远心光学系统、取像模组及工业测量设备的制作方法

1.本实用新型涉及精密加工领域，特别是涉及一种远心光学系统、取像模组及工业测量设备。


背景技术：

2.在精密加工制造过程中，通常需要采用工业镜头获取产品的图像，以便对产品进行定位和检测。且在定位或检测过程中，工业镜头的成像质量会影响对产品的定位及检测精度，若工业镜头的畸变、视差等像差过大，会导致产品的定位及检测精度下降。因此，在精密加工领域，要求工业镜头具备优良的成像质量。
3.然而，目前的工业镜头成像质量还有待提升，难以满足精密加工的要求。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种远心光学系统、取像模组及工业测量设备，以提升工业镜头的成像质量。
5.一种远心光学系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括：
6.具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜为双凸透镜；
7.具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜为弯月透镜；
8.具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为弯月透镜；
9.孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述远心光学系统的像方焦平面上；
10.具有负光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凹透镜；
11.具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜为双凸透镜；
12.具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜为双凸透镜；以及
13.具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜为弯月透镜。
14.在其中一个实施例中，
15.所述第二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；和/或
16.所述第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；和/或
17.所述第七透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面。
18.在其中一个实施例中，所述远心光学系统还包括光阑，光阑设置于所述第三透镜及所述第四透镜之间。
19.在其中一个实施例中，所述第四透镜及所述第五透镜胶合，所述第四透镜的物侧面于光轴处的曲率半径为
‑
6.892mm
±
3％，像侧面于光轴处的曲率半径为84.910mm
±
3％，所述第五透镜的像侧面于光轴处的曲率半径为
‑
11.669mm
±
3％。
20.在其中一个实施例中，所述第三透镜的物侧面于光轴处的曲率半径为6.984mm
±
3％，像侧面于光轴处的曲率半径为15.585mm
±
3％。
21.在其中一个实施例中，所述远心光学系统的物方工作距离为110mm，所述远心光学系统的成像圆直径为18mm；和/或
22.所述远心光学系统的光圈数为8；和/或
23.所述第七透镜的像侧面至所述远心光学系统的成像面之间的距离为20.05mm；和/或
24.所述远心光学系统的物像共轭距为300mm。
25.在其中一个实施例中，所述第一透镜的折射率在1.516
‑
1.765之间，所述第二透镜的折射率在1.645
‑
1.823之间，所述第三透镜的折射率在1.523
‑
1.734之间，所述第四透镜的折射率在1.601
‑
1.788之间，所述第五透镜的折射率在1.527
‑
1.704之间，所述第六透镜的折射率在1.685
‑
1.823之间，所述第七透镜的折射率在1.553
‑
1.715之间。
26.在其中一个实施例中，所述第一透镜的阿贝数在50
‑
60之间，所述第二透镜的阿贝数在25
‑
50之间，所述第三透镜的阿贝数在50
‑
60之间，所述第四透镜的阿贝数在25
‑
30之间，所述第五透镜的阿贝数在30
‑
40之间，所述第六透镜的阿贝数在25
‑
50之间，所述第七透镜的阿贝数在50
‑
60之间。
27.一种取像模组，包括感光元件以及上述任一实施例所述的光学系统，所述感光元件设置于所述光学系统的像侧。
28.一种工业测量设备，包括壳体以及上述的取像模组，所述取像模组设置于所述壳体。
29.上述远心光学系统，孔径光阑设置于远心光学系统的像方焦平面上，以构成物方远心光路，由此，在工业镜头采用上述光学系统，当光学系统产生视差或调焦不准时，加工工件于成像面上的像高也不会发生变化，进而避免了因光学系统的视差及调焦不准的问题对尺寸测量精度的影响。同时，形成物方远心光路的所述光学系统畸变程度小，加工工件于成像面上的还原度高，具备优良的成像质量，能够满足精密加工的要求。另外，各透镜的正负光焦度得到合理搭配，使得远心光学系统具备大像面的特性，能够匹配大尺寸的感光元件，以提升远心光学系统的分辨率，进一步满足精密加工的要求。
附图说明
30.图1为本技术一些实施例中远心光学系统的结构示意图；
31.图2为本技术一些实施例中远心光学系统的场曲和畸变曲线图；
32.图3为本技术一些实施例中远心光学系统的mtf曲线图；
33.图4为本技术一些实施例中远心光学系统的垂轴色差曲线图。
具体实施方式
34.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
35.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的
方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
37.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
40.请参见图1，图1示出了本技术一些实施例中远心光学系统100的示意图。远心光学系统100沿光轴由物侧至像侧，即沿光线的入射方向依次包括第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、孔径光阑sto、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6以及第七透镜l7。并且，由物侧至像侧的方向上，第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6以及第七透镜l7的物侧面及像侧面分别为第一曲面s1、第二曲面s2、第三曲面s3、第四曲面s4、第五曲面s5、第六曲面s6、第七曲面s7、第八曲面s8、第九曲面s9、第十曲面s10、第十一曲面s11、第十二曲面s12、第十三曲面s13、第十四曲面s14。来自物侧的光线经远心光学系统100的调节后于远心光学系统100的成像面上成像。
41.具体地，第一透镜l1具有正光焦度，第一透镜l1为双凸透镜，即第一曲面s1与第二曲面s2为凸面。第二透镜l2具有正光焦度，第二透镜l2为弯月透镜，即第二透镜l2的物侧面与像侧面的其中一者为凸面，另一者为凹面。且在一些实施例中，第三曲面s3为凸面，第四曲面s4为凹面。第三透镜l3具有正光焦度，第三透镜l3为弯月透镜，且在一些实施例中，第五曲面s5为凸面，第六曲面s6为凹面。孔径光阑sto设置于远心光学系统100的像方焦平面上。第四透镜l4具有负屈折力，第四透镜l4为双凹透镜，即第七曲面s7与第八曲面s8均为凹面。第五透镜l5具有正屈折力，第五透镜l5为双凸透镜。第六透镜l6具有正屈折力，第六透镜l6为双凸透镜。第七透镜l7具有正光焦度，第七透镜l7为弯月透镜，且在一些实施例中，第十三曲面s13为凸面，第十四曲面s14为凹面。
42.在一些实施例中，第四透镜l4与第五透镜l5相胶合，胶合透镜的设置能够更好地抑制远心光学系统100色差的产生，使远心光学系统100成像的还原度更高，提升远心光学系统100的成像质量。
43.需要说明的是，在本技术中，远心光学系统100各透镜同轴设置，各透镜的轴线即为远心光学系统100的光轴，且远心光学系统100的入光侧为远心光学系统100的物侧，出光侧为远心光学系统100的像侧。在图1所示的实施例中，物面110所在一侧即为远心光学系统100的物侧，像面120所在一侧即为远心光学系统100的像侧，且像面120即为远心光学系统100的成像面。另外，在图1所示的光学系统100中，孔径光阑sto仅示意性描述孔径光阑sto的位置，并不表示孔径光阑sto的孔径大小。
44.上述远心光学系统100，可与感光元件组装形成取像模组(图未示出)，而取像模组可运用于工业镜头中，用于获取如加工工件等产品的图像，以便于对产品进行定位和监测。在获取图像时，产品置于物面110处，产品即为远心光学系统100的被摄物，感光元件设置于远心光学系统100的像侧，感光元件的感光面即为远心光学系统100的成像面，产品于远心光学系统100的成像面，即感光元件的感光面上成像，以获取产品的图像。并且，在一些实施例中，感光元件可以为电荷耦合元件(ccd)或互补金属氧化物半导体器件(cmos sensor)。
45.可以理解的是，孔径光阑sto设置于远心光学系统100的像方焦平面上，使得光学系统100形成物方远心光路，孔径光阑sto作为远心光学系统100的出瞳。此时，交于物方无穷远的主光线通过远心光学系统100后会聚于远心光学系统100的出瞳中心，即孔径光阑sto的中心，主光线在物方的交点位置始终在无穷远处，不随物体移动发生改变。因此在远心光学系统100的成像面上的投影像两端的两个弥散斑中心的主光线位置不随物体的移动而改变，即两个弥散斑中心距离始终不变。而在感光元件上的投影像中，两个弥散斑的中心距离也不随成像面与感光元件的感光面之间的偏移而变化。且远心光学系统100各透镜的正负光焦度满足以上特性时，远心光学系统100的远心度小于0.1
°
，具备良好的远心特性。
46.由此，在工业镜头采用上述远心光学系统100，当远心光学系统100产生视差或调焦不准的情况时，产品于感光元件上成像的像高也不会发生变化，进而避免了因远心光学系统100的视差及调焦不准等问题对尺寸测量精度的影响，提升工业镜头的成像质量。同时，形成物方远心光路的远心光学系统100畸变程度小，产品于成像面上的还原度高，也能够避免畸变对尺寸测量精度的影响，进一步提升工业镜头对产品的测量精度。另外，远心光学系统100的各透镜的正负光焦度得到合理搭配，使得远心光学系统100具备大像面的特性，能够匹配大尺寸的感光元件，以提升远心光学系统100的分辨率，进一步满足精密加工的要求。
47.进一步地，在一些实施例中，第五曲面s5于光轴处的曲率半径为6.984mm
±
3％，第六曲面s6于光轴处的曲率半径为15.585mm
±
3％。第七曲面s7于光轴处的曲率半径为
‑
6.892mm
±
3％，第八曲面s8于光轴处的曲率半径为84.910mm
±
3％，第十曲面s10于光轴处的曲率半径为
‑
11.669mm
±
3％。由于第四透镜l4与第五透镜l5胶合，则第九曲面s9于光轴处的曲率半径等于第八曲面s8于光轴处的曲率半径。当第三透镜l3、第四透镜l4及第五透镜l5的曲率半径满足以上数值范围时，能够对孔径光阑sto的物侧及像侧的透镜的曲率半径进行合理配置，使得第三透镜l3、第四透镜l4及第五透镜l5的面型不会过度弯曲，由此降低第三透镜l3、第四透镜l4及第五透镜l5成型的公差灵敏度，提升成型良率。
48.在一些实施例中，第一透镜l1的折射率在1.516
‑
1.765之间，第二透镜l2的折射率在1.645
‑
1.823之间，第三透镜l3的折射率在1.523
‑
1.734之间，第四透镜l4的折射率在1.601
‑
1.788之间，第五透镜l5的折射率在1.527
‑
1.704之间，第六透镜l6的折射率在1.685
‑
1.823之间，第七透镜l7的折射率在1.553
‑
1.715之间。
49.在一些实施例中，第一透镜l1的阿贝数在50
‑
60之间，第二透镜l2的阿贝数在25
‑
50之间，第三透镜l3的阿贝数在50
‑
60之间，第四透镜l4的阿贝数在25
‑
30之间，第五透镜l5的阿贝数在30
‑
40之间，第六透镜l6的阿贝数在25
‑
50之间，第七透镜l7的阿贝数在50
‑
60之间。
50.具体地，在一些实施例中，第一透镜l1的折射率为1.661，阿贝数为53.53，第二透镜l2的折射率为1.753，阿贝数为30.34，第三透镜l3的折射率为1.643，阿贝数56.24，第四透镜l4的折射率为1.754，阿贝数为27.63，第五透镜l5的折射率为1.635，阿贝数为36.58，第六透镜l6折射率为1.747，阿贝数为38.92，第七透镜l7折射率为1.628，阿贝数为55.46。
51.在一些实施例中，远心光学系统100的物方工作距离，即物面s110至第一曲面s1于光轴上的距离为110mm
±
5％，远心光学系统100的成像圆直径，即远心光学系统100的最大视场角所对应的像高为18mm
±
5％。由此，远心光学系统100具备大像面的特性，能够匹配大尺寸的感光元件，以获得高分辨率。例如，在一些实施例中，远心光学系统100能够匹配感光面为1英寸
‑
1.1英寸(φ15.8mm
‑
17.6mm)的感光元件，远心光学系统100的像素在500万
‑
1600万之间。
52.在一些实施例中，远心光学系统100的光圈数f/#为8，第十四曲面s14至像面120于光轴上的距离为20.05mm，物像共轭距，即物面110至像面120的距离为300mm。
53.需要说明的是，满足上述参数时，远心光学系统100于成像面上成像的像高为被摄物物高的0.5倍，即测量时产品于远心光学系统100的成像面上成缩小0.5倍的像。由此，远心光学系统100还能够实现缩小视野的效果。
54.另外，在一些实施例中，远心光学系统100中的各透镜的材质可以均为玻璃或均为塑料。采用塑料材质的透镜能够减少远心光学系统100的重量并降低生产成本，有利于实现工业镜头的小型化设计。而采用玻璃材质的透镜使远心光学系统100具备优良的光学性能以及较高的耐温性能。需要注意的是，远心光学系统100中各透镜的材质也可以为玻璃和塑料的任意组合，并不一定要是均为玻璃或均为塑料。
55.在一些实施例中，远心光学系统100还可包括红外截止滤光片(图未示出)，红外截止滤光片可设置于第七透镜l7与远心光学系统100的成像面之间，用于滤除干扰光，防止干扰光到达远心光学系统100的成像面而影响正常成像。
56.在一些实施例中，远心光学系统100的各项参数由表1给出。其中，由物面110至像面120的各元件依次按照表1从上至下的各元件的顺序排列。表1中的y半径为相应面序号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。面序号1和面序号2分别为第一透镜l1的物侧面和像侧面，即第一曲面s1和第二曲面s2，换言之，同一透镜中，面序号较小的表面为物侧面，面序号较大的表面为像侧面。第一透镜l1的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至像侧方向的后一透镜的物侧面于光轴上的距离。
57.表1
58.面序号y半径(mm)厚度(mm)折射率阿贝数
1117.9653.5161.6653.52
‑
148.78778.248
ꢀꢀ
312.4173.2951.7530.3546.9410.100
ꢀꢀ
56.9847.1701.6456.25615.5854.268
ꢀꢀ
sto无限7.905
ꢀꢀ7‑
6.8926.5101.7527.64984.9103.5821.6336.5810
‑
11.66944.099
ꢀꢀ
11152.1982.7861.7538.9212
‑
102.4132.883
ꢀꢀ
1323.6565.6091.6355.461474.80320.029
ꢀꢀ
59.需要说明的是，表1中各参数仅为远心光学系统100一实施例中的举例，在另一些实施例中，各参数还可有其他取值。例如，在一些实施例中，各透镜的物侧面及像侧面于光轴处的曲率半径以及各透镜的厚度、折射率和阿贝数均可在
±
3％范围变化。
60.进一步地，参考图2、图3和图4所示，图2由左至右依次为远心光学系统100的场曲和畸变曲线图，其中，其中s曲线代表弧矢场曲，t曲线代表子午场曲，且在图2所示的实施例中，曲线1、2和3的参考波长为656.2725nm，曲线4、5和6的参考波长为587.5618nm(d线)，曲线7、8和9的参考波长为486.1327nm。图2中场曲和畸变曲线图的纵坐标均对应远心光学系统100的最大视场角对应的像高的一半，即纵坐标的最大值为9mm。图3为远心光学系统100的mtf曲线图，从图3可以看出，分辨率110线对的mtf达到0.3，远心光学系统100具备高分辨率，运用于工业镜头中能够具备优良的成像质量，满足精密加工的要求。图4为远心光学系统100的垂轴色差曲线图，由图4可以看出，远心光学系统100全视场色差均校正在艾里斑以内，远心光学系统100的色差得到有效校正，具备优良的成像质量。
61.进一步地，在一些实施例中，包括上述远心光学系统100及感光元件的工业镜头可运用于工业测量设备(图未示出)中，工业测量设备还包括壳体，工业镜头安装于壳体中。具体地，工业测量设备可以为工业相机、影像测量仪等具备测量、定位功能的电子设备。远心光学系统100获取产品的图像，从而配合工业测量设备的其余模块实现产品的定位及检测。
62.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
63.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。