仅使用三种国产光学材料的检测镜头及其设计方法、用途
技术领域
本发明涉及非接触精密检测技术领域，尤其涉及一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头及其设计方法、用途。
背景技术
随着自动化产业的蓬勃发展，机器视觉技术在产品质量检测方面得到广泛应用。光学镜头作为机器视觉的核心部件，扮演着眼睛的功效，因此镜头的成像质量至关重要。在大规模的工业生产中，机器视觉替代人工视觉可大大提高产品质量和生产效率。
工业检测中，复杂部件的非接触精密检测对检测镜头的要求很高。目前，最先进的机器视觉技术仍然由欧美、日本等国家掌握；中国正处于技术转型时期，对机器视觉技术有着极大的需求，针对于机器视觉的镜头设计少之又少，高端工业镜头大多是引进国外产品，国外高端工业镜头通常需要10种以上的光学材料，材料单价平均单价在300元/公斤以上，且结构比较复杂，全球面光学玻璃镜头结构一般需10镜组左右且透镜数量在15片以上，10片以内的镜头结构多数含多片非球面镜片，因此成本很高，导致此类检测设备造价居高不下。
相关国产检测镜头相关技术指标又很难达到相关检测设备的使用要求，工业镜头是图像采集的关键部件，决定机器视觉检测设备的性能，其好坏直接影响产品的识别与检测，因此设计出一款性能指标满足相关检测设备需求、成本较低，易于加工的高性价比国产工业检测镜头具有很高的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头及其设计方法、用途，能够解决现有技术中所存在的上述问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头，包括依次排列的六镜组十片透镜，第一镜组为正光焦度的第一镜片，第二镜组为正光焦度的第一胶合镜片，第三镜组为负光焦度的第二胶合镜片，第四镜组为负光焦度的第三胶合镜片，第五镜组为正光焦度的第四胶合镜片，第六镜组为正光焦度的第六镜片。
进一步的，所述第三透镜组与所述第四透镜组之间设有光栏。
进一步的，所述第一镜组(101)和所述第六镜组(106)光学材料的折射率为1.64、阿贝数为55.47，所述第二镜组(102)和所述第五镜组(105)均是由折射率为1.64、阿贝数为55.47及折射率为1.61、阿贝数为43.88的两种光学材料组成的胶合透镜组，所述第三镜组(103)和所述第四镜组(104)均是由折射率为1.61、阿贝数为55.14及折射率为1.61、阿贝数为43.88的两种光学材料组成的胶合透镜组。
进一步的，其中，镜头结构采用折射式光路。
本发明的一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头的设计方法，首先设定整个系统的基本光学参数，所述基本光学参数包括物高、工作距离、工作波长和入瞳直径，同时在后组之后插入等效平行平板玻璃，用于模拟成像器件内部平板玻璃，在此基础上，采用人工和设计软件相结合的设计优化方法，对系统进行改造、优化，在改造、优化时，保证光栏位于前组与后组之间且离后组更近，在后期设计优化时，结合人工细分孔径和视场的计算，定位边界光线和特征光线位置，找到镜头中各种像差的相互关系，合理匹配像差，再对镜头结构进行优化，直到镜头结构满足相关技术指标。
进一步的，所述等效平行平板玻璃的厚度根据成像器件确定。
本发明的一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头的用途，对镜头结构的前后组空气间隔及个别镜片曲率半径进行适当的调整后，可用于芯片尺寸为1/4至1.1英寸的高分辨率工业相机的使用。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
1、本发明的仅使用三种国产光学材料的检测镜头在成像质量不低于现有其他镜头结构的前提下，仅使用三种国产低成本光学材料，平均单价在100元/公斤以内，整体结构简单，加工难度低，能够显著降低加工成本，且容差性能较强；
2、本发明的仅使用三种国产光学材料的检测镜头具有高分辨率，低畸变，高对比度及良好的色差校正效果；
3、本发明的仅使用三种国产光学材料的检测镜头通用性强，对镜头结构前后组空气间隔及个别镜片曲率半径进行适当的调整，即可满足芯片尺寸为1/4至1.1英寸的高分辨率工业相机的使用要求。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例1的仅使用三种国产光学材料的检测镜头的结构示意图；
图2为本发明实施例1的光线追迹示意图；
图3为本发明实施例1的场曲和畸变曲线；
图4为本发明实施例1的MTF曲线图。
附图标记说明：101、第一镜组；102、第二镜组；103、第三镜组；104、第四镜组；105、第五镜组；106、第六镜组。
具体实施方式
实施例1
如图1至图4所示，根据本实施例1的一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头，包括依次排列的六镜组十片透镜，第一镜组101为正光焦度的第一镜片，第二镜组102为正光焦度的第一胶合镜片，第三镜组103为负光焦度的第二胶合镜片，第四镜组104为负光焦度的第三胶合镜片，第五镜组105为正光焦度的第四胶合镜片，第六镜组106为正光焦度的第六镜片。
其中，所述第三透镜组103与所述第四透镜组104之间设有光栏。
具体的，所述第一镜组(101)和所述第六镜组(106)光学材料的折射率为1.64、阿贝数为55.47，所述第二镜组(102)和所述第五镜组(105)均是由折射率为1.64、阿贝数为55.47及折射率为1.61、阿贝数为43.88的两种光学材料组成的胶合透镜组，所述第三镜组(103)和所述第四镜组(104)均是由折射率为1.61、阿贝数为55.14及折射率为1.61、阿贝数为43.88的两种光学材料组成的胶合透镜组。
本实施例1的仅使用三种国产光学材料的检测镜头在成像质量不低于现有其他镜头结构的前提下，仅使用三种国产低成本光学材料，其平均单价在100元/公斤以内，整体结构简单，加工难度低，能够显著降低加工成本，且容差性能较强，同时具有高分辨率，低畸变，高对比度以及良好的色差校正效果。
本实施例1的仅使用三种国产光学材料的检测镜头可用于复杂部件的非接触精密检测，如：精密机械组件检测、电子组件检测(电阻、晶体管及IC电路等)、玻璃及药用容器检测以及塑料零件检测(橡胶密封卷、橡胶油封、O型环等)。
本实施例1中，镜头基本参数如下：
像高为11mm，物高为22mm，工作距离大于100mm，畸变小于0.003％，长度为135mm，分辨率大于1000万像素。
实施例2
根据本实施例2的一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头的设计方法，首先在软件中设定整个系统的基本光学参数，基本光学参数包括物高、工作距离、工作波长和入瞳直径等，同时在后组之后插入一定厚度的等效平行平板玻璃，用于模拟成像器件内部平板玻璃，这样设计出的镜头能保证使用时的成像质量；为了消除由于被测物体(或CCD芯片)离镜头距离的远近不一致，保证测量精度，需要对光学系统的出、入瞳位置进行有效控制。
在此基础上，采用人工和设计软件相结合的设计优化方法，对该系统进行改造、优化。在改造、优化时，保证光栏位于前组与后组之间且离后组更近，这样可以保证后组的各个视场、各个孔径、各个波面的光程差较小，有利于像差的进一步优化校正。在后期设计优化时，结合人工细分孔径和视场的精确计算，准确的定位边界光线和特征光线位置，找到镜头中各种像差的相互关系，合理匹配像差，再经过不断的优化，直到该镜头结构满足相关技术指标，并具有较好的像差质量、较小的畸变以及良好的工艺性。在优化过程中注意随时更新和调整各种优化目标值。
其中，等效平行平板玻璃的厚度根据成像器件确定。
该镜头等效焦距为1mm时，其结构参数如下：
实施例3
根据本实施例3的一种仅使用三种国产光学材料的检测镜头的用途，通过对实施例1中的镜头结构的前后组空气间隔及个别镜片曲率半径进行适当的调整，该镜头结构可用于芯片尺寸为1/4至1.1英寸的高分辨率工业相机的使用。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
