成像镜头及应用该成像镜头的激光测厚装置的制作方法

本发明属于光学元件及光学检测领域，尤其涉及一种成像镜头及应用该成像镜头的激光测厚装置。

背景技术：

众所周知，成像镜头是由透镜组组成的光学成像装置。为了提高成像品质，成像镜头通常包括多个透镜，例如，一种包括四个透镜的成像镜头，其自物侧到像侧包括一个第一透镜及一个第二透镜。通常出于成本及制造性方面考虑，第一透镜及第二镜均采用非球面塑料透镜﹐但用于生产塑料透镜的光学塑料品种十分有限﹐其折射率及阿贝系数光学参数变化范围小、色散高且色像差校正能力有限，导致成像品质低。但若第一透镜及第二镜均采用玻璃研磨而成的透镜，则会增加成像镜的成本。为了兼顾制造成本与成像性能，就需要对成像镜头进行合理设计。

在人类的日常生活中，测量占据了举足轻重的地位。在传统测量领域里，厚度测量基本是以卡尺、千分尺等接触式测量为主，但在玻璃厚度测量的过程中，接触式测量难免会造成玻璃表面划伤，测量不准等问题。随着科学技术和工业生产的高速发展，人们对测量要求也越来越高，并开始向着高速、高精度、小型化、智能化等方面发展，尤其是在科技高速发展的今天，对零件尺寸测量精度要求越来越高。例如，申请号201410609357.x的中国发明专利申请公开了一种改进的紧凑型精密激光三角测距仪，仪器本体内的激光束经过汇聚镜片和激光反射镜反射后，倾斜汇聚到设于仪器本体外的样品表面，样品表面的反射光经过成像反射镜的反射后形成与准直激光束平行的成像光束入射到成像镜片组，最后成像光束投射在图像传感器上，和传统激光三角仪相比有效减小了仪器尺寸，使激光三角仪适合狭小测量空间的要求。但是受限于成像镜片组的分辨率及测量范围，导致该测距仪测量范围小，测量精度低。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种分辨率高、成像质量好、测量范围大、测量精度高的成像镜头及应用该成像镜头的激光测厚装置。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种成像镜头，其特征在于，从物侧到像侧沿光轴依次包括：

第一透镜，具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第一物侧面、朝向所述像侧的第一像侧面；

第二透镜，具有负光焦度，以及朝向所述物侧的第二物侧面、朝向所述像侧的第二像侧面；

第三透镜，具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第三物侧面、朝向所述像侧的第三像侧面；

第四透镜，具有正光焦度，以及朝向所述物侧的第四物侧面、朝向所述像侧的第四像侧面；

且满足条件式：

0.5＜f2/f＜1；r4＞r5＞r6；

其中，f2及f分别为第二透镜及成像镜头的有效焦距，r4、r5、r6分别为第二透镜像侧面曲率半径、第三透镜物侧面曲率半径及第三透镜像侧面曲率半径。

优选的，本发明中所述第一物侧面为平面，所述第一像侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面均弯向物侧，所述第四物侧面弯向像侧，所述第四像侧面弯向物侧。

优选的，本发明中所述成像镜头还包括光阑，所述光阑设置在所述第四透镜的第四像侧面上。

优选的，本发明中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜均采用玻璃材料制成。

优选的，本发明中所述镜头的长度小于等于14mm。

优选的，本发明中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的通光口径均相同，且通光口径小于等于12mm。

优选的，本发明中所述第一像侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第四物侧面均为球面。

本发明还提供一种应用如上所述成像镜头的激光测厚装置，所述激光测厚装置包括：激光器、如上所述的成像镜头、光电探测器，所述激光器发射的激光光束经所述成像镜头的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜后汇聚于所述光电探测器。

优选的，本发明中所述光电探测器的成像大小x为：

其中，y与l分别为激光器与待测物体之间的最大及最小距离，f为成像系统焦距，l为激光器到成像镜头中心距离。

优选的，本发明中所述成像镜头与所述光电探测器之间的光路上设有反射镜，且所述反射镜与光路光轴之间的夹角为45°。

本发明的有益效果是，由于本发明成像镜头从物侧到像侧沿光轴依次包括具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度第二透镜、具有正光焦度的第三透镜以及具有正光焦度的第四透镜，且满足条件式：0.5＜f2/f＜1；r4＞r5＞r6，因而本发明成像镜头可以有效缩短镜头全长及避免产生过于严重的球差，且能够校正慧差，成像质量好，镜头长度小，便于安装调试，本发明应用该成像镜头的激光测厚装置测量范围大，测量速度快，测量精度高，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明成像镜头的一种实施例结构示意图，也是一种优选实施例示意图。

图2为本发明激光测厚装置的一种实施例结构示意图，也是一种优选实施例示意图。

图3、图4、图5分别为本发明激光测厚装置在测量距离为40mm、50mm、60mm的系统点列图。

图6、图7、图8分别为本发明激光测厚装置在测量距离为40mm、50mm、60mm的系统mtf图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

实施例一

图1示出了本发明成像镜头的一种实施例结构示意图，也是一种优选实施例示意图。如图1所示，本实施例所述的成像镜头100，从物侧到像侧沿光轴依次包括：具有正光焦度的第一透镜10，所述第一透镜具有朝向所述物侧的第一物侧面s11、朝向所述像侧的第一像侧面s12；具有负光焦度的第二透镜20，所述第二透镜20具有朝向所述物侧的第二物侧面s21、朝向所述像侧的第二像侧面s22；具有正光焦度的第三透镜30，所述第三透镜30具有朝向所述物侧的第三物侧面s31、朝向所述像侧的第三像侧面s22；以及具有正光焦度的第四透镜40，所述第四透镜40具有朝向所述物侧的第四物侧面s41、朝向所述像侧的第四像侧面s42，且本发明成像镜头满足条件式：0.5＜f2/f＜1；r4＞r5＞r6；其中，f2及f分别为第二透镜20及成像镜头100的有效焦距，r4、r5、r6分别为第二透镜像侧面曲率半径、第三透镜物侧面曲率半径及第三透镜像侧面曲率半径。本实施例中通过设定0.5＜f2/f＜1，可以有效缩短成像镜头全长及避免产生过于严重的球差，r4＞r5＞r6可以有效校正慧差，提高成像质量。由图1可以看出，本实施例中所述成像镜头还包括光阑50，所述光阑50设置在所述第四透镜40的第四像侧面s42上，且所述光阑为球面，通光口径为10mm，所述光阑50的设置能够有效避免杂散光影响，提高成像质量。优选的，本实施例中所述第一物侧面s11为平面，所述第一像侧面s12、第二物侧面s21、第二像侧面s22、第三物侧面s31、第三像侧面s32均弯向物侧，所述第四物侧面s41弯向像侧，所述第四像侧面s42弯向物侧。

作为优选实施方式，结合图1可以看出，本实施例中所述第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40均采用玻璃材料制成，且所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的通光口径均相同，所述通光口径小于等于12mm。本实施例中所述通光口径优选为12mm。本实施例中所述镜头的长度小于等于14mm，优选为14mm，成像质量好且安装使用方便。

作为优选实施方式，本实施例中所述第一像侧面s12、第二物侧面s21、第二像侧面s22、第三物侧面s31、第三像侧面s32、第四物侧面s41均为球面。

实施例二

本实施例提供了一种应用实施例一所述成像镜头100的激光测厚装置，如图2所示，本实施例所述的激光测厚装置包括：激光器60、实施例一所述的成像镜头100、光电探测器70，所述激光器60发射的激光光束经待测物体200、所述成像镜头100的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40后汇聚于所述光电探测器70。

作为优选实施方式，本实施例中所述光电探测器70的成像大小x为：

其中，y与l分别为激光器60与待测物体200之间的最大及最小距离，l-y即为待测物体的厚度，f为成像系统焦距，l为激光器到成像镜头中心距离。

作为优选实施方式，本实施例中所述成像镜头与所述光电探测器之间的光路上还设有反射镜80，且所述反射镜80与光路光轴oo′之间的夹角α为45°。优选的，本实施例中所述第四透镜的第四像侧面s42顶点距离反射镜80中心距离为20mm，反射镜80中心与光电探测器70之间的距离为30mm，光电探测器70与光路光轴o′o"之间的夹角β为45°。

本实施例激光测厚装置中的激光器60、成像镜头100及光电探测器70构成几何三角关系，即三角测量法。优选的，本实施例中所述的光电探测器为线阵ccd。进一步优选的，本实施例中激光器发射光路光轴与接收端成像镜头光轴夹角θ为30°。

本实施例激光测厚装置中的各光学元件满足表1：

表1

值得一提的是，在如上表1中，r为对应各光学元件表面的曲率半径，t为对应各光学元件的空气间隔，nd为对应各光学元件对d光的折射率，vd为对应各光学元件材料的阿贝数。

其中，表1中物方工作距离69mm是在测量距离50mm时的工作距离，测量距离40mm、60mm时，物方工作距离分别为60mm、77mm。线阵ccd有效利用大小10.3mm。

利用本实施例所述激光测厚装置进行厚度测量，系统点列图在测量距离40mm、50mm、60mm时分别如图3、图4、图5所示：从图中可以看出rms光斑半径均小于线阵ccd像元大小。系统mtf(modulationtransferfunction)在测量距离40mm、50mm、60mm时分别如图6、图7、图8所示：从图中可以看出mtf曲线均接近衍射极限。由此可知，本发明成像镜头成像质量好，镜头长度小，便于安装调试，本发明应用该成像镜头的激光测厚装置测量范围大，测量速度快，测量精度高，具有广阔的应用前景。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。