CN217739597U - 一种适用于物像双倾斜的成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，它为双远心结构，物面的入射光线依次经前后表面分别为球面和自由曲面的第一自由曲面透镜、前后表面均为球面的第一球面透镜、前后表面分别为球面和自由曲面的第二自由曲面透镜、前后表面均为球面的第二球面透镜、前后表面分别为自由曲面和球面的第三自由曲面透镜、前后表面均为球面的第三球面透镜及前后表面分别为球面和自由曲面的第四自由曲面透镜，到达像面成像。本实用新型采用球面镜与自由曲面组合，降低了系统的研制成本；采用双远心结构，将光阑放置在镜头中间，使物体在景深范围内前后移动时，系统的放大倍率不变。本实用新型具有成像质量高，结构简单、成本低、易于装调的优点。

Description

一种适用于物像双倾斜的成像光学系统
技术领域
本实用新型属于光学成像技术领域，特别涉及一种适用于物像双倾斜的成像光学系统。
背景技术
物像面均倾斜的成像光学系统在基于激光三角法测量物体表面高度，物体表面轮廓等领域具有广泛的应用。参见附图1，是激光三角测量法的原理示意图，激光器发出的点激光经过照明系统后，入射到被测物体表面上，被测物体表面散射光经成像系统成像在光电探测器上，由于不同高度被测物体在光电探测器上成像位置不同，通过被测物散射光在探测器表面的位置即可计算得到被测物表面的高度。激光三角测量系统为了在较小的体积下获得较高的分辨率以及较大的高度测量范围，要求成像系统的光轴与被测物表面以及探测器表面法线方向成一定夹角。使用通常的单个透镜或自由曲面镜成像系统，会导致不同高度处系统的成像放大率不同，使得探测器接收到的线光斑像宽不同，无法获得良好的成像结果，严重影响后续的高度还原过程。中国实用新型专利CN201477280U提出了一种物像双倾斜成像光学系统，由三块球面透镜组合而成，可以解决倾斜物体的测量难题，但成像质量还有待提高。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种成像质量高，结构简单、成本低、易于装调的适用于物像双倾斜的成像光学系统。
实现本实用新型发明目的的技术方案式，提供一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，它由7块透镜组合排列成双远心结构，按光线入射方向，依次为第一自由曲面透镜、第一球面透镜、第二自由曲面透镜、第二球面透镜、第三自由曲面透镜、第三球面透镜和第四自由曲面透镜；所述第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜的前后表面均为球面，所述第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜和第四自由曲面透镜的前表面为球面，后表面为自由曲面，所述第三自由曲面透镜的前表面为自由曲面，后表面为球面；各自由曲面透镜的自由曲面面形表达式为2D-Q-type多项式自由曲面。
本实用新型所述的一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，各多项式自由曲面的参数包括曲率半径R、圆锥曲面常数K、阶数i对应的各多项式的系数ai，一个优选的方案是它们的取值分别为：
参数 第一自由曲面透镜后表面 第二自由曲面透镜后表面 第三自由曲面透镜前表面 第四自由曲面透镜后表面
R -106.5271 34.4795 -29.7143 -434.9658
K 1.1476 1.4716 0.8891 3.8294
a5 0.0082 -0.0084 0.00343 0.0005
a8 -0.1544 0.1575 0.00565 0.0068
a9 -0.3233 0.1326 -0.2457 -0.4243
a11 -0.115 0.0071 -0.0030 -0.0077
a12 0.0137 -0.0069 -0.0012 0.0024
a15 -0.0196 -0.0016 -0.0028 0.0036
a16 0.0095 -0.0134 0.0204 -0.0045
a20 -0.00145 0.0005 0.0003 -0.0001
a21 0.00148 -4.33*10<sup>-5</sup> -3.512*10<sup>-5</sup> -3.295*10<sup>-5</sup>
a24 -0.00147 0.0003 0.0002 0.0007
a25 0.0004 0.001 -0.0014 0.0002
a31 0.0001 9.97*10<sup>-5</sup> -3.992*10<sup>-5</sup> -7.125*10<sup>-5</sup>
a32 -0.0000573 5.2*10<sup>-5</sup> 2.367*10<sup>-6</sup> -4.511*10<sup>-5</sup>
其余各多项式的系数 0 0 0 0
本实用新型所述的一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，第一自由曲面透镜的焦距f1= 89.877，第一球面透镜的焦距f2=80.421，第二自由曲面透镜的焦距f3= -53.969，第二球面透镜的焦距f4= -54.123，第三自由曲面透镜的焦距f5= -159.971，第三球面透镜的焦距f6= 84.292，第四自由曲面透镜的焦距f7=85.262。
在本实用新型技术方案中，2D-Q-type多项式自由曲面的表达式参见文献《Characterizing the shape of freeform optics》（Characterizing the shape offreeform optics . G. W. Forbes. 30 January 2012.OSA）中的定义构建, 得到曲面的径向高度，其中，多项式自由曲面的阶数为i，i=2、3、5～32。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提供的一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，通过采用三块球面镜加四块2D-Q-type自由曲面镜同心组合，7块透镜构成双远心系统使得物体在景深范围内前后移动时，系统的放大倍率不变,同时，成像质量得到了显著的提高；整体系统采用双远心光路，有效解决了后续中心提取时的中心计算不准问题。成像光学系统具有结构简单、成本低、成像质量高、易于装调等优点。
附图说明
图1是激光三角测量法的测量原理示意图；
图2是本实用新型实施例提供的物像面均倾斜的成像光学系统的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的成像光学系统的像面点列图；
图4是本实用新型实施例提供的成像光学系统的像面不同区域的mtf传递函数图；
图5是本实用新型实施例提供的成像光学系统的像面畸变图。
图中，1.第一自由曲面透镜；2.第一球面透镜；3.第二自由曲面透镜；4.第二球面透镜；5.第三自由曲面透镜；6.第三球面透镜；7.第四自由曲面透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步说明。
实施例1
在本实施例中，成像光学系统的工作波长为405nm，物面倾斜角为35°，像面倾斜角为25.22°，其物像面均倾斜的成像光学系统具有物面与像面均为倾斜面的特征。
参见附图2，是本实施例提供的物像面均倾斜的成像光学系统的结构示意图，光学系统由7块透镜组合排列成双远心结构，入射光束依次经过第一自由曲面透镜1，第一球面透镜2，第二自由曲面透镜3，第二球面透镜4，第三自由曲面透镜5，第三球面透镜6，第四自由曲面透镜7；其中，第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜的前后表面均为球面，第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜和第四自由曲面透镜的前表面为球面，后表面为自由曲面，第三自由曲面透镜的前表面为自由曲面，后表面为球面。
本实施例中，第一自由曲面透镜的焦距f1= 89.877，第一球面透镜的焦距f2=80.421，第二自由曲面透镜的焦距f3= -53.969，第二球面透镜的焦距f4= -54.123，第三自由曲面透镜的焦距f5= -159.971，第三球面透镜的焦距f6= 84.292，第四自由曲面透镜的焦距f7=85.262。
表1为本实施例提供的成像光学系统各光学元件的具体参数。
表1
Figure 49877DEST_PATH_IMAGE002
在本实施例中，第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜和第四自由曲面透镜的前表面为球面，后表面为自由曲面，第三自由曲面透镜的前表面为自由曲面，后表面为球面；上述各自由曲面采用2D-Q-type多项式自由曲面，其表达式参见文献《Characterizing theshape of freeform optics》（Characterizing the shape of freeform optics . G. W.Forbes. 30 January 2012.OSA）中的定义构建, 得到曲面的径向高度，其中，多项式自由曲面的阶数为i，i=2、3、5～32。
本实施例中，2D-Q-type多项式自由曲面的多项式系数ai的取值参见表2。
表2
i阶多项式系数 第一自由曲面透镜 第二自由曲面透镜 第三自由曲面透镜 第四自由曲面透镜
a5 0.0082 -0.0084 0.00343 0.0005
a8 -0.1544 0.1575 0.00565 0.0068
a9 -0.3233 0.1326 -0.2457 -0.4243
a11 -0.115 0.0071 -0.0030 -0.0077
a12 0.0137 -0.0069 -0.0012 0.0024
a15 -0.0196 -0.0016 -0.0028 0.0036
a16 0.0095 -0.0134 0.0204 -0.0045
a20 -0.00145 0.0005 0.0003 -0.0001
a21 0.00148 -4.33*10<sup>-5</sup> -3.512*10<sup>-5</sup> -3.295*10<sup>-5</sup>
a24 -0.00147 0.0003 0.0002 0.0007
a25 0.0004 0.001 -0.0014 0.0002
a31 0.0001 9.97*10<sup>-5</sup> -3.992*10<sup>-5</sup> -7.125*10<sup>-5</sup>
a32 -0.0000573 5.2*10<sup>-5</sup> 2.367*10<sup>-6</sup> -4.511*10<sup>-5</sup>
在本实施例中，各多项式自由曲面中的其余多项式系数为0。
表1和表2的结果表明，通过合理地选取透镜的厚度，有利于在保证可加工性的同时，减轻系统的重量；部分透镜采用自由曲面，有助于大幅降低系统的像差，提高成像质量；同时，合理的选取透镜间距，有利于减小整体系统的体积，并且便于装调、检测。
参见附图3，是本实施例提供的成像光学系统的像面点列图，图3结果显示，RMS最大为3.58um。
参见附图4，是本实施例提供的成像光学系统的像面在不同区域的mtf传递函数图。图4中的（a）图、(b)图和（c）图显示，在成像光学系统像面不同位置处的mtf曲线优于衍射极限。
参见附图5，是本实施例提供的成像光学系统的像面畸变图。图5结果表明，系统边缘视场最大畸变为0.4%，对成像质量影响较小。
本实施例提供的成像光学系统通过采用三块球面镜加四块自由曲面透镜同心组合，成像质量显著提高，并且整体系统采用双远心光路，有效解决了后续中心提取时的中心计算不准问题。成像光学系统具有结构简单、成本低、成像质量高、易于装调等优点。

Claims (3)

1.一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，其特征在于：它由7块透镜组合排列成双远心结构，按光线入射方向，依次为第一自由曲面透镜（1）、第一球面透镜（2）、第二自由曲面透镜（3）、第二球面透镜（4）、第三自由曲面透镜（5）、第三球面透镜（6）和第四自由曲面透镜（7）；所述第一球面透镜（2）、第二球面透镜（4）和第三球面透镜（6）的前后表面均为球面，所述第一自由曲面透镜（1）、第二自由曲面透镜（3）和第四自由曲面透镜（7）的前表面为球面，后表面为自由曲面，所述第三自由曲面透镜（5）的前表面为自由曲面，后表面为球面；各自由曲面透镜的自由曲面面形表达式为2D-Q-type多项式自由曲面，所述多项式自由曲面的阶数为i，i=2、3、5～32。
2.根据权利要求1所述的一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，其特征在于：各多项式自由曲面的参数包括曲率半径R、圆锥曲面常数K、阶数i对应的各多项式的系数ai，它们的取值分别为：
参数 第一自由曲面透镜后表面 第二自由曲面透镜后表面 第三自由曲面透镜前表面 第四自由曲面透镜后表面 R -106.5271 34.4795 -29.7143 -434.9658 K 1.1476 1.4716 0.8891 3.8294 a5 0.0082 -0.0084 0.00343 0.0005 a8 -0.1544 0.1575 0.00565 0.0068 a9 -0.3233 0.1326 -0.2457 -0.4243 a11 -0.115 0.0071 -0.0030 -0.0077 a12 0.0137 -0.0069 -0.0012 0.0024 a15 -0.0196 -0.0016 -0.0028 0.0036 a16 0.0095 -0.0134 0.0204 -0.0045 a20 -0.00145 0.0005 0.0003 -0.0001 a21 0.00148 -4.33*10<sup>-5</sup> -3.512*10<sup>-5</sup> -3.295*10<sup>-5</sup> a24 -0.00147 0.0003 0.0002 0.0007 a25 0.0004 0.001 -0.0014 0.0002 a31 0.0001 9.97*10<sup>-5</sup> -3.992*10<sup>-5</sup> -7.125*10<sup>-5</sup> a32 -0.0000573 5.2*10<sup>-5</sup> 2.367*10<sup>-6</sup> -4.511*10<sup>-5</sup> 其余各多项式的系数 0 0 0 0
。
3.根据权利要求1所述的一种适用于物像双倾斜的成像光学系统，其特征在于：第一自由曲面透镜的焦距f1= 89.877，第一球面透镜的焦距f2=80.421，第二自由曲面透镜的焦距f3= -53.969，第二球面透镜的焦距f4= -54.123，第三自由曲面透镜的焦距f5= -159.971，第三球面透镜的焦距f6= 84.292，第四自由曲面透镜的焦距f7=85.262。
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