CN107589518A

CN107589518A - 光学镜头及具有该光学镜头的激光对中测量设备

Info

Publication number: CN107589518A
Application number: CN201610537386.9A
Authority: CN
Inventors: 鲁远甫; 章逸舟; 焦国华; 董玉明; 佘荣斌; 吕建成; 罗阿郁; 马天悦; 刘先名
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2018-01-16
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: CN107589518B

Abstract

本发明公开了一种光学镜头，其从物方到像方顺序地包括：第一透镜，具有正屈光力；第二透镜，具有正屈光力；第三透镜，具有负屈光力；第四透镜，具有正屈光力。本发明还提供了一种具有该光学镜头的激光对中测量设备。本发明的光学镜头具有足够小的慧差，并且其垂轴像差与入射光瞳的直径成线性关系，从而减小了垂轴像差对测量精度的影响，提高了激光对中测量设备的测量效率和准确率。

Description

光学镜头及具有该光学镜头的激光对中测量设备

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体地讲，涉及一种光学镜头及具有该光学镜头的激光对中测量设备。

背景技术

激光对中测量技术是轴对中技术的发展趋势。现有的一种激光对中仪接收系统及方法是一种基于光学物镜和位置探测器的激光对中测量系统。该激光对中测量系统在测量过程中不需要旋转就可以测量获得角偏量和平偏量。参照图1，该激光对中测量系统主要由聚焦物镜Le、分光棱镜Pr及两个位敏探测器PSD1和PSD2组成。该激光对中测量系统利用几何光学原理进行测量，激光器发出一束准平行细光束，聚焦物镜Le对这束光进行偏折后通过分光棱镜Pr，并汇聚在位敏探测器PSD1上采集光束的位置，同时距离位敏探测器PSD1一定距离的位敏探测器PSD2也采集光束的位置，通过光束在位敏探测器PSD1和PSD2得到的位置坐标计算得到平行偏量和角度偏量。从测量原理可知，角度测量和位置测量都是通过坐标点计算得到，而坐标点也是通过光斑的位置和光斑的能量中心来确定的，因此聚焦物镜Le的光学像差决定了聚焦光斑的位置和光斑形状，从而影响该激光对中测量系统的测量范围和测量精度。

用于激光对中测量系统的光学镜头(即聚焦物镜)有以下要求：基准光束几何中心光线在通过光学镜头后达到位敏探测器处，仍然位于光斑的几何中心位置。这就要求基准光束在视场、孔径范围内的任意位置通过光学镜头所产生的像差在位敏探测器PSD1和PSD2位置处都是中心对称的。然而，现有的激光对中测量系统的光学镜头都是根据特定用途进行设计并大批量生产。这些光学镜头虽然都具有较高的分辨率，但是其垂轴像差与入射光瞳的直径并无线性关系。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种光学镜头，其从物方到像方顺序地包括：第一透镜，具有正屈光力；第二透镜，具有正屈光力；第三透镜，具有负屈光力；第四透镜，具有正屈光力。

进一步地，所述光学镜头还包括：孔径光阑，设置于所述第二透镜与所述第三透镜之间。

进一步地，所述第一透镜的物方表面为凸形，并且所述第一透镜的像方表面为凸形。

进一步地，所述第二透镜的物方表面为凸形，并且所述第二透镜的像方表面为凹形。

进一步地，所述第三透镜的物方表面为凹形，并且所述第三透镜的像方表面为凹形。

进一步地，所述第四透镜的物方表面为凸形，并且所述第四透镜的像方表面为凸形。

进一步地，所述第一透镜至所述第四透镜由玻璃形成。

进一步地，所述第一透镜至所述第四透镜中的每一透镜均包括至少一个球面。

进一步地，所述光学镜头的垂轴像差与入射光瞳的直径成线性关系。

本发明还提供了一种具有上述光学镜头的激光对中测量设备。

本发明的有益效果：本发明的光学镜头具有足够小的慧差，并且其垂轴像差与入射光瞳的直径成线性关系，从而减小了垂轴像差对测量精度的影响，提高了激光对中测量设备的测量效率和准确率。

附图说明

通过参照附图对示例性实施例进行的详细描述，上述和其他特点及优点将会变得更加明显，附图中：

图1是现有的激光对中测量设备的结构图；

图2是图1所示的激光对中测量系统在子午方向的一维等效模型示意图；

图3是根据本发明的实施例的光学镜头的结构图；

图4示出了图3中的光学镜头的光学传递函数的曲线图；

图5示出了图3中的光学镜头的扇形图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细地描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本发明将会彻底和完整，并可完全地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同的元件。

在下面的透镜结构图中，为了便于解释，透镜的厚度、尺寸和形状已经被略微地夸大。

具体地讲，所述透镜结构图中示出的球面或非球面的形状仅仅是以示例的方式示出。也就是说，球面或非球面不局限于具有示出的形状。

此外，应当注意的是，第一透镜指的是最靠近物方的透镜，第四透镜指的是最靠近成像平面(即像方)的透镜。

进一步地，应当注意的是，术语“前方”指的是从光学镜头朝向物方的方向，而术语“后方”指的是从光学镜头朝向图像传感器或成像平面的方向。进一步地，应当注意的是，在每个透镜中，第一表面指的是朝向物方的表面(或物方表面)，第二表面指的是朝向成像平面(或像方)的表面(或像方表面)。此外，应当注意的是，所有透镜的曲率半径、厚度、TTL和BFL的数值的单位是毫米(mm)。

实际的测量中，角度测量和位置测量都是二维矢量，因此可以分解成子午和弧矢两个方向。图2是图1所示的激光对中测量系统在子午方向的一维等效模型示意图。激光器发出的一束细光束由聚焦光学镜头Le聚焦在位敏探测器PSD1上，由光斑在位敏探测器PSD1上的坐标和透镜焦距计算得到角偏量α。

L₁是细光束在位敏探测器PSD1上的子午方向的坐标，f是聚焦光学镜头Le的焦距。其中α正负规定为：由光纤以锐角转至光轴平行，顺时针为正，逆时针为负；L₁(以及后述的L、L₂、L₃)正负规定为：以光轴为基准，光轴以上为正，光轴以下为负。

在上述得到子午方向的角偏量以后，再由光斑在位敏探测器PSD2上子午方向坐标L₃和间距t，通过几何关系计算得到平偏量L。

激光对中测量系统的光学参数主要有焦距f与间距t，从式(2)可以得到f与t的关系式(3)。

从式(2)可知，激光对中测量系统的测量精度主要受测量值L₁和L₃的影响，对式(2)两边求导可得到误差公式。

主要由位敏探测器的测量精度与光学系统像差有关。位敏探测器的测量精度通常在1μm，光斑图像几何中心与基准光束几何中心追迹点在位敏探测器PSD1面上的位置偏差为0.5μm，在位敏探测器PSD2上的位置偏差为1μm。当位敏探测器的边长为20mm，激光对中测量系统设计的角度测量范围为±4°，平偏量测量范围L为±15mm，测量误差Δ_L为0.01mm时，联立式(3)和式(4)计算得到聚焦光学镜头Le的焦距f为133.2mm，间距t为3.6mm。

以下将对焦距f为133.2mm的聚焦光学镜头的构造进行详细描述。根据本发明的实施例的光学镜头可从物方到像方顺序地包括四个透镜。

也就是说，根据本发明的实施例的光学镜头可包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40。

然而，根据本发明的实施例的光学镜头不局限于仅包括四个透镜，如果需要还可进一步包括其它组件。例如，所述光学镜头可包括用于控制光量的孔径光阑。此外，所述光学镜头可进一步包括图像传感器，用于将对象的图像转换成电信号。进一步地，所述光学镜头可进一步包括调整透镜之间的间隔的间隔保持件。

构成根据本发明的实施例的光学镜头的第一透镜10至第四透镜40可由玻璃形成，但本发明并不限制于此。

此外，第一透镜10至第四透镜40中的至少一个可具有球面。此外，第一透镜10至第四透镜40可具有至少一个球面。

也就是说，第一透镜10至第四透镜40的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。

此外，包括第一透镜至第四透镜的光学镜头可从物方起顺序地具有正屈光力/正屈光力/负屈光力/正屈光力。

接下来，将对构造根据本发明的实施例的光学镜头的第一透镜10至第四透镜40进行描述。

第一透镜10可具有正屈光力。此外，第一透镜10的第一表面(物方表面)可为朝向物方的凸形，且其第二表面(像方表面)可为朝向成像平面的凸形。

第一透镜10的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第一透镜10的两个表面可以都是球面。

第二透镜20可具有正屈光力。此外，第二透镜20的第二表面可为朝向成像平面的凹形，且其第一表面可为朝向物方的凸形。

第二透镜20的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第二透镜20的两个表面可以都是球面。

第三透镜30可具有负屈光力。此外，第三透镜30的第一表面可为朝向物方的凹形，且其第二表面可为朝向成像平面的凹形。

第三透镜30的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第三透镜30的两个表面可以都是球面。

第四透镜40可具有正屈光力。此外，第四透镜40的第一表面可为朝向物方的凸形，且其第二表面可为朝向成像平面的凸形。

第四透镜40的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第四透镜40的两个表面可以都是球面。

将参照图3对根据本发明的实施例的光学镜头进行描述。图3是根据本发明的实施例的光学镜头的结构图。

参照图3，根据本发明的实施例的光学镜头可包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40，并可进一步包括图像传感器50和孔径光阑ST。

这里，如表1中所示，从第一透镜10的第一表面到图像传感器50的第一表面(成像平面)的距离(TTL)可为123.73mm，从第四透镜40的像方表面到成像平面的距离(BFL)可为83.44mm，但本发明不限制于此，在本发明中，从第四透镜40的像方表面到成像平面的距离(BFL)保持大于40.00mm即可。此外，第一透镜10的焦距可为58.31mm，第二透镜20的焦距可为130.85mm，第三透镜30的焦距可为-30.27mm，第四透镜40的焦距可为131.75mm，所述光学镜头的总焦距可为133.20mm，所述光学镜头的F数为4.44。表1中的“abbe”表示透镜的阿贝数。

[表1]

f	133.20
		f1	58.31
f2	130.85
		f3	-30.27
f4	131.75
		abbe1	60.791
abbe2	40.945
		abbe3	36.600
abbe4	53.150
		TTL	123.73
BFL	83.44
		F数	4.44

表2示出了透镜的其它特性(透镜的曲率半径、透镜的厚度、透镜之间的距离、透镜的折射率、透镜的阿贝数)。

[表2]

在本发明的实施例中，第一透镜10可具有正屈光力，其第一表面为凸形且其第二表面为凸形。第二透镜20可具有正屈光力，其第一表面可为凸形且其第二表面可为凹形。第三透镜30可具有负屈光力，且其第一表面和第二表面可均为凹形。第四透镜40可具有正屈光力，且其第一表面和第二表面可均为凸形。此外，孔径光阑ST可设置在第二透镜20和第三透镜30之间。

图4示出了图3中的光学镜头的光学传递函数的曲线图。

参照图4，所有视场在80线对的MTF值均优于0.4。

图5示出了图3中的光学镜头的扇形图。其中，最大范围为±10μm。

参照图5，光学镜头的垂轴像差与入射光瞳的直径成正比，即二者成线性关系。

综上所述，根据本发明的实施例的光学镜头，其具有足够小的慧差，并且其垂轴像差与入射光瞳的直径成线性关系，从而减小了垂轴像差对测量精度的影响，提高了激光对中测量设备的测量效率和准确率。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里做出形式和细节上的各种修改。

Claims

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头从物方到像方顺序地包括：

第一透镜，具有正屈光力；

第二透镜，具有正屈光力；

第三透镜，具有负屈光力；

第四透镜，具有正屈光力。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还包括：孔径光阑，设置于所述第二透镜与所述第三透镜之间。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的物方表面为凸形，并且所述第一透镜的像方表面为凸形。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第二透镜的物方表面为凸形，并且所述第二透镜的像方表面为凹形。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第三透镜的物方表面为凹形，并且所述第三透镜的像方表面为凹形。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜的物方表面为凸形，并且所述第四透镜的像方表面为凸形。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜至所述第四透镜由玻璃形成。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜至所述第四透镜中的每一透镜均包括至少一个球面。

9.根据权利要求2所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的垂轴像差与入射光瞳的直径成线性关系。

10.一种激光对中测量设备，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的光学镜头。