一种球面和非球面混合式沙姆镜头

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种球面和非球面混合式沙姆镜头。

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。3D线激光测量技术需要沙姆镜头拍摄倾斜目标全视野清晰成像。沙姆镜头畸变直接影响后续算法校正难度，镜头畸变越小，算法越简单，测量精度越高。所以在保证镜头分辨率的前提下，低畸变是沙姆镜头设计的重要追求目标。

发明内容

本发明实施例提供了一种球面和非球面混合式沙姆镜头，在保证高分辨率的前提下，实现低畸变。

本发明实施例提供了一种球面和非球面混合式沙姆镜头，从物平面侧至像平面侧依次为：

第一非球面透镜，前表面为非球面，后表面为球面，两个表面弯曲方向不受限制；

第二正光焦度球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0；

第三负光焦度球面透镜，前表面弯曲方向不受限制，后表面曲率半径大于0；

第四正光焦度球面透镜，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0；

光阑；

第五正光焦度非球面透镜，前表面弯曲方向不受限制，后表面曲率半径小于0；

并且各个透镜满足以下要求：

-0.3≤f1/f≤1.5；

0.4≤f2/f≤1；

-25≤f3/f≤0；

1≤f4/f≤1.8；

0.4≤f5/f≤1；

f为沙姆镜头的焦距；f1为第一非球面透镜的焦距；f2为第二正光焦度球面透镜的焦距；f3为第三负光焦度球面透镜的焦距；f4为第四正光焦度球面透镜的焦距；f5为第五正光焦度非球面透镜的焦距。

一种较佳的实施方式，第一非球面透镜的前表面和第五正光焦度非球面透镜的后表面均为非球面透镜，满足非球面方程：

其中z为表面矢高，r为径向半径，c为曲率，k为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为非球面系数。

一种较佳的实施方式，镜头全视野下成像质量MTF大于0.5，畸变小于0.01％。

一种较佳的实施方式，镜头设置于矩形探测器中，第一非球面透镜前表面到像平面的轴上距离L与像平面上矩形探测器对角线的半像高度R的比值小于等于7.5。其中，矩形探测器的长度为H，宽度为V，对角线尺寸

一种较佳的实施方式，在物平面与第一非球面透镜之间设置有滤光片。滤光片可以放置于物平面与第一非球面透镜之间任何位置，起到滤除非工作光波段，减少杂散光、增加分辨率的作用。

本发明实施例形成的球面和非球面混合式沙姆镜头，由于该成像镜头具备合理的光焦度分配以及运用非球面消像差特性，可以设计出高分辨率、低畸变的沙姆镜头。

附图说明

图1为沙姆定律成像原理图示意图；

图2为本发明实施例球面和非球面混合式沙姆镜头示意图；

图3为本发明实施例第一非球面透镜前表面到像平面的轴上距离示意图；

图4为本发明实施例一的球面和非球面混合式沙姆镜头示意图；

图5为本发明实施例二的球面和非球面混合式沙姆镜头示意图；

图6为本发明实施例三的球面和非球面混合式沙姆镜头示意图。

具体实施方式

如附图1所示，根据沙姆定律，当目标平面、镜头主面、探测器平面三者延长线相交于一线，且相交线唯一，此时可以对整个倾斜目标DOF视野范围清晰成像。目标平面、镜头主面、探测器平面三者延长线相交于一线，且相交线唯一，满足以下沙姆关系式：

其中，α是目标平面与镜头光轴的夹角，β是探测器平面与镜头光轴的夹角，a’是光轴上D点的物距，b’是光轴上D点的像距，b’/a’为镜头的放大倍率。

根据上述的沙姆定律，下面结合附图2，附图3，对本发明实施例提供的一种球面和非球面混合式沙姆镜头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球面和非球面混合式沙姆镜头，从物平面8侧至像平面9侧依次为：

第一非球面透镜1，前表面为非球面，后表面为球面，两个表面弯曲方向不受限制，用于减小镜头畸变、像散；

第二正光焦度球面透镜2，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径小于0，用于消除球差、彗差；

第三负光焦度球面透镜3，前表面弯曲方向不受限制，后表面曲率半径大于0，用于消除球差、彗差、像散；

第四正光焦度球面透镜4，前表面曲率半径大于0，后表面曲率半径大于0，用于消除球差、彗差、像散；

光阑6；

第五正光焦度非球面透镜5，前表面弯曲方向不受限制，后表面曲率半径小于0，用于消除畸变、球差、场曲；

并且各个透镜满足以下要求：

-0.3≤f1/f≤1.5；

0.4≤f2/f≤1；

-25≤f3/f≤0；

1≤f4/f≤1.8；

0.4≤f5/f≤1；

f为沙姆镜头的焦距；f1为第一非球面透镜1的焦距；f2为第二正光焦度球面透镜2的焦距；f3为第三负光焦度球面透镜3的焦距；f4为第四正光焦度球面透镜4的焦距；f5为第五正光焦度非球面透镜5的焦距。

第一非球面透镜1的前表面和第五正光焦度非球面透镜5的后表面均为非球面透镜，满足非球面方程：

其中z为表面矢高，r为径向半径，c为曲率，k为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为非球面系数。

由于该成像镜头具备合理的光焦度分配以及运用非球面消像差特性，可以设计出高分辨率、低畸变的沙姆镜头，镜头全视野下成像质量MTF大于0.5，畸变小于0.01％。

镜头的尺寸直接影响线激光传感器的尺寸，小型化也是需要重点设计的目标，当镜头设置于矩形探测器中，第一非球面透镜1前表面到像平面9的轴上距离L与像平面上矩形探测器对角线的半像高度R的比值L/R小于等于7.5,其中，矩形探测器的长度为H，宽度为V，对角线尺寸

在物平面8与第一非球面透镜1之间设置有滤光片7。滤光片可以放置于物平面与第一非球面透镜之间任何位置，起到滤除非工作光波段，减少杂散光、增加分辨率的作用。

下面对球面和非球面混合式沙姆镜头分别设计了具体的实施例，一一进行描述，三个具体实施例的沙姆镜头结构图2相似，只是滤光片、各个透镜和光阑的具体参数不同，从而行成的光路有区别。

实施例一：

球面和非球面混合式沙姆镜头的具体设计参数如表1所述，其中表面序号3至13依次表示从第一非球面透镜到第五正光焦度非球面透镜的每个透镜的表面，其中序号STOP表示光阑表面；表面序号OBJ表示物体，表面序号1和2分别表示滤光片的前表面和后表面；第一非球面透镜和第五正光焦度非球面透镜额非球面系数见表2。

表1

表2

实施例一设计的球面和非球面混合式沙姆镜头如图4所示，该镜头的镜头焦距f＝21.7mm，L/R＝7.35，能够很好的满足小型化的要求，目标平面与光轴夹角α＝37度，探测器平面与光轴夹角β＝15度，全视野下，成像质量MTF>0.5，畸变小于0.01％。综上，该实施例一的镜头具有高分辨率、低畸变、小型化的优点。

实施例二：

该实施例的球面和非球面混合式沙姆镜头的具体设计参数如表3所述，其中表面序号3至13依次表示从第一非球面透镜到第五正光焦度非球面透镜的每个透镜的表面，其中序号STOP表示光阑表面；表面序号OBJ表示物体，表面序号1和2分别表示滤光片的前表面和后表面；第一非球面透镜和第五正光焦度非球面透镜额非球面系数见表4。

表3

表4

实施例二设计的球面和非球面混合式沙姆镜头如图5所示，该镜头的镜头焦距f＝21.3mm，L/R＝7.16，能够很好的满足小型化的要求，目标平面与光轴夹角α＝37度，探测器平面与光轴夹角β＝15度，全视野下，成像质量MTF>0.5，畸变小于0.01％。综上，该实施例二的镜头具有高分辨率、低畸变、小型化的优点。

实施例三：

该实施例的球面和非球面混合式沙姆镜头的具体设计参数如表5所述，其中表面序号3至13依次表示从第一非球面透镜到第五正光焦度非球面透镜的每个透镜的表面，其中序号STOP表示光阑表面；表面序号OBJ表示物体，表面序号1和2分别表示滤光片的前表面和后表面；第一非球面透镜和第五正光焦度非球面透镜额非球面系数见表6。

表5

表6

实施例三设计的球面和非球面混合式沙姆镜头如图6所示，该镜头的镜头焦距f＝21.75mm，L/R＝6.15，能够很好的满足小型化的要求，目标平面与光轴夹角α＝37度，探测器平面与光轴夹角β＝15度，全视野下，成像质量MTF>0.5，畸变小于0.01％。综上，该实施例二的镜头具有高分辨率、低畸变、小型化的优点。

上述三个实施例都很好的满足各个透镜之间的条件要求，具体见表7

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。