CN114216404A - 一种沙姆镜头的线激光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了沙姆镜头的线激光传感器，用于提高能量利用率问题。包括：包括激光器、沙姆镜头和感光元件CMOS，感光元件CMOS的中心点延垂直于沙姆镜头光轴方向向靠近激光器的方向偏离，沙姆镜头的中心视野主光线与光轴不重合，沙姆镜头为离轴沙姆镜头。由于感光元件CMOS中心延垂直于光轴方向向靠近激光器方向偏离，形成离轴结构，相比较同轴线激光传感器，兼备小型化、高能量利用率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种高能量利用率的沙姆镜头的线激光传感器。
背景技术
随着光学、图像处理和计算机技术的发展，3D线激光测量技术得到广泛应用。它利用工业相机拍摄得到相应的图像信息，并对图像进行一系列的处理，提取出所需要的信息，最终达到测量的目的。3D线激光测量技术是一种快速发展的非接触式测量技术，具有灵活性好、速度快、精度高以及智能化等优点。线激光传感器为了追求小型化，常常忽略沙姆镜头主光线与感光元件CMOS法线夹角形成的主光线角CRA的匹配问题，造成能量损失严重。
如图1所示的同轴沙姆镜头线激光传感器1，激光器2发射激光，由沙姆镜头3采集成像到感光元件CMOS4。沙姆镜头3中心视野主光线与感光元件CMOS4法线的夹角为主光线角CRA，β1为沙姆镜头3光轴与感光元件CMOS4法线的夹角，由于沙姆镜头3中心视野主光线与光轴重合，β1与主光线角CRA相同；激光平面与感光元件CMOS4边缘的距离L1近似等于线激光传感器1外壳的长度L；θ为激光平面与沙姆镜头3中心视野主光线的夹角。沙姆定律关系式tan(θ)/tan(90-β1)＝M，M为沙姆镜头轴上放大倍率。当M一定时，β1越大，θ越小。由三角函数关系，θ越小，L越小。从而，主光线角CRA角度与线激光传感器尺寸L满足以下关系：CRA越大，L越小。感光元件CMOS具有CRA越大时，能量利用率越低的特性。在实现同轴沙姆镜头线激光传感器小型化的时候，必然加大了CRA，必然导致感光元件CMOS能量利用率低的结果。
目前，沙姆镜头的线激光传感器，在实现线激光传感器小型化的时候，急需解决高能量利用率的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种沙姆镜头的线激光传感器，用于在实现线激光传感器小型化的同时，达到高能量利用率。
本发明实施例提供了一种沙姆镜头的线激光传感器，包括：激光器、沙姆镜头和感光元件CMOS，感光元件CMOS的中心点延垂直于沙姆镜头光轴方向向靠近激光器的方向偏离，沙姆镜头的中心视野主光线与光轴不重合，沙姆镜头为离轴沙姆镜头。
一种较佳的实施方式，感光元件CMOS的中心点延垂直于沙姆镜头光轴方向偏离2至20毫米。更佳的偏离值为5毫米。。
一种较佳的实施方式，离轴沙姆镜头31包含7片式球面镜，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，正光焦度的第二球面透镜，负光焦度第三球面透镜，负光焦度第四球面透镜，正光焦度的第五球面透镜，光阑，负光焦度第六球面透镜，负光焦度第七球面透镜。
一种较佳的实施方式，离轴沙姆镜头包含7片式球面镜，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；正光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；光阑，负光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径。
本发明实施例形成的沙姆镜头的线激光传感器，有益效果包括：镜头中心视野主光线不再与光轴重合，感光元件CMOS中心延垂直于光轴方向向靠近激光器方向偏离，形成离轴结构，相比较同轴线激光传感器，兼备小型化、高能量利用率的优点。
附图说明
图1为同轴沙姆镜头线激光传感器原理示意图；
图2为本发明实施例的沙姆镜头的线激光传感器结构原理示意图；
图3为本发明实施例一的离轴沙姆镜头结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图2，对本发明实施例提供的一种沙姆镜头的线激光传感器的具体实施方式进行详细地说明。
本发明实施例提供的一种沙姆镜头的线激光传感器11，包括：
激光器2、沙姆镜头31和感光元件CMOS4，感光元件CMOS4的中心点延垂直于沙姆镜头31光轴方向向靠近激光器2的方向偏离，沙姆镜头31的中心视野主光线与光轴不重合，沙姆镜头31为离轴沙姆镜头。
由图2中的几何关系可以得出:本发明实施例的线激光传感器11的中心视野主光线角CRA＝β2，小于同轴沙姆镜头线激光传感器中心视野主光线角CRA＝β1，所以，本发明实施例的线激光传感器11具有较传统同轴沙姆镜头线激光传感器更高的能量利用率。
CMOS偏离程度越大，长度方向L越小，本发明的离轴沙姆镜头线激光传感器的能量利用率越高。但是不能一味的增大偏离量，这样将造成宽度方向尺寸的增加以及镜头的设计难度。镜头设计时要对长度尺寸、宽度尺寸、能量利用率、镜头设计难度、成本进行综合考虑，确定适宜的偏离距离。
感光元件CMOS4的中心点延垂直于沙姆镜头31光轴方向向靠近激光器2的方向偏离距离较佳为2至20毫米。综合前面提到的镜头设计原则，更佳的偏离值为5毫米。
离轴沙姆镜头31包含7片式球面镜，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，正光焦度的第二球面透镜，负光焦度第三球面透镜，负光焦度第四球面透镜，正光焦度的第五球面透镜，光阑，负光焦度第六球面透镜，负光焦度第七球面透镜。
具体来说，离轴沙姆镜头31从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；正光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；光阑，负光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径。
本发明实施例的沙姆镜头的线激光传感器，镜头中心视野主光线不再与光轴重合，感光元件CMOS中心延垂直于光轴方向向靠近激光器方向偏离，形成离轴结构，相比较同轴线激光传感器，兼备小型化、高能量利用率的优点。
具体实施了三组对比实施例，每组对比实施例分别设计主要参数相同，尤其是传感器大小相同，中心视野主光线角CRA接近的同轴沙姆镜头、离轴沙姆镜头的两个线激光传感器，考察二者之间的能量利用率。
实施例一：
首先，设计一比较例的传统同轴沙姆镜头，该镜头采用7片式球面镜设计。从物侧至像侧依次为具有正光焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径小于后表面曲率半径；负光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；光阑，正光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；正光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径小于后表面曲率半径。视野范围FOV＝10毫米；中心视野CRA值β＝30度，传感器尺寸L＝110毫米，镜头详细设计参数如表1，表面序号表示从入物侧至像侧的每个透镜依次的表面，11为光阑。该镜头成像质量，全视野下高于0.55，接近衍射极限，具有高分辨率。使用该同轴沙姆镜头的线激光传感器的能量利用率约为Q＝20％。
表1
为了与实施例一的比较例进行比较，设计一款离轴式沙姆镜头，镜头中心视野主光线不再与光轴重合，感光元件CMOS4中心偏离光轴，为离轴结构，如图3所示，该镜头采用7片式球面镜设计，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜311，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；正光焦度的第二球面透镜312，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度第三球面透镜313，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第四球面透镜314，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度的第五球面透镜315，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；光阑318，负光焦度第六球面透镜316，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第七球面透镜317，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径。为了与实施例一的比较例进行比较，将该镜头视野范围FOV和传感器尺寸L与上述比较例设计相同，分别为FOV＝10毫米，L＝110毫米。但本发明实施例一的感光元件CMOS中心偏离光轴距离d＝5毫米，此时中心视野CRA值β＝22.6度，镜头详细设计参数如表2，表面序号表示从入物侧至像侧的每个透镜依次的表面，序号11为光阑。该镜头成像质量，全视野下高于0.55，接近衍射极限，具有高分辨率。使用该离轴沙姆镜头的线激光传感器的能量利用率约为Q＝60％，明显高于上述比较例。
表2
实施例二：
首先，设计一比较例的同轴沙姆镜头，镜头中心视野主光线与光轴重合，感光元件CMOS中心在光轴上，为同轴结构。该镜头采用7片式球面镜设计。从物侧至像侧依次为具有正光焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径小于后表面曲率半径；负光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；光阑，正光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；正光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径小于后表面曲率半径。视野范围FOV＝10毫米；中心视野CRA值β＝28度，传感器尺寸L＝115毫米，镜头详细设计参数如表3。表面序号表示从入物侧至像侧的每个透镜依次的表面，序号11为光阑。该镜头成像质量，全视野下高于0.55，接近衍射极限，具有高分辨率。使用该同轴沙姆镜头的线激光传感器的能量利用率约为Q＝30％。
表3
为了与实施例二的比较例进行比较，设计一款离轴式沙姆镜头，该镜头采用7片式球面镜设计，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；正光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；光阑，负光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径。为了与实施例二的比较例进行比较，将该镜头视野范围FOV和传感器尺寸L与上述比较例设计相同，分别为FOV＝10毫米，L＝115毫米。感光元件CMOS中心偏离光轴独立d＝5毫米，此时中心视野CRA值β＝19.5度，镜头详细设计参数如表4，表面序号表示从入物侧至像侧的每个透镜依次的表面，序号11为光阑。该镜头成像质量，全视野下高于0.55，接近衍射极限，具有高分辨率。使用该离轴沙姆镜头的线激光传感器的能量利用率约为Q＝70％，明显高于本实施例二的比较例。
表4
实施例三：
首先，设计一比较例的同轴沙姆镜头，镜头中心视野主光线与光轴重合，感光元件CMOS中心在光轴上，为同轴结构。该镜头采用7片式球面镜设计，从物侧至像侧具有正光焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径小于后表面曲率半径；负光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；光阑，正光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；正光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径小于后表面曲率半径。视野范围FOV＝10毫米；中心视野CRA值β＝24度，传感器尺寸L＝125毫米，镜头详细设计参数如表5，表面序号表示从入物侧至像侧的每个透镜依次的表面，序号11为光阑。该镜头成像质量，全视野下高于0.55，接近衍射极限，具有高分辨率。使用该同轴沙姆镜头的线激光传感器的能量利用率约为Q＝50％。
表5
为了与实施例三的比较例进行比较，设计一款离轴式沙姆镜头，该镜头采用7片式球面镜设计，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；正光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；正光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；光阑，负光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；负光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径。为了与实施例三的比较例进行比较，将该镜头视野范围FOV和传感器尺寸L与上述比较例设计相同，分别为FOV＝10毫米，L＝125毫米。权衡传感器尺寸L以及CRA，设计感光元件CMOS中心偏离光轴距离d＝5毫米，此时中心视野CRA值β＝14.2度，镜头详细设计参数如表6，表面序号表示从入物侧至像侧的每个透镜依次的表面，序号11为光阑。该镜头成像质量，全视野下高于0.55，接近衍射极限，具有高分辨率。使用该离轴沙姆镜头的线激光传感器的能量利用率约为Q＝90％，明显高于本实施例三的比较例。
表6
所有实施例参数整理如表7。同样尺寸大小的传感器，主要参数相同，本发明实施例的离轴沙姆镜头的线激光传感器具备更小的CRA，具有更高的能量利用率。
表7
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种沙姆镜头的线激光传感器，其特征在于：
包括激光器、沙姆镜头和感光元件CMOS，所述感光元件CMOS的中心点延垂直于所述沙姆镜头光轴方向向靠近所述激光器的方向偏离，所述沙姆镜头的中心视野主光线与光轴不重合，所述沙姆镜头为离轴沙姆镜头。
2.根据权利要求1所述的线激光传感器，其特征在于，所述感光元件CMOS的中心点延垂直于所述沙姆镜头光轴方向偏离2至20毫米。
3.根据权利要求2所述的线激光传感器，其特征在于，所述感光元件CMOS的中心点延垂直于所述沙姆镜头光轴方向偏离5毫米。
4.根据权利要求1所述的线激光传感器，其特征在于，所述离轴沙姆镜头包含7片式球面镜，从物侧至像侧依次为具有负焦度的第一球面透镜，正光焦度的第二球面透镜，负光焦度第三球面透镜，负光焦度第四球面透镜，正光焦度的第五球面透镜，光阑，负光焦度第六球面透镜，负光焦度第七球面透镜。
5.根据权利要求4所述的线激光传感器，其特征在于，所述负焦度的第一球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径大于0；所述正光焦度的第二球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；所述负光焦度第三球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；所述负光焦度第四球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；所述正光焦度的第五球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；所述负光焦度第六球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径；所述负光焦度第七球面透镜，前表面曲率半径小于0，后表面曲率半径小于0，且前表面曲率半径大于后表面曲率半径。
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