大靶面高清低畸变工业用镜头及其调焦方法与流程

本发明涉及一种大靶面高清低畸变工业用镜头及其调焦方法。

背景技术：

随着科学技术迅速发展以及人类对科技探索的不断深入，工业自动化已经开始进入了“机器视觉时代”。通过工业镜头与工业相机相结合，进行工业检测、高精度测量、缺陷检测、定位识别等，大大提升了工业制造的效率和成果；尤其是在一些人工无法触及的工作环境里，都可以通过机器视觉技术去实现，并有效的保障人类的利益和安全。在未来的工业发展中，机器视觉技术将逐步取代人工作业，降低人工成本，提升作业效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大靶面成像、大通光径、分辨率高的大靶面高清低畸变工业用镜头及其调焦方法。

本发明采用以下方案实现：一种大靶面高清低畸变工业用镜头，所述镜头的光学系统包括沿入射光路自前向后依次设置的前组镜片a、光阑c、后组镜片b；所述前组镜片a包括自前向后依次设置的正弯月透镜a-1、正弯月透镜a-2、双凸透镜a-3和双凹透镜a-4密接的第一胶合组；所述后组镜片b包括自前向后依次设置的负弯月透镜b-1和正弯月透镜b-2密接的第二胶合组、双凸透镜b-3、正弯月透镜b-4和负弯月透镜b-5密接的第三胶合组。

进一步的，所述前组镜片a与后组镜片b之间的空气间隔为7.562mm，前组镜片a与光阑c之间的空气间隔为2.593mm；前组镜片a中正弯月透镜a-1与正弯月透镜a-2之间的空气间隔为3.445mm、正弯月透镜a-2与第一胶合组之间的空气间隔为0.1mm；后组镜片b中第二胶合组与双凸透镜b-3之间的空气间隔为3.587mm、双凸透镜b-3与第三胶合组之间的空气间隔为8.385-8.795mm。

进一步的，所述镜头的机械结构包括主套筒，所述主套筒的内孔中安装有能相对其轴向移动的前组镜筒，所述前组镜筒的内孔前部安装有前组镜片a，前组镜筒的内孔后部固定安装有后组镜筒，所述后组镜筒的内孔中安装有后组镜片b的第二胶合组和双凸透镜b-3；主套筒后端固定连接有镜头底座，所述镜头底座内孔中安装有后组镜片b的第三胶合组，所述主套筒上安装有用以控制前组镜筒和后组镜筒前后移动的调焦机构。

本发明另一技术方案：一种如上所述大靶面高清低畸变工业用镜头的调焦方法，采用半组式调焦方式，通过调焦机构控制前、后组镜筒做前后直线移动实现调焦。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明大靶面高清低畸变工业用镜头实现了大靶面成像、大通光径、低畸变和高分辨率，采用半组式调焦方式，有效的保证了近距离拍摄时的高清成像,并为工业成像系统提供优于2000万像素的分辨率。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例镜头光学系统构造图；

图2为本发明实施例镜头整体结构剖面图；

图3为本发明实施例镜头mtf曲线图；

图4为本发明实施例镜头畸变变化曲线；

图中标号说明：1-滤镜尺寸、2-前组镜筒、3-调焦凸轮、4-螺钉a、5-调焦环、6-定位销、7-外罩、8-沉头螺钉a、9-光阑、10-光阑钉、11-光阑限位槽、12-后组镜筒、13-光阑摇柄、14-沉头螺钉b、15-c-mount、16-镜头底座、17-后压圈、18-前压圈、19-限位直槽、20-隔圈a、21-斜槽、22-隔圈b、23-调焦固定螺钉、24-螺钉b、25-沉头螺钉c、26-主套筒、27-光阑固定螺钉、28-隔圈c、29-光阑环、30-中压圈、31-正弯月透镜、32-正弯月透镜、33-双凸透镜、34-双凹透镜、35-光阑c、36-负弯月透镜、37-正弯月透镜、38-双凸透镜、39-正弯月透镜、40-负弯月透镜、41-成像面、42-第一胶合组、43-第二胶合组、44-第三胶合组。

具体实施方式

如图1~4所示，一种大靶面高清低畸变工业用镜头，所述镜头的光学系统包括沿入射光路自前向后依次设置的前组镜片a、光阑c、后组镜片b；所述前组镜片a包括自前向后依次设置的正弯月透镜a-1、正弯月透镜a-2、双凸透镜a-3和双凹透镜a-4密接的第一胶合组；所述后组镜片b包括自前向后依次设置的负弯月透镜b-1和正弯月透镜b-2密接的第二胶合组、双凸透镜b-3、正弯月透镜b-4和负弯月透镜b-5密接的第三胶合组。

在本实施例中，所述前组镜片a与后组镜片b之间的空气间隔为7.562mm，前组镜片a与光阑c之间的空气间隔为2.593mm；前组镜片a中正弯月透镜a-1与正弯月透镜a-2之间的空气间隔为3.445mm、正弯月透镜a-2与第一胶合组之间的空气间隔为0.1mm；后组镜片b中第二胶合组与双凸透镜b-3之间的空气间隔为3.587mm、双凸透镜b-3与第三胶合组之间的空气间隔为8.385-8.795mm，所述后组镜片b中第三胶合组44与成像面41之间的空气间隔为：11.805mm；该工业用镜头光学系统设计为六组九片玻璃镜片，采用半组式调焦方式，有效的保证了近距离拍摄时的高清成像,并为工业成像系统提供优于2000万像素的分辨率；该工业镜头可用于工业组装精密对位、机械零件尺寸测量、缺陷检测等相关工业检测应用。

本发明镜头中各个镜片的具体参数见下表：

本发明镜头光学系统实现的技术指标如下：

①靶面规格：1.1"；

②焦距：f´=50mm；

③相对孔径：f2.0；

④畸变：≤0.5%；

⑤分辨率：优于2000万像素；

⑥光路总长：≤62.524±0.1mm；

⑧接口类型：c-mount；

⑨光圈及聚焦方式：手动调节。

该工业用镜头的光学系统通过精心的选配前、后组六组九片镜片玻璃材料，合理有效的搭配了前、后镜片组之间的折射率，并通过合理的优化模拟，从而校正了像散、色差、降低了畸变；使镜头中心在150lp/mm时，mtf值≥0.45；边缘在150lp/mm时，mtf值≥0.35（如图3），使得该光学系统成像分辨率优于2000万像素且畸变≤0.5%（如图2）。

在本实施例中，所述镜头的机械结构包括主套筒26，所述主套筒26的内孔中安装有能相对其轴向移动的前组镜筒2，所述前组镜筒2的内孔前部安装有前组镜片a，前组镜筒2的内孔后部固定安装有后组镜筒12，所述后组镜筒12的内孔中安装有后组镜片b的第二胶合组和双凸透镜b-3；主套筒26后端固定连接有镜头底座16，所述镜头底座16内孔中安装有后组镜片b的第三胶合组，所述主套筒26上安装有用以控制前组镜筒和后组镜筒前后移动的调焦机构。

前组镜筒2沿光线入射方向自前向后依次安装有前压圈18、正弯月透镜a-1、隔圈a、正弯月透镜a-2、隔圈b以及第一胶合组42,前组镜筒2内、外径采用数控车床一次加工成型，将其内、外径同轴度管控在0.01mm内，有效的保证了前组镜片和隔圈的同轴；其中隔圈a用于保证正弯月透镜a-1和正弯月透镜a-2之间的空气间隔，隔圈b用于保证正弯月透镜a-2和第一胶合组42之间的空气间隔；为了减小入射杂光对镜头光学系统成像的影响，将隔圈a、隔圈b内周设计成台阶消光纹，通过消光纹的折射和反射有效的减小杂光，从而保证了镜头的成像质量；其中前压圈外周设计有外螺纹通过与前组镜筒前部内螺纹相配合，并与正弯月透镜a-1前端面边缘相抵接，从而有效保证前组镜片的配合同轴度以及结构的稳定性；进一步的为满足客户加装滤光片的需求，在前组筒前部还设计了滤镜尺寸1，功能在于不同客户可能自己选装适合的滤镜。

后组镜筒12沿光线入射方向自前向后依次安装有第二胶合组43、隔圈c、双凸透镜b-3以及中压圈；后组镜筒12内、外径采用数控车床一次加工成型，将其内、外径同轴度管控在0.01mm内，有效的保证了前组镜片和隔圈的同轴；其中隔圈c用于保证第二胶合组43和双凸透镜b-3之间的空气间隔；同样将隔圈c内周设计成台阶消光纹，通过消光纹的折射和反射有效的减小杂光，从而保证了镜头的成像质量；其中中压圈外周设计有外螺纹通过与后镜筒后部内螺纹相配合，并与双凸透镜b-3右面相抵接，从而有效保证第二胶合组43、隔圈c、双凸透镜b-3配合同轴度以及结构的稳定性；为使实现半组式调焦时前组筒和后组筒一起移动，前组筒后部外周设计有三个沉孔，后组筒前部外周设计了三个螺纹孔，将后组筒前部套入前组筒后部，螺纹孔对准沉孔，并将3颗沉头螺钉25穿过沉孔锁付在后组筒上，从而形成联动。

镜头底座主要用于装载第三胶合组44和后压圈17，后压圈17外周设计有外螺纹与镜头底座后部内相配合，并与第三胶合组44右面相抵接，从而有效保证第三胶合组44的配合同轴度，以及结构的稳定性；同时为了实现半组式调焦时第三胶合组44固定不动，镜头底座前部内周套在套筒后部外周上，并通过3颗沉头螺钉14将镜头底座锁付固定在套筒上，从而保证第三胶合组44固定不动，实现了半组式调焦；进一步为满足绝大多数工业相机的使用，将镜头底座后部接口设计为主流的c-mount，进一步提升市场竞争力。

在本实施例中，所述调焦机构包括调焦凸轮、调节环和定位销；采用“对称式斜槽+定位销滑动”设计方案；同时为保证前、后组镜片不发生圆周运动，在主套筒前部外周两侧采用“对称式限位滑块”设计方案；具体实施方案如下：调焦凸轮3外周采用了两个对称式斜槽，并将对称式斜槽螺旋方向设计为顺时针运动；为保证前、后组镜片不发生圆周运动，在主套筒前部外周两侧设计了与两个对称式斜槽配合的两个直槽，而后通过2颗定位销6与前组镜筒前部外周两个螺纹孔进行锁付固定，限制在对称式斜槽和直槽内形成限位；进一步为了使调焦更柔顺、手感更轻盈，在调焦凸轮外周还设计有调焦环5，并通过三颗螺钉a进行锁付固定在调焦凸轮上；最终通过手动旋转调焦环5带动调焦凸轮3一起做周向旋转，使得定位销在对称式斜槽和直槽内滑动，从而带动前、后组镜筒做前后直线调焦。

所述光阑c为手动光阑，为保证手动光阑的稳定性，手动光阑采用整体式组入方式，将整体式光阑c通过三颗螺钉b与前组镜筒后部内侧三个螺纹孔相配合固定，与前组镜筒形成一体；进一步为限制光阑c转动角度超出使用行程，在套筒后部外周设计了一个光阑限位槽；进一步为使该光阑能满足不同环境的调节设计了光阑环29，并在光阑环29外周设计有与光阑钉10相配合的螺纹孔；具体实施如下：光阑环29套在主套筒后部外周，并将螺纹孔对准光阑限位槽，而光阑钉通过与光阑环上的螺纹孔锁付固定，光阑钉穿过主套筒侧部设置的光阑限位槽后与光阑摇柄13相连接并形成一体联动；最终通过手动旋转光阑环带动光阑摇柄一起做圆周旋转。

为了进一步为增加镜头使用性，在调焦环和光阑环上分别设置有用于固定的锁紧螺钉，分别是调焦固定螺钉23和光阑固定螺钉27，以保证其最终固定；为了进一步提高镜头外观的一致性，整体外观采用了一致的铣花和氧化工艺，保证了镜头整体的美观性；为了进一步满足绝大多数工业相机的使用，将镜头接口设计为主流的c-mount，提升了市场竞争力。

一种如上所述大靶面高清低畸变工业用镜头的调焦方法，采用半组式调焦方式，通过调焦机构控制前、后组镜筒做前后直线移动实现调焦；具体操作是手动旋转调焦环带动调焦凸轮一起做周向旋转，使得定位销在对称式斜槽和直槽内滑动，从而带动前、后组镜筒做前后直线移动实现调焦。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。