CN113687498A - 一种编码器光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种编码器光学镜头，包括：沿光轴依次设置的第一透镜、光阑和第二透镜；第一透镜为具有正光焦度的双凸型非球面镜，用于获取物方远心图像；第二透镜为具有负光焦度的凹凸型非球面镜，用于提高编码器光学镜头的光学系统的放大倍率；光阑用于实现编码器光学镜头的成像亮度与解析力之间的平衡。本发明的光学镜头的工作温度范围广，能够在‑40℃‑85℃的范围内使用；使用玻璃塑料混合设计或纯玻璃材质非球面设计提高可靠性降低成本；使用物方远心设计，保证物面发生移动时像的大小不会发生改变保证测量精度；使用模造玻璃技术，节省量产成本。本发明的光学镜头具有较高的识别精度和较高的空间解析力。

Description

一种编码器光学镜头

技术领域

本发明属于应用光学技术领域，具体涉及一种编码器光学镜头。

背景技术

现有技术中，用于读取光栅图像数据，实时监测的光学成像镜头一般为单片结构，其解析力普遍偏低；部分设计方案采用单片塑料非球面镜片的镜头，此类产品能一定程度上提高解析力，但受限于塑料材质的物理属性和性能，在高温条件(60℃-85℃)与低温条件(-20℃ --40℃)下无法正常工作。

发明内容

本发明为了现有镜头无法在高温条件下工作以及解析力偏低的缺陷，提出了一种编码器光学镜头，该光学镜头通过利用非球面透镜，克服像差、矫正畸变；采用玻璃塑料混合的设计提高识别精度，具有更丰富的使用场景和工作环境。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种编码器光学镜头，包括：沿光轴依次设置的第一透镜、光阑和第二透镜；

第一透镜为具有正光焦度的双凸型非球面镜，用于获取待测物方远心图像；

第二透镜为具有负光焦度的凹凸型非球面镜，用于提高编码器光学镜头的光学系统的放大倍率；

光阑用于实现编码器光学镜头的成像亮度与解析力之间的平衡。

优选地，编码器光学镜头还包括镜座隔圈、镜头压圈和镜座；

镜座隔圈用于保证第一透镜和第二透镜的空气间隔；

镜头压圈用于将第一透镜、光阑和第二透镜固定在镜座中。

优选地，镜座的侧壁采用消光设计。

优选地，第一透镜为玻璃材质、第二透镜为塑料材质；

或第一透镜为塑料材质、第二透镜为玻璃材质；

或第一透镜和第二透镜均为玻璃材质。

优选地，第一透镜和第二透镜均镀有增透膜。

优选地，第一透镜的焦距与第二透镜的焦距满足如下关系：

-0.64≤f₁/f₂≤-0.63

其中，f₁为第一透镜的焦距，第一透镜用于获取物方远心图像；

f₂为第二透镜的焦距。

优选地，第一透镜和第二透镜对编码器光源所在波段的光的折射率满足如下条件：

1.79≤Nd₁≤1.82，1.63≤Nd₂≤1.65

其中，Nd₁为第一透镜对编码器光源所在波段的光的折射率；

Nd₂为第二透镜对编码器光源所在波段的光的折射率。

优选地，第一透镜和第二透镜在编码器光源所在波段的光的阿贝数满足如下条件：

39≤Vd₁≤42，23≤Vd₂≤22

其中，Vd₁表示第一透镜在编码器光源所在波段的光的阿贝数；

Vd₂表示第二透镜在编码器光源所在波段的光的阿贝数。

优选地，编码器光学镜头还包括设置于第一透镜前的分束镜，分束镜用于将来自物方的光束分为第一光束和第二光束；第一光束入射至第一透镜，用于实现编码器视场的成像；第二光束用于编码器视场的照明。

优选地，分束镜为玻璃胶合棱镜。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明的光学镜头的工作温度范围广，能够在-40℃-85℃的范围内使用，适用于多种使用场景和工作环境。

2、本发明的光学镜头使用玻璃塑料混合设计或纯玻璃材质非球面设计提高可靠性降低成本。

3、本发明的光学镜头在使用物方远心设计时，保证物面发生移动时像的大小不会发生改变保证测量精度。

4、本发明的光学镜头使用模造玻璃技术，节省量产成本。

5、本发明的光学镜头具有较高的识别精度和较高的空间解析力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种编码器光学镜头的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的采用物方远心光路设计的编码器光学镜头的光学传递函数图；

图3是本发明一个实施例的采用物方远心光路设计的编码器光学镜头的畸变图；

图4是本发明一个实施例的采用物方远心光路设计的编码器光学镜头的场曲图；

图5是本发明一个实施例的采用物方远心光路设计的编码器光学镜头的相对照度图。

附图标记：

第一透镜1、第二透镜2、孔径光阑3、分束镜4、像面5。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种编码器光学镜头。下面将对本发明提供的一种编码器光学镜头，通过具体实施例来进行详细说明。

参照图1所示的编码器光学镜头的结构示意图，来自物方的光束依次经过沿光轴设置的第一透镜1、孔径光阑3和第二透镜2最后成像在像面5上，其中第一透镜1、孔径光阑3和第二透镜2构成物方远心光路，能够保证物面发生移动时像的大小不会发生改变，克服端跳带来的系统误差，从而保证测量精度；

第一透镜1为具有正光焦度的双凸型非球面镜，用于获取物方远心图像；

第二透镜2为具有负光焦度的凹凸型非球面镜，用于提高编码器光学镜头的光学系统的放大倍率；

第一透镜1和第二透镜2均采用非球面造型，能够较高程度的矫正像差，同时通光范围外的弧面结构与镜座隔圈进行高精度配合，保证配合结构的空气间隔。

孔径光阑3用于实现编码器光学镜头的成像亮度与解析力之间的平衡；

孔径光阑3的加工采用高精度注塑工艺，保证孔径光阑3的尺寸的一致性，能够更好的配合第一透镜1和第二透镜2。

采用镜头压圈对第一透镜1、第二透镜2和孔径光阑3进行辅助固定，能够在一定程度上过滤噪声光，同时镜座侧壁使用消光设计，用以屏蔽更多的杂散光，确保成像质量。

在本发的另一个优选实施例中，通过加工不同直径的阶梯孔实现消光设计。

在本发明的一个优选实施例中，第一透镜1和第二透镜2分别为高折射率的非球面模造玻璃镜片和非球面树脂镜片，一方面，高折射率的光学玻璃可以有效压缩光路总长；

另一面当镜片温度改变时，镜片会随材质膨胀系数不同而发生不同程度的变形，镜片热胀或冷缩都会引起材质密度的变化，材质密度的变化又会影响折射率的变化，所以低膨胀系数的玻璃材质镜片要优于塑料材质制成的镜片。因此，使用玻塑混合的光学设计，可以在更宽泛的温度内保持清晰的成像，可将工作温度扩展到-40℃到85℃，储存温度扩展到-40℃到125℃。

在本发明的另一个实施例中，第一透镜1和第二透镜2还可以分别为非球面树脂镜片和非球面模造玻璃镜片，或均为非球面模造玻璃镜片。

在第一透镜1和第二透镜2上镀有与编码器光源相适配的波段的增透膜，增加该波段光的透过率。

在本发明的一个优选实施例中，设计了如下参数的编码器光学镜头：

6.26<TTL/EFL<6.50，

其中，TTL为编码器光学镜头的光学总长；

EFL为编码器镜头组的焦距，

此时，-0.64≤f₁/f₂≤-0.63；

1.79≤Nd₁≤1.82，1.63≤Nd₂≤1.65；

39≤Vd₁≤42，23≤Vd₂≤22；

4.29≤F/NO≤4.32；

TTL≤11.5mm；

像高≥4.0mm；

其中，f₁、f₂分别为第一透镜1和第二透镜2的焦距；

Nd₁和Nd₂分别为第一透镜1和第二透镜2对编码器光源所在波段的光的折射率；

Vd₁和Vd₂分别为第一透镜1和第二透镜2对编码器光源所在波段的光的阿贝数。

F/NO为本发明的编码器光学镜头的光圈值。

图2至图5为本发明的编码器光学镜头的光学性能曲线图：

从图2可以看出，本发明的编码器光学镜头的线对数在40lp/mm，调制值50％以上；

从图3可以看出，本发明的编码器光学镜头在0.8FOV视场下，畸变是-0％，0.6FOV视场下畸变是-0.8％；

从图4可以看出，本发明的编码器光学镜头在全视场内，场曲在 1.6um以内；

从图5可以看出，本发明的编码器光学镜头的相对照度≥48％。

因此，本发明设计的编码器光学镜头在满足镜头成像清晰度性能的要求的同时具有光学结构轻薄，分辨率高，畸变很小，相对照度高等特点。

同时，第一透镜1为正光焦度，在85℃工作环境下，正焦度变大；第二透镜2为负焦度，在85℃工作环境下，负焦度变大。

通过合理给定镜片的曲率半径及中心厚度，使第一透镜1的正焦度的光焦度变化量与第二透镜2的负焦度的光焦度变化量相互抵消，达到温漂的相互补偿，降低温度变化对成像系统成像像素的影响。

在本发明的另一个优选实施例中，编码器光学镜头还包括设置于第一透镜1前的分束镜4，分束镜4用于将来自物方的光束分为第一光束和第二光束；第一光束用于实现编码器视场的照明，第二光束用于成像；

优选地，分束镜4为玻璃胶合棱镜。

综上，本发明的编码器光学镜头克服了现有镜头无法在高温条件下工作以及解析力偏低的缺陷，该光学镜头通过利用非球面透镜，克服像差、矫正畸变；采用玻璃塑料混合的设计提高识别精度，具有丰富的使用场景和工作环境。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种编码器光学镜头，其特征在于，包括：沿光轴依次设置的第一透镜、光阑和第二透镜；

所述第一透镜为具有正光焦度的双凸型非球面镜，用于获取待测物方远心图像；

所述第二透镜为具有负光焦度的凹凸型非球面镜，用于提高所述编码器光学镜头的光学系统的放大倍率；

所述光阑用于实现所述编码器光学镜头的成像亮度与解析力之间的平衡。

2.根据权利要求1所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述编码器光学镜头还包括镜座隔圈、镜头压圈和镜座；

所述镜座隔圈用于保证所述第一透镜和所述第二透镜的空气间隔；

所述镜头压圈用于将所述第一透镜、所述光阑和所述第二透镜固定在所述镜座中。

3.根据权利要求2所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述镜座的侧壁采用消光设计。

4.根据权利要求1所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述第一透镜为玻璃材质、所述第二透镜为塑料材质；

或所述第一透镜为塑料材质、所述第二透镜为玻璃材质；

或所述第一透镜和所述第二透镜均为玻璃材质。

5.根据权利要求1所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜均镀有增透膜。

6.根据权利要求1所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距与所述第二透镜的焦距满足如下关系：

-0.64≤f₁/f₂≤-0.63

其中，f₁为所述第一透镜的焦距，所述第一透镜用于获取物方远心图像；

f₂为所述第二透镜的焦距。

7.根据权利要求6所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜对编码器光源所在波段的光的折射率满足如下条件：

1.79≤Nd₁≤1.82，1.63≤Nd₂≤1.65

其中，Nd₁为所述第一透镜对编码器光源所在波段的光的折射率；

Nd₂为所述第二透镜对编码器光源所在波段的光的折射率。

8.根据权利要求6所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜在编码器光源所在波段的光的阿贝数满足如下条件：

39≤Vd₁≤42，23≤Vd₂≤22

其中，Vd₁表示所述第一透镜在编码器光源所在波段的光的阿贝数；

Vd₂表示第二透镜在编码器光源所在波段的光的阿贝数。

9.根据权利要求1所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述编码器光学镜头还包括设置于所述第一透镜前的分束镜，所述分束镜用于将来自物方的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述第一透镜，用于实现编码器视场的成像；所述第二光束用于编码器视场的照明。

10.根据权利要求9所述的编码器光学镜头，其特征在于，所述分束镜为玻璃胶合棱镜。

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