本發(fā)明涉及一種超大靶面、超高分別率、零畸變、超大光圈的工業(yè)鏡頭。

背景技術(shù)：

伴隨著加工制造業(yè)開始向高精尖的方向轉(zhuǎn)型，機(jī)器視覺的市場也得到了前所未有的開拓。簡單地說，機(jī)器視覺系統(tǒng)就是用機(jī)器來代替人眼：在不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)環(huán)境或人眼生理極限難以滿足要求的場合，機(jī)器視覺就可以發(fā)揮作用；在大批量生產(chǎn)中，人工視覺檢查效率低下且精度不高，機(jī)器視覺能極大地提高生產(chǎn)效率與自動化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進(jìn)行快速地測量、引導(dǎo)、檢測、識別和定位，形成一條高質(zhì)量的生產(chǎn)鏈系統(tǒng)。時(shí)至今日，機(jī)器視覺已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)學(xué)科的重要分支。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的眼睛就是工業(yè)相機(jī)，相機(jī)的眼瞳便是鏡頭，可以說鏡頭的質(zhì)量直接決定了系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)對應(yīng)傳感器架構(gòu)的不同，又分為線掃描鏡頭和面掃描鏡頭。由于線掃描相機(jī)具有高傳輸速率、超高分辨率、大動態(tài)范圍、高靈敏度的天然優(yōu)勢，因而對于連續(xù)高速運(yùn)動、高精度檢測、大幅面視場的工業(yè)檢測項(xiàng)目，線掃描相機(jī)是必然的選擇。

線陣傳感器的感光部是一段狹長的線型區(qū)域，對應(yīng)鏡頭的成像靶面會達(dá)到數(shù)英寸之大，常規(guī)的工業(yè)鏡頭有效像圓過小，根本無法滿足使用需求；不同于一般的攝影鏡頭，工業(yè)檢測對于畫面中心與周邊的像質(zhì)差異、明暗變化、畸變有著苛刻的要求，為了保證性能的優(yōu)良，鏡頭往往只能在體積與長度上妥協(xié)，因而鏡頭安裝要預(yù)留很大的空間。因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境的差異和檢測對象的不同，過于龐大的鏡頭難以在各種檢測場合下兼容使用；隨著很多精密制造業(yè)的興起，諸多工業(yè)檢測的要求都達(dá)到了幾微米的數(shù)量級，市面上已有的工業(yè)鏡頭，其最小分辨率大都在10微米以上，已經(jīng)不再適用；同時(shí)，為了得到精細(xì)的畫面與銳利的拍攝效果，要求鏡頭的光圈盡可能做大，但是長焦段的線掃描工業(yè)鏡頭光圈普遍較小。

專利公開文獻(xiàn)P2011-107313A該專利中介紹了一款小型化的工業(yè)鏡頭，但是其像高過小，無法適用于大靶面的線掃描工業(yè)相機(jī)。

總體上，現(xiàn)有技術(shù)具有如下缺點(diǎn)：

1.鏡頭超大靶面與小體積難以實(shí)現(xiàn)。由于線陣傳感器的像素點(diǎn)是以一列或幾列的線型排列，同時(shí)為了保證單顆像素的進(jìn)光量充足，像素點(diǎn)往往較大，這使得感光區(qū)域非常狹長。傳統(tǒng)的大靶面成像常常使用數(shù)個相機(jī)拍攝，獲取圖像后再進(jìn)行拼接與合成，但這一過程帶來的巨大計(jì)算量，在要求越來越嚴(yán)格的實(shí)時(shí)監(jiān)測中已經(jīng)成為硬傷。越來越多的工業(yè)檢測開始尋求一款具有超大靶面的工業(yè)成像鏡頭。受限于現(xiàn)有的加工和組裝工藝，數(shù)英寸的有效圓徑會使得鏡頭的設(shè)計(jì)難度呈幾何式增長，不得不使用大量的鏡片堆疊與及其復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，眾多的鏡片會造成鏡頭體積增大，過大的累積公差也會降低鏡頭的組裝良率和效率。如何在較短的體積內(nèi)，用簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大靶面是該款鏡頭的一大技術(shù)難點(diǎn)。

2.過多使用非球面鏡片。近年來，晶圓陣面、電路集成等工藝都已經(jīng)達(dá)到了1μm的數(shù)量級，必須要求檢測鏡頭的分辨率也達(dá)到這一水準(zhǔn)。為了保證生產(chǎn)中被測物體的中心與邊緣都能被清晰地捕捉到，要求鏡頭必須實(shí)現(xiàn)無畸變、中心與周邊的性能沒有明顯差異，周邊光量無明顯變化。普通的工業(yè)鏡頭常通過使用非球面鏡片來實(shí)現(xiàn)上述要求，非球面的使用可以有效提升成像質(zhì)量、平衡畫面中心與周邊的性能差異。而在鏡頭前端約束光線的面型上使用非球面，可以大大約束成像變形量，達(dá)到無畸變的效果。但是非球面具有高敏感度的特性決定了精密的工業(yè)鏡頭中，難以使用非球面鏡片。采用純球面鏡片的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述需求成為該鏡頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3.大光圈鏡頭的設(shè)計(jì)難度。鏡頭的光圈大小直接決定了成像的亮度，較大的光圈口徑也能使得畫面的觀感更為銳利，細(xì)節(jié)再現(xiàn)的真實(shí)感大大增強(qiáng)。但是同樣的，大光圈也會造成成像質(zhì)量下降、鏡頭體積增大、景深過淺等問題，給光學(xué)設(shè)計(jì)帶來很大的難度。如何在規(guī)避以上問題的前提下，盡可能地放大鏡頭的光圈也是目前需要攻克的一個難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種超大靶面、億萬級分辨率、零畸變、具有超大光圈、較小體積的線掃描光學(xué)鏡頭。

基于對以上各類工業(yè)鏡頭固有缺陷的研究，本發(fā)明根據(jù)經(jīng)典光學(xué)成像公式的推演計(jì)算，結(jié)合在設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，并通過專業(yè)軟件仿真驗(yàn)證，以期創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種新型結(jié)構(gòu)的工業(yè)鏡頭，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的鏡頭各種缺陷，使其具有更為優(yōu)異的性能和更為廣泛的適用性。經(jīng)過不斷的試驗(yàn)與改進(jìn)，并在實(shí)際環(huán)境中模擬測試，完成了本發(fā)明設(shè)計(jì)，

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種光學(xué)鏡頭，沿光軸從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片L1、具有正光焦度的第二鏡片L2、具有正光焦度的第三鏡片L3、具有正光焦度的第四鏡片L4、具有負(fù)光焦度的第五鏡片L5、具有正光焦度的第六鏡片L6、具有正光焦度的第七鏡片L7、具有負(fù)光焦度的第八鏡片L8、具有負(fù)光焦度的第九鏡片L9、具有正光焦度的第十鏡片L10、具有正光焦度的第十一鏡片L11、具有正光焦度的第十二鏡片L12、具有負(fù)光焦度的第十三鏡片L13、具有負(fù)光焦度的第十四鏡片L14、具有正光焦度的第十五鏡片L15、具有正光焦度的第十六鏡片L16。其中，所述的第四鏡片L4與第五鏡片L5膠合，所述的第七鏡片L7與第八鏡片L8膠合，所述的第九鏡片L9與第十鏡片L10膠合，所述的第十二鏡片L12與第十三鏡片L13膠合。所述的第八鏡片L8與第九鏡片L9之間，配置有系統(tǒng)的孔徑光闌STP。在成像面IMG，配置有CCD和CMOS等的固體攝像元件的光接收面。

優(yōu)選地，第一鏡片(L1)、具有正光焦度的第二鏡片(L2)和第三鏡片(L3)都為光焦度較小的正透鏡，三者共同構(gòu)成形成光焦度較大的第一鏡片組(G1)，分?jǐn)偭斯饨苟龋行У亟档土烁鱾€鏡片的敏感度；第一鏡片(L1)采用了超低色散玻璃，約束了光學(xué)系統(tǒng)的軸上色差；第二鏡片(L2)、第三鏡片(L3)均采用高折射率材料，極大地改善了球面像差，同時(shí)大幅延長了鏡頭的工作距離。第一鏡片(L1)、第二鏡片(L2)、第三鏡片(L3)滿足以下的條件式：

(1)Vd1>65或Vd2>65

(2)Nd3>1.8

(3)1.65>f123/Φ1r1>0.85

其中Vd1表示鏡片L1的阿貝數(shù)，Vd2表示鏡片L2的阿貝數(shù)，Nd3表示鏡片L3的折射率，f123表示三枚鏡片的總焦距，Φ1r1表示鏡片L1前表面的有效口徑。

優(yōu)選地，第四鏡片(L4)、具有負(fù)光焦度的第五鏡片(L5)、第六鏡片(L6)組成第二鏡片組(G2)，所述的第四鏡片(L4)與第五鏡片(L5)膠合；其中，第四鏡片(L4)和第五鏡片(L5)搭配了合理的鏡片折射率和阿貝數(shù)，有效地減小了光學(xué)系統(tǒng)的軸外色差；鏡片(L6)采用了超低色散玻璃，約束了光學(xué)系統(tǒng)的軸上色差；第四鏡片(L4)、第五鏡片(L5)和第六鏡片(L6)共同作用，緩和了光線的曲折程度。第四鏡片(L4)、第五鏡片(L5)、第六鏡片(L6)滿足以下的條件式：

(4)-2.7>f45/Φ4r1>-4.00

(5)Vd6>65

其中f45表示鏡片L4與鏡片L5膠合鏡片的焦距，Φ4r1表示鏡片L4前表面的有效口徑，Vd6表示鏡片L6的阿貝數(shù)。

優(yōu)選地，第七鏡片(L7)、第八鏡片(L8)、第九鏡片(L9)、第十鏡片(L10)組成第三鏡片組(G3)，所述的第七鏡片(L7)與第八鏡片(L8)膠合，所述的第九鏡片(L9)與第十鏡片(L10)膠合。其中，第八鏡片(L8)與第九鏡片(L9)之間，配置有孔徑光闌(STP)。采用這類正透鏡、負(fù)透鏡、光闌、負(fù)透鏡、正透鏡順序排列的結(jié)構(gòu)，能夠有效地減小光學(xué)系統(tǒng)的尤其是球差、像散和場曲，使得鏡頭中心與周邊達(dá)到相同畫質(zhì)成為可能。第七鏡片(L7)、第八鏡片(L8)、第九鏡片(L9)、第十鏡片(L10)滿足以下的條件式：

(6)1.55>f7/f9>0.55

(7)1.45>f8/f10>0.50

(8)-1.75>f9/f10>-0.55

其中f7表示鏡片L7的焦距，f8表示鏡片L8的焦距，f9表示鏡片L9的焦距，f10表示鏡片L10的焦距。

優(yōu)選地，第十一鏡片(L11)、第十二鏡片(L12)、第十三鏡片(L13)、第十四鏡片(L14)組成第四鏡片組(G4)，所述的第十二鏡片(L12)與第十三鏡片(L13)膠合。其中，超低色散玻璃的使用調(diào)節(jié)了光學(xué)系統(tǒng)的色差，在膠合件中搭配了阿貝數(shù)與折射率，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的場曲。第十一鏡片(L11)、第十二鏡片(L12)、第十三鏡片(L13)、第十四鏡片(L14)滿足以下的條件式：

(9)Vd11>65

(10)Vd12>55

(11)Vd14>60

(12)-1.95>f14/Φ14r1>-3.05

其中Vd11表示鏡片L11的阿貝數(shù)，Vd12表示鏡片L12的阿貝數(shù),Vd14表示鏡片L14的阿貝數(shù),f14表示鏡片L14的阿貝數(shù)，Φ14r1表示鏡片L14前表面的有效口徑。

優(yōu)選地，第十五鏡片(L15)、第十六鏡片(L16)，二者共同形成光焦度較大的第五鏡片組(G5)，分?jǐn)偭斯饨苟?，有效地降低了各個鏡片的敏感度，同時(shí)這一鏡片決定了光學(xué)出瞳的位置，可以有效地壓縮鏡頭的光學(xué)全長，為鏡頭實(shí)現(xiàn)大光圈提供可能。第十一鏡片(L15)、第十二鏡片(L16)滿足以下的條件式：

(13)-1.85>f1516/Φ15r1>-3.20

(14)Nd15>1.8

(15)Nd16>1.8

其中f1516表示兩枚鏡片的總焦距，Φ15r1表示鏡片L15前表面的有效口徑，Nd15表示鏡片L15的折射率，Nd16表示鏡片L16的折射率。

另外，在第十六鏡片(L16)和成像面(IMG)之間，配置有一片保護(hù)玻璃(CG)。保護(hù)玻璃(CG)可根據(jù)需要配置、而在不需要時(shí)可以省略。濾光片(ICF)的作用是濾除雜散光。

本發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.兼顧了鏡頭的超大靶面與小體積

本發(fā)明通過復(fù)雜的光學(xué)計(jì)算，以傳統(tǒng)的雙高斯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過多群組的組合與拆分，優(yōu)化了原有結(jié)構(gòu)的缺陷，將鏡頭的性能提升至億萬級像素的級別。設(shè)計(jì)中，在前群連續(xù)使用高折射率的鏡片，大大壓縮了鏡頭的總長，同時(shí)保證了攝影距離不受損失；而在尾端，在傳統(tǒng)單凸透鏡的基礎(chǔ)上，以雙膠合件配合雙凸透鏡的形式取代，做到了不帶入新的光學(xué)像差的同時(shí)，平穩(wěn)放大了系統(tǒng)的靶面到Φ82mm以上。

2.不使用非球面鏡片

在本發(fā)明中，在前群與后群原本使用非球面鏡片的位置，特別地采用正負(fù)透鏡膠合件配合單透鏡的方式來替代，經(jīng)由光學(xué)模擬軟件嚴(yán)密地推導(dǎo)，反復(fù)修改參數(shù)，在對球差與慧差的控制上做到了與非球面相同的水準(zhǔn)。在鏡頭的凸透鏡元件上，大膽地使用大量異常色散玻璃，也達(dá)到了非球面能夠收斂周邊色差的效果。最終，實(shí)現(xiàn)了不使用非球面鏡片的目標(biāo)。

3.實(shí)現(xiàn)了超大光圈

通過對諸多相似結(jié)構(gòu)的分析和實(shí)物的拆解測試，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中對于光圈敏感部位在鏡頭的后群部分，因此，在這些關(guān)鍵位置采取了多枚凸透鏡堆疊的方式，將中心主光線層層放大，在盡量不影響鏡頭外徑與成像質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)了F0.8的超大光圈，超出目前市面上常見的工業(yè)鏡頭5倍以上。根據(jù)實(shí)測，成像亮度大幅提高、色彩鮮鋭度及其豐富。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1鏡頭相對于d線的各像差圖。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

一種光學(xué)鏡頭，沿光軸從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片(L1)、具有正光焦度的第二鏡片(L2)、具有正光焦度的第三鏡片(L3)、具有正光焦度的第四鏡片(L4)、具有負(fù)光焦度的第五鏡片(L5)、具有正光焦度的第六鏡片(L6)、具有正光焦度的第七鏡片(L7)、具有負(fù)光焦度的第八鏡片(L8)、具有負(fù)光焦度的第九鏡片(L9)、具有正光焦度的第十鏡片(L10)、具有正光焦度的第十一鏡片(L11)、具有正光焦度的第十二鏡片(L12)、具有負(fù)光焦度的第十三鏡片(L13)、具有負(fù)光焦度的第十四鏡片(L14)、具有正光焦度的第十五鏡片(L15)、具有正光焦度的第十六鏡片(L16)。其中，所述的第四鏡片(L4)與第五鏡片(L5)膠合，所述的第七鏡片(L7)與第八鏡片(L8)膠合，所述的第九鏡片(L9)與第十鏡片(L10)膠合，所述的第十二鏡片(L12)與第十三鏡片(L13)膠合。所述的第八鏡片(L8)與第九鏡片(L9)之間，配置有系統(tǒng)的孔徑光闌(STP)。另外，在第十六鏡片(L16)和成像面(IMG)之間，配置有一片保護(hù)玻璃(CG)。保護(hù)玻璃(CG)可根據(jù)需要配置、而在不需要時(shí)可以省略。在成像面(IMG)，配置有CCD和CMOS等的固體攝像元件的光接收面。

以下，示出關(guān)于實(shí)施例1的定焦鏡頭的各種數(shù)值數(shù)據(jù)。

有效焦距EFL＝120.50

F數(shù)＝0.77

垂軸放大率β＝5

表1顯示了實(shí)施例1鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1

符號說明

L1、L2…L16第一透鏡、第二透鏡…第十六透鏡

S1、S2…S30第一表面、第二表面…第三十表面

G1、G2…G5第一鏡片組、第二鏡片組…第五鏡片組

STP孔徑光闌

IMG成像面

CG保護(hù)玻璃。