一种空间滤波镜头及光学滤光装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其是涉及一种空间滤波镜头及光学滤光装置。

背景技术

随着现代焊接工业自动化、智能化的不断升级，对焊接熔池图像实时采集监测的要求也在不断地提高。在焊接过程由于强弧光的干扰，焊接熔池、焊缝等细节图像无法清晰的获得。

尤其在精密加工制造过程中需要对工件连结部位进行实时定位和检测，这类焊接加工的空间常常比较窄小对检测精度有更苛刻的要求，因此焊接过程需要有效的减少强弧光对焊接熔池成像的影响。因此要求镜头的外形尺寸足够小，分辨率要尽可能高，采集图像的工作距离尽可能近，同时尽可能提高成像质量以满足检测需求。

然而，目前市面上现有的这类结构小巧紧凑的光学镜头多为监控镜头，且工作距离较远，同时工业上常用的镜头不具有的抑制强弧光的效果，熔池的成像画面不能满足精密加工制造类观察监测的应用需求。

因此，在焊接自动化领域，对于研发一种能够有效抑制强弧光干扰、成像清晰度高的光学镜头及光学滤光装置具有重要需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的受弧光干扰、清晰度低的缺陷而提供一种空间滤波镜头及光学滤光装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种空间滤波镜头，包括由物侧到像侧依次设置的前组透镜组、高通空间滤波器和后组透镜组，前组透镜组具有正光焦度，包括由物侧到像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，第一透镜和第二透镜胶合成具有负光焦度的第一胶合透镜，第三透镜具有正光焦度，第四透镜和第五透镜胶合成具有负光焦度的第二胶合透镜，后组透镜组具有负光焦度，包括由物侧到像侧依次设置的第六透镜和第七透镜，第六透镜和第七透镜胶合成具有负光焦度的第三胶合透镜，高通空间滤波器设置在空间滤波镜头的光阑面。

进一步地，空间滤波镜头的焦距为f，前组透镜组的焦距为f

0.65＜|f

进一步地，第一透镜的前表面顶点到第七透镜的后表面顶点的距离L与空间滤波镜头的焦距f满足关系式：

|L/f|＞0.5

第七透镜的后表面顶点到像侧的光学后截距L

|L

进一步地，第三透镜的焦距f

0.4＜|f

进一步地，第一胶合透镜的焦距f

10＜|f

进一步地，第二胶合透镜的焦距f

0.9＜|f

进一步地，第三胶合透镜的焦距f

1.5＜|f

进一步地，第一透镜、第三透镜、第四透镜和第七透镜具有正光焦度，第二透镜、第五透镜和第六透镜具有负光焦度；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为球面镜，第三透镜为半月结构，第六透镜和第七透镜为弯月结构。

进一步地，高通空间滤波器的形状为水滴形遮光结构，且符合焊接弧光形态，高通空间滤波器的面积S的计算表达式为：

式中，a的取值范围为0mm＜a≤1mm，b的取值范围为2mm≤b＜3mm。

本发明的第二方面，一种基于如上任一的一种空间滤波镜头的光学滤光装置，其特征在于，包括由物侧到像侧依次设置的中性密度减光片、空间滤波镜头、带通滤光片和传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明由物侧到像侧依次设置前组透镜组、空间滤波器和后组透镜组，通过具有正光焦度的前组透镜组，使携带有较低频谱信息的弧光光线汇聚在光阑面的中心区域，通过高通滤波器滤除弧光光线后，再通过具有负光焦度的后组透镜组，还原图像大小，得到滤除弧光频谱信息后的图像，使得形成的镜头不仅结构简单紧凑，而且还能抑制焊接过程的强弧光，突出熔池、焊缝等细节信息，成像清晰度高，从而能够满足精密加工制造过程的观察监测需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2a为本发明中高通空间滤波器形状示意图。

图2b为本发明中高通滤波器结构坐标图形。

图3a为未加高通空间滤波器成像结果。

图3b为加入高通空间滤波器成像结果。

图4为本发明的光学滤光装置结构示意图。

图5a为单独镜头拍摄结果。

图5b为光学滤光装置拍摄结果。

图中标记说明：1、前组透镜组，2、后组透镜组，3、高通空间滤波器，U1、第一胶合透镜，U2、第二胶合透镜，U3、第三胶合透镜，G1、第一透镜，G2、第二透镜，G3、第三透镜，G4、第四透镜，G5、第五透镜，G6、第六透镜，G7、第七透镜，4、空间滤波镜头，5、物侧，6、像侧，7中性密度减光片，8、带通滤光片，9、传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明为一种空间滤波镜头及光学滤光装置，如图1所示，空间滤波镜头包括：包括由物侧5到像侧6依次设置的前组透镜组1、高通空间滤波器3和后组透镜组2，前组透镜组1具有正光焦度，包括由物侧5到像侧6依次设置的第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4和第五透镜G5，第一透镜G1和第二透镜G2胶合成具有负光焦度的第一胶合透镜U1，第三透镜G3具有正光焦度，第四透镜G4和第五透镜G5胶合成具有负光焦度的第二胶合透镜U2，后组透镜组2具有负光焦度，包括由物侧5到像侧6依次设置的第六透镜G6和第七透镜G7，第六透镜G6和第七透镜G7胶合成具有负光焦度的第三胶合透镜U3，高通空间滤波器3设置在空间滤波镜头4的光阑面。

其中，空间滤波镜头的焦距为f，前组透镜组的焦距为f

0.65＜|f

第一透镜的前表面顶点到第七透镜的后表面顶点的距离L与空间滤波镜头的焦距f满足关系式：

|L/f|＞0.5

第七透镜的后表面顶点到像侧的光学后截距L

|L

第一透镜G1具有正光焦度，且为双凸结构；

第二透镜G2具有负光焦度，且为双凹结构；

第三透镜G3具有正光焦度，且为半月结构，第三透镜的焦距f

0.4＜|f

第四透镜G4具有正光焦度，且为双凸结构；

第五透镜G5具有负光焦度，且为双凹结构；

第六透镜G6具有负光焦度，且为弯月结构；

第七透镜G7具有正光焦度，且为弯月结构；

第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为球面镜。

第一胶合透镜的焦距f

10＜|f

第二胶合透镜的焦距f

0.9＜|f

第三胶合透镜的焦距f

1.5＜|f

如图2所示，高通空间滤波器的形状为水滴形遮光结构，且符合焊接弧光形态，其中S＝S1+S2+S3+S4+S5+S6；

直线B

分别设B

扇形面积S1：

三角形面积S2、S3：

扇形面积S4、S5：

三角形面积S6：

故滤波器总面积S为：

式中，a的取值范围为0mm＜a≤1mm，b的取值范围为2mm≤b＜3mm，经计算可得S的取值范围为10.14mm

本实施例以如下选取具体的参数为例进行说明。选例中，各透镜或者胶合镜组的物理参数如下表1所示：

表1镜头设计物理参数表

在本实施例中，空间滤波镜头的焦距f＝45mm，光圈为D/f＝1/1.4，前组透镜组的焦距f

实例中具体参数如表2所示：

表2实施例具体参数表

在上述实例镜头光阑面安装设计的空间滤波器如图2示意图，面积S设计为12.31mm

实施例2

在实施例1的基础上，如图4所示，本发明的光学滤光装置，包括由物侧到像侧依次设置的中性密度减光片7、空间滤波镜头4、带通滤光片8和传感器9。中性密度减光片的型号为ND2000，带通滤波器的工作范围为400-700nm，传感器的为CMOS图像传感器。图5a为原始独立镜头拍摄效果，图5b为本套焊接熔池光学滤光装置采集的熔池图像。通过对比可知，独立镜头下的熔池画面非常模糊，强弧光将焊缝、坡口等细节信息全部遮挡，而由本发明镜头组合的光学滤光装置采集的熔池图像十分清晰，弧光明显被压制，熔池、焊缝等细节部分能够清晰呈现。证明本发明具有减少弧光干扰，图像清晰度高的优点，体现本发明装置的可靠性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。