用于机器视觉高光学扩展量模块化变焦镜头制造技术

本发明专利技术涉及与相机或者目镜一起使用的一种光学变焦镜头组件，其目的是为了观察和检查物体。具体地说，本发明专利技术涉及一光学组件或镜头组件，其特征是：具有多个模块化零件，高光学扩展量保持特性、波长校正范围宽，或变焦范围大，或者其特性组合。一个有限轭距光学组件，包括一只镜头一只核心变焦模块，变焦模块包括五个光学组，配置成提供至少7:1的无焦镜头。镜头附件模块和后适配器模块可以分别置于光学组件的物侧和像侧。光学组件的光学扩展量可以大约处在1.15‑4.65mm2sr之间，并且按照8MP和32MP图像传感器配置。

Modular zoom lens with high optical expansion for machine vision

【技术实现步骤摘要】
用于机器视觉高光学扩展量模块化变焦镜头
本专利技术涉及与相机或者目镜一起使用的一种光学变焦镜头组件，其目的是为了观察和检查物体。具体地说，本专利技术涉及一光学组件或镜头组件，其特征是：具有多个模块化零件，高光学扩展量保持特性、波长校正范围宽，或变焦范围大，或者其特性组合。
技术介绍
具有大变焦范围的长工作距离有限共轭镜头的历史可以追溯到几十年前。当时，Bausch和Lomb在他们的StereoZoom4型至7型中，使用了一种在1959年开始制造的变焦模块。所制造的最常见的变焦范围为0.7X-3X，变焦比约为4.3:1。附图1为：具有0.7-3X放大倍数范围的传统的Bausch和LombStereoZoom4所采用的目镜舱。附图2为：传统的Bausch和LombStereoZoom4所采用的完整的立体显微镜支架。即使在那时，还是引入了一种目镜舱设计，使得立体显微镜头可在多种支架和台面上使用。该产品是为了和目镜放大镜一起使用，其规定了所需要的有限视场，以及为了实现2弧分/光线对的有限分辨率所需要的有限数值孔径。从20世纪80年代开始，技术创新最终按两条产品开发路线进行，至今仍在继续。一条路线涉及在立体显微镜范围内继续使用。附图3是今天仍然在使用的传统的珠宝商的StereoZoom显微镜实例。附图3所示的立体显微镜变焦比为常见的6.5:1，通常使用0.7-4.5X的放大倍率范围的变焦室。按照附图3的光学组件，可用于各种不同的目镜放大镜和Barlow镜头，以调整视觉放大率。另一条路线涉及使用与单目镜视频系统很相似的、变焦比为6.5:1的变焦室。这些系统可以将物体或场景图片显示在一块最大约为11mm的传感器上，这个传感器通常被称为2/3”帧相机。该视场以及0.0388近似最大后数值孔径(NA)仍保持与原来的立体显微镜设计大致相同。这些相机，如果最大程度地加以利用，或者以其它方式对最大性能质量或者效率进行优化，基本上可以在近场衍射极限状态下实现0.45mm2sr(平方毫米立体弧度)的最大光学扩展量。附图4以图例方式说明了一种可以实现光学扩展量的大约为0.45mm2sr，并具有近场衍射限定性能的光学部件的实例。附图4中包括三种布置，包括图片上面的低放大倍数布置，中间的中等放大倍数布置，以及图片最下面的高放大倍数布置。这种可能性，被认为是由于相对照度损失很大和/或像差增加。对于一种较大的传感器，例如：对角线16mm，或者1”幅面的传感器，可与附图4的光学部件结合。这样，和在附图3显微镜中使用的大约相同的光学组件可以向在高于0.45mm2sr,最大约0.95mm2sr的光学扩展量范围内运行的相机中的一英寸幅面传感器视场提供图像。但是这种相机将表现出明显较低的衍射限定性能。我们想要的是有一种相机，它包括一个光学组件，通过配置在0.45mm2sr以上的光学扩展量范围中表现出近场衍射限定性能，如：在大约0.45-0.95mm2sr或者大约0.5-1之间的光学扩展量范围内。我们还想要的是有这样一种相机和光学组件，通过配置在约为1-5mm2sr光学扩展量范围中工作，特别是这种相机和光学组件，也可以表现出近场衍射限定性能。附图说明图1为：具有0.7-3X放大倍数范围的Bausch和LombStereoZoom4所采用的传统目镜舱(现有技术)。图2为：Bausch和LombStereoZoom4所采用的传统的完整立体显微镜支架(现有技术)。图3为：一种传统珠宝商的StereoZoom显微镜(现有技术)。图4：以图例方式说明了一种光学扩展量约为0.45mm2sr的显微镜用传统光学部件(现有技术)。图5A-5B：以图例方式说明了显微镜用一种光学部件的有限轭距或者一种有限轭距相机的具体实施例，它包括三个光学模块，其中，模块1包括一只带有正片焦距组G1A的镜头附件，模块2包括一个光学扩展量约为1.57mm2sr的7:1无焦镜头，还包括5个镜片组，这5个镜片组包括：一个静止的正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片活动组G3、负片活动组G4和静止正片组G5A，模块3包括一个带有正片焦距组G5B的后适配器。图6：是一种具有模块化特性的高光学扩展量有限轭距变焦镜头系统的具体实施例的系统图，包括一只物镜或者带有正片镜头组G1A的镜头附件、一只带有镜头组G1B,G2,G3,G4,G5A的核心变焦、带有正片组G5B的套管镜头、以及各种照度、机动、支架、以及列出的聚焦模块。图7：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.57mm2sr的有限轭距系统的光学组件的核心变焦或者无焦模块的第一种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G、一个正片活动组G3、一个负片活动组G4、一个静止正片组G5A。图8：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.54mm2sr的光学部件的核心变焦组件或者无焦模块的第二种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片静止组G3、一个负片活动组G4、和一个静止正片组G5A。图9：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.58mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者无焦模块的第三种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个负片活动组G3、一个负片活动组G4、以及一个静止正片组G5A。图10：以图例方式说明了一种光学扩展量约为1.58mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者无焦模块的第四种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片活动组G3、一个负片活动组G4、一个静止正片组G5A。图11以图例方式说明了一种光学扩展量约为2.88mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者远变焦组件的第五种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个负片活动组G3、一个负片活动组G4、以及一个静止正片组G5A。图12：以图例方式说明了一种光学扩展量约为4.62mm2sr的有限轭距光学系统的光学部件的核心变焦或者无焦模块的第六种具体实施例，包括一个静止正片组G1B、一个负片活动组G2、一个正片静止组G3、一个负片活动组G4、以及一个静止正片组G5A。图13：是在图5A-5B中，表示的具体实施例的模块3中，可能包括的套管镜头图，其光学扩展量约为1.58mm2sr，尺寸A、B、C如表8中所列变量。图14：以图例方式说明了一种后适配器光学部件的实例，该光学部件具有表10所提出的光学指标。图15：以图例方式说明了一种后适配器光学部件的实例，该光学部件具有表11所提出的光学指标。图16:以图例方式说明了一种后适配器光学部件的实例，该光学部件具有表12所提出的光学指标。图17:以图例方式说明了一种镜头附件光学部件的实例，该光学部件具有表13所提出的光学指标。图18:以图例方式说明了一种镜头附件光学部件的实例，该光学部件具有表14所提出的光学指标。例表说明表1：包括一个按照某具体实施例配置并在图5A中以图例方式说明的有限轭距光学部件实例的光学指标实例。表2：包括一个按照某具体实施例配置并在图7中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。表3：包括一个按照某具体实施例配置并在图8中以图例方式说明的光学部件实例的光学指标实例。表4：包括一个按照某本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一个有限轭距相机或显微镜的镜头组件，其特征在于：包括一个变焦组件，且能达到1.15和4.65mm

【技术特征摘要】
2017.01.26 US 62/451,0601.一个有限轭距相机或显微镜的镜头组件，其特征在于：包括一个变焦组件，且能达到1.15和4.65mm2sr之间光学扩展量的模块化有限轭距镜头组件。2.根据权利要求1的镜头组件，其分辨能力应达到在整个图像平面对角线范围内可以解析4,075至8,194个像素。3.根据权利要求1的镜头组件，其变焦比符合等式5.5＜M1/M2＜16。4.根据权利要求1的镜头组件，其波长校正要求与550nm相比从430-1100nm其焦深应小于3。5.根据权利要求1的镜头组件，其波长校正要求与1200nm相比从900-1700nm其焦深应小于3。6.根据权利要求1的镜头组件，其可能在面对物体侧有多种固定焦距镜头，带有正片焦距和16-25mm光瞳规格。7.根据权利要求1的镜头组件，其可能在面对物体侧有多种固定焦距镜头，其正片焦距和瞳深为50，75，100，150mm或以上。8.根据权利要求1的镜头组件，其可能在面对图像或者传感器侧有多种固定焦距镜头，其正片焦距和瞳深为16-25mm。9.根据权利要求1的镜头组件，其可能在面对图像或者传感器侧有多种固定焦距镜头，其正片焦距和瞳深为50，75，100，150mm或以上。10.根据权利要求1的镜头组件，其包含一个无焦镜头段。11.根据权利要求1的镜头组件，其像差控制比在其它具体实施例中更高，这样有利于系统的模块化，可以更佳地发挥作用。12.根据权利要求1的镜头组件，其最高放大倍数大于2。13.根据权利要求1的镜头组件，其可能采用其它2个或者以上的模块，包括但不局限于镜头附件模块、核心变焦模块、后适配器模块、机动模块、照明模块、传感器模块、处理模块、接口模块、或者这些模块的任意组合。14.一种有限轭距镜头组件的无焦镜头组件、或者第二个模块或者中间模块，其特征在于：其光学扩展量在1.15和4.65mm2sr之间。15.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比符合等式5.5＜M1/M2＜16。16.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比为7∶1，光学扩展量值为1.57mm2sr，带有正片固定组G1B、负片活动组G2、正片活动组G3、负片活动组G4和正片固定组G5A。17.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比为7∶1，光学扩展量值为1.54mm2sr，带有正片固定组G1B、负片活动组G2、正片固定组G3、负片活动组G4和正片固定组G5A。18.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比为7∶1，光学扩展量值为1.58mm2sr，带有正片固定组G1B、负片活动组G2、负片活动组G3、负片活动组G4和正片固定组G5A。19.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比为16∶1，光学扩展量值为1.58mm2sr，带有正片固定组G1B、负片活动组G2、正片活动组G3、负片活动组G4和正片固定组G5A。20.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比为6.2∶1，光学扩展量值为2.88mm2sr，带有正片固定组G1B、负片活动组G2、正片活动组G3、负片活动组G4和正片固定组G5A。21.根据权利要求14的镜头组件，其变焦比为5.7∶1，光学扩展量值为4.62mm2sr，带有正片固定组G1B、负片活动组G2、正片固定组G3、负片活动组G4和正片固定组G5A。22.根据权利要求14的镜头组件，其波长校正要求与550nm相比从430-1100nm其焦深应小于3。23.根据权利要求14的镜头组件，其波长校正要求与1200nm相比从900-1700nm其焦深应小于3。24.有限轭距镜头组件的镜头组件附件或者第一个模块，有一个正片固定焦距，足够大的孔径和角度组合，其特征在于：可提供1.15-4.65mm2sr的光学扩展量。25.根据权利要求24的镜头组件，其可能具有50，75，100，150mm或者更深的外部入射光瞳。26.根据权利要求24的镜头组件，其可能具有16-25mm的入射光瞳。27.根据权利要求24的镜头组件，其可能具有0.75以上的工作距离/F1比值。28.根据权利要求24的镜头组件，其远心主光束与平面垂直的物体的相对角度大于2°。29.根据权利要求24的镜头组件，其可能与其它模块共同使用，提供波长校正，与550nm相比，从430-1100nm焦深小于3。30.根据权利要求24的镜头组件，其可能与其它模块共同使用，提供波长校正，与1200nm相比，从900-1700nm焦深小于3。31.有限轭距镜头组件的后适配器或者第三个模块，有一个正片固定焦距，足够大的孔径和角度组合，其特征在于：可提供1.15-4.65mm2sr的光学扩展量。32.根据权利要求31的镜头组件，其可能具有50，75，100，150mm或者更深的外部入射光瞳。33.根据权利要求31的镜头组件，其可能具有16-25mm的入射光瞳。34.根据权利要求31的镜头组件，其可能具有小于0.9的D3/F3比值。35.根据权利要求31的镜头组件，其波长校正要求与550nm相比从430-1100nm其焦深应小于3。36.根据权利要求31的镜头组件，其波长校正要求与1200nm相比从900-1700nm其焦深应小于3；M1是镜头的最高放大倍数，M2是镜头的最低放大倍数；景深定义为，DOF＝±λ/(2*NA2)，其中λ是波长，NA是光参数数值孔径；W.D.是镜头附件的工作距离；F1是前镜头附件的焦距；D3是图X08所示的后适配器的光程；F3是后适配器的焦距。37.一种有限轭距光学组件，用来查看或者检查物体，或者用来与其它模块或者镜头、或者镜头组或者其它光学部件一起形成或者至少作为零件补充形成一套光学成像系统，其特征在于：包括一个核心变焦模块，变焦模块包含五个光学组，配置成可以提供至少7∶1的无焦镜头。38.根据权利要求37的光学组件，进一步包括一只镜头附件模块，该模块置于核心变焦模块的物侧。39.根据权利要求38的光学组件，其中，镜头附件模块包括一只正片焦距镜头组。40.根据权利要求38的光学组件，进一步包括一只置于核心变焦模块像侧的后适配器模块。41.根据权利要求40的光学组件，其中，后适配器模块包括一只正片焦距镜头组。42.根据权利要求40的光学组件，其中，后适配器模块包括一只套管镜头。43.根据权利要求37的光学组件，其中，光学组件的光学扩展量为1.15-4.65mm2sr之间。44.根据权利要求43的光学组件，其中，光学组件配置为与图像传感器一起使用，图像传感器处于8MP和32MP之间。45.根据权利要求37的光学组件，包括，从光学组件的物侧到图侧，一个静止组、一个活动组、一个第三组、另一个活动组和另一个静止组。46.根据权利要求45的光学组件，其中，第三组包括一个活动组。47.根据权利要求37的光学组件，包括，从光学组件的物侧到图侧，一个正片组、一个负片组、一个正片组、一个负片组和一个正片组。48.根据权利要求37的光学组件，包括，从光学组件的物侧到图侧，一个静止正片组、一个负片活动组、一个正片活动组、一个负片活动组、一个静止正片组。49.根据权利要求37，38或者40或者其它权利要求的光学组件，包括一只照明模块、一只机动模块、一个固定模块、或者一个或者多个聚焦模块或者这些模块的组合。50.根据权利要求37的光学组件，具有2X的放大倍数或者在高放大倍数位置2X以上的放大倍数。51.根据权利要求37的光学组件，其中，光学组件在低放大倍数位置时的光学扩展量不低于1.57mm2sr。52.根据权利要求51的光学组件，其中，从光学组件的物侧到图侧，核心变焦模块包括一个正片组、一个活动负片组、一个活动正片组、一个活动负片组和一个正片组。53.根据权利要求52的光学组件，其中，核心变焦模块包括一个静止正片组、负片活动组、正片活动组、负片活动组、静止正片组。54.根据权利要求37的光学组件，其中，光学组件在低放大倍数位置时的光学扩展量不低于1.57mm2sr。55.根据权利要求54的光学组件，其中，从光学组件的物侧到图侧，核心变焦模块包括一个正片组、一个活动负片组、一个静止正片组、一个活动负片组和一个正片组。56.根据权利要求55的光学组件，其中，核心变焦模块包括一个静止正片组、一个负片活动组、一个正片静止组、一个负片活动组、一个正片静止组。57.根据权利要求37的光学组件，其中，光学组件在低放大倍数位置时的光学扩展量不低于1.58mm2sr。58.根据权利要求57的光学组件，其中，从光学组件的物侧到图侧，核心变焦模块包括一个正片组、一个活动负片组、一个活动负片组、一个活动负片组和一个正片组。59.根据权利要求58的光学组件，其中，核心变焦模块包括一个静止正片组、一个负片活动组、一个负片活动组、一个负片活动组、一个正片静止组。60.一种有限轭距光学组件，用来查看或者检查物体，或者用来与其它模块或者镜头、或者镜头组或者其它光学部件一起形成或者至少作为零件补充形成一套光学成像系统，其特征在于：包括一个核心变焦模块，变焦模块包含五个光学组，配置成可以提供至少16∶1的无焦镜头。61.根据权利要求60的光学组件，进一步包括一只镜头附件模块，该模块置于核心变焦模块的物侧。62.根据权利要求61的光学组件，其中，镜头附件模块包括一只正片焦距镜头组。63.根据权利要求61的光学组件，进一步包括一只置于核心变焦模块像侧的后适配器模块。64.根据权利要求63的光学组件，其中，后适配器模块包括一只正片焦距镜头组。65.根据权利要求63的光学组件，其中，后适配器模块包括一只套管镜头。66.根据权利要求60的光学组件，其中，光学组件的光学扩展量为1.15-4.65mm2sr之间。67.根据权利要求66的光学组件，其中，光学组件配置为与图像传感器一起使用，图像传感器处于8MP和32MP之间。68.根据权利要求60的光学组件，从光学组件的物侧到图侧，包括一个静止组、一个活动组、一个第三组、另一个活动组和另一个静止组。69.根据权利要求68的光学组件，其中，第三组包括一个活动组。70.根据权利要求60的光学组件，包括，从光学组件的物侧到图侧，一个正片组、一个负片组、一个正片组、一个负片组和一个正片组。71.根据权利要求60的光学组件，从光学组件的物侧到图侧，包括一个静止正片...

【专利技术属性】
技术研发人员：查德拜勒，
申请(专利权)人：美国奈维特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US