一種超大視場的物像雙側遠心光學系統的製作方法
2023-05-27 18:45:51
本發明涉及一種用於視覺檢測的光學系統，具體涉及一種超大視場的物像雙側遠心光學系統。
背景技術：
隨著自動化技術的普及和深入，工業在線測量的應用也越來越廣泛，視覺測量以高效、穩定、非接觸等優勢配合自動化產線的應用也越來越發揮其更大的優勢。目前主流的高精度視覺測量都依賴於物像雙側遠心光學系統來實現，受制於這種光學系統目前只能做到的拍攝視野為200mm，很多大尺寸的產品在線檢測就變得很困難，甚至無法檢測。國內也有公司在技術和工藝上在做拍攝視野為200mm以上的雙側遠心光學系統，但是這種光學系統難以控制畸變，所以目前還沒有很好的解決方案。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種超大視場的物像雙側遠心光學系統，它使拍攝視野達到350mm，並且整個系統的畸變小於0.1％。
本發明的目的是這樣實現的：一種超大視場的物像雙側遠心光學系統，包括自前至後依次設置於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、像面為凸球面的後鏡片膠合而成；
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有光闌；
所述第一透鏡到第二透鏡的光學間隔為159.744mm；所述第二透鏡到第三透鏡的光學間隔為398.952mm；第三透鏡到所述膠合片的光學間隔為190mm；所述膠合片到光闌的光學間隔為5.25mm；所述光闌到第四透鏡的光學間隔為13.81mm；所述第四透鏡到第五透鏡的光學間隔為3.2mm；所述第五透鏡到成像面的光學間隔為21.26mm；
所述主光軸與物方入射光線和像方出射光線的平行偏差角均為±0.6度。
上述的超大視場的物像雙側遠心光學系統，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,所述膠合片的後鏡片的物面與前鏡片41的像面膠合，該後鏡片的物面的曲率和前鏡片的像面的曲率一致，該後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。
上述的超大視場的物像雙側遠心光學系統，其中，所述第一透鏡至第三透鏡均採用冕玻璃製作；所述膠合片的前鏡片採用鑭冕玻璃製作；所述膠合片的後鏡片採用重火石玻璃製作；所述第四透鏡採用重磷冕玻璃製作；所述第五透鏡採用重火石玻璃製作。
本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統由五個透鏡和一個膠合片並按照一定的光學間隔組成，它解決了以下兩個問題：
1)使拍攝視野達到350mm；
2)在拍攝視野達到350mm的狀態下，使視場內的最大畸變小於0.1％。
本發明的技術方案突破了現有行業內這種遠心光學鏡頭的產品局限，解決了在視野大於200mm的範圍內仍能實現微米量級光學測量的問題，為自動化大視野的視覺測量拓展了更廣闊的應用空間。
附圖說明
圖1為本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統的結構示意圖；
圖2為本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統的畸變和場曲圖；
圖3是本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統的調製光學傳遞函數曲線圖；
圖4是本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統的像面照度曲線圖；
圖5是本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統的彌散圓示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步說明。
請參閱圖1，本發明的一種超大視場的物像雙側遠心光學系統，包括自前至後依次設置於主光軸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採用冕玻璃(h-k9l)製作並且物面為凸球面，曲率半徑為126.8mm，像面為平面，曲率半徑為正無窮；
第二透鏡2採用冕玻璃(h-k9l)製作並且物面為凸球面，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採用冕玻璃(h-k9l)製作並且物面為凹球面，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和後鏡片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；後鏡片42的物面為凸球面並且曲率和前鏡片41的像面的曲率一致，該後鏡片42的像面為凹球面，曲率半徑為46.79mm；膠合片4的前鏡片41採用鑭冕玻璃(h-lak52)製作，膠合片4的後鏡片42採用重火石玻璃(h-zf4)製作；
第四透鏡6採用重磷冕玻璃(h-zpk1)製作並且物面為凸球面，曲率半徑為219.8mm,像面為凸球面，曲率半徑為231mm；
第五透鏡7採用重火石玻璃(h-zf4)製作並且物面為凸球面，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之間設有光闌5；
第一透鏡1到第二透鏡2的光學間隔為159.744mm；第二透鏡2到第三透鏡3的光學間隔為398.952mm；第三透鏡3到膠合片4的光學間隔為190mm；膠合片4到光闌5的光學間隔為5.25mm；光闌5到第四透鏡6的光學間隔為13.81mm；第四透鏡6到第五透鏡7的光學間隔為3.2mm；第五透鏡7到成像面8的光學間隔為21.26mm；
主光軸10與物方入射光線20和像方出射光線30的平行偏差角均為±0.6度。物方入射光線20的遠心度＜0.03％；像方出射光線30的遠心度＜0.06％。
本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統，採用的工作光波段為420nm-650nm，並通過不同折射率和色散係數的膠合片對整個系統的軸向色差和垂軸色差做了補償校正。
本發明的超大視場的物像雙側遠心光學系統解決了以下兩個問題：
1)如何使拍攝視野達到350mm；對於這個問題，本發明採用的第一透鏡的直徑大於300mm，由於目前國內的光學冷加工工藝無法保證直徑大於300mm以上的球面透鏡的曲率精度，而對於視覺測量用的雙側遠心光學系統來說，曲率面形的精度直接決定了整個系統的成像精度，其中對於球差、場曲等光學像差來說影響非常大。因此本發明僅將第一透鏡的物面做成曲率球面，像面做成了平面，又對該曲率球面的面型精度做了公差分析，對於目前的光學冷加工來說完全可以使這個曲率球面的光圈值可以放寬到4個光圈。
2)如何在拍攝視野達到350mm的狀態下，使視場內的最大畸變小於0.1％；對於這個問題，由於視場大的光學系統在物方邊緣到0.7倍邊緣的區域會出現比較大的光學畸變，在設計這個物像雙側遠心系統時，考慮到本系統是應用在圖像測量領域的，必須要把整個視場範圍內的畸變控制下來，為此通過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間隔，並通過調整物方入射光線的遠心度和像方出射光線的遠心度，將整個系統的最大畸變控制在0.08％以內，具體可參見圖2。圖2表示在不同視場內，整個光學系統成像的畸變大小，橫坐標表示畸變的百分比，縱坐標表示光學系統對應的視場區間，一般畸變最大的位置出現在整個視場的邊緣，上圖可以看到畸變是按照規律分布的，且最大畸變量在0.08％。
另外，為了保證整個系統的成本，將第一透鏡至第三透鏡均採用價格便宜的冕玻璃製作。
圖2表示在不同視場內，整個光學系統成像的畸變大小，橫坐標表示畸變的百分比，縱坐標表示光學系統對應的視場區間，一般畸變最大的位置出現在整個視場的邊緣，從圖2可以看到畸變是按照規律分布的，且最大畸變量在0.08％。
圖3表示在工作波段下，本發明的整個光學系統的空間傳遞函數，這是整個系統在這個波段下工作的性能參數之一，是整個系統的解析度的一種評價方式。圖3中顯示了不同視場的曲線圖。
圖4體現光線經過光學系統後像面不同區域內光照分布情況，體現了不同視場光照度的衰減情況，從圖4中可以看到曲線接近於一條直線，且都在1的位置，說明整個視場範圍內照度非常均勻，衰減可以忽略。
圖5體現了不同視場成像的像差體現情況，體現了不同視場區域內像差的分布，也是評價一個光學系統整體成像特性的一種重要方式。從圖5中可以看到各個視場的像差都已經校正到極限。
本發明的技術方案突破了現有行業內這種遠心光學鏡頭的產品局限，解決了在視野大於200mm的範圍內仍能實現微米量級光學測量的問題，為自動化大視野的視覺測量拓展了更廣闊的應用空間。
以上實施例僅供說明本發明之用，而非對本發明的限制，有關技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案也應該屬於本發明的範疇，應由各權利要求所限定。