CN110487171B - 多功能散斑干涉装置成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为多功能散斑干涉装置成像系统，公开了多功能散斑干涉仪的摄像镜头，多功能体现在可实现散斑干涉成像的功能和剪切散斑干涉成像的功能。整个光路沿光轴从物侧到像侧依次排列的十片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜；三个分光棱镜，分别为：第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜；两个反射镜，分别为：反射镜、剪切反射镜；还包括光阑，位于所述的第四透镜和第五透镜之间；所述第三透镜和第四透镜构成胶合透镜组；所述第七透镜和第八透镜构成胶合透镜组；所述第九透镜和第十透镜构成胶合透镜组，本发明实现对待测物面的成像同时，加入分光棱镜对散斑进行干涉处理，获得散斑干涉图。
Description
技术领域
本发明涉及散斑干涉技术领域，特别涉及一种用于散斑干涉和剪切散斑干涉共用一组的成像系统。
背景技术
散斑干涉技术是基于待测物体由于受到应力使得表面发生微小形变，记录变形前后的散斑图，经图像处理后获得散斑干涉条纹。散斑干涉技术具有非接触、实时、高精度、全场检测的特点。
可是，在传统的迈克尔逊型散斑干涉系统，由于分光棱镜的结构特点，使得视场角较小，进而导致待测物体尺寸大小受到了限制，从而限制的该技术的实际应用。
发明内容
本发明所要解决的问题是，设计一种实现具备散斑干涉及剪切散斑干涉共光路的成像镜头设计。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为多功能散斑干涉装置成像系统，该系统使用分光棱镜将光路分成散斑干涉部分光路和剪切散斑干涉部分光路。经分光后，散斑干涉成像光路通过加入分光棱镜导入参考光，之后成像在相机上，实现散斑干涉图的获取；剪切散斑干涉成像光路通过加入迈克尔逊结构对光路进行剪切，之后成像在相机上，实现剪切散斑干涉图的获取。
该系统包括沿光轴从物侧到像侧依次排列的九片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜；三个分光棱镜，分别为：第一分光棱镜、第二分光棱镜和第三分光棱镜；两个反射镜，分别为：反射镜、剪切反射镜；还包括光阑，位于所述的第四透镜和第五透镜之间；所述第三透镜和第四透镜构成双胶合透镜组；所述第六透镜和第七透镜构成双胶合透镜组；所述第八透镜和第九透镜构成双胶合透镜组；其中，第六透镜和第七透镜与第八透镜和第九透镜所组成的双胶合透镜的规格是一致的，使得在获得散斑干涉图与剪切散斑干涉图之间的切换更加合理。
在光路搭建方面，使用自主研发的镜筒装置及相应的压圈或者垫圈，依据光路设计时各个镜片、分光棱镜、反射镜和光阑的相对位置，使用相应的压圈或者是垫圈将其固定到镜筒相应的位置上。具体地，第一透镜使用相应压圈将其固定到镜筒相应的位置上；第二透镜与第三透镜和第四透镜所组成的胶合透镜之间的距离较短，使用垫圈固定之间的间距，再将其看成一体，使用相应压圈固定到镜筒的相应位置上；光阑固定在镜筒相应的卡槽上，使其与前后透镜和设计一致；分光棱镜的需要在相应位置开槽，使其能够放入到镜筒中和保证其与前后间距符合设计要求；第六透镜和第七透镜所组成的胶合透镜与第一分光棱镜和第二分光棱镜之间的距离较短，使用垫圈固定之间的间距；第八透镜和第九透镜所组成的胶合透镜与第一分光棱镜和第三分光棱镜之间的距离较短，使用垫圈固定之间的间距；图像的采集使用的是CMOS，分别固定在散斑干涉像面和剪切散斑干涉像面的位置上。
根据本发明所用的实施方式，所述的九片透镜均为球面透镜。
根据本发明所用的实施方式，所述的第一透镜和第二透镜为负光焦度透镜；所述的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜为正光焦度透镜。
根据本发明所用的实施方式，所述第一透镜的焦距F1和整个光学系统的焦距F，满足关系：-6≤F1/F≤-4.5。
根据本发明所用的实施方式，所述第二透镜的焦距F2和整个光学系统的焦距F，满足关系：-2.7≤F2/F≤-2.4。
根据本发明所用的实施方式，所述第三透镜和第四透镜组成的双胶合透镜的焦距F34和整个光学系统的焦距F，满足关系： 3.5≤F34/F≤4.5。
根据本发明所用的实施方式，所述第五透镜的焦距F4和整个光学系统的焦距F，满足关系：8.5≤F5/F≤12.5。
根据本发明所用的实施方式，所述第六透镜和第七透镜组成的双胶合透镜的焦距F67和整个光学系统的焦距F，满足关系： 3.0≤F67/F≤7.0。
根据本发明所用的实施方式，所述第八透镜和第九透镜组成的双胶合透镜的焦距F89和整个光学系统的焦距F，满足关系： 3.0≤F89/F≤7.0。
根据本发明所用的实施方式，第一透镜满足关系：1.7≤n1≤1.8， 25≤v1≤31，其中，n1为第一透镜的折射率，v1为第一透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第二透镜满足关系：1.7≤n2≤1.9， 35≤v2≤38，其中，n2为第二透镜的折射率，v1为第二透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第三透镜满足关系：1.6≤n1≤1.7， 30≤v1≤31，其中，n3为第三透镜的折射率，v1为第三透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第四透镜满足关系：1.5≤n2≤1.6，54≤v2≤57，其中，n4为第四透镜的折射率，v1为第四透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第五透镜满足关系：1.7≤n1≤1.9， 34≤v1≤35，其中，n5为第五透镜的折射率，v1为第五透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第六透镜满足关系：1.6≤n2≤1.8， 53≤v2≤56，其中，n6为第六透镜的折射率，v1为第六透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第七透镜满足关系：1.8≤n1≤1.9，23≤v1≤26，其中，n7为第七透镜的折射率，v1为第七透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第八透镜满足关系：1.6≤n2≤1.8， 53≤v2≤36，其中，n8为第八透镜的折射率，v1为第八透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，第九透镜满足关系：1.8≤n1≤1.9， 23≤v1≤26，其中，n9为第九透镜的折射率，v9为第九透镜的阿贝数；
根据本发明所用的实施方式，从第一透镜到散斑干涉像面的光学总长TTHI满足：250mm≤TTHI≤280mm。
附图说明
图1示出了本发明实施例1的镜头结构示意图；
图2A至图2C分别示出了本发明实施例1的镜头散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；
图3A至图3C分别示出了本发明实施例1的镜头剪切散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；
图4示出了本发明实施例2的镜头结构示意图；
图5A至图5C分别示出了本发明实施例2的镜头散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；
图6A至图6C分别示出了本发明实施例2的镜头剪切散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；
图7示出了本发明实施例3的镜头结构示意图；
图8A至图8C分别示出了本发明实施例2的镜头散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；
图9A至图9C分别示出了本发明实施例2的镜头剪切散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；
图1、4和7中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-光阑，6-第五透镜，7-第一分光棱镜，8-第六透镜，9-第七透镜，10-第二分光棱镜，11-第八透镜，12-第九透镜，13-反射镜，14- 剪切反射镜，15-第三分光棱镜，16-剪切散斑干涉像面，17-散斑干涉像面。
具体实施方式
为了更清楚地说明为了实现上述目的进行的本发明的实施方式，下面将结合附图对实施方式作详细的介绍。下面描述是本发明实施方式的说明，还是有很多不同于这些实施方式的其他实施方式，对于本领域普通技术人员而言可以进行类似的改进，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在对本发明进行描述时，除非有其他的定义，本文使用的专业相关术语和本发明所使用的所有技术与本发明相关领域所涉及的含义是一致的。
本发明提供一种散斑干涉与剪切散斑干涉共光路的摄像镜头，根据本发明的镜头包括沿光轴从物侧到像侧依次排列的十片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜；三个分光棱镜，分别为：第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜；两个反射镜，分别为：反射镜、剪切反射镜；还包括光阑，位于所述的第四透镜和第五透镜之间；所述第三透镜和第四透镜构成胶合透镜组；所述第七透镜和第八透镜构成胶合透镜组；所述第九透镜和第十透镜构成胶合透镜组。
根据本发明所用的实施方式，所述的十片透镜均为球面透镜。
根据本发明所用的实施方式，所述的第一透镜和第二透镜为负光焦度透镜；所述的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜为正光焦度透镜。
根据本发明的上述设置，视场角可达到40度以上，实现在工作距1500mm到2200mm、物面尺寸1m×1m的成像。
实施方式一：
图1示出了本发明实施例1的镜头结构示意图。
根据表一中实施方式1给出的数据，本实施方式的镜头的各个参数如下：
F1＝-114.766mm；F2＝-49.313mm；F3＝482.058mm；F4＝59.826mm； F5＝246.493mm；F6＝699.829mm；F7＝125.140mm；F34＝89.696mm； F67＝F89＝62.602mm。
根据本实施方式的镜头，其镜头系统参数为：物距为2200mm，光学镜头的总长为259.298mm，镜头焦距为20.000mm。
表一
图2A至图2C分别示出了本发明实施例1的镜头散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；图3A至图3C分别示出了本发明实施例1的镜头剪切散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图。
实施方案二：
图4示出了本发明实施例2的镜头结构示意图。
根据表二中实施方式2给出的数据，本实施方式的镜头的各个参数如下：
F1＝-82.524mm；F2＝-53.537mm；F3＝208.569mm；F4＝63.212mm； F5＝185.343mm；F6＝261.765mm；F7＝151.745mm；F34＝81.545mm； F67＝F89＝132.826mm。
根据本实施方式的镜头，其镜头系统参数为：物距为2200mm，光学镜头的总长为273.049mm，镜头焦距为20.000mm。
表二
图5A至图5C分别示出了本发明实施例2的镜头散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；图6A至图6C分别示出了本发明实施例2的镜头剪切散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图。
实施方式三：
图7示出了本发明实施例3的镜头结构示意图。
根据表一中实施方式3给出的数据，本实施方式的镜头的各个参数如下：
F1＝-81.367mm；F2＝-51.802mm；F3＝21.0364mm；F4＝59.206mm； F5＝177.746mm；F6＝295.451mm；F7＝147.768mm；F34＝78.498mm； F67＝F89＝138.437mm。
根据本实施方式的镜头，其镜头系统参数为：物距为2200mm，光学镜头的总长为266.777mm，镜头焦距为20.000mm。
表三
图8A至图8C分别示出了本发明实施例3的镜头散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图；图9A至图9C分别示出了本发明实施例3的镜头剪切散斑干涉端的像差图、畸变图、垂轴色差图。
以上所述实施方式是本发明的几种实施方式，其中的技术特征可有多种组合，并不局限于上述特定组合的实施方式。
Claims (7)
1.多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：该系统使用两个相机分别对散斑干涉图和剪切散斑干涉图的采集，使用第一分光棱镜将光路一分为二，即将光路分成散斑干涉部分光路和剪切散斑干涉部分光路；经分光后，散斑干涉成像光路通过加入第二分光棱镜导入参考光，实现散斑干涉图的获取；剪切散斑干涉成像光路通过加入迈克尔逊结构对光路进行剪切，实现剪切散斑干涉图的获取；
该系统包括沿光轴从物侧到像侧依次排列的九片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜；三个分光棱镜，分别为：第一分光棱镜、第二分光棱镜和第三分光棱镜；两个反射镜，分别为：反射镜、剪切反射镜；还包括光阑，位于所述的第四透镜和第五透镜之间；所述第三透镜和第四透镜构成双胶合透镜组；所述第六透镜和第七透镜构成双胶合透镜组；所述第八透镜和第九透镜构成双胶合透镜组；光沿着第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜经过光阑进入第五透镜，以及第一分光棱镜；第一分光棱镜将一部分光反射进入第八透镜、第九透镜以及第三分光棱镜；第三分光棱镜的侧面设有反射镜和剪切反射镜，剪切反射镜对应的面为剪切散斑干涉像面；第一分光棱镜将一部分光透射进入第六透镜、第七透镜和第二分光棱镜，第二分光棱镜外部为散斑干涉像面。
2.根据权利要求1所述的多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：成像系统的第六透镜和第七透镜与第八透镜和第九透镜所组成的双胶合透镜的规格是一致的，即半径、材料、间距都是一样的。
3.根据权利要求1所述的多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：成像系统所使用的九片透镜均为球面透镜。
4.根据权利要求1所述的多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：所述的第一透镜为凸凹的负光焦度透镜，所述的第二透镜为凸凹的负光焦度透镜，所述的第三透镜为凹凸的正光焦度透镜，所述的第四透镜为凹凸的正光焦度透镜，所述的第五透镜为凹凸正光焦度透镜，所述的第六透镜为双凸的正光焦度透镜，所述的第七透镜为凹凸的正光焦度透镜，所述的第八透镜为双凸的正光焦度透镜，所述的第九透镜为正光焦度透镜。
5.根据权利要求1所述的多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：所述第一透镜的焦距F1和整个光学系统的焦距F，满足关系-6≤F1/F≤-4.5；所述第二透镜的焦距F2和整个光学系统的焦距F，满足关系-2.7≤F2/F≤-2.4；所述第三透镜和第四透镜组成的双胶合透镜的焦距F34和整个光学系统的焦距F，满足关系3.5≤F34/F≤4.5；所述第五透镜的焦距F4和整个光学系统的焦距F，满足关系8.5≤F5/F≤12.5；所述第六透镜和第七透镜组成的双胶合透镜的焦距F67和整个光学系统的焦距F，满足关系3.0≤F67/F≤7.0；所述第八透镜和第九透镜组成的双胶合透镜的焦距F89和整个光学系统的焦距F，满足关系3.0≤F89/F≤7.0。
6.根据权利要求1所述的多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：所述的第一透镜满足1.7≤n1≤1.8，25≤v1≤31，其中，n1为第一透镜的折射率，v1为第一透镜的阿贝数；所述的第二透镜满足1.7≤n2≤1.9，35≤v2≤38，其中，n2为第二透镜的折射率，v1为第二透镜的阿贝数；所述的第三透镜满足1.6≤n1≤1.7，30≤v1≤31，其中，n3为第三透镜的折射率，v1为第三透镜的阿贝数；所述的第四透镜满足1.5≤n2≤1.6，54≤v2≤57，其中，n4为第四透镜的折射率，v1为第四透镜的阿贝数；所述的第五透镜满足1.7≤n1≤1.9，34≤v1≤35，其中，n5为第五透镜的折射率，v1为第五透镜的阿贝数；所述的第六透镜满足1.6≤n2≤1.8，53≤v2≤56，其中，n6为第六透镜的折射率，v1为第六透镜的阿贝数；所述的第七透镜满足1.8≤n1≤1.9，23≤v1≤26，其中，n7为第七透镜的折射率，v1为第七透镜的阿贝数；所述的第八透镜满足1.6≤n2≤1.8，53≤v2≤36，其中，n8为第八透镜的折射率，v1为第八透镜的阿贝数；所述的第九透镜满足1.8≤n1≤1.9，23≤v1≤26，其中，n9为第九透镜的折射率，v9为第九透镜的阿贝数。
7.根据权利要求1所述的多功能散斑干涉装置成像系统，其特征在于：从第一透镜到散斑干涉像面的光学总长TTHI满足：250mm≤TTHI≤280mm。
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