一种大孔径激光位移传感器成像镜头及其光学系统的制作方法

本发明涉及光学测量传感器，尤其涉及一种大孔径激光位移传感器成像镜头及其光学系统。

背景技术：

1、激光位移传感器的主流技术路线为激光三角测量法，该方法通过“激光发射-光斑成像-三角计算”三个步骤实现非接触式位移测量。具体的，传感器内置的激光发射器将激光投射至被测物体表面，物体表面产生的漫反射光经接收镜头汇聚，在探测器（ccd/cmos）上形成光斑；当物体发生位移时，光斑在探测器上的位置发生偏移，系统依据激光发射器、成像镜头与探测器三者构成的三角形几何关系，结合预设算法计算位移距离。在这一测量过程中，成像镜头肩负着将来自被测表面的漫反射光准确汇聚至探测器像面的关键任务，同时也决定了位移传感器测量精度的上限。

2、随着工业化的进程，激光位移传感器的应用环境也越来越复杂。为了适应更多检测环境，提高检测精度和采样频率，搭载高分辨率和大孔径的成像镜头是十分必要的；大孔径镜头能提高光能利用率，降低传感器的曝光时间以及提高图像采集速率。然而，现有的激光位移传感器镜头设计中残留的像差会增大探测器上光斑的弥散斑尺寸，并引起光斑质心的几何偏移，从而显著降低位移测量的重复精度和绝对精度。

3、因此，本领域亟需开发一种大孔径激光位移传感器成像镜头，使其拥有良好的解析度和较小的弥散斑尺寸，在测量时拥有良好的成像效果和对被测物体表面散射光线汇聚能力，在测量范围内实现光斑清晰聚焦。

4、以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大孔径激光位移传感器成像镜头及其光学系统，以解决或至少部分解决现有技术中所存在的技术问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，由物方到像方依次设置的平行保护玻璃板g0、具有正光焦度的第一透镜g1、具有负光焦度的第二透镜g2、具有正光焦度的第三透镜g3、光阑a0、具有负光焦度的第四透镜g4以及具有正光焦度的第五透镜g5组成；其中，第二透镜g2和第三透镜g3组成双胶合透镜u1；

4、所述光学系统的焦距为f’，第一透镜g1的焦距为f1，第二透镜g2的焦距为f2，第三透镜g3的焦距为f3，双胶合透镜u1的焦距为fu1，第四透镜g4的焦距为f4，第五透镜g5的焦距为f5，分别满足以下关系式：

5、1.0≤|f1/f’|≤2.0，0.1≤|f2/f’|≤1.0，0.1≤|f3/f’|≤1.0，4.0≤|fu1/f’|≤5.0，2.0≤|f4/f’|≤3.0，0.1≤|f5/f’|≤1.0。

6、可选地，第一透镜g1的折射率为n1，阿贝数为v1，满足关系式：1.9≤n1≤2.0；30≤v1≤40；

7、第二透镜g2的折射率为n2，阿贝数为v2，满足关系式：1.7≤n2≤1.8；20≤v2≤30；

8、第三透镜g3的折射率为n3，阿贝数为v3，满足关系式：1.8≤n3≤1.9；40≤v3≤50；

9、第四透镜g4的折射率为n4，阿贝数为v4，满足关系式：1.5≤n4≤1.6；50≤v4≤60；

10、第五透镜g5的折射率为n5，阿贝数为v5，满足关系式：1.8≤n5≤1.9；40≤v5≤50；

11、可选地，第一透镜g1、第三透镜g3和第五透镜g5均为双凸透镜，第二透镜g2为双凹透镜，第四透镜g4为弯月透镜，第四透镜g4的凸面朝向物方设置。

12、可选地，第一透镜g1、第二透镜g2、第三透镜g3、第四透镜g4和第五透镜g5均为玻璃球面透镜，且所有玻璃球面透镜的光轴重合。

13、可选地，所述光学系统的物高为y’，满足关系式：|y’/f’|≤1.0。

14、可选地，所述光学系统的f数为2.85，工作距离90mm，其适配激光位移传感器光路后的测量范围为±15.6mm。

15、可选地，光阑a0的孔径为圆孔。

16、第二方面，本发明提供了一种大孔径激光位移传感器成像镜头，包括如上所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统。

17、可选地，第五透镜g5和像面之间还设置有反射镜g6；反射镜g6的摆放角度由像面的空间位置决定，用于将第五透镜g5的出射光反射至像面。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本申请通过多透镜的合理配合所构建的光学系统，其镜头f数为2.85，既满足较强的光线收集能力，也符合当下主流传感器外形尺寸的要求；另外，该镜头像差小，能有效呈现出激光发射部分的图像。解析度高，呈现在传感器上光斑的过渡像素少，极大提高了位移传感器的检测精度。

20、本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

1.一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，由物方到像方依次设置的平行保护玻璃板g0、具有正光焦度的第一透镜g1、具有负光焦度的第二透镜g2、具有正光焦度的第三透镜g3、光阑a0、具有负光焦度的第四透镜g4以及具有正光焦度的第五透镜g5组成；其中，第二透镜g2和第三透镜g3组成双胶合透镜u1；

2.根据权利要求1所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，第一透镜g1的折射率为n1，阿贝数为v1，满足关系式：1.9≤n1≤2.0；30≤v1≤40；

3.根据权利要求2所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，第一透镜g1、第三透镜g3和第五透镜g5均为双凸透镜，第二透镜g2为双凹透镜，第四透镜g4为弯月透镜，第四透镜g4的凸面朝向物方设置。

4.根据权利要求3所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，第一透镜g1、第二透镜g2、第三透镜g3、第四透镜g4和第五透镜g5均为玻璃球面透镜，且所有玻璃球面透镜的光轴重合。

5.根据权利要求4所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，所述光学系统的物高为y’，满足关系式：|y’/f’|≤1.0。

6.根据权利要求5所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，所述光学系统的f数为2.85，工作距离90mm，其适配激光位移传感器光路后的测量范围为±15.6mm。

7.根据权利要求1所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统，其特征在于，光阑a0的孔径为圆孔。

8.一种大孔径激光位移传感器成像镜头，其特征在于，包括如权利要求1-7中任意一项所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头的光学系统。

9.根据权利要求8所述的一种大孔径激光位移传感器成像镜头，其特征在于，第五透镜g5和像面之间还设置有反射镜g6；反射镜g6的摆放角度由像面的空间位置决定，用于将第五透镜g5的出射光反射至像面。