CN112904533B

CN112904533B - 一种360度探测孔内部的光学镜头

Info

Publication number: CN112904533B
Application number: CN202110142041.4A
Authority: CN
Inventors: 曲英丽; 朱敏
Original assignee: Nanjing Wavelength Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Wavelength Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN112904533A

Abstract

本发明公开了一种360度探测孔内部的光学镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜和第五透镜；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜；第一透镜、第三透镜和第四透镜均为单片镜；第二透镜和第五透镜均为胶合镜。本发明360度探测孔内部的光学镜头，全部由球面或者平面透镜组成，可以实现对直径为3mm到120mm的孔内壁和底部的观测，可以观测的孔深度达孔直径的5倍，观测到的图像与物直接对应，不需要后续图像处理。

Description

一种360度探测孔内部的光学镜头

技术领域

本发明涉及一种360度探测孔内部的光学镜头，属于孔内360角观测技术领域。

背景技术

一直以来，对“孔”内部的观测，大多选用接触式的方法，例如卡尺，探入式探测头等，有可能影响被测物的性质并且效率低、可得到的信息少。非接触式探测具有快捷、不会影响被测物性质的优点。在非接触式途径中，有电容传感器、涡流传感器及光电传感器等。其中，光电传感具有即时、快速、信息多以及对材料不均匀性和表面污染影响不敏感等优点。

目前，利用光学镜头观察孔内壁及底部，虽然也有少许报道，但存在能观察的最小孔径较大，及图像不直接对应物、对后续图像处理要求高等问题，如申请号为201711055218.7号和201721434124.6的专利申请，也为检测360度孔内的镜头，但其能够探测的最小内孔口径为8mm，而越小的孔径越不容易被观测到内壁；2000年由Jeffery A等发明的360度管道全景镜头为非球面反射镜与透射镜组合，把360度划分成四个矩形图，每个对应物方90度，此光学系统观测到的图像不直接对应物，对后续图像处理要求高。

发明内容

本发明提供一种360度探测孔内部的光学镜头，全部由球面或者平面透镜组成，可以实现对直径为3mm到120mm的孔内壁和底部的观测，可以观测的孔深度达孔直径的5倍，观测到的图像与物直接对应，不需要后续图像处理。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种360度探测孔内部的光学镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜和第五透镜；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜；第一透镜、第三透镜和第四透镜均为单片镜；第二透镜和第五透镜均为胶合镜。

上述光学镜头可工作在整个可见光波段，并且不需要把镜头深入孔内就可以观测到孔内壁和底部；可观察的直径范围从3mm到120mm，可观察到孔深度达孔直径的5倍。

本申请可探测的最小口径可以到3mm，与申请号201711055218.7、201721434124.6号专利相比，有着更为广泛的应用，并且镜头的结构也截然不同。

上述光学镜头，光阑被放置在透镜之间，与光阑共轭的入瞳在第一透镜的外表面到被测物之间，由于入瞳的位置使得被测孔的内壁光线能够被收集到光学系统中，出瞳的位置在像面比较远之处，使得主光线在像面接近于垂直入射，类似于远心镜头；观察不同的孔径大小，物距和像距需要做相应的调整。

各透镜的表面仅由标准球面和平面构成。

作为其中一种具体的优选方案，第一透镜为双凸BAF5透镜，第一透镜的中心厚度为4.3±0.1mm；从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一物侧面的曲率为25.18±0.01mm，第一像侧面的曲率为-65.49±0.01mm。

作为其中一种具体的优选方案，从物方到像方，第二透镜由正屈光度的H-ZF6透镜和H-ZK5透镜胶合组成，H-ZF6透镜的两面依次为第二A物侧面和第二A像侧面，H-ZK5透镜的两面依次为第二B物侧面和第二B像侧面；第二A物侧面为平面；第二A像侧面为凹面，第二B物侧面为凸面，第二A像侧面和第二B物侧面的曲率均为13.35±0.01mm，第二A像侧面和第二B物侧面无缝胶合在一起；第二B像侧面为凸面，第二B像侧面的曲率为-23.25±0.01mm；H-ZF6透镜的中心厚度为3.0±0.1mm，H-ZK5的中心厚度为8.0±0.1mm。

作为其中一种具体的优选方案，第三透镜为正屈光度H-ZK1透镜，从物方到像方，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面；第三物侧面为凸面，第三物侧面的曲率为104.52±0.01mm；第三像侧面为平面；第三透镜的中心厚度为6.8±0.1mm。

作为其中一种具体的优选方案，第四透镜为正屈光度的H-ZK1透镜，从物方到像方，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面；第四物侧面为凹面，第四物侧面的曲率为-21.48±0.01mm；第四像侧面为凸面，第四像侧面的曲率为-8.5±0.01mm；第四透镜的中心厚度为8.0±0.1mm。

作为其中一种具体的优选方案，从物方到像方，第五透镜由正屈光度的H-ZK1透镜和H-ZF6透镜胶合组成，H-ZK1透镜的两面依次为第五A物侧面和第五A像侧面，H-ZF6透镜的两面依次为第五B物侧面和第五B像侧面；第五A物侧面为凸面，第五A物侧面的曲率为17.62±0.01mm，第五A像侧面为凸面，第五B物侧面为凹面，第五A像侧面和第五B物侧的曲率均为-5.50±0.01mm，第五A像侧面和第五B物侧无缝胶合在一起；第五B像侧面为凸面，第五B像侧面的曲率为-16.00±0.01mm；H-ZK1透镜的中心厚度为4.5±0.1mm，H-ZF6透镜的中心厚度为2.5±0.1mm。

为了进一步提高成像品质，作为其中一种具体的优选方案，第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为7.5±0.1mm；第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为42.5±0.1mm；第三透镜和孔径光阑之间的中心间隔为13.0±0.1mm；孔径光阑和第四透镜之间的中心间隔为5.0±0.1mm；第四透镜和第五透镜之间的中心间隔为0.5±0.1mm。

上述光学镜头的F#可调节在4到11之间。

上述镜头，结合探测器，属于可以探测孔内壁和底部的光电传感器。

本发明中光学镜头，第一透镜、第二透镜和第三透镜形成第一正透镜组，第四透镜和第五透镜形成第二正透镜组，孔径光阑位于两组正透镜组之间，第一正透镜组把孔径光阑成像在镜头前方，使得内壁的光线可以进入光学系统，同时，第一正透镜组也使得物在中间成像，继而被第二正透镜组成像在焦面上，第二正透镜组同时也把光阑成像在距离焦平面比较远的位置，使得投影在焦平面的主光线几乎垂直于焦平面，类似于远心系统。这样有中间成像的、由两组正透镜组构成的镜头，可以更大限度地拉伸场曲，使物方不同物距的管壁可以同时被清晰地观测到。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明360度探测孔内部的光学镜头，全部由球面或者平面透镜组成，可以实现对直径为3mm到120mm的孔内壁和底部的观测，可以观测的孔深度达孔直径的5倍，观测到的图像与物直接对应，不需要后续图像处理。

附图说明

图1本发明360度探测孔内部的光学镜头的组成示意图。

图2本发明360度探测孔内部的光学镜头各透镜的标注和表面标注。

图3为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观察20mm直径内孔时所拍摄的内壁和底部图片。

图4为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观测3mm直径内孔时的剖面示意图。

图5为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观测20mm直径内孔时的剖面示意图。

图6为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观测120mm直径内孔时的剖面示意图。

图7为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观察3mm直径内孔时的MTF曲线(F#7.0)。

图8为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观察20mm直径内孔时的MTF曲线(F#7.0)。

图9为本发明360度探测孔内部的光学镜头在观察120mm直径内孔时的MTF曲线(F#7.0)。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1-2所示，360度探测孔内部的光学镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、孔径光阑4、第四透镜5和第五透镜6；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜5和第五透镜6均为正透镜；第一透镜1、第三透镜3和第四透镜5均为单片镜；第二透镜2和第五透镜6均为胶合镜，第二透镜2由正屈光度的H-ZF6透镜和H-ZK5透镜胶合组成；第五透镜6由正屈光度的H-ZK1透镜和H-ZF6透镜胶合组成。各透镜的设计参数如表1所示。

表1为各透镜元件的设计参数表

表1中，从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面11和第一像侧面12；第二透镜由正屈光度的H-ZF6透镜和H-ZK5透镜胶合组成，H-ZF6透镜的两面依次为第二A物侧面21和第二A像侧面22，H-ZK5透镜的两面依次为第二B物侧面22和第二B像侧面23；三透镜的两面依次为第三物侧面31和第三像侧面32；第四透镜的两面依次为第四物侧面51和第四像侧面52；第五透镜由正屈光度的H-ZK1透镜和H-ZF6透镜胶合组成，H-ZK1透镜的两面依次为第五A物侧面61和第五A像侧面62，H-ZF6透镜的两面依次为第五B物侧面62和第五B像侧面63；在表面类型栏，所有的表面在此都为标准型，这意味着只有球面面型或者平面面型包含在此扩束镜中；曲率半径正值的意思是相应的面向光传播的方向弯曲，而负值表示相应的面向光传播的反方向弯曲；厚度栏表示元件的厚度及相邻元件之间的中心间隔；材料栏表示相应元件所使用的材料，这里全部是采用CDGM的材料；通光口径栏中给出了各个元件的通光直径，最大的透镜直径为20mm，最小的透镜直径为8mm。

上述光学镜头，利用二次成像的方式，拉伸系统的场曲；同时把孔径光阑放置在两组正透镜之间，并使入射光瞳在镜头的前方；这两者结合，就把一定长度和直径比的被测孔内壁以及底部同时成像在探测器上。

输入光从第一透镜1进入镜头，第一透镜1和第二透镜2把具有一定长度的物第一次成像，并且利用物距不同时，经过透镜的纵向放大率也不同，从而使被测孔深度的信息，转为了高度的信息；经过第三透镜3所有的光线经过孔径光阑4，孔径光阑4的位置接近第四透镜5和第五透镜6的前焦距，使得出瞳的位置远离探测器表面，从而进入到探测器表面的主光线入射角接近于90度；对于一个深度不大于5倍直径的孔，其内壁和底部可以同时成像在焦平面上。图3所示为上述光学镜头在观察20mm直径内孔时所拍摄的内壁和底部图片，深度为60mm，从中可见，从孔顶端的内壁一直到底部的内壁包括底部本身，都可以被同时清晰地观察到。

对应不同的孔直径，则物距和像距则要做相应的调整，如表格2所示。

表2为观察孔直径从3mm到120mm时对应的物距与像距以及孔最大高度值

对应孔直径为3mm到120mm的最佳物距从36.5mm到200mm，能够观察的深度/直径比在3与5之间。图4到图6给出了上述镜头分别在观测3mm、20mm和120mm直径内孔时的剖面示意图；图7到图9为上述镜头在观测3mm，20mm和120mm直径内孔时的MTF图，F#为7，由图7所示，在观测3mm直径的物时，弧矢方向的MTF要低于切线方向的MTF，因为被测物是圆形，弧矢方向在像面上的放大率大大高于切线方向的放大率，所以这样的MTF并不影响像质，当被测物直径大于3mm时，MTF在两个方向上的表现都很好，接近于衍射极限所能达到的水平。

特别指出的是，本申请不局限于上述所公开的详细参数，这种由三个单透镜和两组胶合镜，以及相对应的材料选择，加之正透镜组，中间成像，并且入瞳在透镜前方，出瞳在像方很远处，使得入射到探测器上的光线近乎垂直，都在本发明保护的范围内。

Claims

1.一种360度探测孔内部的光学镜头，其特征在于：从物方到像方由依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜和第五透镜组成；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜；第一透镜、第三透镜和第四透镜均为单片镜；第二透镜和第五透镜均为胶合镜；

第一透镜为双凸BAF5透镜，第一透镜的中心厚度为4.3±0.1 mm；从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一物侧面的曲率为25.18±0.01 mm，第一像侧面的曲率为-65.49±0.01 mm；

从物方到像方，第二透镜由正屈光度的H-ZF6透镜和H-ZK5透镜胶合组成，H-ZF6透镜的两面依次为第二A物侧面和第二A像侧面，H-ZK5透镜的两面依次为第二B物侧面和第二B像侧面；第二A物侧面为平面；第二A像侧面为凹面，第二B物侧面为凸面，第二A像侧面和第二B物侧面的曲率均为13.35±0.01 mm，第二A像侧面和第二B物侧面无缝胶合在一起；第二B像侧面为凸面，第二B像侧面的曲率为-23.25±0.01 mm；H-ZF6透镜的中心厚度为3.0±0.1mm，H-ZK5的中心厚度为8.0±0.1 mm；

第三透镜为正屈光度H-ZK1透镜，从物方到像方，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面；第三物侧面为凸面，第三物侧面的曲率为104.52±0.01 mm；第三像侧面为平面；第三透镜的中心厚度为6.8±0.1 mm；

第四透镜为正屈光度的H-ZK1透镜，从物方到像方，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面；第四物侧面为凹面，第四物侧面的曲率为-21.48±0.01 mm；第四像侧面为凸面，第四像侧面的曲率为-8.50±0.01 mm；第四透镜的中心厚度为8.0±0.1 mm；

从物方到像方，第五透镜由正屈光度的H-ZK1透镜和H-ZF6透镜胶合组成，H-ZK1透镜的两面依次为第五A物侧面和第五A像侧面，H-ZF6透镜的两面依次为第五B物侧面和第五B像侧面；第五A物侧面为凸面，第五A物侧面的曲率为17.62±0.01 mm，第五A像侧面为凸面，第五B物侧面为凹面，第五A像侧面和第五B物侧的曲率均为-5.50±0.01 mm，第五A像侧面和第五B物侧无缝胶合在一起；第五B像侧面为凸面，第五B像侧面的曲率为 -16.00 mm±0.01；H-ZK1透镜的中心厚度为4.5±0.1 mm，H-ZF6 透镜的中心厚度为2.5±0.1 mm；

第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为7.5±0.1 mm；第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为42.5 ±0.1mm；第三透镜和孔径光阑之间的中心间隔为13.0±0.1 mm；孔径光阑和第四透镜之间的中心间隔为5.0±0.1mm；第四透镜和第五透镜之间的中心间隔为0.5±0.1 mm。

2.如权利要求1所述的360度探测孔内部的光学镜头，其特征在于：F# 可调节在4到11之间。

3.如权利要求1或2所述的360度探测孔内部的光学镜头，其特征在于：探测的孔径范围为3 mm~120 mm。

4.如权利要求3所述的360度探测孔内部的光学镜头，其特征在于：探测的孔深度为孔径的3~5倍。