CN218213627U - 一种工业镜头及光学检测装置 - Google Patents

Abstract

一种工业镜头及光学检测装置，涉及光学成像技术领域。该工业镜头包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的前置光阑、锥光镜组、调焦镜组和后镜组，锥光镜组包括多个汇聚透镜，多个汇聚透镜接收来自物侧的预设角度范围的入射光束并将入射光束依次汇聚，调焦镜组包括移动镜组和固定镜组，移动镜组靠近或远离固定镜组以调整工业镜头的工作距离，固定镜组对入射光束先汇聚后发散以校正锥光镜组产生的场曲和像散，后镜组用于校正调焦镜组产生的像差。该工业镜头能够实现大视场高分辨率成像。

Description

一种工业镜头及光学检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体而言，涉及一种工业镜头及光学检测装置。

背景技术

近年来，增强现实和虚拟现实等近眼显示设备正飞速发展，为准确评估设备性能，并确保量产设备的性能一致性，需要使用近眼显示设备的光学检测装置对其进行检测，这种光学检测装置的核心组件是一种能够模拟人眼的光学镜头。

人眼的入瞳和近眼显示装置的出瞳是匹配的，人眼的入瞳直径是2mm至8mm，且人眼的视场角高达124度。然而，现有的大视场镜头，其入瞳距离近眼显示系统的出瞳太远，无法做到和眼盒区域匹配，测量出的光学性能数据不能定量地表示人眼实际看到的情况。而小视场镜头则需要使用机械运动装置提高检测视场角，装置复杂，检测效率低下。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种工业镜头及光学检测装置，能够实现大视场高分辨率成像。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例提供一种工业镜头，包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的前置光阑、锥光镜组、调焦镜组和后镜组，锥光镜组包括多个汇聚透镜，多个汇聚透镜接收来自物侧的预设角度范围的入射光束并将入射光束依次汇聚，调焦镜组包括移动镜组和固定镜组，移动镜组靠近或远离固定镜组以调整工业镜头的工作距离，固定镜组对入射光束先汇聚后发散以校正锥光镜组产生的场曲和像散，后镜组用于校正调焦镜组产生的像差。

可选地，固定镜组包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的第一子镜组和第二子镜组，入射光束被第一子镜组汇聚后再经由第二子镜组发散。

可选地，锥光镜组包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜、第四汇聚透镜和第五发散透镜，其中，第四汇聚透镜和第五发散透镜胶合为一体。

可选地，移动镜组位于锥光镜组和第一子镜组之间，移动镜组包括第六汇聚透镜，第一子镜组包括第七汇聚透镜，第二子镜组包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的第八发散透镜、第九发散透镜和第十发散透镜。

可选地，调焦镜组还包括由物侧到像侧依次设置的第十一汇聚透镜、第十二汇聚透镜和第十三汇聚透镜，第十一汇聚透镜位于第十发散透镜和第十二汇聚透镜之间。

可选地，后镜组包括由物侧到像侧依次设置的第十四发散透镜、第十五汇聚透镜、第十六汇聚透镜、第十七汇聚透镜、第十八发散透镜、第十九发散透镜、第二十发散透镜、第二十一汇聚透镜和第二十二汇聚透镜，其中，第十四发散透镜和第十五汇聚透镜胶合为一体，第十七汇聚透镜和第十八发散透镜胶合为一体。

可选地，第一汇聚透镜、第二汇聚透镜和第三汇聚透镜为弯月透镜或平凸透镜，第一汇聚透镜、第二汇聚透镜和第三汇聚透镜的出射面向像侧弯曲，第四汇聚透镜为双凸透镜，第五发散透镜为平凹透镜，第四汇聚透镜的出射面与第五发散透镜的入射面互相配合。

可选地，第六汇聚透镜为双凸透镜，第七汇聚透镜和第十二汇聚透镜为平凸透镜，第七汇聚透镜的入射面呈弧形，第十二汇聚透镜的出射面呈弧形，第八发散透镜和第九发散透镜为双凹透镜，第十发散透镜为平凹透镜，第十发散透镜的入射面呈弧形，第十一汇聚透镜和第十三汇聚透镜为弯月透镜，第十一汇聚透镜的入射面和出射面向像侧弯曲，第十三汇聚透镜的入射面和出射面向物侧弯曲。

可选地，第十四发散透镜、第十八发散透镜和第二十二汇聚透镜为双凹透镜，第十五汇聚透镜、第十六汇聚透镜和第十七汇聚透镜为双凸透镜，第十九发散透镜为弯月透镜，第十九发散透镜入射面和出射面向像侧弯曲，第二十发散透镜和第二十一汇聚透镜为平凸透镜，第二十发散透镜的出射面向像侧弯曲，第二十一汇聚透镜的入射面向物侧弯曲。

本实用新型实施例还提供一种光学检测装置，包括如上任意一项的工业镜头。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的工业镜头，包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的前置光阑、锥光镜组、调焦镜组和后镜组，锥光镜组包括多个汇聚透镜，多个汇聚透镜接收来自物侧的预设角度范围的入射光束并将入射光束依次汇聚，调焦镜组包括移动镜组和固定镜组，移动镜组靠近或远离固定镜组以调整工业镜头的工作距离，固定镜组对入射光束先汇聚后发散以校正锥光镜组产生的场曲和像散，后镜组用于校正调焦镜组产生的像差。上述工业镜头，能够实现大视场高分辨率成像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的工业镜头的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的工业镜头的工作距离为1m时的MTF曲线图。

图标：100-工业镜头；110-前置光阑；120-锥光镜组；121-第一汇聚透镜；122-第二汇聚透镜；123-第三汇聚透镜；124-第四汇聚透镜；125-第五发散透镜；1311-第六汇聚透镜；1312-第七汇聚透镜；1313-第八发散透镜；1314-第九发散透镜；1321-第十发散透镜；1322-第十一汇聚透镜；1323-第十二汇聚透镜；1324-第十三汇聚透镜；141-第十四发散透镜；142-第十五汇聚透镜；143-第十六汇聚透镜；144-第十七汇聚透镜；145-第十八发散透镜；146-第十九发散透镜；147-第二十发散透镜；148-第二十一汇聚透镜；149-第二十二汇聚透镜；150-成像板；200-主光轴。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请结合参照图1，本申请实施例提供一种工业镜头100，包括沿主光轴200由物侧到像侧依次设置的前置光阑110、锥光镜组120、调焦镜组和后镜组，锥光镜组120包括多个汇聚透镜，多个汇聚透镜接收来自物侧的预设角度范围的入射光束并将入射光束依次汇聚，调焦镜组包括移动镜组和固定镜组，移动镜组靠近或远离固定镜组以调整工业镜头100的工作距离，固定镜组对入射光束先汇聚后发散以校正锥光镜组120产生的场曲和像散，后镜组用于校正调焦镜组产生的像差。

具体的，前置光阑110用于模拟人眼，前置光阑110设置在工业镜头100的最前方，用于限制入射光束或视场(成像范围)大小。锥光镜组120中的多个汇聚透镜沿主光轴200依次分布，汇聚透镜对入射光束进行汇聚，以收集大角度光线，但会产生场曲和像散。多个汇聚透镜的边缘尺寸依次增大，以完全接收由上一汇聚透镜出射的光束。调焦镜组中的移动镜组和固定镜组沿主光轴200设置，移动镜组能够沿主光轴200方向移动，其中，移动镜组靠近锥光镜组120设置，固定镜组靠近后镜组设置，或者，移动镜组靠近后镜组设置，固定镜组靠近锥光镜组120设置。调焦镜组中的移动镜组和固定镜组之间的距离可调，通过调整两者之间的距离即可调整工业镜头100的工作距离。示例地，移动镜组靠近锥光镜组120设置，固定镜组靠近后镜组设置，将锥光镜组120和移动镜组向物侧或像侧移动，即可调整工业镜头100的工作距离。固定镜组包括汇聚透镜和发散透镜，能够将入射光束先汇聚后发散，以此校正锥光镜组120产生的场曲和像散，但同时会产生像差，如球差、慧差和色差等。后镜组包括汇聚透镜和发散透镜，通过对入射光束的汇聚或发散，消除固定镜组产生的像差，实现在成像板150上高分辨率成像。上述工业镜头100，通过依次设置的前置光阑110、锥光镜组120、调焦镜组和后镜组，实现了大视场高分辨率成像。

需要说明的是，本实施例中，对锥光镜组120、调焦镜组和后镜组中透镜的种类、尺寸、设置方向及相邻的两个透镜之间的距离不作限定，只要能够使锥光镜组120、调焦镜组和后镜组实现各自的功能即可。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，前置光阑110的通光孔径变化范围为2mm至5mm，如此，可覆盖人眼瞳孔的主要可调范围。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，锥光镜组120包括沿主光轴200由物侧到像侧依次设置的第一汇聚透镜121、第二汇聚透镜122、第三汇聚透镜123、第四汇聚透镜124和第五发散透镜125，其中，第四汇聚透镜124和第五发散透镜125胶合为一体。

第一汇聚透镜121、第二汇聚透镜122、第三汇聚透镜123将来自物侧的入射光束依次汇聚，以收集物侧的大角度光线。第三汇聚透镜123后还设置第四汇聚透镜124和第五发散透镜125形成的胶合透镜，以消除第一汇聚透镜121、第二汇聚透镜122、第三汇聚透镜123产生的色差，提高分辨率。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第一汇聚透镜121、第二汇聚透镜122和第三汇聚透镜123为弯月透镜或平凸透镜，第一汇聚透镜121、第二汇聚透镜122和第三汇聚透镜123的出射面向像侧弯曲，以实现对入射光束的汇聚；第四汇聚透镜124为双凸透镜，第五发散透镜125为平凹透镜，第四汇聚透镜124的出射面与第五发散透镜125的入射面互相配合，也即是，第四汇聚透镜124的出射面与第五发散透镜125的入射面弯曲方向相同(均向像侧弯曲)，曲率相同或相近，以便于第四汇聚透镜124和第五发散透镜125的胶合。

示例地，第一汇聚透镜121和第二汇聚透镜122为弯月透镜，第三汇聚透镜123为平凸透镜，如此设置，可以实现120°的视场角。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，固定镜组包括沿主光轴200由物侧到像侧依次设置的第一子镜组和第二子镜组，入射光束被第一子镜组汇聚后再经由第二子镜组发散，通过第一子镜组和第二子镜组对入射光束作用效果的不同，在固定镜组内形成“束腰结构”，如此，可以校正锥光镜组120产生的场曲和像散。

需要说明的是，本实施例中，对第一子镜组和第二子镜组中透镜的种类、尺寸、设置方向及相邻的两个透镜之间的距离不作限定，只要能够使第一子镜组和第二子镜组实现各自的功能即可。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，移动镜组位于锥光镜组120和第一子镜组之间，移动镜组包括第六汇聚透镜1311，第一子镜组包括第七汇聚透镜1312，第二子镜组包括沿主光轴200由物侧到像侧依次设置的第八发散透镜1313、第九发散透镜1314和第十发散透镜1321。

锥光镜组120和移动镜组沿主光轴200移动，即可调整移动镜组与第一子镜组之间的距离，进而调整工业镜头100的工作距离。第一子镜组包括至少一个汇聚透镜，第二子镜组包括至少三个发散透镜，与移动镜组配合，形成的“束腰结构”更为明显，校正场曲和像散的效果更好。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，调焦镜组还包括由物侧到像侧依次设置的，第十一汇聚透镜1322位于第十发散透镜1321和第十二汇聚透镜1323之间。第十一汇聚透镜1322、第十二汇聚透镜1323和第十三汇聚透镜1324用于第二子镜组发散的光束再次汇聚，以使光束进入后镜组中，并缩小后镜组的尺寸。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第六汇聚透镜1311为双凸透镜，第六汇聚透镜1311的入射面向物侧弯曲、出射面向像侧弯曲；第七汇聚透镜1312和第十二汇聚透镜1323为平凸透镜，第七汇聚透镜1312的入射面呈弧形，向物侧弯曲，第十二汇聚透镜1323的出射面呈弧形，向像侧弯曲；第八发散透镜1313和第九发散透镜1314为双凹透镜，第八发散透镜1313和第九发散透镜1314的入射面向像侧弯曲、出射面向物侧弯曲；第十发散透镜1321为平凹透镜，第十发散透镜1321的入射面呈弧形，向像侧弯曲；第十一汇聚透镜1322和第十三汇聚透镜1324为弯月透镜，第十一汇聚透镜1322的入射面和出射面向像侧弯曲，第十三汇聚透镜1324的入射面和出射面向物侧弯曲。如此设置，能够较好地调整工业镜头100的工作距离，校正场曲和像散的效果更加明显。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，后镜组包括第十四发散透镜141、第十五汇聚透镜142、第十六汇聚透镜143、第十七汇聚透镜144、第十八发散透镜145、第十九发散透镜146、第二十发散透镜147、第二十一汇聚透镜148和第二十二汇聚透镜149，其中，第十四发散透镜141和第十五汇聚透镜142胶合为一体，第十七汇聚透镜144和第十八发散透镜145胶合为一体。通过对入射光束反复的发散和汇聚，可以提高后镜组校正像差的效果，同时，两个胶合透镜还能够消除色差，实现高分辨率成像。

可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第十四发散透镜141、第十八发散透镜145和第二十二汇聚透镜149为双凹透镜，第十四发散透镜141、第十八发散透镜145和第二十二汇聚透镜149入射面向像侧弯曲、出射面向物侧弯曲；第十五汇聚透镜142、第十六汇聚透镜143和第十七汇聚透镜144为双凸透镜，第十五汇聚透镜142、第十六汇聚透镜143和第十七汇聚透镜144的入射面向物侧弯曲、出射面向像侧弯曲；第十九发散透镜146为弯月透镜，第十九发散透镜146入射面和出射面向像侧弯曲，第二十发散透镜147和第二十一汇聚透镜148为平凸透镜，第二十发散透镜147的出射面向像侧弯曲，第二十一汇聚透镜148的入射面向物侧弯曲。如此设置，后镜组消除像差的效果更好，成像分辨率更高，还便于第十四发散透镜141和第十五汇聚透镜142、第十七汇聚透镜144和第十八发散透镜145的胶合，消除色差的效果更好。

如下表一所示，表格示出各个透镜的表面参数和材料参数。其中，正曲率半径表示该表面为凸面，负曲率半径表示该表面为凹面，曲率半径为无限表示该表面为平面，D表示该表面到下一表面在主光轴200上的距离；曲率半径和D的单位均为mm，Nd代表折射率，Vd代表色散系数，x表示第六汇聚透镜1311和第七汇聚透镜1312之间的空气间隔。各透镜的材质都是玻璃材质，具体型号如下表所示。

如下表二所示，表格示出不同工作距离下，使工业镜头100能清晰对焦的第六汇聚透镜1311和第七汇聚透镜1312之间的空气间隔x的取值，表中所有数值的单位均为mm。

工作距离	无限远	1000	500	333	200
						x	9.302	9.508	9.713	9.918	10.324

图2示出了在1m工作距离下，前置光阑110孔径为4mm时，本实施例提供的工业镜头100在不同视场角下可见光波段的MTF曲线，图2中的横坐标为空间频率，纵坐标为对比度。由图2可知，本实施例提供的工业镜头100的分辨率在150周期/mm处的MTF对比度仍接近0.5，可见本实施例提供的工业镜头100的分辨率足够高。

本实施例还提供一种光学检测装置，包括如上任意一项的工业镜头100。

该光学检测装置包含与前述实施例中的工业镜头100相同的结构和有益效果。工业镜头100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业镜头，其特征在于，包括沿主光轴由物侧到像侧依次设置的前置光阑、锥光镜组、调焦镜组和后镜组，所述锥光镜组包括多个汇聚透镜，多个所述汇聚透镜接收来自物侧的预设角度范围的入射光束并将所述入射光束依次汇聚，所述调焦镜组包括移动镜组和固定镜组，所述移动镜组靠近或远离所述固定镜组以调整所述工业镜头的工作距离，所述固定镜组对所述入射光束先汇聚后发散以校正所述锥光镜组产生的场曲和像散，所述后镜组用于校正所述调焦镜组产生的像差。

2.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述固定镜组包括沿所述主光轴由物侧到像侧依次设置的第一子镜组和第二子镜组，所述入射光束被所述第一子镜组汇聚后再经由所述第二子镜组发散。

3.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述锥光镜组包括沿所述主光轴由物侧到像侧依次设置的第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜、第四汇聚透镜和第五发散透镜，其中，所述第四汇聚透镜和所述第五发散透镜胶合为一体。

4.根据权利要求2所述的工业镜头，其特征在于，所述移动镜组位于所述锥光镜组和所述第一子镜组之间，所述移动镜组包括第六汇聚透镜，所述第一子镜组包括第七汇聚透镜，所述第二子镜组包括沿所述主光轴由物侧到像侧依次设置的第八发散透镜、第九发散透镜和第十发散透镜。

5.根据权利要求4所述的工业镜头，其特征在于，所述调焦镜组还包括由物侧到像侧依次设置的第十一汇聚透镜、第十二汇聚透镜和第十三汇聚透镜，所述第十一汇聚透镜位于所述第十发散透镜和所述第十二汇聚透镜之间。

6.根据权利要求1所述的工业镜头，其特征在于，所述后镜组包括由物侧到像侧依次设置的第十四发散透镜、第十五汇聚透镜、第十六汇聚透镜、第十七汇聚透镜、第十八发散透镜、第十九发散透镜、第二十发散透镜、第二十一汇聚透镜和第二十二汇聚透镜，其中，所述第十四发散透镜和所述第十五汇聚透镜胶合为一体，所述第十七汇聚透镜和所述第十八发散透镜胶合为一体。

7.根据权利要求3所述的工业镜头，其特征在于，所述第一汇聚透镜、所述第二汇聚透镜和所述第三汇聚透镜为弯月透镜或平凸透镜，所述第一汇聚透镜、所述第二汇聚透镜和所述第三汇聚透镜的出射面向所述像侧弯曲，所述第四汇聚透镜为双凸透镜，所述第五发散透镜为平凹透镜，所述第四汇聚透镜的出射面与所述第五发散透镜的入射面互相配合。

8.根据权利要求5所述的工业镜头，其特征在于，所述第六汇聚透镜为双凸透镜，所述第七汇聚透镜和所述第十二汇聚透镜为平凸透镜，所述第七汇聚透镜的入射面呈弧形，所述第十二汇聚透镜的出射面呈弧形，所述第八发散透镜和所述第九发散透镜为双凹透镜，所述第十发散透镜为平凹透镜，所述第十发散透镜的入射面呈弧形，所述第十一汇聚透镜和所述第十三汇聚透镜为弯月透镜，所述第十一汇聚透镜的入射面和出射面向所述像侧弯曲，所述第十三汇聚透镜的入射面和出射面向所述物侧弯曲。

9.根据权利要求6所述的工业镜头，其特征在于，所述第十四发散透镜、所述第十八发散透镜和所述第二十二汇聚透镜为双凹透镜，所述第十五汇聚透镜、所述第十六汇聚透镜和所述第十七汇聚透镜为双凸透镜，所述第十九发散透镜为弯月透镜，所述第十九发散透镜入射面和出射面向所述像侧弯曲，所述第二十发散透镜和所述第二十一汇聚透镜为平凸透镜，所述第二十发散透镜的出射面向所述像侧弯曲，所述第二十一汇聚透镜的入射面向所述物侧弯曲。

10.一种光学检测装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的工业镜头。

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