用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头

本发明涉及光学镜头，尤其涉及一种用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头。

背景技术：

1、近年来，机器视觉检测技术的出现在微机电系统、微流控芯片、微型光学元件、微型传感器等微纳系统制造领域的广泛应用将工业镜头的重要性提升到了一个新的高度。机器视觉检测技术作为高效生产和自动化实现的关键工具逐渐取代了传统的人工检测方式，具备非接触检测、高精度和响应速度快等优点。在机器视觉检测系统中，成像系统和图像处理系统是不可或缺的两个部分，其中成像系统中的镜头质量直接影响着机器视觉检测系统的整体检测精度。为了满足微纳系统制造领域对成像系统的特殊需求，对系统镜头的分辨率、畸变等光学性能的要求也越来越高，传统工业镜头往往由于放大倍率的不同在不同物距下存在较大透视误差，当物距发生变化时，对应的成像大小也会变化，这对于焦距不变的镜头，不同物距会有不同的放大倍率。且传统物方远心及像方远心工业镜头有一定景深范围，被测物体不在景深范围内时，便会产生较大像差，像质便会模糊。随着芯片制造领域的不断提升，目前传统微纳加工领域的检测水平已经无法满足高精度微纳制造需求。而双远心镜头作为一种结合了物方远心和像方远心镜头优点的新型镜头，具有在一定物距范围内图像放大倍率保持稳定且精度高的优势，是一种有限共轭距离的光学镜头，具有景深大，分辨率高，结构形式灵活，易于批量生产加工等特点，广泛的应用于科研、工业、航天、军事等各个领域。这种特性有助于解决传统工业镜头应用于机器视觉系统时可能出现的视差和畸变问题，从而提高测量精度。但现有的双远心镜头的对准精度无法达到0.2μm的精度要求。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出一种用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，通过对各个透镜的优化实现小型化、高分辨率、超低畸变的成像系统设计，对准精度可达到0.2μm。

2、本发明提供的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，包括从物面到像面沿光轴依次布置的前透镜组、视场光阑和后透镜组，前透镜组的像面和后透镜组的物面在视场光阑处重合；其中，前透镜组包括从物面到像面依次同轴布置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；后透镜组包括从物面到像面依次同轴布置的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；第一透镜、第四透镜、第七透镜和第十透镜用于校正双远心图像位置对准测量镜头的低阶像差；第二透镜、第三透镜、第八透镜和第九透镜用于校正双远心图像位置对准测量镜头的高阶像差；第五透镜和第六透镜材料用于消除双远心图像位置对准测量镜头的热差。

3、优选地，第十透镜的前表面的曲率半径为23.83124mm，第十透镜的后表面的曲率半径为210.4771mm；第九透镜的前表面的曲率半径为25.21377mm，第九透镜的后表面的曲率半径为50.5833mm；第八透镜的前表面的曲率半径为14.68376mm，第八透镜的后表面的曲率半径为17.75678mm；第七透镜的前表面的曲率半径为-43.90853mm，第七透镜的后表面的曲率半径为8.715896mm；第六透镜的前表面的曲率半径为12.69431mm，第六透镜的后表面的曲率半径为48.97452mm；第五透镜的前表面的曲率半径为-48.97452mm，第五透镜的后表面的曲率半径为-12.69431mm；第四透镜的前表面的曲率半径为-8.715896mm，第四透镜的后表面的曲率半径为43.90853；第三透镜的前表面的曲率半径为-17.75678mm，第三透镜的后表面的曲率半径为-14.68376mm；第二透镜的前表面的曲率半径为-50.5833mm，第二透镜的后表面的曲率半径为-25.21377mm；第一透镜的前表面的曲率半径为-210.4771mm，第一透镜的后表面的曲率半径为-23.83124mm。

4、优选地，第十透镜的中心厚度为4.75mm，第九透镜的中心厚度为4mm，第八透镜的中心厚度为4 mm，第七透镜的中心厚度为5.21mm，第六透镜的中心厚度为6mm，第五透镜的中心厚度为6mm，第四透镜的中心厚度为5.21mm，第三透镜的中心厚度为4mm，第二透镜的中心厚度为4mm，第一透镜的中心厚度为4.75mm。

5、优选地，第十透镜与第九透镜之间的距离为5.5mm-6mm，第九透镜与第八透镜之间的距离为0.5mm-1mm，第八透镜与第七透镜之间的距离为2.5mm-3mm，第七透镜与第六透镜之间的距离为1.5mm-2mm，第六透镜与视场光阑之间的距离为2mm-2.5mm，视场光阑与第五透镜之间的距离为1.5mm-2mm，第五透镜与第四透镜之间的距离为2.5mm-3mm，第四透镜与第三透镜之间的距离为0.5mm-1mm，第三透镜与第二透镜之间的距离为5.5mm-6mm，第二透镜与第一透镜之间的距离为15mm-15.5mm。

6、优选地，第十透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；第九透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；第八透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；第七透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≤40；第六透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥60；第五透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥60；第四透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≤40；第三透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；第二透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；第一透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50。

7、优选地，第一透镜和第十透镜的材料为hlak1，第四透镜和第七透镜的材料为hzf39，第二透镜、第三透镜、第八透镜和第九透镜的材料为hlak1，第五透镜和第六透镜的材料为hlak4。

8、优选地，视场光阑的厚度为2.408863mm。

9、优选地，用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头还包括位于第一透镜入射方向的反射镜，反射镜的中心与第一透镜之间的距离15mm。

10、优选地，反射镜与物面之间的距离为70mm-70.5mm。

11、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

12、1、通过优化双远心测量镜头的各个透镜实现小型化、高分辨率、超低畸变的成像系统设计，适用于高精度图像位置对准系统，对准精度可达到0.2μm。

13、2、双远心光学测量镜头与匹配光源之间通过反射镜实现90°的折转光路，降低镜头外的杂光影响，同时缩小了对准系统的物理尺寸。

技术特征：

1.一种用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，包括从物面到像面沿光轴依次布置的前透镜组、视场光阑和后透镜组，所述前透镜组的像面和所述后透镜组的物面在所述视场光阑处重合；其中，

2.根据权利要求1所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述第十透镜的前表面的曲率半径为23.83124mm，所述第十透镜的后表面的曲率半径为210.4771mm；所述第九透镜的前表面的曲率半径为25.21377mm，所述第九透镜的后表面的曲率半径为50.5833mm；所述第八透镜的前表面的曲率半径为14.68376mm，所述第八透镜的后表面的曲率半径为17.75678mm；所述第七透镜的前表面的曲率半径为-43.90853mm，所述第七透镜的后表面的曲率半径为8.715896mm；所述第六透镜的前表面的曲率半径为12.69431mm，所述第六透镜的后表面的曲率半径为48.97452mm；所述第五透镜的前表面的曲率半径为-48.97452mm，所述第五透镜的后表面的曲率半径为-12.69431mm；所述第四透镜的前表面的曲率半径为-8.715896mm，所述第四透镜的后表面的曲率半径为43.90853；所述第三透镜的前表面的曲率半径为-17.75678mm，所述第三透镜的后表面的曲率半径为-14.68376mm；所述第二透镜的前表面的曲率半径为-50.5833mm，所述第二透镜的后表面的曲率半径为-25.21377mm；所述第一透镜的前表面的曲率半径为-210.4771mm，所述第一透镜的后表面的曲率半径为-23.83124mm。

3.根据权利要求2所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述第十透镜的中心厚度为4.75mm，所述第九透镜的中心厚度为4mm，所述第八透镜的中心厚度为4 mm，所述第七透镜的中心厚度为5.21mm，所述第六透镜的中心厚度为6mm，所述第五透镜的中心厚度为6mm，所述第四透镜的中心厚度为5.21mm，所述第三透镜的中心厚度为4mm，所述第二透镜的中心厚度为4mm，所述第一透镜的中心厚度为4.75mm。

4.根据权利要求3所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述第十透镜与所述第九透镜之间的距离为5.5mm-6mm，所述第九透镜与所述第八透镜之间的距离为0.5mm-1mm，所述第八透镜与所述第七透镜之间的距离为2.5mm-3mm，所述第七透镜与所述第六透镜之间的距离为1.5mm-2mm，所述第六透镜与所述视场光阑之间的距离为2mm-2.5mm，所述视场光阑与所述第五透镜之间的距离为1.5mm-2mm，所述第五透镜与所述第四透镜之间的距离为2.5mm-3mm，所述第四透镜与所述第三透镜之间的距离为0.5mm-1mm，所述第三透镜与所述第二透镜之间的距离为5.5mm-6mm，所述第二透镜与所述第一透镜之间的距离为15mm-15.5mm。

5.根据权利要求4所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述第十透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；所述第九透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；所述第八透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；所述第七透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≤40；所述第六透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥60；所述第五透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥60；所述第四透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≤40；所述第三透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；所述第二透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50；所述第一透镜的折射率n满足n≥1.6，阿贝数v满足v≥50。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述第一透镜和所述第十透镜的材料为hlak1，所述第四透镜和所述第七透镜的材料为hzf39，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第八透镜和所述第九透镜的材料为hlak1，所述第五透镜和所述第六透镜的材料为hlak4。

7.根据权利要求6所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述视场光阑的厚度为2.408863mm。

8.根据权利要求7所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，还包括位于所述第一透镜入射方向的反射镜，所述反射镜的中心与所述第一透镜之间的距离15mm。

9.根据权利要求8所述的用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，其特征在于，所述反射镜与物面之间的距离为70mm-70.5mm。

技术总结本发明涉及光学镜头技术领域，尤其涉及一种用于微纳制造技术的双远心图像位置对准测量镜头，包括从物面到像面沿光轴依次布置的前透镜组、视场光阑和后透镜组，前透镜组的像面和后透镜组的物面在视场光阑处重合，前透镜组包括从物面到像面依次布置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；后透镜组包括从物面到像面依次布置的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；第一透镜、第四透镜、第七透镜和第十透镜用于校正低阶像差；第二透镜、第三透镜、第八透镜和第九透镜用于校正高阶像差；第五透镜和第六透镜材料用于消除热差。本发明具有精度高、畸变小、远心度高、分辨率高、视场大、结构简单的优点。技术研发人员：王金成,侯思远,王孝坤,王永宪,朱俊青,刘辉,程强,宋俊伟,丁悦,张爽爽,徐振邦,张建伟,张学军受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/16