大于0.2。

图5为本实施例提供的镜头低倍率情况下的畸变曲线图。从图5可知，低倍率情况下镜头的光学畸变小于0.02％。

图6为本实施例提供的镜头高倍率情况下的畸变曲线图。从图6可知，高倍率情况下镜头的光学畸变小于0.02％。

图7为本实施例提供的镜头低倍率情况下的点列图。从图7可知低倍率的情况下镜头的点列图在全视场范围内均小于6.5μm。

图8为本实施例提供的镜头高倍率情况下的点列图。从图8可知高倍率的情况下镜头的点列图在全视场范围内均小于7μm。

实施例2

本实施例提供的大靶面连续变倍远心镜头的光学系统如图9所示，第一透镜至第十三透镜各个参数如下表所示：

其中，R为透镜表面中心半径大小，D为对应光学表面到下一光学表面于光轴上的距离，nd对应d光(波长587nm)的折射率；S1和S2为第一透镜的物方表面和像方表面，S3和S4为第二透镜的物方表面和像方表面，S5和S6为第三透镜的物方表面和像方表面，S6和S7为第四透镜的物方表面和像方表面，S8和S9为第五透镜的物方表面和像方表面，S9和S10为第六透镜的物方表面和像方表面，S11和S12为第七透镜的物方表面和像方表面，S13和S14为第八透镜的物方表面和像方表面，Stop为孔径光阑面，S15和S16为第九透镜的物方表面和像方表面，S16和S17为第十透镜的物方表面和像方表面，S18和S19为第十一透镜的物方表面和像方表面，S20和S21为第十二透镜的物方表面和像方表面，S22和S23为第十三透镜的物方表面和像方表面。

本实施例提供的镜头低倍率情况下镜头：低倍率情况下镜头的MTF曲线接近衍射极限，在100lp/mm时MTF值大于0.2；高倍率情况下镜头的MTF曲线接近衍射极限，在100lp/mm时MTF值大于0.15。低倍率情况下镜头的光学畸变小于0.1％；高倍率情况下镜头的光学畸变小于0.1％。

实施例3

本实施例提供的大靶面连续变倍远心镜头的光学系统如图10所示，第一透镜至第十三透镜各个参数如下表所示：

其中，R为透镜表面中心半径大小，D为对应光学表面到下一光学表面于光轴上的距离，nd对应d光(波长587nm)的折射率；S1和S2为第一透镜的物方表面和像方表面，S3和S4为第二透镜的物方表面和像方表面，S5和S6为第三透镜的物方表面和像方表面，S6和S7为第四透镜的物方表面和像方表面，S8和S9为第五透镜的物方表面和像方表面，S9和S10为第六透镜的物方表面和像方表面，S11和S12为第七透镜的物方表面和像方表面，S13和S14为第八透镜的物方表面和像方表面，Stop为孔径光阑面，S15和S16为第九透镜的物方表面和像方表面，S16和S17为第十透镜的物方表面和像方表面，S18和S19为第十一透镜的物方表面和像方表面，S20和S21为第十二透镜的物方表面和像方表面，S22和S23为第十三透镜的物方表面和像方表面。

本实施例提供的镜头低倍率情况下镜头：低倍率情况下镜头的MTF曲线接近衍射极限，在100lp/mm时MTF值大于0.3；高倍率情况下镜头的MTF曲线接近衍射极限，在100lp/mm时MTF值大于0.17。低倍率情况下镜头的光学畸变小于0.1％；高倍率情况下镜头的光学畸变小于0.1％。