阅读说明：本技术 一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头 (A super large target surface zoom lens in succession for line scanning camera system ) 是由 屈立辉 肖维军 张昌炜 陈秀秀 黄媛 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头,包括光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E,前固定组A包括负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3；变倍组B包括双凹透镜B1、平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接的第二胶合组；补偿组C包括双凸透镜C1、负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接的第三胶合组；后固定组E包括双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、平凸透镜E4与双凹透镜E5密接的第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7。本发明设计合理,通过变倍组、补偿组的运动,实现焦距连续可变。(The invention relates to an ultra-large target surface continuous zoom lens for a linear scanning camera system, which comprises a front fixed group A with positive focal power, a zoom group B with negative focal power, a compensation group C with positive focal power, a diaphragm D and a rear fixed group E with negative focal power, wherein the front fixed group A comprises a first adhesive combination formed by tightly connecting a negative meniscus lens A1 and a positive meniscus lens A2 and a positive meniscus lens A3; the variable power group B comprises a second adhesive combination formed by tightly connecting a double concave lens B1, a plano-concave lens B2 and a positive meniscus lens B3; the compensation group C comprises a third adhesive group formed by closely connecting a double convex lens C1, a negative meniscus lens C2 and a double convex lens C3; the rear fixed group E comprises a fourth adhesive group formed by closely connecting a double convex lens E1 and a double concave lens E2, a negative meniscus lens E3, a fifth adhesive group formed by closely connecting a planoconvex lens E4 and a double concave lens E5, a double convex lens E6 and a reflector E7. The invention has reasonable design, and realizes the continuous variable focal length through the movement of the zoom group and the compensation group.)

一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头

技术领域：

本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头。

背景技术：

在工业摄像领域，对图像还原度、图像帧频速率、单帧频信息量越来越高，以上需求引导工业成像设备朝以下方向发展：(1)探测器尺寸越来越大，有效像元数量增加，提高单帧频信息量；（2）镜头通光量大，曝光时间减小，提高帧频速率；（3）光学畸变小，图像还原度高，且因为图像处理时间减少，间接提高帧频速率。

因此在在线阵摄像领域，选择的镜头必须具备低畸变、大靶面、大相对孔径、高分辨率的特点。一般来说会采用定焦镜头，此类镜头在设计上可以降低难度，在高性价比的前提下实现高性能指标。例如，现有专利CN208953765U公开了一种高倍率大靶面高解析度线扫机器视觉定焦镜头；现有专利CN208314311U公开了一种大靶面宽工作距离线扫定焦机器视觉镜头；现有专利CN110007433A公开了一种定焦线扫镜头。这些镜头有其固有缺陷，其视场是固定不变的，不能同时提供小目标放大进行细节识别、大目标完整采样的功能，必须配置多个摄像系统同时工作，在事实上需要更大的体积、更高的成本，可调整性较低。

发明内容

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本发明的目的是针对目前存在的不足之处，提供了一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E，所述前固定组A包括负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3；所述变倍组B包括双凹透镜B1、平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凸透镜C1、负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接的第三胶合组；所述后固定组E包括双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、平凸透镜E4与双凹透镜E5密接的第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7。

进一步的，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为6.14～63.23mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为118.76～3.12mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.05～60.59mm。

进一步的，所述第一胶合组和正弯月透镜A3之间的空气间隔为2.28mm；所述双凹透镜B1和第二胶合组之间的空气间隔为2.88mm；所述双凸透镜C1和第三胶合组之间的空气间隔为0.15mm；所述第四胶合组和负弯月透镜E3之间的空气间隔为31.46mm，所述负弯月透镜E3和第五胶合组之间的空气间隔为4.95mm，所述第五胶合组和双凸透镜E6之间的空气间隔为13.84mm，所述双凸透镜E6和反射镜E7之间的空气间隔为60.66mm。

进一步的，所述第一胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜A1和正弯月透镜A2，负弯月透镜A1和正弯月透镜A2的材料分别为SF6、LAFN23，具有负折射力，胶合面弯向像面侧，折射率之差为0.12；所述正弯月透镜A3采用超低色散材料H-FK61。

进一步的，所述第二胶合组的胶合面相邻透镜为平凹透镜B2与正弯月透镜B3，平凹透镜B2与正弯月透镜B3的材料分别为N-LAK34、N-SF66，具有正折射力，折射率之差为0.19，胶合面弯向像面侧。

进一步的，所述第三胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜C2与双凸透镜C3，负弯月透镜C2与双凸透镜C3的材料分别为SF6、LAFN23，具有负折射力，胶合面弯向像面侧；所述双凸透镜C1采用超低色散玻璃材料H-FK61。

进一步的，所述反光镜的下方设有线阵探测器，反光镜向矩阵探测器反射光路。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

（1）采用正组补偿结构，使得前组光焦度较小，降低二级光谱像差，并使用超低色散材料H-FK61，极大提高了长焦端的分辨率水平，使焦距最长可以做到410mm，最大相对孔径达到1/5，能与高帧频相机配合使用，且适用于光照度条件较差的使用环境；

（2）可实现连续变焦，同时满足小目标放大进行细节识别、大目标完整采样的功能，短焦焦距为195mm；

（3）光学畸变小，在线阵探测器靶面尺寸达到58mm的前提下，光学畸变小于0.2%，图像失真度小，满足工业摄像需求；同时由于靶面像素数量大，因此图像信息量大；

（4）在线阵探测器前，设置一片反射镜，对光路转折，减小系统长度，使之紧凑化。

附图说明：

图1是本发明实施例的光学系统示意图；

图2是本发明实施例长焦时的MTF图；

图3是本发明实施例短焦时的MTF图；

图4是本发明实施例长焦时的光学畸变曲线；

图5是本发明实施例短焦时的光学畸变曲线。

具体实施方式

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下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1～5所示，本发明一种用于线扫摄像系统的超大靶面连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D以及光焦度为负的后固定组E；通过改变前固定组A、变倍组B、补偿组C、光阑D之间的间隔，并保持总长度不变，实现焦距的连续变化。从广角端向望远端变焦时，所述变倍组B远离物体侧，所述补偿组C靠近物体侧。

本实施例中，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为6.14～63.23mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为118.76～3.12mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.05～60.59mm。

本实施例中，所述前固定组A具备至少一个负折射力的胶合面，且必须满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，其折射率之差大于0.1，胶合面弯向像面侧；所述前固定组A包含至少一片正透镜采用超低色散玻璃材料。具体为：前固定组A包括负弯月透镜A1与正弯月透镜A2密接的第一胶合组、正弯月透镜A3，所述第一胶合组和正弯月透镜A3之间的空气间隔为2.28mm。所述第一胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜A1和正弯月透镜A2，负弯月透镜A1和正弯月透镜A2的材料分别为SF6、LAFN23，第一胶合组具有负折射力，胶合面弯向像面侧，折射率之差为0.12；所述正弯月透镜A3采用超低色散材料H-FK61，具有良好的消二级光谱能力，提高长焦时的分辨率水平。

本实施例中，所述变倍组B具备至少一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.15、小于0.25，胶合面弯向像面侧。具体为：所述变倍组B包括双凹透镜B1、平凹透镜B2与正弯月透镜B3密接的第二胶合组，所述双凹透镜B1和第二胶合组之间的空气间隔为2.88mm。所述第二胶合组的胶合面相邻透镜为平凹透镜B2与正弯月透镜B3，平凹透镜B2与正弯月透镜B3的材料分别为N-LAK34、N-SF66，具有正折射力，折射率之差为0.19，胶合面弯向像面侧，具有消短焦像散、降低光学畸变、平衡不同焦距段色差的作用。

本实施例中，所述补偿组C至少具备两个具有正光焦度的透镜、至少一个具有负光焦度的透镜，且该负透镜与其中一个正透镜胶合，在该胶合片中，正、负透镜材料选取与所述前固定组A胶合片材料选取相同。具体为：所述补偿组C包括双凸透镜C1、负弯月透镜C2与双凸透镜C3密接的第三胶合组，所述双凸透镜C1和第三胶合组之间的空气间隔为0.15mm。所述第三胶合组胶合面相邻透镜为负弯月透镜C2与双凸透镜C3，负弯月透镜C2与双凸透镜C3的材料分别为SF6、LAFN23，具有负折射力，胶合面弯向像面侧；所述双凸透镜C1采用H-FK61，为超低色散玻璃材料，具有校正短焦二级光谱像差的作用，同时起到与补偿组其它镜片配合，对短焦位置消色差、消热差的作用。

本实施例中，所述后固定组E光焦度为负，且具有两个以上具有负光焦度的透镜。具体为：所述后固定组E包括双凸透镜E1与双凹透镜E2密接的第四胶合组、负弯月透镜E3、平凸透镜E4与双凹透镜E5密接的第五胶合组、双凸透镜E6、反射镜E7，所述第四胶合组和负弯月透镜E3之间的空气间隔为31.46mm，所述负弯月透镜E3和第五胶合组之间的空气间隔为4.95mm，所述第五胶合组和双凸透镜E6之间的空气间隔为13.84mm，所述双凸透镜E6和反射镜E7之间的空气间隔为60.66mm。所述反光镜的下方设有线阵探测器F，反光镜向矩阵探测器反射光路；设置反射镜的目的在于对光路进行转折，使线阵探测器位于镜头下方，探测器尺寸与光学总长重叠一部分，减小系统长度，使之紧凑化。

本实施例中，各个镜片的物理参数如下表所示。

表面	曲率半径（mm）	厚度（mm）	材料
				1	164≤R≤166.452	6.2	SF6
2	112≤R≤113.75	10.65	LAFN23
				3	197≤R≤200	2.28	AIR
4	177.65≤R≤182.754	11.05	H-FK61
				5	1499≤R≤1523.5	6.14～63.23	AIR
6	-285≤R≤-283	3.6	N-LAK9
				7	283≤R≤285	2.88	AIR
8	平面	3.6	N-LAK34
				9	114≤R≤116.528	6.32	N-SF66
10	239≤R≤245.889	118.76～3.12	AIR
				11	185≤R≤192.457	8.75	H-FK61
12	-231≤R≤-230.005	0.15	AIR
				13	320≤R≤328.975	3.55	SF6
14	75≤R≤77.581	10.55	LAFN23
				15	-5446≤R≤-5440	2.05～60.59	AIR
16	光阑平面	2.70	AIR
				17	80.45≤R≤81.785	8.11	LAFN23
18	-378.5≤R≤-370.452	7.98	LASFN9
				19	223≤R≤227.687	31.46	AIR
20	56.19≤R≤58.913	9	LAFN7
				21	39.4≤R≤40.978	4.95	AIR
22	平面	5.80	SF57
				23	-64.8≤R≤-60.78	2.8	LASFN15
24	75≤R≤80.452	13.84	AIR
				25	80≤R≤84.562	7.04	H-FK61
26	-279≤R≤-270.45	60.66	AIR
				27	平面	0	MIRROR
28	平面	70	AIR

本实施例中，由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：

1、工作波段：450nm～700nm；

2、焦距：195mm～410mm连续变焦；

3、成像靶面：线阵探测器，像面尺寸58mm；

4、相对孔径：长焦1/5，短焦1/5；

5、图像光学畸变小，在长短焦位置，光学畸变均小于0.2%。

本发明采用正组补偿变焦结构，因此可以依靠最速变焦凸轮曲线实现紧凑化设计。当变倍组的倍率m2= -1时，补偿组的倍率为m31=m32=-1，在该焦距点位置平滑过渡，实现最速变焦，使得导程小、光学总长短，结构紧凑。应说明的是：上述胶合面折射率之差，依据实际设计指标，可适当调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。