CN117170076B - 光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学成像系统。光学成像系统包括从物侧到像侧依次分布的第一透镜群组、光阑和第二透镜群组。所述第一透镜群组的光焦度为负，所述第一透镜群组用于对光源发出的光束进行发散；所述第二透镜群组的光焦度为正，所述第二透镜群组用于对经过所述第一透镜群组和所述光阑的光束进行会聚。由于第一透镜群组能够对光源发出的光束进行发散；所以从第一透镜群组出射的光束的边缘光线和光轴的夹角大于光源发出的光束的边缘光线和光轴的夹角，从而使得光学成像系统能够在第二透镜群组聚焦后形成较大的工作F数。

Description

光学成像系统

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学成像系统。

背景技术

现代工业渐渐朝着自动化、智能化、网络化和无人化等方向发展，随着大规模无人作业工厂在现代化的工业体系中占的比重越来越大，各种各样的传感器在行业中扮演的地位越来越高。它们是现代工厂中的眼睛和耳朵，他们的性能直接决定了产品的生产质量。

其中，色散位移传感器是一种非接触式高度测量传感器，很多工业部门将色散位移传感器作为计量或实验室研究用的高精度测量仪器，或生产线的质量控制工具。但是，目前市面上的色散位移传感器普遍存在工作F数小的缺点。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种光学成像系统，其工作F数较大。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案是：一种光学成像系统，由从物侧到像侧依次分布的第一透镜群组、光阑和第二透镜群组组成。

所述物侧发出的光束可依次经过所述第一透镜群组、光阑和第二透镜群组；所述第一透镜群组的光焦度为负，所述第一透镜群组由在所述物侧与所述光阑之间依次分布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，所述第一透镜群组用于对所述光束进行发散；所述第二透镜群组的光焦度为正，所述第二透镜群组由在所述光阑与所述像侧之间依次分布的第五透镜、第六透镜和第七透镜组成，所述第二透镜群组用于对所述光束进行会聚；其中，所述第二透镜和所述第四透镜均为负透镜，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜和所述第七透镜均为正透镜；所述光学成像系统满足以下条件：0.4≤ f₂/f ≤ 0.7；其中，f₂为所述第二透镜群组的焦距值，f为所述光学成像系统的焦距值；且，所述第二透镜满足以下条件：0.125 ≤θ_o*D/θ_i≤ 0.375；其中，θ_o为从第二透镜出射的光束的边缘光线和光轴的夹角，而θ_i为入射到第二透镜的光束的边缘光线和光轴的夹角，D为第二透镜朝向物侧的通光口径。

本申请提供的光学成像系统的有益效果在于：由于第一透镜群组、光阑和第二透镜群组在从物侧和像侧之间依次分布。且由于第一透镜群组的光焦度为负，第一透镜群组能够对光束进行发散；第二透镜群组的光焦度为正，第二透镜群组能够对光束进行会聚。所以当物侧发出的光束经过第一透镜群组后，光束的边缘光线和光轴之间的夹角会增大，从而可以在第一透镜群组和光阑之间的距离较小的情况下，实现增加光学成像系统的工作F数的目的。且由于光学成像系统满足以下条件：0.4 ≤ f₂/f ≤ 0.7；其中，f₂为所述第二透镜群组的焦距值，f为光学成像系统的焦距值，所以可以在光学成像系统比较小体积的情况下有效地提升光学成像系统的工作F数。

在一些实施例中，所述第二透镜为负弯月形透镜。

在一些实施例中，所述第三透镜为正弯月形透镜。

在一些实施例中，所述第三透镜具有一个外凸镜面和一个内凹镜面，且所述第三透镜的外凸镜面曲率大于内凹镜面曲率，所述第三透镜的内凹镜面朝向物侧，所述第三透镜的外凸镜面朝向所述光阑。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜和所述第七透镜的折射率和阿贝系数均满足以下条件：

1.7 ≤ nd_LX≤ 2.0；

15 ≤ vd_LX≤ 50；

其中，nd_LX为所述光学成像系统中的第X透镜的折射率，vd_LX为所述光学成像系统中第X透镜的阿贝数，X可以为一、二、三、四、五、六或七。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请其中一个实施例中光学成像系统的结构示意图；

图2是图1所示的光学成像系统的MTF图；

图3是图1所示的光学成像系统的轴向球差图。

附图标记：

1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、光阑。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征、结构或特性。

现代工业渐渐朝着自动化、智能化、网络化和无人化等方向发展，随着大规模无人作业工厂在现代化的工业体系中占的比重越来越大，各种各样的传感器在行业中扮演的地位越来越高。它们是现代工厂中的眼睛和耳朵，它们的性能直接决定了产品的生产质量。

其中，色散位移传感器是一种非接触式高度测量传感器，很多工业部门将色散位移传感器作为计量或实验室研究用的高精度测量仪器，或生产线的质量控制工具。但是，目前市面上的色散位移传感器普遍存在工作F数小的缺点。

相关技术中，在设计光学成像系统时，会选择延长光阑与第一透镜群组之间的距离，从而使得进入光阑的光束的边缘光线与光轴之间的夹角较大，以达到增加光学成像系统的工作F数，进而提高具有上述光学成像系统的色散位移传感器的轴向分辨率，提高色散位移传感器对不同产品的适应能力，提升色散位移传感器的测量精度。但是上述设计会增加光学成像系统的光学共轭距，使得光学成像系统占用较大的空间，从而使得色散位移传感器的体积较大，不符合色散位移传感器小型化的要求。

本申请实施例的目的在于提供一种工作F数较大的光学成像系统。

将上述工作F数较大的光学成像系统应用于色散位移传感器可以增加色散位移传感器的工作F数，从而可以提高色散位移传感器的轴向分辨率，增强色散位移传感器对不同产品的适应能力，并且有利于减小色散位移传感器的体积。

为了说明本申请的技术方案，下面结合具体附图及实施例来进行说明。

请参考图1，本申请实施例提供了一种光学成像系统，包括从物侧到像侧依次分布的第一透镜群组、光阑8和第二透镜群组。

物侧发出的光束可依次经过第一透镜群组、光阑8和第二透镜群组；第一透镜群组的光焦度为负，第一透镜群组用于对光束进行发散；第二透镜群组的光焦度为正，第二透镜群组用于对光束进行会聚；其中，

光学成像系统满足以下条件：

0.4 ≤ f₂/f ≤ 0.7；

其中，f₂为第二透镜群组的焦距值，f为光学成像系统的焦距值。

需要说明的是，工作F数指的是2*n*sina，其中n为像空间折射率，a为光束边缘光线与光轴之间的夹角，所以通过增加光束的边缘光线与光轴之间的夹角可以增加光学成像系统的工作F数。

本申请提供的光学成像系统中第一透镜群组的光焦度为负，第一透镜群组能够对光束进行发散；第二透镜群组的光焦度为正，第二透镜群组能够对光束进行会聚。所以当物侧发出的光束经过第一透镜群组后，光束的边缘光线和光轴之间的夹角会增大，从而可以在第一透镜群组和光阑8之间的距离较小的情况下，实现增加光学成像系统的工作F数的目的。且由于光学成像系统满足以下条件：0.4 ≤ f₂/f ≤ 0.7；其中，f₂为所述第二透镜群组的焦距值，f为光学成像系统的焦距值，所以可以在光学成像系统比较小体积的情况下有效地提升光学成像系统的工作F数。

在一些实施例中，第一透镜群组包括至少四枚透镜，其中四枚透镜分别为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4在物侧与光阑8之间依次分布，第一透镜1为正透镜，第二透镜2为负透镜，第三透镜3或第四透镜4为正透镜。

通过上述设置，采用第一透镜1和第二透镜2组合，对物侧发出的光束进行发散，能够分担光束的边缘光线与光轴之间的夹角快速增加带来的超大的偏角，从而后有利于减少每个透镜本身的光焦度，进而大大减少高级像差，便于后续第二透镜群组对第一透镜群组进行像差平衡。

而第三透镜3或第四透镜4为正透镜，可以减少光束的边缘光线射向第二透镜群组的孔径角，也有利于后续第二透镜群组对第一透镜群组像差的平衡，这种结构能够大幅度的减少光学成像系统本身的共轭距，容易减小光学成像系统占用的空间，从而实现具有上述光学成像系统的色散位移传感器的小型化，并且使得色散位移传感器的高级像差较小，可以实现比较高的成像质量。

在一些实施例中，第二透镜2满足以下条件：

0.125 ≤θ_o*D/θ_i≤ 0.375；

其中，θ_o为从第二透镜2出射的光束的边缘光线和光轴的夹角，而θ_i为入射到第二透镜2的光束的边缘光线和光轴的夹角，D为第二透镜2朝向物侧的通光口径。

满足上述条件的第二透镜2不仅可以在比较短的空间内极大的提升光束的边缘光线与光轴之间的夹角，而且第二透镜2的弯曲量不大，不会引入大量的高级像差。若θ_o*D/θ_i小于上述条件中的最小值会无法缩小光学成像系统的体积，或者无法达到光学成像系统的F数的要求，或者会造成光学成像系统的复杂化。而若θ_o*D/θ_i大于上述条件中的最大值会导致引入大量的高级像差，引起后续光学成像系统的复杂化。

在一些实施例中，第二透镜2为负弯月形透镜。

请参考图1，第一透镜1和第二透镜2均为凹凸透镜，具有一个外凸镜面和一个内凹镜面，且内凹镜面曲率大于外凸镜面曲率。第一透镜1的汇聚面朝向物侧，第一透镜1的发散面朝向光阑8；第二透镜2的凹面朝向物侧，第二透镜2的凸面朝向光阑8。第一透镜1和第二透镜2的作用是在较短的空间内极大的提升光束的边缘光线与光轴之间的夹角，便于第二透镜群组聚焦后形成较大的工作F数，提升光学成像系统的轴向色散分辨能力。

需要说明的是，透镜对光线的发散能力或者汇聚能力不仅仅和透镜本身的材料、曲率半径相关，也和光线在透镜上的入射高度有关系。

因此，在一些实施例中，第一透镜1尽可能靠近物侧，且第一透镜1和第二透镜2之间需要具有一定的距离，从而可以增加入射到第二透镜2的光束的入射高度。并且通过上述设置，在达到相同的发散能力的情况下，可以大大减少第一透镜1和第二透镜2的曲率半径，增加第二透镜2的R/D的比值，可以大大减少光学成像系统中高级像差的产生，其中，R为第二透镜2的曲率半径，D为第二透镜2朝向物侧的通光口径。

第一透镜1和第二透镜2之间具有一定的距离，可以有效地实现光学成像系统更大NA值，减小系统的高级像差，其中，NA表示光学成像系统收光锥角的大小，NA决定了光学成像系统收光能力和空间分辨率；NA值越大表示光学成像系统收光锥角越大，光学成像系统收光能力越强和空间分辨率越高。

在一些实施例中，第三透镜3为正透镜，第四透镜4为负透镜。

在一些实施例中，第三透镜3为正弯月形透镜。

请参考图1，第三透镜3为凹凸透镜，具有一个外凸镜面和一个内凹镜面，且外凸镜面曲率大于内凹镜面曲率。第三透镜3的内凹镜面朝向物侧，第三透镜3的外凸镜面朝向光阑8。

可选的，第四透镜4的形状比较灵活，可以是平凹，双凹或者弯月型负透镜都可以，可以根据光学成像系统的像差的平衡状态而定。

由于经过第一透镜1和第二透镜2的发散后，入射到第三透镜3和第四透镜4的光束的光线发散角很大，第三片透镜采用上述正弯月型透镜，将大大减少入射到第二透镜群组中的光束的边缘光线与光轴之间的夹角，避免了产生大量的高级像差。同时上述第三透镜3的朝向光阑8的外凸镜面和朝向物侧的内凹镜面的方向相同，这样等同于使用两个光学面共同承担了光线的偏角，可以大大减少光线在两个光学面的上入射角度，避免产生了大量的高级像差。而紧随其后的第四透镜4的形状较为灵活，其主要的作用就是产生一定量的像差和第三透镜3进行平衡，避免把所有的像差平衡任务都放置到第二透镜群组上。

在一些实施例中，第二透镜群组至少包括三枚透镜，其中三枚透镜分别为第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7，第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7在光阑8与像侧之间依次分布，且第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7均为正透镜。

通过上述设置，采用多枚正透镜对光线偏角进行分担，有利于减少光学成像系统的残留高级像差，并且在小体积中实现镜头的高工作F数，有利于提升具有上述光学成像系统的色散位移传感器的位移分辨能力。

请参考图1，在一些实施例中第二透镜群组中靠近像侧的透镜为第七透镜7。

在一些实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7的折射率和阿贝系数均满足以下条件：

1.7 ≤ nd_LX≤ 2.0；

15 ≤ vd_LX≤ 50；

其中，nd_LX为光学成像系统中的第X透镜的折射率，vd_LX为光学成像系统中第X透镜的阿贝数，X可以为一、二、三、四、五、六或七。

使用折射率比较高的透镜可以有效的减少光学成像系统的球差影响，使得系统不那么复杂；而使用阿贝系数比较低的透镜，这些透镜的色散比较大，叠加使用可以得到比较大的色散长度。

请参考图1，在一具体实施例中，光学成像系统中的各透镜的参数如表1所示，且光学成像系统的θ_o*D/θ_i=0.275，f₂/f=0.58。其中，下表中“面序号”为从物侧到像侧依次排列的每一个透镜的镜面的序号，“R值”为每一个透镜镜面所对应的球面半径，“厚度”为相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则“厚度”表示该透镜的厚度，否则“厚度”表示物侧/像侧到透镜镜面的距离或者相邻透镜之间的间距。

本实施例的光学成像系统的色散长度>18mm，工作F数为1.5，总长为190mm。

图2为本实施例的光学成像系统对应的MTF图，提供了不同的空间频率下视场的MTF曲线。图中MTF曲线贴近衍射极限，说明本实施例的光学成像系统具有良好的成像质量。

图3是本实施例的光学成像系统采用波长为0.4mm的光束进行试验得到的轴向球差图。由图3可以看出本实施例的光学成像系统具有良好的成像质量。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参考前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光学成像系统，其特征在于，由从物侧到像侧依次分布的第一透镜群组、光阑和第二透镜群组组成，所述物侧发出的光束可依次经过所述第一透镜群组、光阑和第二透镜群组；

所述第一透镜群组的光焦度为负，所述第一透镜群组由在所述物侧与所述光阑之间依次分布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，所述第一透镜群组用于对所述光束进行发散；

所述第二透镜群组的光焦度为正，所述第二透镜群组由在所述光阑与所述像侧之间依次分布的第五透镜、第六透镜和第七透镜组成，所述第二透镜群组用于对所述光束进行会聚；其中，

所述第二透镜和所述第四透镜均为负透镜，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜和所述第七透镜均为正透镜；

所述光学成像系统满足以下条件：

0.4 ≤ f₂/f ≤ 0.7；

其中，f₂为所述第二透镜群组的焦距值，f为所述光学成像系统的焦距值；

且，所述第二透镜满足以下条件：

0.125 ≤θ_o*D/θ_i≤ 0.375；

其中，θ_o为从第二透镜出射的光束的边缘光线和光轴的夹角，而θ_i为入射到第二透镜的光束的边缘光线和光轴的夹角，D为第二透镜朝向物侧的通光口径。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜为负弯月形透镜。

3.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第三透镜为正弯月形透镜。

4.根据权利要求3所述的光学成像系统，其特征在于，所述第三透镜具有一个外凸镜面和一个内凹镜面，且所述第三透镜的外凸镜面曲率大于内凹镜面曲率，所述第三透镜的内凹镜面朝向物侧，所述第三透镜的外凸镜面朝向所述光阑。

5.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜和所述第七透镜的折射率和阿贝系数均满足以下条件：

1.7 ≤ nd_LX≤ 2.0；

15 ≤ vd_LX≤ 50；

其中，nd_LX为所述光学成像系统中的第X透镜的折射率，vd_LX为所述光学成像系统中第X透镜的阿贝数，X可以为一、二、三、四、五、六或七。