用于机器视觉高光学扩展量模块化变焦镜头制造技术

一种有限共轭光学组件，其包括带有核心变焦模块的一个镜头，核心变焦模块包括5个光学组件，这些组件可配置成在最低的放大倍数位置具有最低1.58mm

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
本专利技术一般涉及到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。更具体地说，本专利技术涉及到一种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
变焦范围广、工作距离长的有限共轭镜头的历史可以追溯到几十年前。Bausch和Lomb在StereoZoom4型至7型中使用了变焦模块，这种模块是在1959年开始制造的。最常见的放大倍数范围为0.7X-3X，最高放大倍数(如：3X)与最低放大倍数(如：0.7X)的比率3/0.7，或者约为4.3，可以写作4.3:1。图1为传统Bausch和LombStereoZoom4所采用的目镜舱，放大倍数范围为0.7-3X。图2为传统Bausch和LombStereoZoom4所采用的完整立体显微镜支架。即使是在当时，为了使立体显微镜头可在多种支架和台面上使用，引入了一种名为镜舱的模块化理念设计。这种产品目的是为了与目镜放大镜一起使用，它规定了所需要的有限视场，以及所需要的有限数值孔径，以实现2弧分/光线对的有限分辨率。技术创新日新月异，尤其是在20世纪80年代，最终沿着两条产品开发路线进行，直今仍在创新。一条路线涉及在立体显微镜范围内继续使用。图3是现在传统珠宝商仍在使用的StereoZoom显微镜实例。图3所示的立体显微镜最高与最低放大倍数比为6.5:1，通常使用放大倍数范围为0.7-4.5X的变焦室。按照图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。另一条路线涉及与在视频系统中使用的单目镜非常相似的变焦室，其最高放大倍数与最低放大倍数比为6.5:1。这些系统可将物体或场景图片显示在一块对角线最大约为11mm的传感器上，通常称之为2/3”帧相机。该视场连同约为0.0388的最大后数值孔径(NA)，与原来的立体显微镜设计保持大致一致。本专利技术人认为，如果最大程度地加以利用，或者以其它方式优化最大性能质量或者效率，原则上，这些相机可实现0.45mm2sr(平方毫米立体弧度)的最大光学扩展量，渐晕低于10％。图4A-4C以示意图的方式给出了一种光学组件的实例，它可以实现约为0.45mm2sr的光学扩展量，光晕低于10％。图4A-4C以示意图的方式给出了三种布置，包括图4A的低放大倍数布置，图4B的中等放大倍数布置，图4C的高放大倍数布置。图4A-4C中所示的光学布置，从镜头组件的物端到像端，每个包括：第一对静止双合透镜G10，G20，第一个活动双合透镜G30，第二个活动双合透镜G50，以及第二对静止双合透镜G60，G70。活动双合透镜G30,G50相对于每个静止双合透镜G10,G20,G60,G70的位置是可以调节的，以便在图4A-4C的光学组件的最小和最大放大倍数范围内选择一个放大倍数。本专利技术人认识到一种可能性，在相对照度损失很高和/或像差加大的情况下，一种较大的传感器，例如：对角线长16mm或者幅面1”的传感器，可与图4A-4C的光学部件组合，这样，和单目镜视频系统所使用的大致相同的光学组件可以向相机中1英寸幅面传感器视场提供图像，这种相机的光学扩展量范围高于0.45mm2sr,最大约0.95mm2sr。但是，在其它所有条件都相同的情况下，这种相机可能会表现出较低的最佳观察性能，或者在视场的外部照度降低，或者两者都有。在光晕或者在全对角线视场照度损失的实例中，降低光椎角度可以将图4A-4C的光学组件的最高可实现的光学扩展量降低到低于0.95mm2sr.希望有一种相机，可以包括一种光学组件，通过配置，可以降低光学质量损失，在高于0.95mm2sr的光学扩展量范围内光晕低于10％。进一步的理想是有这样一种相机和光学部件，通过配置在约为0.95-4.65mm2sr光学扩展量范围中工作，尤其是这种相机和光学组件还可以提高性能，这可以通过降低光质量损失得以证实，其光晕低于10％。附图说明图1为Bausch和LombStereoZoom4所采用的传统目镜舱,放大倍数范围为0.7-3X。图2为Bausch和LombStereoZoom4所采用的传统的完整立体显微镜支架。图3为一种传统珠宝商使用的StereoZoom显微镜。图4A-4C以示意图的方式给出了一种显微镜有限轭距成像系统用传统光学部件，光学扩展量约为0.45mm2sr。图5A-5C以示意图的方式给出了一种有限轭距系统光学组件的核心变焦模块(图27A中的m2)或者无焦变焦模块的第一种具体实施例，在此第一种实例中表现出最高最低放大倍数比7:1以及光学扩展量约为1.57mm2sr，并且在第一种实例中包括一个静止正片组G201，一个负片活动组G301，一个正片活动组G401，一个负片活动组G501，一个静止正片组G601，它们可以按照表1提出的光学配方配置。在光学组件的日常操作中，“静止”组相对于其它静止镜头组来说，是“不动的”，静止组相对于其它静止或者固定元件(如成像传感器、外壳、相机底座或者其它在日常操作中不移动的其它组件)来说也是不动的，它们可以与光学组件一起被组装在相机中，包括与静止镜头组牢固对接且沿着光学路径排列在固定位置的结构组件，以及与活动镜头组牢固对接且沿着光学组件的光学路径排列并且前后精确移动进行光学组件的调节、设定和/或控制放大倍数或者变焦设定的结构组件。图6A-6C以示意图的方式给出了一种有限轭距系统光学组件的核心变焦或者无焦变焦模块的第二种具体实施例，在此第二种实例中还表现出最高与最低放大倍数比7:1，以及光学扩展量约为1.57mm2sr，在此第二种实例中，还包括一个静止正片组G202，一个负片活动组G302，一个正片静止组G402，一个负片活动组G502，一个静止正片组G602，其可以按照表2中提出的光学配方实例配置。图7A-7C以示意图的方式给出了一种有限轭距光学系统光学组件的核心变焦或者无焦变焦模块的第三种具体实施例，在这第三种实例中表现出最高最低放大倍数比7:1以及光学扩展量约为1.58mm2sr，并且在这第三种实例中包括一个静止正片组G203，一个负片活动组G303，一个负片活动组G403，一个负片活动组G503，一个静止正片组G603，它们可以按照表3提出的光学配方配置。图8A-8C以示意图的方式给出了一种有限轭距系统光学系统的光学组件的核心变焦或者无焦变焦模块的第四种具体实施例，在这第四种实例中表现出最高最低放大倍数比16:1以及光学扩展量约为1.58mm2sr，并且在这第四种实例中包括一个静止正片组G204，一个负片活动组G304，一个正片活动组G404，一个负片活动组G504，一个静止正片组G604，它们可以按照表4提出的光学配方实例配置。图9A-9C以示意图的方式给出了一种有限轭距光学系统组件的核心变焦或者无焦变焦模块的第五种具体实施例，在此第五种实例中还表现出最高与最低放大倍数比6.2:1，以及光学扩展量约为2.88mm2sr，在此第五种实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一个模块化有限共轭镜头组件包括一个变焦部件，其可配置成在最低的放大倍数位置有最低1.58mm

【技术特征摘要】
1.一个模块化有限共轭镜头组件包括一个变焦部件，其可配置成在最低的放大倍数位置有最低1.58mm2sr的光学扩展量，以及最低7:1的最高最低放大倍数比，并提供2X或以上的最高放大倍数。


2.按照权利要求2中的镜头组件，其在整个图像平面对角线范围内的分辨能力可达到4,075像素以上。


3.按照权利要求2中的镜头组件，其光学扩展量处于1.58和4.95mm2sr之间。


4.按照权利要求2中的镜头组件，其中所述的最高与最低放大倍数比在7:1和16:1之间。


5.按照权利要求2中的镜头组件，在变焦部件的变焦范围任何位置其光学扩展量处在1.58和4.95mm2sr之间。


6.按照权利要求2中的镜头组件，其中，波长范围从430m-1100nm的波长聚焦位置与相同的550nm光聚焦位置在550nm光处的景深(DOF)相差不超过3倍，其中，景深定义为DOF=±λ/（2*NA2），其中λ是波长，NA是数值孔径。


7.按照权利要求2中的镜头组件，其中，波长范围从430nm-660nm的波长聚焦位置与相同的550nm光聚焦位置在550nm光处的景深(DOF)相差不超过1倍，其中，景深定义为DOF=±λ/（2*NA2），其中λ是波长，NA是数值孔径。


8.按照权利要求2中的镜头组件，其中，波长范围从900nm-1700nm的波长聚焦位置与相同的1200nm光聚焦位置在1200nm光处的景深(DOF)相差不超过3倍，其中，景深定义为DOF=±λ/（2*NA2），其中λ是波长，NA是数值孔径。


9.按照权利要求2中的镜头组件，其中所述的变焦部件由一个无焦变焦部件组成，所述的镜头组件由一个镜头连接模块组成，其与所述的镜头组件范围内所述的无焦变焦部件的物端对接，其中，镜头连接模块由两个或者以上固定焦距镜头元件组成，且有一个正焦距，并有16-25mm的瞳孔。


10.按照权利要求9中的镜头组件，其中所述的镜头连接模块有75mm或更大的瞳深。


11.按照权利要求10中的镜头组件，由一个后适配器模块组成，其与镜头组件范围内所述的无焦变焦部件的像端对接，其中，后适配器模块由三个或更多固定焦距镜头元件组成，且有一个正焦距，以及16-25mm的瞳孔。


12.按照权利要求11中的镜头组件，其中所述的后适配器模块有75mm或以上的瞳深。


13.按照权利要求1中的镜头组件，包括一个无焦变焦段，该段包括所述的变焦部件。


14.按照权利要求1的镜头组件，包括：(a)一个核心变焦模块，包括所述的变焦部件；(b)一个镜头连接模块，包括两个或以上固定焦距镜头元件，其与核心变焦模块的物端对接，且有一个正焦距；(c)一个后适配器模块，包括三个或以上固定焦距镜头元件，其与核心变焦模块的像端对接，且有一个正焦距；(d)其中，镜头组件有最小75mm的瞳深，或者16-25mm的瞳孔，或者两者都有。


15.按照权利要求1中的镜头组件，其中，所述的变焦部件由一个无焦变焦部件组成，其中所述的镜头组件含有：(i)一个核心变焦模块，该模块包括所述的无焦变焦部件，(ii)与所述的核心变焦模块的物端对接的一个镜头连接模块，（iii)与所述的核心变焦模块的像端对接的一个后适配器模块。

【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