一种双远心投影镜头及投影系统的制作方法
本发明实施例涉及投影技术领域，特别是涉及一种双远心投影镜头及投影系统。
背景技术：
近十多年来，机器视觉的快速发展和不断完善，使其成为检测领域不可或缺的组成部分，而成像镜头作为机器视觉的眼睛显得尤为重要。采用传统的定焦或变焦镜头成本低，但是存在图像畸变较大的缺陷，会造成较大测量误差。
远心镜头(telecentriclens)，主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，依据其独特的光学特性:高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等，给机器视觉精密检测带来质的飞跃。
双远心投影镜头是指包含物方远心光路和像方远心光路的投影镜头，其原理就是将孔径光阑分别放置于像方焦平面和物方焦平面，使得物方和像方的主光线都平行于光轴，将这两种远心光路结合起来就构成了双远心成像光路。双远心投影镜头能够进一步消除物方畸变和像方畸变，从而进一步提高检测精度。
本发明的发明人在实现本发明实施例的过程中发现：目前的双远心投影镜头结构较为复杂。
技术实现要素：
本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种双远心投影镜头及投影系统，结构简单。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种双远心投影镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜组、孔径光阑和第二透镜组，所述孔径光阑的中心位于所述第一透镜组的后焦点、以及所述第二透镜组的前焦点，所述第一透镜组用于接收平行所述第一透镜组的中心光轴入射的投影光束，并对所述投影光束进行扩束；所述孔径光阑用于接收所述第一透镜组出射的所述投影光束，并使所述投影光束输出至所述第二透镜组；所述第二透镜组用于接收从所述孔径光阑出射的所述投影光束，会聚所述投影光束，并使所述投影光束平行所述第二透镜组的中心光轴出射；其中，所述双远心投影镜头的光焦度大于0.03，所述双远心投影镜头的物方数值孔径为1.7，所述双远心投影镜头的像方数值孔径为5.95。
可选地，所述第一透镜组满足：
可选地，所述第一透镜组包括沿所述第一透镜组的中心光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有正光焦度，且所述第二透镜的光焦度小于所述第一透镜的光焦度，所述第三透镜具有正光焦度或者负光焦度。
可选地，所述第一透镜满足：
可选地，所述第三透镜为单透镜或双胶合透镜。
可选地，所述第二透镜组包括沿所述第二透镜组的中心光轴依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第四透镜具有负光焦度，所述第五透镜为具有正光焦度的弯月型透镜，所述第六透镜具有正光焦度，并且所述第六透镜的光焦度小于所述第五透镜的光焦度。
可选地，所述第四透镜满足：
可选地，所述双远心投影镜头还包括：转向镜，设于所述第一透镜组远离所述孔径光阑的一侧，用于将所述投影光束转向，以使其入射所述第一透镜组。
可选地，所述转向镜为tir棱镜。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的另一个技术方案是：提供一种投影系统，包括上述的双远心投影镜头。
本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种双远心投影镜头通过设置第一透镜组接收平行第一透镜组的中心光轴入射的投影光束，并对投影光束进行扩束，孔径光阑接收第一透镜组出射的投影光束，并使该投影光束输出至第二透镜组，第二透镜组接收从孔径光阑出射的投影光束，会聚该投影光束，并使该投影光束平行第二透镜组的中心光轴出射。通过将孔径光阑分别放置于像方焦平面和物方焦平面，使得物方和像方的主光线都平行于光轴，构成双远心成像光路，并且结构简单，具有较好的照度均匀性。
附图说明
一个或多个实施通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明其中一实施例提供的一种双远心投影镜头的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的一种双远心投影镜头的结构示意图；
图3a为图1的双远心投影镜头在空间频率100lp/mm时的调制传递函数；
图3b为图1的双远心投影镜头引入公差后在空间频率100lp/mm时的调制传递函数；
图4为图1的双远心投影镜头的畸变曲线示意图；
图5为图1的双远心投影镜头的场曲曲线示意图；
图6为图1的双远心投影镜头的相对照度曲线示意图；
图7为本发明实施例提供的一种投影系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例中的双远心投影镜头，结构简单，并且具有较好的照度均匀性。
本发明实施例中的双远心投影镜头，能够应用于本实施例中的投影系统，以使系统的结构简单，并且具有更好的照度均匀性。
具体地，下面将通过实施例对双远心投影镜头和投影系统进行阐述。
实施例一
请参阅图1，为本发明其中一实施例提供的一种双远心投影镜头的结构示意图。如图1所示，双远心投影镜头100包括从物方到像方依次设置的：转向镜110、第一透镜组120、孔径光阑130和第二透镜组140，孔径光阑130的中心位于第一透镜组120的后焦点、以及第二透镜组130的前焦点。
其中，转向镜110用于将投影光束转向，以使其入射第一透镜组120，第一透镜组120用于接收平行第一透镜组120的中心光轴入射的投影光束，并对投影光束进行扩束，孔径光阑130用于接收第一透镜组120出射的投影光束，并使该投影光束输出至第二透镜组140，第二透镜组140用于接收从孔径光阑130出射的投影光束，会聚该投影光束，并使该投影光束平行第二透镜组140的中心光轴出射。其中，双远心投影镜头100的光焦度大于0.03，物方数值孔径为1.7，像方数值孔径为5.95。通过将孔径光阑分别放置于像方焦平面和物方焦平面，使得物方和像方的主光线都平行于光轴，构成双远心成像光路，并且结构简单，具有较好的照度均匀性。
转向镜110可以为全内反射(totalinternalreflection，tir)棱镜，用于对光束进行反射。其中，转向镜110可以为直角三棱镜。转向镜110设于第一透镜组120远离孔径光阑130的一侧，并且，转向镜110的其中一直角面(直角面为直角边形成的侧面)与物方相对，转向镜110的另一直角面与第一透镜组120相对、并垂直于第一透镜组120的中心光轴。其中，转向镜110的斜面的反射角度可以为90度。转向镜110用于接收垂直转向镜110的其中一直角面入射的投影光束，并将该投影光束转向，以使投影光束平行第一透镜组120的中心光轴入射第一透镜组120，从而使得物方的主光线平行于光轴。
可选地，在一些其他实施例中，转向镜110不一定为三棱透镜，还可以为其他棱镜或平面镜等等。当转向镜110为其他棱镜时，投影光束可以以其他角度入射转向镜110，转向镜110的反射角度也可以为其他角度，只要使得转向镜110最后输出的投影光束平行第一透镜组120的中心光轴即可。
可选地，如图1或图2所示，双远心投影镜头100还可以包括：物面101。物面101用于向转向镜110发射投影光束，并使得投影光束垂直入射转向镜110的其中一直角面。其中，物面101可以设有显示芯片，以输出投影光束，例如，显示芯片可以为数字微镜器件(digitalmicromirrordevice，dmd)显示芯片、或硅基液晶(liquidcrystalonsilicon,lcos)显示芯片等等。
可选地，在一些其他实施例中，转向镜110可以省略。物面101设于第一透镜组120远离孔径光阑130的一侧，并垂直于第一透镜组120的中心光轴，物面101直接向第一透镜组120发射投影光束。
第一透镜组120可以包括若干个光学透镜。第一透镜组120的长度小于12mm，通光孔径小于11.5mm。第一透镜组120具有较大的正光焦度，并且第一透镜组120满足：
具体地，第一透镜组120包括：第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123。第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123可以由玻璃或塑料材料制备而成。第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123沿第一透镜组120的中心光轴按照从转向镜110到第二透镜组140的方向依次设置。第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123的中心光轴重合，以使得转向镜110出射的投影光束沿第一透镜组120的中心光轴依次经过第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123。
可选地，第一透镜121的出光面与第二透镜122的入光面可以无间隙贴合设置。
其中，第一透镜121为凸透镜，具有正光焦度，并且第一透镜121满足：
其中，在本实施例中，如图1所示，当第三透镜123为单透镜时，第一透镜121为双凸透镜，第二透镜122包含一个面对物面的凸面和相邻的下一个面向像面的平面，第三透镜123包含一个面对物面的凹面和相邻的下一个面向像面的平面。
可选地，在一些其他实施例中，如图1所示，当第三透镜123为双胶合透镜时，第一透镜121包含一个面对物面的平面和相邻的下一个面向像面的凸面，第二透镜122包含一个面对物面的凸面和相邻的下一个面向像面的平面，第三透镜123的其中一胶合透镜包含一个面对物面的凸面和相邻的下一个面向像面的凸面，第三透镜123的另一胶合透镜包含一个面对物面的凹面和相邻的下一个面向像面的平面。
孔径光阑130设于第一透镜组120和第二透镜组140之间，孔径光阑130的中心光轴与第一透镜组120的中心光轴和第二透镜组140的中心光轴重合。并且，孔径光阑130位于第一透镜组120的后焦点、以及第二透镜组140的前焦点，以构成双远心成像光路，并使得双远心投影镜头100的放大倍率稳定，不随着景深的变化而变化。其中，第一透镜组120的后焦点为第一透镜组120位于靠近第二透镜组140一侧的焦点；第二透镜组140的前焦点为第二透镜组140靠近第一透镜组120一侧的焦点。孔径光阑130用于接收第一透镜组120出射的投影光束，并使投影光束输出至第二透镜组140。通过使得第一透镜组120和第二透镜组140关于孔径光阑130近似对称，形成变形双高斯结构，以使得在传播投影光束时，第一透镜组120和第二透镜组140引入的垂轴像差(例如球差、垂轴色差等)相互抵消，从而可有效地减小双远心投影镜头100的垂轴像差。
第二透镜组140可以包括若干个光学透镜。第二透镜组140的长度小于9mm，通光孔径小于7mm。第二透镜组140具有正光焦度，并且第二透镜组140满足：
具体地，第二透镜组140包括：第四透镜144、第五透镜145和第六透镜146。第四透镜144、第五透镜145和第六透镜146可以由玻璃或塑料材料制备而成。第四透镜144、第五透镜145和第六透镜146沿第二透镜组140的中心光轴按照从转向镜110到第二透镜组140的方向依次设置。第四透镜144、第五透镜145和第六透镜146的中心光轴重合，以使得孔径光阑130出射的投影光束沿第二透镜组140的中心光轴依次经过第四透镜144、第五透镜145和第六透镜146。
可选地，第五透镜145的出光面与第六透镜146的入光面可以无间隙贴合设置。
其中，第四透镜144为凹透镜，具有负光焦度，并且第四透镜144满足
其中，在本实施例中，如图1所示，当第三透镜123为单透镜时，第四透镜144为凹透镜，第五透镜145包含一个面对物面的凹面和相邻的下一个面向像面的凸面，第六透镜146包含一个面对物面的凸面和相邻的下一个面向像面的凸面。
可选地，在一些其他实施例中，如图1所示，当第三透镜123为双胶合透镜时，第四透镜144包含一个面对物面的凹面和相邻的下一个面向像面的凹面，第五透镜145包含一个面对物面的凹面和相邻的下一个面向像面的凸面，第六透镜146包含一个面对物面的凸面和相邻的下一个面向像面的平面，并且，第五透镜145和第六透镜146贴合设置。
可选地，如图1或图2所示，双远心投影镜头100可以在像面102进行成像。像面102用于接收第二透镜组140出射的投影光束，从而进行成像。其中，像面102可以垂直于第二透镜组140的中心光轴，以使得第二透镜组140输出的投影光束会聚于像面102，以使得所成的投影图像具有较好的照度均匀性。
可选地，双远心投影镜头100还可以包括转向结构(图未示)。转向结构可以为折射结构或反射结构，转向结构设于第二透镜组140与像面102之间，用于对第二透镜组140出射的投影光束进行转向，从而使像面102的位置可灵活设置。
其中，在本实施例中，第一镜头组120和第二镜头组140的焦距成比例，使得双远心投影镜头100的放大倍率为3.5。并且，双远心投影镜头100的物方远心度小于0.8°，像方远心度小于1.8°。
请参阅图3a，图3a为图1的双远心投影镜头在空间频率100lp/mm时的调制传递函数(modulationtransferfunction，mtf)示意图。从图3a可以看出，双远心投影镜头100在空间频率100lp/mm时每毫米周期的空间频率大于60％。对双远心投影镜头100通过蒙特卡洛分析方法进行公差分析，满足引入公差后，如图3b所示，双远心投影镜头在空间频率100lp/mm时每毫米周期的空间频率大于30％。
请参阅图4，图4为图1的双远心投影镜头的畸变曲线示意图。从图4可以看出，双远心投影镜头100的畸变量的变化极小，在0.5％以内。
请参阅图5，图5为图1的双远心投影镜头的场曲曲线示意图。从图5可以看出，双远心投影镜头100的场曲小于0.05mm。
请参阅图6，图6为图1的双远心投影镜头的相对照度曲线示意图。从图6可以看出，双远心投影镜头100的相对照度大于92％。
在本实施例中，双远心投影镜头100的工作过程大致为：入射的投影光束经过转向镜110转向后，平行第一透镜组120的中心光轴入射第一透镜组120投影光束，第一透镜组120对投影光束进行扩束后，投影光束经过孔径光阑130，入射第二透镜组140，第二透镜组140会聚投影光束，并使投影光束平行第二透镜组140的中心光轴出射，从而在像面102进行成像。
在本实施例中，双远心投影镜头100通过设置第一透镜组120接收平行第一透镜组120的中心光轴入射的投影光束，并对投影光束进行扩束，孔径光阑130接收第一透镜组120出射的投影光束，并使该投影光束输出至第二透镜组140，第二透镜组140接收从孔径光阑130出射的投影光束，会聚该投影光束，并使该投影光束平行第二透镜组140的中心光轴出射。通过将孔径光阑分别放置于像方焦平面和物方焦平面，使得物方和像方的主光线都平行于光轴，构成双远心成像光路，并且结构简单，具有较好的照度均匀性。
实施例二
请参阅图7，为本发明实施例提供的一种投影系统的结构示意图。如图7所示，该投影系统200包括上述实施例一中的双远心投影镜头100。
可选地，该投影系统200还可以包括：照明模块210。照明模块210可以为激光光源，例如光纤耦合激光光源、二极管激光光源或固体激光光源等等。照明模块210可以包括红色激光光源、绿色激光光源、蓝色激光光源，通过采用三基色激光，照明模块210能够使双远心投影镜头100最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。
其中，照明模块210设于双远心投影镜头100的入光侧，照明模块210用于为双远心投影镜头100提供照明光束，照明模块210与双远心投影镜头100的相对位置可以由照明光束的入射方向决定。
在本实施例中，投影系统200通过设置结构简单、且具有较好的照度均匀性的双远心投影镜头100，使得整个投影系统200的结构简单，具有较好的照度均匀性，并具有固定的倍率、高远心度、景深大等优势。
需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施方式，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施方式，这些实施方式不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施方式，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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