CN105940334B - 具有光学畸变校正的光学成像组件以及系统 - Google Patents

Abstract

提供一种光学成像组件，包括：光学轴；物体轴；透光套管，所述透光套管包围物体轴，该光学成像组件在物体空间内远心，具有至少三个折射透镜元件，所述透镜元件中的至少一个包括具有圆柱和非圆柱方案中的至少一个的表面，该光学成像组件具有图像平面，其中被成像的所述物体位于所述套管内。

Description

具有光学畸变校正的光学成像组件以及系统

技术领域

本公开主要涉及光学成像和测量系统，并且更特别地涉及用于校准流动至医疗输液泵的流体流量的系统。

背景技术

测量流体的流量的一种方式在于使流体流成为已知体积的液滴的连续流，然后对单位时间的液滴数计数从而推导出流量。这种方法非常粗略，因为具有等于液滴体积的测量粒度，并且假定每个液滴的体积都与其从其孔口分离时相同。实际上，这种“液滴计数”方法具有对于许多应用诸如医疗输液不适当的测量精度。如果能够随着液滴形成并且从支撑孔口分离而实时地测量液滴的体积，则能够消除粒度问题。

测量体积的一种方式在于捕捉从其孔口悬垂的下垂液滴的二维图像，并且然后沿着从液滴的顶端至孔口的几个点测量其宽度。如果假定旋转对称，则液滴能够被表示为一系列堆叠盘片，其中每个盘片的体积为V＝πH(宽度/2)²，其中H为沿旋转轴的多个点之间的距离。液滴的体积为所有盘片的体积的总和。为了获得良好的液滴体积精度，重要的是获得对液滴宽度的良好估算。然后能够通过例如借助快速连续地收集和处理一系列图像，诸如一系列视频图像，而测量液滴体积的时间变化率，来更精确地确定流体的流量。

成像过程的复杂性在于下列事实，即输液管的下垂液滴被包围在将测量小滴宽度的方向中引入错误光学畸变量的大致圆柱形滴注室内。进一步复杂问题在于，飞溅和冷凝能够引起流体小滴在滴注室的内表面上形成，这能够阻碍或者部分地阻碍液滴的边缘被成像。最后，由于制造、装配甚至是使用过程，成像组件必须能够容忍下垂液滴的轴和透镜之间的距离变化，而不引起液滴的计算体积的可观变化。

发明内容

因而，指定了一种光学快速的、校正与物体的轴同轴的套管引起的光学畸变，并且在物体空间内远心的光学成像组件。本组件采用圆柱形或者非圆柱形以及球面或者非球面透镜元件的组合来校正光学畸变和其它像差。另外，本公开涉及一种与输液管一起使用，并且更特别地用于对输液管内的下垂液滴成像的光学成像组件。本光学成像组件校正输液管引起的光学畸变，并且是光学快速的，以便残留在输液管壁上的小滴和其它假象偏离焦距且不被成像系统成像，并且是远心的，以便物体的放大倍率基本独立于物体和第一透镜元件之间的距离。

根据本文所示的方面，提供一种光学成像组件，包括：连接物体平面和图像平面的光学轴；在物体平面内并且垂直于光学轴的物体轴；具有基本平面的输入表面和非圆柱形输出表面的第一光学元件，其中非圆柱的轴与光学轴相交并且平行于物体轴；具有基本平面的输入表面和非圆柱形输出表面的第二光学元件，其中非圆柱的轴与光学轴相交并且平行于物体轴，并且第二光学元件的非圆柱形输出表面与第一光学元件的非圆柱形输出表面间隔隔开；具有输入和输出表面的第三光学元件，输入和输出表面具有旋转对称性并且中心位于光学轴上；孔径光阑；和具有输入和输出表面的第四光学元件，输入和输出表面具有旋转对称性并且中心位于光学轴上。

更特别地，提供一种光学成像组件，包括光学轴，具有物体轴，具有包围物体轴的透光套管，该光学成像组件在物体空间内远心，具有至少三个折射透镜元件，在其中的两个透镜元件中，至少一个所述元件包括具有圆柱形和非圆柱形方案(prescription)中的至少一个的表面，该光学成像组件具有图像平面，其中被成像的物体位于套管内。

在一个实施例中，一种组件包括以使得所产生的光学成像组件能够矫正大光学畸变量的方式布置的四个透镜元件，该组件在物体空间内远心，并且具有1.5或者更小的f数。透镜元件中的两个具有非球面方案(prescription)，并且另两个透镜元件具有非圆柱形表面，其中两个非圆柱表面彼此分离。光学成像组件非常适合在其中流体以包围在滴注室内的一系列小滴流动的液体流量计中使用。

在另一实施例中，成像组件被配置成用于从位于透光套管内的物体产生的图像去除光学畸变。该组件包括结合第二光学元件起作用的第一光学元件；两个光学元件都具有一起从图像去除光学畸变的圆柱形和/或非圆柱形表面。

附图说明

现在将在下文结合附图的详细说明中更充分地描述本光学成像组件的特性和操作模式，其中：

图1是本光学成像组件的示意性顶视图；

图2是本光学成像组件的示意性侧视图；

图3是本光学成像组件的物体、物体周围的套管以及物镜元件的轴测图；

图4是示出源自物体平面中的视场边缘处的扇形光线如何穿过光学成像组件到达图像平面的顶视光线轨迹图；

图5是其中光学成像组件不是光学快速的情况下，具有内表面小滴的套管内的下垂液滴的代表性图像；

图6是其中光学成像组件光学快速的情况下，具有内表面小滴的套管内的下垂液滴的代表性图像；

图7A、7B和7C是通过Zemax透镜设计程序产生的本光学成像组件的实施例的方案；

图8A和8B是来自Zemax透镜设计程序的，示出在绕物体设置圆柱形套管的情况下，分别平行于物体轴并且垂直于物体轴的方向中的光学成像组件的光学畸变量的视图；

图9是来自Zemax透镜设计程序的，示出本光学成像组件产生的图像的大小和形状的点列图，其中在绕物体设置套管的情况下，物体由六个视场位置处的δ函数组成；以及

图10是示出如何在流量测量系统中使用本光学成像组件的方框图。

具体实施方式

首先，应明白，不同视图上的相同标识符识别本公开的相同或者功能类似的元件。

此外，应理解，本公开不限于所述的特殊方法、材料和变型，并且这些方法、材料和变型中的任何一种当然都可以变化。也应理解，本文使用的术语仅是为了描述特殊方面，并且无意限制仅由附加权利要求限定的本公开的范围。

除非另外限定，否则本文使用的所有技术和科学术语都具有与本公开所属领域的技术人员所公知的相同意义。虽然能够在本公开的实践或者测试中使用与本文所述的那些类似或者等效的任何方法、装置或者材料，但是现在描述示例方法、装置和材料。

图1是光学成像组件100的示意性顶视图，该光学成像组件100包括光学轴102、具有输入表面134和输出表面136的第一透镜元件112、具有输入表面138和输出表面140的第二透镜元件114、具有输入表面142和输出表面144的第三透镜元件116、孔径光阑118，以及具有输入表面146和输出表面148的第四透镜元件120。物体表面104垂直于光学轴102，并且包括被成像的物体——诸如图3中所示的下垂液滴152——的至少一部分。物体空间101也包括具有旋转轴108的套管110，旋转轴108与旋转对称物体，诸如图3中所示的下垂液滴152基本重合。套管110优选地基本为圆柱形，预期为具有约0.5至5.0°的斜率的稍微锥形以有利于成型过程，并且具有内表面130和外表面132。光学成像组件100产生的图像位于图像平面106内。

图1中也示出轴的要素，其中Z轴用作光学轴102，Y轴在图平面中垂直于Z轴，并且X轴垂直于Z轴且垂直于图平面。物体平面104在X-Y平面中处于Z＝0处。

将参考图1、2和3更充分地描述上文所列的每个组件。第一透镜元件112是具有基本平面的输入表面134和圆柱或者非圆柱输出表面136的折射光学元件。平面表面的生产比非平面表面更廉价，并且只要可能就应使用，以降低光学成像组件100的制造成本。此外，使输入表面134为平面有利于在光学成像组件100前部布置和替换套管110，所以能够视需要地在光学成像组件100的前部安装不同的物体。圆柱或者非圆柱的输出表面136在Y轴方向中具有光焦度(optical power)，并且在X轴方向中具有很少或者不具有光焦度。

第二透镜元件114是具有基本平面的输入表面138和圆柱或者非圆柱输出表面140的折射光学元件。平面表面的生产比非平面表面更廉价，并且只要可能就应使用，以降低光学成像组件100的制造成本。圆柱或者非圆柱的输出表面140在Y轴方向中具有光焦度，并且在X轴方向中具有很少或者不具有光焦度。

在图1、2和3中示出圆柱/非圆柱表面位于输出表面136和140上，虽然它们能够位于输入表面134和138上，或者输入和输出表面的组合上，诸如输入表面134和输出表面140，或者输出表面136和输入表面138。

在图1、2和3中，圆柱/非圆柱表面两者在Y方向(即，垂直于光学轴102并且垂直于物体轴108)中都具有光焦度，虽然作为代替，光焦度能够处于X方向(即，平行于物体轴108的方向)中，或者一个圆柱/非圆柱表面能够在Y方向中具有光焦度，并且另一圆柱/非圆柱表面能够在X方向中具有光焦度。

第三透镜元件116是具有其旋转中心与光学轴102基本重合的球面或者非球面输入表面142的折射光学元件。类似地，输出表面144是球面或者非球面的，并且也具有与光学轴102基本重合的旋转中心。

孔径光阑118位于第三透镜元件116和第四透镜元件120之间。孔径光阑118能够由不透明的薄片材料，诸如金属或者塑料片制成。孔径光阑118的孔径标称上是圆形的，但是也能够具有其它形状，诸如正方形、矩形、六边形、八边形，或者由任意线段和弧制成的任何形状。孔径光阑118的孔径标称上中心位于光学轴102上。当通过光学轴102测量时，从孔径光阑118的孔径的一侧至相对侧的距离能够在1mm至100mm之间。

预期所有折射透镜元件112、114、116和120都由玻璃或者聚合物，诸如亚克力、聚碳酸酯或者聚苯乙烯制成，虽然通常具有更高折射率的材料，诸如聚碳酸酯或者聚苯乙烯提供更大的光焦度，这继而有利于其中从物体平面104至图像平面106的距离缩短的更紧凑设计。如果对材料的选择为聚合物，则任何或者所有透镜元件112、114、116和120都能够由注塑成型工艺、压塑成型工艺、注塑压塑成型工艺或者甚至是金刚石车削制成。如果对材料的选择为玻璃，则任何或者所有透镜元件112、114、116和120都能够通过传统的玻璃研磨和抛光工艺、高级抛光工艺诸如MRF(磁流变抛光)、金刚石车削工艺或者通过模制工艺制成。

沿光学轴从输入表面的顶点至输出表面的顶点测量的每个折射透镜元件112、114、116和120的厚度都能够为从1.0至25.0mm之间。折射元件112、114、116和120的周界能够为矩形的，诸如图3中的第一透镜元件112所示的，或者为圆形的，诸如图3中的第三透镜元件116所示的，或者它们能够具有任何数目的任意曲线和边，以有利于制造。当通过光学轴102测量时，从任何或者全部折射透镜元件112、114、116和120的一侧至相对侧的距离能够为从10mm至200mm之间。

如果任何或者全部折射透镜元件112、114、116和120都通过模制工艺制成，则在制作工艺期间，能够将安装、对齐或者附接部件并入透镜元件。

由于菲涅尔反射，所以折射透镜元件112、114、116和120的每个表面都将入射在其上的光反射回约4％，导致光吞吐量减小，以及能够在图像上形成能够恶化图像处理过程的闪光或者其它假象的杂散光。防反射涂层能够被安装到折射透镜元件112、114、116和120的一些或者全部表面上，以将菲涅尔表面反射比降为小于1％。防反射涂层能够为宽频带防反射涂层，或者能够为多层干涉膜堆叠。

此外，第一光学元件112的输入表面134上的涂层应具有耐磨蚀性，因为将需要在每次输液开始时更换滴注室300。同样地，由于滴注室紧邻能够在安装滴注室300时被擦伤或者受损的输入表面134，所以耐磨蚀性有益。

围绕物体平面104和物体152的是套管110。在优选实施例中，基本圆柱形的套管110不是光学成像组件100的一部分，而是位于物体空间101内，并且被用于包围、囊封或者以其它方式容纳物体152。套管110对用于对物体152成像的光基本透明或者半透明，并且能够由聚合物制成，诸如亚克力、聚碳酸酯、聚苯乙烯或者乙烯基类塑料。套管110能够为输液给药套件的一部分，诸如由美国巴克斯特国际公司(Baxter International,Inc)制作。如果套管110为输液给药套件的一部分，则已知该套管为滴注室，并且物体152为位于滴注室内，并且中心为与或者中心接近位于光学轴102上的下垂液滴。套管滴注室110标称上中心位于物体轴108上，并且具有7.8mm的内半径和8.8mm的外半径，虽然套管滴注室能够具有在1.0mm至100mm范围内的其它半径。

套管滴注室110沿Y轴引入必须由光学成像组件100补偿以精确地测量物体152的宽度的严重光学畸变。也就是说，为了最佳结果，图像平面106处的物体152的图像应基本无光学畸变。

套管滴注室110通常通过低成本注塑成型工艺制成。为了降低制作成本，所使用的模具能够具有将表面缺陷施加给能够出现在物体152的图像中的圆柱形套管的表面缺陷。此外，预期套管滴注室110能够具有都能够出现在图像中的模缝线、流线和颗粒缺陷。

当流体在操作时流经套管110时，即当物体152小滴在套管滴注室内形成并且分离时，来自套管滴注室底部的流体贮液室的飞溅物能够在光学成像组件100的视场内存留于套管的内表面130上。此外，经过长时间段，流经套管110的流体能够蒸发并且继而在光学成像组件100的视场内在套管110的内表面130上冷凝。这种冷凝物能够看起来像是紧密间隔的小滴的集合，并且显著地影响传统的成像组件对套管110内部成像的能力。上述飞溅物和冷凝物两者在图3中都被示出为侧壁小滴154。

光学成像组件100面临的另一挑战在于套管110的布置，并且更特别地是物体轴108和物体152相对于光学成像组件100的位置。也就是说，由于乙烯基类塑料套管滴注室110的不稳定性和柔性，物体轴108和第一透镜元件112的输入表面134之间的距离能够变化几毫米。只要是如一次输液结束并且另一次输液开始时发生的、以另一相同组件替换一个套管滴注室110，这种尺寸问题就恶化。由于透镜的放大倍率通常随着变化的物体距离而变化，所以变化的放大倍率将导致图像大小变化，并且下垂的液滴物体152的计算体积不精确，这将继而引起所计算的流量也不精确。

上述段落已经示出对具有下列一组特征的光学成像组件100的需求：1)光学成像组件100必须在物体空间内远心，以便放大倍率不随着变化的物体-输入表面距离而变化；2)光学成像组件100必须是光学快速的，约F/1.5或者更快，以便套管滴注室110内的侧壁小滴154和其它不期望的假象都偏离焦距，并且不出现在图像中；和3)套管110引入的光学畸变被光学成像组件100去除。另外的期望特征在于，光学成像组件100尽可能地紧凑，意思是说，例如，物体平面104和图像平面106之间的距离小，诸如小于150mm。本光学成像组件100具有这四个期望特征，在下面的段落中描述那些功能。

物体空间101中的远心度是下列条件，其中平行于光学轴102传播的离开物体152的光线穿过孔径光阑118的中心。在图4中，能够看出也称为主光线的该特殊光线为光线164C，其在基本平行于光学轴102的方向中在位置160处离开物体，并且继而在位置119处穿过孔径光阑118。应注意，位置119基本处于孔径光阑118的中心，并且主光线164C在位置119处与光学轴102相交。

物体空间远心度条件由第三透镜元件116的光焦度，和第三透镜元件116和物体平面104之间的光学距离以及第三透镜元件116和孔径光阑118之间的光学距离确定。

如上所述，滴注室110引入被光学成像组件100去除的严重量的光学畸变。通过结合第二光学元件114起作用的第一光学元件112实现这种光学畸变补偿。这两个光学元件都具有一起从图像去除光学畸变的圆柱和/或非圆柱表面(即，输出透镜表面136和输出透镜表面140)。最初尝试设计采用具有一个或者两个圆柱和/或非圆柱表面的仅一个光学元件的畸变补偿透镜组件；直观地，这种方法看起来合理，因为套管110是仅一个光学组件(处于适当的透镜外部)，并且其引入的畸变应由具有圆柱或者非圆柱表面的仅一个透镜元件抵消。然而，已经发现不能使所有采用具有圆柱或者非圆柱表面的仅一个元件的设计光学快速和/或远心，或者其受到不良图像质量的影响。

除了需要两个透镜元件用于光学畸变校正(即第一透镜元件112和第二透镜元件114)之外，这两个透镜元件的圆柱/非圆柱表面优选地彼此物理分离相当大的距离，诸如4mm或者更大。这种分离允许一个圆柱/非圆柱表面的畸变校正特征相对第二圆柱/非圆柱表面存在优势。也就是说，由于两个圆柱/非圆柱表面(例如，136和140)分离，所以它们的像差补偿效果不是简单地叠加，而是在产生更高阶畸变补偿项方面相互作用。这种相互作用是本组件100的一个关键要素。

如上所述，光学成像组件100优选地光学快速，所以位于套管110滴注室内的遮拦，或者位于内表面130或者外表面132上的遮拦偏离焦距，并且不出现在图像中。如果光学成像组件具有低于约F/2.0或者优选低于F/1.5的光学速度，则这种遮拦不出现在图像中。

通常难以设计具有f数为2.0或者更小的透镜，虽然如果物体或者图像场的尺寸大，或者如果存在并且必须消除相当大的像差，这种透镜的设计困难。这两种条件都存在于当前操作环境下，并且光学成像组件100优选地以必需的光学速度在整个视场上提供良好的图像质量。通过两者都采用具有径向对称光焦度的输入和输出表面的第三光学元件116和第四光学元件120实现该目标。这四个表面自然能够为球面的，但是如果它们是非球面的，诸如由八阶多项式所述的非球面，能够获得更好的图像质量，虽然也能够使用低阶多项式，诸如六阶。

孔径光阑118的孔径直径在定义光学成像组件100的光学速度时也起重要作用。一般而言，孔径的宽度越大，则透镜越快，虽然更大的孔径通常允许更多高像差光线到达图像，导致图像质量更差。

总而言之，第一透镜元件112和第二透镜元件114被用于校正套管110引入的光学畸变；第三透镜元件116和孔径光阑118被用于控制光学成像组件100的物体空间远心率，并且具有孔径光阑118的第三透镜元件116和第四透镜元件120被用于以低f数提供良好的图像质量。

图3示出其中测量输液给药套件的流体流量的光学成像组件100的一个应用。在这种结构中，物体是从孔口150悬垂的下垂液滴152，两者都基本位于物体轴108上。在操作期间，下垂液滴152的大小随着所输送的流体流动而增大，然后在达到其最终重量时与孔口150分离，并且然后重复地增大并且分离，直到已经给药了期望流体体积。由于小滴的体积小于1毫升，所以在输液过程中，几千滴液滴增大并且分离。

在输液过程期间，小滴154能够在套管滴注室110的内表面上形成。这些小滴154能够由下落的小滴落在滴注室底部的流体贮液器中时的飞溅物产生。由于输液过程能够持续几个小时，所以流体能够从下垂液滴152并且从滴注室底部的流体贮液器蒸发。如果内表面130的温度足够低，则一些已蒸发的流体能够在内表面130上冷凝，并且它们自身作为小滴154存在。

如果光学成像组件100的光学速度相对地低(即，高f数)，则小滴154将在图像平面106处对焦或者部分对焦。例如，图5示出当光学成像组件100的速度仅为f/5.6时，在小滴154存在于内表面130上时的下垂液滴152的图像。应注意，小滴154的图像易于辨别。更坏的情况是一些小滴154位于下垂液滴152的图像边缘处，对于图像处理软件，这将使下垂液滴152的大小看起来比其实际上更大，并且将使流体流量测量计算产生不精确的结果。

图6示出与图5的图像相同地产生的，在相同一系列小滴154位于内表面130上的情况下的下垂液滴152的图像。然而，通过具有光学速度f/1.4的光学成像组件100产生图6的图像。应注意，小滴154的图像基本不明显，并且下垂液滴152的图像边缘具有良好的对比度和保真度。图像处理软件将能够以良好的精度计算下垂液滴152的大小。

通过Zemax(美国华盛顿州雷德蒙德的Radiant Zemax有限责任公司)设计光学成像组件100的一个这种实施例。在图7A、7B和7C中给出该组件的方案。图7A中所示的设计中最突出的是：108.1mm的总长(total track：从物体平面104至图像平面106的距离)、7.5mm的光阑半径、1.40的工作F/#、8.8mm的最大物体场宽度、-0.526的放大倍率，并且光的波长为825nm。图像质量被设置成在六个物体场位置处最佳，即以毫米为单位的X、Y对表示为：(0.0，0.0)、(4.0，0.0)、(0.0，3.0)、(0.0，5.5)、(8.8，0.0)、和(6.0，3.5)。

在图7B能够看出，该光学模型由物体“OBJ”平面和图像“IMA”平面、孔径光阑“STO”和十一个其它表面组成。表面1是Zemax为了远心率最优化而使用的哑表面。表面2和3是由PVC制成的透明套管110的内表面130和外表面132。表面4和5是由聚苯乙烯(POLYSTYR)制成的第一透镜元件112的输入表面134和输出表面136。表面6和7是也由聚苯乙烯制成的第二透镜元件114的输入表面138和输出表面140。表面8和9是也由聚苯乙烯制成的第三透镜元件116的输入表面142和输出表面144。最后，表面11和12是也由聚苯乙烯制成的第四透镜元件120的输入表面146和输出表面148。

进一步往下，在图7B和7C中能够看出，第一透镜元件的输入表面134和第二透镜元件的输入表面138两者都不具有曲率并且实际上为平面的。第一透镜元件的输出表面136和第二透镜元件的输出表面140两者都具有非圆柱方案。第三透镜元件116和第四透镜元件120的两个表面都是非球面的。

图8A和8B是X方向(平行于物体轴108)和Y方向(垂直于物体轴108)中的图像中存在的光学畸变的曲线图。在X方向中，畸变仅为在视场距离约5mm时为几十微米。在Y方向中，畸变仅为在径向视场距离约4mm时为几十微米。应注意，在Y方向中，在径向视场距离处大于套管110的内表面130的半径处未定义畸变。

图9是上述六个物体场位置，并且经Zemax优化的图像点图的集合。应注意，作为六个图的每个的高度和宽度的尺度为400μm。六个点图中的每个的RMS宽度都充分小于100μm。由于CCD或者CMOS图像传感器的像素通常为10μm或者更小，所以下垂液滴152物体的边缘将横跨约10个像素成像，这对于通过高级图像处理算法以子像素精度定位物体的图像边缘是理想的。

图10示出本光学成像组件100能够如何被用作医疗输液装置的流量计200的一部分，以测量所输液流体的流量。流量计包括将被输液的流体的袋312或者容器、将测量其流量的输液流体的下垂液滴152、具有将输液流体输送给患者的出口端口310和出口管308的滴注室300。

如图10中所示，流量计200也包括用于照亮输液流体的下垂液滴152的背光源202、光学成像组件100、位于图像平面106处的图像传感器204，图像传感器204输出端处的通信总线212将图像数据传输给数字处理装置206，数字处理装置206继而通过通信总线220连接至存储器元件208，存储器元件208用于存储图像数据216、其它数据214和处理指令210。

在操作时，输液流体缓慢地流出流体袋312，并且在滴注室300内形成下垂液滴152。然后，背光源202用于穿过滴注室300的套管110照亮下垂液滴152。然后，穿过套管110的光203被光学成像组件100收集，然后，光学成像组件100在图像传感器204上形成下垂液滴152的图像。图像传感器204的输出是整数数据的二维阵列形式的像素化图像数据，其中整数数据对应于阵列的每个位置处的图像的亮度。然后，这种亮度数据的数字阵列在通信总线212上传输至处理器206，处理器206处理图像阵列数据以1)在阵列内寻找下垂液滴152的图像边缘，和2)计算在图像传感器204捕捉的图像中的特殊瞬间的下垂液滴152的体积。已知连续图像被图像传感器204捕捉的精确时间，以及精确地计算每个连续帧内的下垂液滴152的体积允许计算作为流体的流量的下垂液滴152的时间变化率。

如上所述，与不紧凑的实施例相比，更期望光学成像组件100的紧凑实施例。在一些构造中，能够通过将折叠反射镜插入组件内，诸如第三透镜元件116和第四透镜元件120之间而实现更紧凑实施例。通常，折叠反射镜的中心将位于光学轴120上，并且关于光学轴102以45°角倾斜，以便成像路径弯曲90°。这能够将光学成像组件100占用的包络宽度降低约30％，虽然这将增大正交方向的尺寸。但是这种正交方向尺寸的增大通常将不增大流量计200的整体尺寸，因为正交方向中的其它流量计组件将限制流量计200该维度的尺寸。

上文关于图7A所述的放大倍率为-0.526。负号的意思是图像关于物体颠倒。实际上，图3中的下垂液滴152的顶点看起来是向下方向，而图5和6中的下垂液滴的图像看起来为向上方向。放大倍率的量0.526的意思是图像的大小仅为物体大小的52.6％，因为更小并且更廉价的图像传感器204能够被用作流量计200的一部分，所以这是期望的。光学成像组件100的放大倍率的符号通常为负的，虽然放大倍率的量能够按图像传感器204的大小定制，并且能够在0.1至10.0之间。

上文结合图7A所述的光的波长为825nm。所使用的光的波长必须可由背光源202产生，可透过光学成像组件100的所有光学元件，可透过套管110，并且图像传感器204必须对其响应。图像传感器204通常为硅装置，并且响应于400nm至1100nm之间的波长；背光源能够由一个或者更多能够发出400nm至900nm之间的光的LED(发光二极管)光源组成；并且大部分折射光学元件都能够透过可见光和接近IR光谱段的光，包括波长400nm至1100nm的光。因此，能够与光学成像组件100一起使用的光波长的范围能够为400nm至900nm。

如图4中所示，第四透镜元件120的中心厚度相当厚，为图7B中指示的8.32mm厚。由于在成型后的透镜冷却时，透镜元件的中心部分相对于较薄的外部部分大量缩水，所以具有大的厚度的聚合物透镜元件难以通过良好的保真度成型。为了减轻这种问题，第四透镜元件120能够被分为两个单独的较薄透镜元件。这具有材料和装配成本更高的缺点，但是通过第五透镜元件的两个表面，也提供了还能够被用于提高图像质量的两个另外的自由度。

虽然已经描述了本发明的基本概念，但是本领域技术人员应明白，上文详细公开有意仅作为示例而非限制提出。虽然本文未明确提出但是各种替换、改进和变型将发生，并且是本领域技术人员预期的。这些替换、改进和变型有意由此提出，并且处于本发明的精神和范围内。另外，因此所列的处理元件的次序或者顺序或者数字、字母或者其它指示的使用都无意将所要求的工艺限于除了权利要求中可能指定的任何顺序。因而，本发明仅由下文权利要求及其等效物限定。

Claims (13)

1.一种光学成像组件，所述光学成像组件包括：

光学轴；

由被成像的物体限定的物体轴；

孔径光阑，所述孔径光阑被置放在所述光学轴上；

透光套管，所述透光套管包围所述物体轴，所述光学成像组件在物体空间内远心，使得离开所述物体的光线在基本平行于所述光学轴的方向上行进，并且基本穿过所述孔径光阑的中心；以及

至少三个折射透镜元件，所述至少三个折射透镜元件被布置在所述物体和所述孔径光阑之间，而没有任何其他介入的光学组件，所述元件中的至少两个包括具有圆柱和非圆柱方案中的至少一个的表面，所述光学成像组件具有图像平面，所述元件中的所述两个的所述表面彼此分离至少4mm，

所述组件是光学快速的，为F/1.5或者更快，并且

其中，被成像的所述物体位于所述套管内。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，每个折射透镜的沿所述光学轴的厚度大于或等于4.0mm。

3.根据权利要求1所述的组件，其中，第一透镜元件的输入表面为平面的。

4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述折射透镜元件中的至少一个包括具有径向对称性的表面。

5.根据权利要求4所述的组件，其中，具有径向对称性的所述表面为球面表面。

6.根据权利要求4所述的组件，其中，具有径向对称性的所述表面为非球面表面。

7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述折射透镜元件中的至少一个由聚合物材料制成。

8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述折射透镜元件中的至少一个通过模制工艺制作。

9.根据权利要求1所述的组件，其中，被成像的所述物体为液体。

10.根据权利要求9所述的组件，其中，所述液体物体为下垂液滴。

11.根据权利要求1所述的组件，其中，所述组件具有2.0或者更小的f数。

12.根据权利要求1所述的组件，其中，从所述物体平面至所述图像平面的距离为200mm或者更小。

13.根据权利要求1所述的组件，其中，放大倍率的量小于1.0。