一种远心光学系统和远心光学镜头

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，具体涉及一种远心光学系统和远心光学镜头。

背景技术

随着机械智能化的不断发展，机械视觉检测在高精度尺寸测量、微小元器件识别、高精度瑕疵检测等领域都会用到远心镜头，远心镜头因其无视差、畸变小、分辨率高等优良的光学性能而被人们所关注。虽然远心镜头相对其它镜头有较大景深，但仍然无法满足人们的检测需求，在测试超大景深的样品时，只能采用移动相机内部镜片或整体移动相机的方式实现测试需求，但这种方案存在成本高、体积大、后续维护成本高、以及对焦效率低的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种远心光学系统和远心光学镜头，以获得大景深远心光学系统或光学镜头，避免测试超大景深时，采用移动相机内部镜片或整体移动相机的方式实现测试需求造成的测试成本高、对焦效率低的问题。

为了实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种远心光学系统，由物侧至像侧沿远心光学系统的主光轴间隔设置有：

第一透镜组，从物侧到像侧包括依次间隔设置的M个透镜；

液体透镜，液体透镜的驱动电压或驱动电流可调以调整远心光学系统的对焦位置；

第二透镜组，从物侧至像侧包括依次间隔设置的N个透镜；其中，M≥5，N≥5，M和N的数值可以相同，也可以不同。

可选地，远心光学系统还包括光阑，光阑位于液体透镜与第二透镜组之间，且设置于液体透镜靠近第二透镜组的一侧。

可选地，第一透镜组从物侧到像侧包括依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜；第二透镜组从物侧到像侧包括依次间隔设置的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜及第十透镜。

可选地，第五透镜与光阑之间的光学间隔介于5.137mm～5.337mm之间；液体透镜与第六透镜之间的光学间隔介于3.246mm～3.546mm之间。

可选地，第一透镜与第二透镜之间的光学间隔介于13.681mm～14.481mm之间；第二透镜与第三透镜之间的光学间隔介于6.001mm～6.121mm之间；第三透镜与第四透镜之间的光学间隔介于11.126mm～11.186mm之间；第四透镜与第五透镜之间的光学间隔介于1.963mm～1.983mm之间。

可选地，第一透镜为双凸透镜，第二透镜为凸凹透镜，第三透镜为凸凹透镜，第四透镜为凸凹透镜，第五透镜为双凹透镜。

可选地，第一透镜和第二透镜均为氟冕玻璃透镜，第三透镜为重磷冕玻璃透镜，第四透镜为镧冕玻璃透镜，第五透镜为重火石玻璃透镜。

可选地，第六透镜与第七透镜之间的光学间隔介于1.971mm～2.171mm之间；第七透镜与第八透镜之间的光学间隔介于13.245mm～13.845mm之间；第八透镜与第九透镜之间的光学间隔介于1.370mm～1.570mm之间；第九透镜与第十透镜之间的光学间隔介于11.264mm～11.324mm之间；第六透镜与远心光学系统的像面之间的光学间隔介于78.45mm～78.49mm之间。

可选地，第六透镜为凹凸透镜，第七透镜为凹凸透镜，第八透镜为凸凹透镜，第九透镜为双凸透镜，第十透镜为双凸透镜。

可选地，第六透镜为重钡火石玻璃透镜，第七透镜为冕玻璃透镜，第八透镜为重火石玻璃透镜，第九透镜为重镧火石玻璃透镜，第十透镜为重镧火石玻璃透镜。

可选地，远心光学系统的工作距离介于133mm～183mm。

可选地，在远心光学系统中，第一透镜组和第二透镜组内的各个透镜均为玻璃透镜。

可选地，液态透镜包括驱动电路组件，驱动电路组件用于向液态透镜上施加驱动电压或驱动电流。

可选地，远心光学系统的工作距离介于133mm～183mm之间。

本发明还提供一种远心光学镜头，包括上述方案中任一项的远心光学系统。

与现有技术相比，本发明所述的远心光学系统和远心光学镜头至少具备如下有益效果：

本发明所述的远心光学系统由物侧至像侧沿所述远心光学系统的主光轴间隔设置有第一透镜组、液体透镜及第二透镜组。其中，第一透镜组从物侧到像侧包括依次间隔设置的M个透镜；液体透镜的驱动电压或驱动电流可调以调整所述远心光学系统的对焦位置；第二透镜组从物侧至像侧包括依次间隔设置的N个透镜；其中，M≥5，N≥5，M和N的数值可以相同，也可以不同。由此，本发明利用液态透镜和远心光路的结合，通过液态透镜前后曲率的变量来实现工作距离的变量补偿，并通过控制位于液态镜头两侧的透镜个数、形状以及各透镜之间的间距，消除液态透镜在大景深状态下带来的曲率变化，消除像差，并将原有固定工作距离对焦的远心镜头拓展为50mm范围内可调工作距离的对焦镜头，大大拓展了远心镜头的应用限制，使得视觉检测方案整体硬件成本和工作效率有了显著提升。

进一步地，本发明可以通过控制液态透镜驱动电压来实时调整整个远心光学系统的对焦位置，完成不同工作距离下快速对焦的目的；由于采用液态透镜实现对焦，在对焦过程中镜片没有位移，稳定性更好、对焦速度更快；

此外，本发明的远心光学系统及远心镜头不用设置驱动电机，不仅整体体积更小，结构更紧凑，而且成本更低。

附图说明

图1为本发明实施例中所述的远心光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的工作距离为133mm的远心光学系统的场曲(FieldCurvature)图，其中实线分别对应波段为465nm、470nm和475nm的弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应远心光学系统的(半)视场区间Y+；

图3为本发明实施例中的工作距离为133mm的远心光学系统的畸变(Distortion)图，其中实线分别对应波段为465nm、470nm和475nm的弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应远心光学系统的(半)视场区间Y+；

图4为本发明实施例中的工作距离为133mm的远心光学系统的傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图，其中横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数模数(Modulus of theOTF)，实线代表子午(Tangential)曲线，虚线代表弧矢(Sagittal)曲线；

图5为本发明实施例中的工作距离为133mm的远心光学系统的像面相对照度图，其中，横坐标为(半)视场区间，纵坐标为相对照度(Relative Illumination)；

图6为本发明实施例中的工作距离为133mm的远心光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时弥散圆图；

图7为本发明实施例中工作距离为150mm的远心光学系统的场曲(FieldCurvature)图，其中实线分别对应波段为465nm、470nm和475nm的弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应远心光学系统的(半)视场区间Y+；

图8为本发明实施例中工作距离为150mm的远心光学系统的畸变(Distortion)图，其中实线分别对应波段为465nm、470nm和475nm的弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应远心光学系统的(半)视场区间Y+；

图9为本发明实施例中的工作距离为150mm的远心光学系统的傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图，其中横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数模数(Modulus of theOTF)，实线代表子午(Tangential)曲线，虚线代表弧矢(Sagittal)曲线；

图10为本发明实施例中的工作距离为150mm的远心光学系统的像面相对照度图，其中，横坐标为(半)视场区间，纵坐标为相对照度(Relative Illumination)；

图11为本发明实施例中的工作距离为150mm的远心光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时弥散圆图；

图12为本发明实施例中工作距离为183mm的远心光学系统的场曲(FieldCurvature)图，其中实线分别对应波段为465nm、470nm和475nm的弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应远心光学系统的(半)视场区间Y+；

图13为本发明实施例中工作距离为183mm的远心光学系统的畸变(Distortion)图，其中实线分别对应波段为465nm、470nm和475nm的弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应远心光学系统的(半)视场区间Y+；

图14为本发明实施例中的工作距离为183mm的远心光学系统的傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图，其中横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数模数(Modulus of theOTF)，实线代表子午(Tangential)曲线，虚线代表弧矢(Sagittal)曲线；

图15为本发明实施例中的工作距离为183mm的远心光学系统的像面相对照度图，其中，横坐标为(半)视场区间，纵坐标为相对照度(Relative Illumination)；

图16为本发明实施例中的工作距离为183mm的远心光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时弥散圆图。

附图标记列表：

1 第一透镜

2 第二透镜

3 第三透镜

4 第四透镜

5 第五透镜

6 液体透镜

7 光阑

8 第六透镜

9 第七透镜

10 第八透镜

11 第九透镜

12 第十透镜

13 像侧

14 物侧

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

须知，本发明实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

实施例一

为了解决远心镜头只适用于与固定工作距离造成的工作场景方位狭窄的问题，本实施例提供一种远心光学系统和远心光学镜头，能在50mm范围内多次快速对焦，提高了检测效率，并且大大降低机械视觉的硬件成本。

本实施例通过将液态透镜(也称液态镜片)加入到远心光学系统(例如远心镜头)中，利用液态镜片快速稳定的形变特性实现快速对焦。然而，在大景深下的液态透镜的曲率会变大，容易会带来新的像差(例如，球差和场曲)，进而不易获得清晰的物相。为了消除大景深下的液态透镜的曲率变化，本实施例中的远心光学系统由物侧至像侧沿所述远心光学系统的主光轴间隔设置有第一透镜组、液体透镜及第二透镜组。其中，第一透镜组从物侧到像侧包括依次间隔设置的M个透镜；液体透镜的驱动电压或驱动电流可调以调整远心光学系统的对焦位置；第二透镜组从物侧至像侧包括依次间隔设置的N个透镜；其中，M≥5，N≥5，M和N的数值可以相同，也可以不同；，M、N为正整数。本实施例利用液态透镜和远心光路的结合，通过液态透镜前后曲率的变量来实现工作距离的变量补偿，并通过控制位于液态镜头两侧的透镜个数、形状以及各透镜之间的间距，消除液态透镜在大景深状态下带来的曲率变化，消除像差，并将原有固定工作距离对焦的远心镜头拓展为50mm范围内可调工作距离的对焦镜头。

具体地，图1示出了本发明的远心光学系统的结构示意图。如图1所示，从物侧14向像侧13沿所述远心光学系统的主光轴依次设置的第一透镜组、液体透镜6和第二透镜组；其中，所述第一透镜组从物测至像侧依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4以及第五透镜5；所述第二透镜组从物侧向像侧依次包括第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10、第九透镜11及第十透镜12。通过控制所述液态透镜的驱动电压或驱动电流来调整所述远心光学系统的对焦位置，以完成所述远心光学系统的在不同工作距离下的对焦。

如图1所示，在本实施例中，为了向液态透镜上施加驱动电压或驱动电流，液态透镜包括驱动电路组件(图中未展示)，通过驱动电路组件向所述液态透镜的电极上施加驱动电压或者驱动电流，通过改变液态透镜中液体的曲率来改变焦距，完成不同工作距离下的对焦目的。

如图1所示，在本实施例中，除液态透镜外，所有镜片表面均度了蓝光(465～475nm)用窄带增透膜。基于光路设计考虑，第一透镜1为双凸透镜，第二透镜2为凸凹透镜，第三透镜3为凸凹透镜，第四透镜4为凸凹透镜，第五透镜5为双凹透镜，第六透镜8为凹凸透镜，第七透镜9为凹凸透镜，第八透镜10为凸凹透镜，第九透镜11为双凸透镜，第十透镜12为双凸透镜。需要说明的是，第一透镜组的主要作用是对应物方视野远心光路，收敛物方发光点的各个主光线和光轴的角度；液态透镜主要是调整补偿像面的位置；第二透镜组对应像方视野的远心光路，收敛到像方的各个主光线和光轴的角度，保证整个系统的像面大小和光学倍率；上述各透镜的曲率和材料均通过像差校正的优化，位置不会发生改变，从而能够提高整个远心光学系统的稳定性。

如图1所示，为了限制光束或限制视场(成像范围)大小，本实施例的远心光学系统中还可设置光阑7，光阑7设置于液体透镜6右侧，另外，光阑7还可用于对光束进行整形优化，提高光束质量；作为示例，光阑7例如可以是液态透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏，也就是说，在其他实施例中，远心光学系统也可不专门设置光阑7，而利用液态透镜的边缘、框架等作为光阑7使用。

如图1所示，远心光学系统采用10片的光学模型，透镜的物面是指该透镜朝向物侧14的一面，而像面是该透镜朝向像侧13的一面。在本实施例中，远心光学系统的各透镜的形状和曲率参数如下：第一透镜1物面为凸球面，曲率半径68.3mm，像面为凸球面，曲率半径-613.2mm；第二透镜2物面为凸球面，曲率半径47mm，像面为凹球面，曲率半径99.7mm；第三透镜3物面为凸球面，曲率半径49.9mm，像面为凹球面，曲率半径76.3mm；第四透镜4物面为凸球面，曲率半径28.7mm，像面为凹球面，曲率半径92.4mm；第五透镜5物面为凹球面，曲率半径-227.1mm，像面为凹球面，曲率半径12.6mm；第六透镜8物面为凹球面，曲率半径-10.8mm，像面为凸球面，曲率半径-13.8mm；第七透镜9物面为凹球面，曲率半径-51.2mm，像面为凸球面，曲率半径-19.6mm；第八透镜10物面为凸球面，曲率半径201.9mm，像面为凹球面，曲率半径58.5mm；第九透镜11物面为凸球面，曲率半径64.2mm，像面为凸球面，曲率半径-57.5mm；第十透镜12物面为凸球面，曲率半径293.2mm，像面为凸球面，曲率半径-141.2mm；其中，为了保证成像质量，各透镜的口径偏差不大，各透镜的曲率半径的公差约束在牛顿环3个光圈范围内。需要说明的是，所述各透镜的形状参数可以根据需要进行灵活的调整，并不限于上述列举的参数。

在本实施例中，该远心光学系统的各透镜及液态透镜之间的光学间隔参数如下：第一透镜1到第二透镜2间隔为14.081mm，公差+/-0.4mm；第二透镜2到第三透镜3间隔为6.061mm，公差+/-0.1mm；第三透镜3到第四透镜4间隔为11.156mm，公差+/-0.03mm；第四透镜4到第五透镜5间隔为1.973mm，公差+/-0.01mm；第五透镜5到液体透镜6间隔为5.237mm，公差+/-0.1mm；液态透镜到第六透镜8间隔为3.396，公差+/-0.15mm；第六透镜8到第七透镜9间隔为2.071，公差+/-0.1mm；第七透镜9到第八透镜10间隔为13.545mm，公差+/-0.3mm；第八透镜10到第九透镜11间隔为1.47mm，公差+/-0.1mm；第九透镜11到第十透镜12间隔为11.294mm，公差+/-0.3mm；第六透镜8到像面间隔为78.47mm，公差+/-0.02mm。需要说明的是，所述的光学间隔可以根据需要进行灵活的调整，并不限于上述列举的尺寸。

在本实施例中，在远心光学系统中，除液态透镜外的其他透镜为玻璃透镜。具体地，液态透镜例如可采用康宁公司的A-39N(当然也可采用其他型号的能够满足光路要求的液态透镜)，该液态透镜根据驱动电压的不同，曲率形态也不同，从而对应不同的工作距离；在一具体示例中，可利用它在驱动电压36V\47V\52V(当然也可以是其他合适的驱动电压)三种电压驱动下的曲率形态，分别对应工作距离133mm\150mm\183mm的远心光学系统；除所述液态透镜外的其他透镜的材质如下：在一可选实施例中，所述第一透镜1采用氟冕玻璃。第二透镜2可采用氟冕玻璃。第三透镜3可采用重磷冕玻璃。第四透镜4可采用镧冕玻璃。第五透镜5可采用重火石玻璃。第六透镜8可采用重钡火石玻璃。第七透镜9可采用冕玻璃。第八透镜10可采用重火石玻璃。第九透镜11可采用重镧火石玻璃。第十透镜12可采用重镧火石玻璃。需要说明的是，该示例的远心光学系统的材料可根据实际情况进行调整，并不限于上述形状和尺寸；可以理解的是，在其他实施例中，所述远心光学系统的除液态透镜之外的各透镜也可以采用玻璃透镜与塑胶透镜的组合，或者全部采用塑胶透镜。

在本实施例中，远心光学系统的工作波长介于465nm～675nm之间，通过不同折射率和色散系数的透镜对整个系统的轴向色差和垂轴色差做了补偿校正；远心光学系统的最大的半视场为19.2mm；远心光学系统的工作距离介于133mm～183mm之间，譬如133mm，150mm，183mm或者其他合适的值。

图2-6分别示出了工作距离为133mm的远心光学系统的场曲(Field Curvature)图、畸变(Distortion)图、傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图、像面相对照度图及弥散图等性能图；图7-11分别示出了工作距离为150mm的远心光学系统的场曲(Field Curvature)图、畸变(Distortion)图、傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图、像面相对照度图及弥散图等性能图；图12-16分别示出了工作距离为183mm的远心光学系统的场曲(FieldCurvature)图、畸变(Distortion)图、傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图、像面相对照度图及弥散图等性能图。

图2和图3示出了工作距离为133mm的远心光学系统的场曲(Field Curvature)图和畸变(Distortion)图；图7和图8示出了工作距离为150mm的远心光学系统的场曲(FieldCurvature)图和畸变(Distortion)图；图12和图13示出了工作距离为183mm的远心光学系统的场曲(Field Curvature)图和畸变(Distortion)图；在场曲(Field Curvature)图中，实线代表子午(Tangential)曲线，而虚线代表弧矢(Sagittal)曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应光学系统的(半)视场区间Y+，在畸变(Distortion)图中，横坐标是畸变百分比，纵坐标对应定焦光学系统对应的(半)视场区间Y+，3条曲线分别代表该定焦光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时畸变(Distortion)图，需要说明的是，由于本发明的远心光学系统旋转对称，因此图2、图3、图5、图6、图7、图8、图10、图11、图12、图13、图15及图16只研究半视场的性能。从上述不同工作距离的远心光学系统的场区图及畸变图中可以看出一般最大的畸变会出现在视场的整个边缘位置，畸变是按照视场从小到大逐渐增加的规律分布的，最大畸变为0.112％。

图4示出了工作距离为133mm的远心光学系统的傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图；图9示出了工作距离为150mm的远心光学系统的傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图；图14示出了工作距离为183mm的远心光学系统的傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图；在上述各傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图中，横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数模数(Modulus of the OTF)，实线代表子午(Tangential)曲线，而虚线代表弧矢(Sagittal)曲线，从图中可以看出在工作波段下，整个光学系统的空间传递函数，这是整个光学系统在这个波段下工作的性能参数之一，是整个系统分辨率评价的方式，上述各傅里叶变换的调制传递函数(OTF)图中示出了不同视场的对应的子午和弧矢曲线图。

图5示出了工作距离为133mm的远心光学系统的像面照度图；图10示出了工作距离为150mm的远心光学系统的像面照度图；图15示出了工作距离为183mm的远心光学系统的像面照度图；在上述各像面照度图中，横坐标为(半)视场区间，纵坐标为相对照度(RelativeIllumination)。相对照度主要体现光线经过光学系统后像面不同的区域内光照分布的情况，体现了不同视场光照度的衰减情况，是评价整个光学系统像面照度的重要指标。上述各像面照度图中的像面照度曲线在0.98-1.0之间，说明随着视场大小的变化照度的均匀性也会有相应的变化，随视场的增大，像面照度逐渐下降。

图6示出了工作距离为133mm的远心光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时弥散圆；图11示出了工作距离为60mm的远心光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时弥散圆；图16示出了工作距离为183mm的远心光学系统在波长为465nm、470nm和475nm时弥散圆图；上述各弥散圆分别体现了工作距离为133mm、150mm和183mm的远心光学系统在不同视场成像像差的情况，不同视场区域内像差的分布，也是评价一个光学系统整体成像特性的一种重要的方式，从图6、图11、图16可观察到各个视场像差已经校到的极限。

实施例二

本实施例提供一种远心光学镜头，该远心光学镜头包括上述实施例一种所述远心光学系统。本实施例将实施例一中的远心光学系统应用于远心光学镜头中，同样地，能够将原有固定工作距离对焦的远心镜头拓展为50mm范围内可调工作距离的对焦镜头，大大拓展了远心镜头的应用限制，使得视觉检测方案整体硬件成本和工作效率有了显著提升。

进一步地，本实施例可以通过控制液态透镜驱动电压来实时调整整个远心光学系统或远心镜头的对焦位置，完成不同工作距离下快速对焦的目的；由于采用液态透镜实现对焦，在对焦过程中镜片没有位移，稳定性更好、对焦速度更快；

此外，本实施例所述的远心光学系统或远心镜头不用设置驱动电机，不仅整体体积更小，结构更紧凑，而且成本更低。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。