CN119022822B - 一种具有高精度成像镜头的3d线激光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高精度成像镜头的3D线激光传感器，包括壳体、成像镜头、激光器、CMOS组和航空插头；壳体内侧固定安装有PCBA板；激光器固定安装在壳体上；成像镜头通过镜头支架安装在壳体内部，用于接收被测物体表面的反射光并汇聚成像；CMOS组固定安装在成像镜头的底部，用于接收成像镜头汇聚的成像，并将光信号转换成电信号，通过航空插头输出电信号；成像镜头与CMOS组之间固定安装有遮光罩；成像镜头包括沿光轴依次设置的0光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜、光阑、负光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜和正光焦度的第八透镜。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种具有高精度成像镜头的3D线激光传感器。
背景技术
3D线激光轮廓测量传感器最常用的测量原理之一，基于激光三角测量原理，传感器的激光源发出一束激光束，激光束被投射到物体表面上，由于物体表面存在高低起伏等不规则性，激光线在物体表面会发生反射和散射，反射后的光束通过特定的透镜组，汇聚成像在传感器内部的感光阵列上形成一个光斑，光斑的反射光经过光学系统成像在图像传感器上，根据三角形的相似原理，可以通过测量光斑在图像传感器上的位置来计算出物体表面的信息。
随着工业自动化的快速发展，对于3D线激光传感器的需求日益提高；而现有的3D线激光传感器分辨率较低，不能满足测量要求。其中，成像镜头作为3D线激光传感器的核心部件，往往成像镜头的分辨率就决定了3D线激光传感器的分辨率。现有技术的成像镜头不能满足3D线激光传感器的技术要求，且成像质量较低；其中，现有的成像镜头容易出现畸变现象，在使用广角镜头特别是变焦镜头的广角端时成像画面呈桶形膨胀状，画面中靠近相框边缘位置的直线最容易让人察觉这种失真现象；在使用长焦镜头或变焦镜头的长焦端时画面有向中间“收缩”的现象。
发明内容
本申请的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种具有高精度成像镜头的3D线激光传感器。
为实现本申请的目的所采用的技术方案是：
一种具有高精度成像镜头的3D线激光传感器，包括壳体、成像镜头、激光器、CMOS组和航空插头；
所述壳体内侧固定安装有PCBA板，用于利用PCBA板上的线路实现激光器、CMOS组和航空插头的电连接；所述激光器固定安装在壳体上，用于向被测物体发射激光；所述成像镜头通过镜头支架安装在壳体内部，用于接收被测物体表面的反射光，并汇聚成像；所述CMOS组固定安装在成像镜头的底部，用于接收成像镜头汇聚的成像，并将光信号转换成电信号，通过航空插头输出电信号；所述成像镜头与CMOS组之间固定安装有遮光罩；所述壳体顶部分别设置有第二安装孔和第三安装孔，所述成像镜头的顶端嵌设在第二安装孔内；所述第三安装孔处设置有窗口；
所述成像镜头包括沿光轴依次设置的0光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜、光阑、负光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜和正光焦度的第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜均包括物侧面和像侧面；所述第一透镜的物侧面为平面，第一透镜的像侧面为平面，所述第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为平面，所述第四透镜的物侧面为凸面，第四透镜的像侧面为凹面，所述第五透镜的物侧面为凹面，第五透镜的像侧面为凸面，所述第六透镜的物侧面为凹面，第六透镜的像侧面为平面，所述第七透镜的物侧面为平面，第七透镜的像侧面为凸面，所述第八透镜的物侧面为凸面，第八透镜的像侧面为凸面。
在上述技术方案中，所述激光器通过安装板固定安装在壳体上。
在上述技术方案中，所述3D线激光传感器还包括指示灯，所述壳体上设置有指示灯窗口。
在上述技术方案中，所述壳体的一侧设置有第一安装孔，所述航空插头固定安装在第一安装孔内。
在上述技术方案中，所述第一透镜的物侧面与第一透镜的像侧面的曲率半径均为无限大小；所述第一透镜的物侧面厚度/表面间距为1.0000mm；所述第一透镜的像侧面厚度/表面间距为0.4565mm；所述第二透镜的物侧面曲率半径为163.5699mm，厚度/表面间距为1.4565mm，第二透镜的像侧面曲率半径为-162.5468mm，厚度/表面间距为0.8755mm；所述第三透镜的物侧面曲率半径为27.5468mm，厚度/表面间距为2.4565mm，第三透镜的像侧面曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为0.8456mm；所述第四透镜的物侧面曲率半径为7.4584mm，厚度/表面间距为4.3565mm，第四透镜的像侧面曲率半径为5.8246mm，厚度/表面间距为2.0456mm；所述第五透镜的物侧面曲率半径为-23.4565mm，厚度/表面间距为1.9755mm，第五透镜的像侧面曲率半径为-19.4563mm，厚度/表面间距为1.4565mm；所述第六透镜的物侧面曲率半径为-17.4565mm，厚度/表面间距为2.5465mm，第六透镜的像侧面曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为3.4565mm；所述第七透镜的物侧面曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为5.7868mm，第七透镜的像侧面曲率半径为-15.4565mm，厚度/表面间距为4.9880mm；所述第八透镜的物侧面曲率半径为82.4569mm，厚度/表面间距为2.4565mm，第八透镜的像侧面曲率半径为-111.4565mm，厚度/表面间距为28.4349mm。
在上述技术方案中，所述第一透镜的物侧面与第一透镜的像侧面的折射率和阿贝数相同，所述折射率为1.5200，所述阿贝数为64.2000；所述第二透镜的物侧面与第二透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为132.1583mm，所述折射率为1.6000，所述阿贝数为60.6000；所述第三透镜的物侧面与第三透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为42.9699mm，所述折射率为1.6200，所述阿贝数为58.1000；所述第四透镜的物侧面与第四透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为-313.1087mm，所述折射率为1.6900，所述阿贝数为54.5000；所述第五透镜的物侧面与第五透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为96.1083mm，所述折射率为1.9000，所述阿贝数为31.2000；所述第六透镜的物侧面与第六透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为-20.1912mm，所述折射率为1.8100，所述阿贝数为25.5000；所述第七透镜的物侧面与第七透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为29.1518mm，所述折射率为1.5200，所述阿贝数为64.2000；所述第八透镜的物侧面与第八透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为56.7144mm，所述折射率为1.8100，所述阿贝数为41.0000。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的3D线激光传感器具有高精度成像镜头，高精度成像镜头采用八片特定光焦度的镜片，通过合理分配八片透镜的光焦度，合理控制透镜的面型，使得光学镜头在满足沙姆原理的情况下，仍具有良好的成像质量，同时拥有较小的畸变和较低的成本；
2、本发明的高精度成像镜头将光阑设置在第五透镜和第六透镜之间，可以有效控制进入镜头的光线角度，减小镜头的口径。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，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为本发明所述的3D线激光传感器的结构示意图。
图2为本发明所述的高精度成像镜头的结构示意图。
图3为本发明所述的高精度成像镜头的场曲与畸变曲线图。
图4为本发明所述的高精度成像镜头的相对照度曲线图。
图中：1-壳体，1-1-第二安装孔，1-2-第三安装孔，2-成像镜头，2-1-第一透镜，2-2-第二透镜，2-3-第三透镜，2-4-第四透镜，2-5-第五透镜，2-6-第六透镜，2-7-第七透镜，2-8-第八透镜，2-9-光阑，2-10-镜头支架，3-激光器，3-1-安装板，4- CMOS组，5-航空插头，6-PCBA板，7-遮光罩，8-指示灯，9-窗口，S1-第一透镜的物侧面，S2-第一透镜的像侧面，S3-第二透镜的物侧面，S4-第二透镜的像侧面，S5-第三透镜的物侧面，S6-第三透镜的像侧面，S7-第四透镜的物侧面，S8-第四透镜的像侧面，S9-第五透镜的物侧面，S10-第五透镜的像侧面，S11-所述第六透镜的物侧面，S12-第六透镜的像侧面，S13-第七透镜的物侧面，S14-第七透镜的像侧面，S15-第八透镜的物侧面，S16-第八透镜的像侧面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种具有高精度成像镜头的3D线激光传感器，参见图1，包括壳体1、成像镜头2、激光器3、CMOS组4和航空插头5。
所述壳体1内侧固定安装有PCBA板6（所述PCBA板6通过螺栓固定安装在壳体1内侧），用于利用PCBA板6上的线路实现激光器3、CMOS组4和航空插头5的电连接；所述激光器3固定安装在壳体1上，用于向被测物体发射激光；其中，所述激光器3通过安装板3-1固定安装在壳体1上。所述成像镜头2通过镜头支架2-10安装在壳体1内部，用于接收被测物体表面的反射光，并汇聚成像。所述CMOS组4固定安装在成像镜头2的底部，用于接收成像镜头2汇聚的成像（光信号），并将光信号转换成电信号，通过航空插头5输出电信号，用以得到被测物体的三维坐标数据。所述壳体1的一侧设置有第一安装孔，所述航空插头5固定安装在第一安装孔内，用于实现3D线激光传感器与其他设备或系统的连接。
所述成像镜头2与CMOS组4之间固定安装有遮光罩7，用于防止杂光干扰，并保护镜头和 CMOS传感器，防止意外碰撞和刮伤以及减少灰尘和污渍的附着。
进一步的，所述壳体1顶部分别设置有第二安装孔1-1和第三安装孔1-2，所述成像镜头2的顶端嵌设在第二安装孔1-1内，用于接收被测物体表面的反射光；所述第三安装孔1-2处设置有窗口9，用于使激光器3发射的激光穿过并发射至被测物体表面。
本实施例的3D线激光传感器还包括指示灯8，所述壳体1上设置有指示灯窗口（指示灯窗口未在图片中显示），用于使指示灯8嵌设在指示灯窗口处，并通过指示灯8反映3D线激光传感器的工作状态。
参见图2，具体的，本实施例的成像镜头2包括沿光轴依次设置的0光焦度的第一透镜2-1、正光焦度的第二透镜2-2、正光焦度的第三透镜2-3、正光焦度的第四透镜2-4、正光焦度的第五透镜2-5、光阑2-9、负光焦度的第六透镜2-6、正光焦度的第七透镜2-7和正光焦度的第八透镜2-8，将光阑2-9设置在第五透镜2-5和第六透镜2-6之间，可以有效控制进入镜头的光线角度，减小镜头的口径。
所述第一透镜2-1、第二透镜2-2、第三透镜2-3、第四透镜2-4、第五透镜2-5、第六透镜2-6、第七透镜2-7和第八透镜2-8均包括物侧面和像侧面；所述第一透镜2-1的物侧面S1为平面，第一透镜2-1的像侧面S2为平面，所述第二透镜2-2的物侧面S3为凸面，第二透镜2-2的像侧面S4为凸面，所述第三透镜2-3的物侧面S5为凸面，第三透镜2-3的像侧面S6为平面，所述第四透镜2-4的物侧面S7为凸面，第四透镜2-4的像侧面S8为凹面，所述第五透镜2-5的物侧面S9为凹面，第五透镜2-5的像侧面S10为凸面，所述第六透镜2-6的物侧面S11为凹面，第六透镜2-6的像侧面S12为平面，所述第七透镜2-7的物侧面S13为平面，第七透镜2-7的像侧面S14为凸面，所述第八透镜2-8的物侧面S15为凸面，第八透镜2-8的像侧面S16为凸面。采用八片特定光焦度的镜片，通过合理分配八片透镜的光焦度，合理控制透镜的面型，使得光学镜头在满足沙姆原理的情况下，仍具有良好的成像质量，同时拥有较小的畸变和较低的成本。
所述第一透镜2-1、第二透镜2-2、第三透镜2-3、第四透镜2-4、第五透镜2-5、第六透镜2-6、第七透镜2-7和第八透镜2-8的材质相同，所述材质为玻璃。所述第一透镜2-1的物侧面S1与第一透镜的像侧面S2的曲率半径均为无限大小；所述第一透镜2-1的物侧面S1厚度/表面间距为1.0000mm；所述第一透镜的像侧面S2厚度/表面间距为0.4565mm；所述第一透镜2-1的物侧面S1与第一透镜的像侧面S2的折射率和阿贝数相同，所述折射率为1.5200，所述阿贝数为64.2000；所述第二透镜2-2的物侧面S3曲率半径为163.5699mm，厚度/表面间距为1.4565mm，第二透镜2-2的像侧面S4曲率半径为-162.5468mm，厚度/表面间距为0.8755mm；所述第二透镜2-2的物侧面S3与第二透镜2-2的像侧面S4的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为132.1583mm，所述折射率为1.6000，所述阿贝数为60.6000；所述第三透镜2-3的物侧面S5曲率半径为27.5468mm，厚度/表面间距为2.4565mm，第三透镜2-3的像侧面S6曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为0.8456mm；所述第三透镜2-3的物侧面S5与第三透镜2-3的像侧面S6的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为42.9699mm，所述折射率为1.6200，所述阿贝数为58.1000；所述第四透镜2-4的物侧面S7曲率半径为7.4584mm，厚度/表面间距为4.3565mm，第四透镜2-4的像侧面S8曲率半径为5.8246mm，厚度/表面间距为2.0456mm；所述第四透镜2-4的物侧面S7与第四透镜2-4的像侧面S8的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为-313.1087mm，所述折射率为1.6900，所述阿贝数为54.5000；所述第五透镜2-5的物侧面S9曲率半径为-23.4565mm，厚度/表面间距为1.9755mm，第五透镜2-5的像侧面S10曲率半径为-19.4563mm，厚度/表面间距为1.4565mm；所述第五透镜2-5的物侧面S9与第五透镜2-5的像侧面S10的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为96.1083mm，所述折射率为1.9000，所述阿贝数为31.2000；所述第六透镜2-6的物侧面S11曲率半径为-17.4565mm，厚度/表面间距为2.5465mm，第六透镜2-6的像侧面S12曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为3.4565mm；所述第六透镜2-6的物侧面S11与第六透镜2-6的像侧面S12的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为-20.1912mm，所述折射率为1.8100，所述阿贝数为25.5000；所述第七透镜2-7的物侧面S13曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为5.7868mm，第七透镜2-7的像侧面S14曲率半径为-15.4565mm，厚度/表面间距为4.9880mm；所述第七透镜2-7的物侧面S13与第七透镜2-7的像侧面S14的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为29.1518mm，所述折射率为1.5200，所述阿贝数为64.2000；所述第八透镜2-8的物侧面S15曲率半径为82.4569mm，厚度/表面间距为2.4565mm，第八透镜2-8的像侧面S16曲率半径为-111.4565mm，厚度/表面间距为28.4349mm；所述第八透镜2-8的物侧面S15与第八透镜2-8的像侧面S16的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为56.7144mm，所述折射率为1.8100，所述阿贝数为41.0000。如表1所示；
参见图3，本实施例的成像镜头2的场曲值在±0.05以内、畸变在±0.1%以内；参见图4，从相对照度可以看出，所述成像镜头2的视场范围内照度均大于70%。可见，所述成像镜头2具有良好的成像质量、小畸变、高照度的特点。
一种基于3D线激光传感器的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，启动3D线激光传感器，所述激光器3向被测物体发射激光，并经过被测物体表面反射进入成像镜头2。其中，3D线激光传感器启动（工作状态）时，所述指示灯8为亮灯。
步骤2，所述被测物体表面的反射光依次经过成像镜头2的第一透镜2-1、第二透镜2-2、第三透镜2-3、第四透镜2-4、第五透镜2-5、光阑2-9、第六透镜2-6、第七透镜2-7和第八透镜2-8汇聚成像。
步骤3，所述CMOS组4接收所述成像镜头2汇聚的成像，并将汇聚的成像转换成电信号。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(转动90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有高精度成像镜头的3D线激光传感器，其特征在于，包括壳体、成像镜头、激光器、CMOS组和航空插头；
所述壳体内侧固定安装有PCBA板，用于利用PCBA板上的线路实现激光器、CMOS组和航空插头的电连接；所述激光器固定安装在壳体上，用于向被测物体发射激光；所述成像镜头通过镜头支架安装在壳体内部，用于接收被测物体表面的反射光，并汇聚成像；所述CMOS组固定安装在成像镜头的底部，用于接收成像镜头汇聚的成像，并将光信号转换成电信号，通过航空插头输出电信号；所述成像镜头与CMOS组之间固定安装有遮光罩；所述壳体顶部分别设置有第二安装孔和第三安装孔，所述成像镜头的顶端嵌设在第二安装孔内；所述第三安装孔处设置有窗口；
所述成像镜头包括沿光轴依次设置的0光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜、光阑、负光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜和正光焦度的第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜均包括物侧面和像侧面；所述第一透镜的物侧面为平面，第一透镜的像侧面为平面，所述第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为平面，所述第四透镜的物侧面为凸面，第四透镜的像侧面为凹面，所述第五透镜的物侧面为凹面，第五透镜的像侧面为凸面，所述第六透镜的物侧面为凹面，第六透镜的像侧面为平面，所述第七透镜的物侧面为平面，第七透镜的像侧面为凸面，所述第八透镜的物侧面为凸面，第八透镜的像侧面为凸面；
所述第一透镜的物侧面与第一透镜的像侧面的曲率半径均为无限大小；所述第一透镜的物侧面厚度/表面间距为1.0000mm；所述第一透镜的像侧面厚度/表面间距为0.4565mm；所述第二透镜的物侧面曲率半径为163.5699mm，厚度/表面间距为1.4565mm，第二透镜的像侧面曲率半径为-162.5468mm，厚度/表面间距为0.8755mm；所述第三透镜的物侧面曲率半径为27.5468mm，厚度/表面间距为2.4565mm，第三透镜的像侧面曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为0.8456mm；所述第四透镜的物侧面曲率半径为7.4584mm，厚度/表面间距为4.3565mm，第四透镜的像侧面曲率半径为5.8246mm，厚度/表面间距为2.0456mm；所述第五透镜的物侧面曲率半径为-23.4565mm，厚度/表面间距为1.9755mm，第五透镜的像侧面曲率半径为-19.4563mm，厚度/表面间距为1.4565mm；所述第六透镜的物侧面曲率半径为-17.4565mm，厚度/表面间距为2.5465mm，第六透镜的像侧面曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为3.4565mm；所述第七透镜的物侧面曲率半径为无限大小，厚度/表面间距为5.7868mm，第七透镜的像侧面曲率半径为-15.4565mm，厚度/表面间距为4.9880mm；所述第八透镜的物侧面曲率半径为82.4569mm，厚度/表面间距为2.4565mm，第八透镜的像侧面曲率半径为-111.4565mm，厚度/表面间距为28.4349mm。
2.根据权利要求1所述的3D线激光传感器，其特征在于，所述激光器通过安装板固定安装在壳体上。
3.根据权利要求1所述的3D线激光传感器，其特征在于，所述3D线激光传感器还包括指示灯，所述壳体上设置有指示灯窗口。
4.根据权利要求1所述的3D线激光传感器，其特征在于，所述壳体的一侧设置有第一安装孔，所述航空插头固定安装在第一安装孔内。
5.根据权利要求1所述的3D线激光传感器，其特征在于，所述第一透镜的物侧面与第一透镜的像侧面的折射率和阿贝数相同，所述折射率为1.5200，所述阿贝数为64.2000；所述第二透镜的物侧面与第二透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为132.1583mm，所述折射率为1.6000，所述阿贝数为60.6000；所述第三透镜的物侧面与第三透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为42.9699mm，所述折射率为1.6200，所述阿贝数为58.1000；所述第四透镜的物侧面与第四透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为-313.1087mm，所述折射率为1.6900，所述阿贝数为54.5000；所述第五透镜的物侧面与第五透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为96.1083mm，所述折射率为1.9000，所述阿贝数为31.2000；所述第六透镜的物侧面与第六透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为-20.1912mm，所述折射率为1.8100，所述阿贝数为25.5000；所述第七透镜的物侧面与第七透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为29.1518mm，所述折射率为1.5200，所述阿贝数为64.2000；所述第八透镜的物侧面与第八透镜的像侧面的焦距、折射率和阿贝数相同，所述焦距为56.7144mm，所述折射率为1.8100，所述阿贝数为41.0000。
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