一种物像双倾斜的成像光学系统的制作方法

本实用新型涉及光学成像装置技术领域，尤其涉及一种物像双倾斜的成像光学系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，成像光学系统的应用需求越来越广，无论是传统照明、投影系统，还是新兴的激光测量领域，都需要完善的成像系统。而众所周知，在几何光学领域，无论是投影仪、摄像机还是激光打标机，所采用的成像方式均是物像与镜头光轴垂直，且在理想情况下，在像面上任何两点的放大倍率都是相等的。但在一些新兴行业中，特别是对于激光位移检测领域，激光聚焦的焦深范围可作为成像系统的物面，相对于成像系统的光轴是处于倾斜状态的，并且为了满足光点完美成像在感光元件上，实现位移的精确测量，就必须实现感光元件与成像系统光轴的倾斜，但由于倾斜角度的不确定性以及系统的不对称性，现有技术中对物像倾斜的成像光学系统的设计一般使用多片透镜组合，结构比较复杂，体积较大，成本较高，无法满足工业领域要求的体积小、携带安装方便以及测量精度高的要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种物像双倾斜的成像光学系统，结构简单，体积小，便于携带。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种物像双倾斜的成像光学系统，包括一个非球面镜片和成像部，被测物面与成像部分别位于非球面镜片两侧，所述被测物面、成像部的成像面与所述非球面镜片的光轴的夹角分别为倾斜角θ和倾斜角ω，所述倾斜角θ和倾斜角ω相匹配。

作为上述物像双倾斜的成像光学系统的一种优选方案，非球面镜片包括入射面和出射面，所述入射面和出射面均为非球面，所述非球面的矢高计算公式为：

其中，z为非球面上任一点的矢高，c表示非球面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，r表示非球面上任一点到非球面镜片的光轴的距离，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为非球面的高次项系数。

作为上述物像双倾斜的成像光学系统的一种优选方案，所述入射面顶点的曲率为-0.087，入射面的二次曲面系数为27.666，入射面的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分别为3.767×10^-4、3.222×10^-4、4.016×10^-5、-2.957×10^-5和-9.361×10^-6。

作为上述物像双倾斜的成像光学系统的一种优选方案，所述出射面顶点的曲率为-0.173，出射面的二次曲面系数为0.353，出射面的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分别为1.610×10^-4、9.608×10^-6、-2.182×10^-6、5.426×10^-7和-3.399×10^-8。

作为上述物像双倾斜的成像光学系统的一种优选方案，所述非球面镜片为树脂镜片。

作为上述物像双倾斜的成像光学系统的一种优选方案，所述成像部为CMOS传感器、CCD传感器或PSD传感器。

作为上述物像双倾斜的成像光学系统的一种优选方案，所述被测物面为实物或者激光光点面。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出的物像双倾斜的成像光学系统，包括一个非球面镜片和成像部，被测物面与成像部分别位于非球面镜片两侧，采用一个非球面镜片即可代替现有技术中的透镜组合，结构简单，体积小便于携带，同时非球面能够效消除斜射象散，场曲，畸变等像差，能够提高成像质量。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的物像双倾斜的成像光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的非球面镜片的结构示意图；

图3是本实用新型具体实施方式提供的物像双倾斜的成像光学系统检测位移的结构示意图；

图4是本实用新型具体实施方式提供的物像双倾斜的成像光学系统检测物体轮廓的结构示意图。

其中，1、被测物面；2、非球面镜片；3、成像部；4、半导体激光器；21、入射面；22、出射面。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

参照图1-4，本实施方式保护一种物像双倾斜的成像光学系统，包括一个非球面镜片2和成像部3，被测物面1与成像部3分别位于非球面镜片2两侧，被测物面1、成像部3的成像面与非球面镜片2的光轴的夹角分别为倾斜角θ和倾斜角ω，倾斜角θ和倾斜角ω相匹配，即，该成像光学系统满足斯凯普夫拉格条件，即物面、像面和透镜主面必须相交于同一直线。

该物像双倾斜的成像光学系统的结构简单，仅采用一个非球面镜片2即可代替现有技术中的透镜组合，结构简单，体积小便于携带，同时非球面能够效消除斜射象散，场曲，畸变等像差。

具体的，如图2所示，非球面镜片2包括入射面21和出射面22，入射面21和出射面22均为非球面，非球面的矢高计算公式为：

$z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^4+a_2{r}^6+a_3{r}^8+a_4{r}^{10}+a_5{r}^{12}$

其中，z为非球面上任一点的矢高，c表示非球面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，r表示非球面上任一点到非球面镜片2的光轴的距离，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为非球面的高次项系数。

本实施方式中，入射面21顶点的曲率为-0.087，入射面21的二次曲面系数为27.666，入射面21的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分别为3.767×10^-4、3.222×10^-4、4.016×10^-5、-2.957×10^-5和-9.361×10^-6。出射面22顶点的曲率为-0.173，出射面22的二次曲面系数为0.353，出射面22的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分别为1.610×10^-4、9.608×10^-6、-2.182×10^-6、5.426×10^-7和-3.399×10^-8。

被测物面1和成像部3的成像面相对于光轴存在倾斜角，故被测物面1上不同点的成像倍率是不同的，利用镜片的两个非球面，被测物面1上的不同点可以完善地成像在成像部3上，况且镜片制造与加工容易，装配方便，而现有技术采用多组透镜成像以便满足优良的成像质量，镜片加工必须控制好公差，组装过程还要配合结构设计，结构复杂且体积较大，本实施方式中的成像光学系统能够改善上述现有技术中存在的问题。

需要说明的是，非球面镜片2的入射面21和出射面22的凹凸结构是不固定的，本实施方式中的图2仅是其中一种结构，可以根据具体情况对入射面21和出射面22进行不同设计。

如图1所示，成像时，被测物面1上的各个点通过非球面镜片2成像在成像部3上，被测物面1上的点A成像在成像部3上的点a处，被测物面1上的点B成像在成像部3上的点b处，被测物面1上的点C成像在成像部3上的点c处，其他各点依照上述规律实现被测物面1在成像部3上的成像。

本实施方式中的非球面镜片2为树脂镜片。在其他实施方式中非球面镜片2还可以为玻璃镜片。

成像部3为CMOS传感器、CCD传感器或PSD传感器，还可以根据应用不同选择不同的传感器。

被测物面1为实物或者激光光点面。例如，本实施方式中的物像双倾斜的成像光学系统可以进行位移的高精度检测。如图3所示，具体为：半导体激光器4发出聚焦点激光光束，在聚焦处附近，当光斑的大小在半导体激光器4的焦深的范围内时，成像光斑较小，较均匀，当半导体激光器4入射到此范围的物体上时，根据光的漫反射性质，有一部分光将通过非球面镜片2在成像部3上成像，该成像部3选择为一维传感器，当物体上下移动时，物体上的光斑位置也跟着物体上下移动，不同位置处漫反射光经过非球面镜片2，最后成像在一维传感器上。上述提及的焦深范围可认为是成像光学系统的被测物面1，通过非球面镜片2后，所有的光斑位置都将成像在一维传感器上，由于非球面的成像完善性，每个位置的光斑对应的像点均处于一维传感器的分辨范围内，因此可以精确地分辨出每个光斑的位置，从而物像双倾斜的成像光学系统可以实现位移的高精度测量。

本实施方式中的物像双倾斜的成像光学系统还可以进行物体轮廓的高精度检测，如图4所示，半导体激光器4发出聚焦线激光，与物体的表面形成交线光斑，当该交线光斑的线宽处于半导体激光器4的焦深范围时，物体上交线光斑可以被当作被测物面1，交线光斑经过非球面镜片2成像在成像部3上，此时，成像部3选择为二维传感器，交线上不同位置的光斑成像在二位传感器的不同位置，从而实现物体轮廓的高精度检测。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。