一种高分辨率沙姆镜头
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种高分辨率沙姆镜头。
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，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镜头拍摄倾斜目标，传统镜头受景深的限制难于对倾斜目标全视野清晰成像。
中国发明专利申请CN110057301A(一种基于双目3D时差的高度检测装置及检测方法)中，其中的摄像组件包括依次连接的光源组、镜头组、相机连接件和相机机体，光源组设置在镜头组前部，镜头组的中心线正对被摄件，相机连接件为一楔形块，镜头组通过相机连接件与相机机体连接并共同构成成像光路通道，还包括一用于使摄像组件移动的直线移动机构，及控制模块和图像分析模块。这种摄像组件基于双目时差的原理，通过分析细算两摄像组件拍摄的被摄件两幅图像来获取物体三维几何信息。镜头与机体配合优化，并符合沙姆定律，因此测量精度较高。为了可以对斜面完美对焦，东正光学自主研发了3D斜像镜头，3D斜像镜头的一个重要应用便是与结构光配合使用，实现物体3D表面重建，通过投影设备将结构光投射至物体表面，由于物体表面起伏不平，投射至物体表面的结构光也就随物体表面形貌发生变形扭曲，可理解为结构光的光场、相位被被测物体表面所调制，等效于携带了物体表面轮廓信息，接着利用我们的3D投影镜头将调制后结构光清晰拍摄下来，并通过软件算法读取结构光的弯曲程度，从而还原被测物3D表面形貌。这种3D斜像镜头带有精密机械调解装置，具有满足沙姆定律的光学布局，可实现对斜面的完美对焦。但是这种3D斜像镜头利用的是精密的机械调节装置使其满足沙姆定律，与上述专利申请CN110057301A一样，对镜头本身并未作出针对性地改进。
中国发明专利申请CN107561671A(一种双光路双远心镜头)公开了一种能对垂直于光轴的平面和倾斜于光轴的平面成型的双光路双远心镜头，该双光路双远心镜头具有二维和三维信息获取的能力，这种镜头的结构为：自下而上依次设置有物镜前组、分光棱镜、光阑一、物镜后组一、垂直像面，在分光棱镜的正侧端设置有物镜后组二，在分光棱镜和物镜后组二之间设置有光阑二，物镜后组二正侧端倾斜设置有倾斜像面，物镜前组的正下方设置有垂直物面和与线激光扫描面相重合的倾斜物面。这种方法设计得到的镜头能够同时测量二维和三维信息，能够提高测量速度。该镜头采用双光路设计，每一个光路的透镜数量为10，透镜数量较多，结构复杂，且整体长度较长：TTL/IH>25，因此镜头的尺寸较大。上述两件专利申请中，通过合理的设计，均能够得到较好的测量性能，但是这两种镜头的分辨率较低，并且尺寸较大，因此适用场合受限。
沙姆定律是光学摄影领域中非常重要的一个定律，利用沙姆定律拍摄，可以得到极大的清晰范围。因此可以充分利用沙姆定律，设计一种沙姆镜头，以得到高分辨率的图片，用于工业测量中，提高测量的精度。
发明内容
本发明欲解决的技术问题是现有技术中用于非接触式测量的光学镜头存在分辨率低，且尺寸较大等技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高分辨率沙姆镜头，从物侧至像侧依次为具有正光焦度的第一球面透镜，具有负光焦度的第二球面透镜，具有负光焦度的第三球面透镜，具有正光焦度的第四球面透镜，第五球面透镜，光阑，具有正光焦度的第六球面透镜，具有正光焦度的第七球面透镜。该镜头适合在实际应用场景中的光源为单色光源时，无需设置滤光片。所述光阑位于第四球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、第七球面透镜中任意相邻的两片球面透镜之间，或者所述光阑位于第七球面透镜与像侧之间。
进一步地，所述光阑位于第五球面透镜和第六球面透镜之间。
进一步地，所述高分辨率沙姆镜头满足如下条件：TTL/IH≦13；所述TTL为第一球面透镜的前表面到像面的距离，IH为矩形探测器对角线半像高。
进一步地，所述第五球面透镜为具有负光焦度的透镜。
进一步地，所述第五球面透镜为具有正光焦度的透镜。
进一步地，如果在使用场景中光源使用复色光源时，则需在具有正光焦度的第一球面透镜之前设置滤光片。
进一步地，所述高分辨率沙姆镜头的焦距与第二球面透镜的焦距之间满足如下条件：-14≦f2/f≦-0.25；其中f为高分辨率沙姆镜头的焦距，f2为第二球面透镜的焦距。
进一步地，所述高分辨率沙姆镜头的焦距与第三球面透镜的焦距之间满足如下条件：-20≦f3/f≦-0.45；其中f为高分辨率沙姆镜头的焦距，f3为第三球面透镜的焦距。
进一步地，所述高分辨率沙姆镜头的焦距与第四球面透镜的焦距之间满足如下条件：0.5≦f4/f≦25；其中f为高分辨率沙姆镜头的焦距，f4为第四球面透镜的焦距。
进一步地，所述第五球面透镜的阿贝系数满足如下条件：18≦vd5≦70；其中vd5为第五球面透镜的阿贝系数。
本发明的高分辨率沙姆镜头中，第一透镜有助于消除畸变，第二透镜有助于消除场曲和畸变，第四透镜有助于消除球差和畸变，第五透镜有助于消除色差，第六透镜有助于消除球差和彗差。因此可以设计出小型化TTL/IH≦13，也可以实现该条件以外的设计。
本发明公开了一种高分辨率沙姆镜头，相比于现有技术具有如下优点：
(1)高分辨率。
(2)小型化。
附图说明
图1：沙姆定律成像原理图。
图2：7片球面式沙姆镜头的结构图。
图3：实施例1中沙姆镜头的结构图。
图4：实施例1中沙姆镜头的成像质量MTF曲线图。
图5：实施例1中沙姆镜头的轴向球差曲线图。
图6：实施例1中沙姆镜头的畸变曲线图。
图7：实施例2中沙姆镜头的结构图。
图8：实施例2中沙姆镜头的成像质量MTF曲线图。
图9：实施例2中沙姆镜头的轴向球差曲线图。
图10：实施例2中沙姆镜头的畸变曲线图。
图11：实施例3中沙姆镜头的结构图。
图12：实施例3中沙姆镜头的成像质量MTF曲线图。
图13：实施例3中沙姆镜头的轴向球差曲线图。
图14：实施例3中沙姆镜头的畸变曲线图。
图15：实施例4中沙姆镜头的结构图。
图16：实施例4中沙姆镜头的成像质量MTF曲线图。
图17：实施例4中沙姆镜头的轴向球差曲线图。
图18：实施例4中沙姆镜头的畸变曲线图。
附图标记说明：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、光阑；9、滤光片；10、目标平面；11、探测器。
具体实施方式
下面通过具体实施例进行详细阐述，说明本发明的技术方案。
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范围清晰成像，图1给出了沙姆定律成像原理图。
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，需要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。
本发明中，实施例1-3设计了7片球面式小型沙姆镜头，镜头结构如图2所示。从物侧至像侧依次为滤光片，具有正光焦度的第一球面透镜，负光焦度的第二球面透镜，负光焦度第三球面透镜，正光焦度第四球面透镜，第五球面透镜，光阑，正光焦度第六球面透镜，正光焦度第七球面透镜。如果光源使用单色光源，可以不设置滤光片。第五球面透镜光焦度可以为正，也可以为负。且该沙姆镜头满足如下条件：
-14≦f2/f≦-0.25 (2)
-20≦f3/f≦-0.45 (3)
0.5≦f4/f≦25 (4)
18≦vd5≦70 (5)
f为镜头的焦距；f2为第二透镜焦距；f3为第三透镜焦距；f4为第四透镜焦距；vd5为第五透镜阿贝数。
由于该成像镜头具备合理的光焦度分配，可以设计出高分辨率、小型沙姆镜头：
TTL/IH≦13 (6)
其中，TTL为第一透镜前表面到像面的距离，IH为矩形探测器对角线半像高。
下述各实施例中，各英文名称的中文意思为：Surface：表面序号；Radius：表面曲率半径；Thickness：表面厚度；Material：透镜材料；nd：材料折射率，vd：材料阿贝系数。
实施例1
沙姆镜头焦距f＝18.9mm，F/#＝4，IH＝4.76，TTL/IH＝12.8，详细设计结构如图3所示，详细设计参数如表1所示。
表1实施例1中沙姆镜头的设计参数
其中，表面1和2为滤光片。该设计目标平面与光轴夹角α＝28度，探测器平面与光轴夹角β＝77.51度，镜头放大倍率b’/a’＝0.1177。又tan(α)/tan(β)＝0.1177，即满足关系式(1)。图4给出了实施例1的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.5，图5给出了实施例1的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图6给出了实施例1的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，具体见表5。
实施例2
沙姆镜头焦距f＝18.05mm，F/#＝4，IH＝4.76，TTL/IH＝11.56，详细设计结构如图7所示，详细设计参数如表2所示。
表2实施例2中沙姆镜头的设计参数
其中，表面1和2为滤光片。该设计目标平面与光轴夹角α＝28度，探测器平面与光轴夹角β＝77.62度，镜头放大倍率b’/a’＝0.1167。又tan(α)/tan(β)＝0.1167，即满足关系式(1)。图8给出了实施例2的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.5，图9给出了实施例2的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图10给出了实施例2的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，具体见表5。
实施例3
镜头焦距f＝18.49mm，F/#＝4，IH＝4.76，TTL/IH＝11.61，详细设计结构如图11所示，详细设计参数如表3所示。
表3实施例3中沙姆镜头的设计参数
其中，表面1和2为滤光片。该设计目标平面与光轴夹角α＝28度，探测器平面与光轴夹角β＝77.564度，镜头放大倍率b’/a’＝0.11725。又tan(α)/tan(β)＝0.11725，即满足关系式(1)。图12给出了实施例2的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.5，图13给出了实施例的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图14给出了实施例3的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，具体见表5。
实施例4
光阑位于第三透镜和第四透镜之间。镜头焦距f＝18.76mm，F/#＝4，IH＝4.76，TTL/IH＝11.61，详细设计结构如图15所示，详细设计参数如表4所示。
表4实施例4中沙姆镜头的设计参数
其中，表面1和2为滤光片。该设计目标平面与光轴夹角α＝28度，探测器平面与光轴夹角β＝77.52度，镜头放大倍率b’/a’＝0.11766。又tan(α)/tan(β)＝0.11766，即满足关系式(1)。图16给出了实施例4的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.5，图17给出了实施例4的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图18给出了实施例4的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，具体见表5。
表5实施例1-4中沙姆镜头的条件式满足情况
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制发明，凡在本发明的设计构思之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
