本實用新型涉及光學成像裝置技術領域，尤其涉及一種物像雙傾斜的成像光學系統。

背景技術：

隨著科學技術的發展，成像光學系統的應用需求越來越廣，無論是傳統照明、投影系統，還是新興的激光測量領域，都需要完善的成像系統。而眾所周知，在幾何光學領域，無論是投影儀、攝像機還是激光打標機，所采用的成像方式均是物像與鏡頭光軸垂直，且在理想情況下，在像面上任何兩點的放大倍率都是相等的。但在一些新興行業中，特別是對于激光位移檢測領域，激光聚焦的焦深范圍可作為成像系統的物面，相對于成像系統的光軸是處于傾斜狀態的，并且為了滿足光點完美成像在感光元件上，實現位移的精確測量，就必須實現感光元件與成像系統光軸的傾斜，但由于傾斜角度的不確定性以及系統的不對稱性，現有技術中對物像傾斜的成像光學系統的設計一般使用多片透鏡組合，結構比較復雜，體積較大，成本較高，無法滿足工業領域要求的體積小、攜帶安裝方便以及測量精度高的要求。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提出一種物像雙傾斜的成像光學系統，結構簡單，體積小，便于攜帶。

為達此目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種物像雙傾斜的成像光學系統，包括一個非球面鏡片和成像部，被測物面與成像部分別位于非球面鏡片兩側，所述被測物面、成像部的成像面與所述非球面鏡片的光軸的夾角分別為傾斜角θ和傾斜角ω，所述傾斜角θ和傾斜角ω相匹配。

作為上述物像雙傾斜的成像光學系統的一種優選方案，非球面鏡片包括入射面和出射面，所述入射面和出射面均為非球面，所述非球面的矢高計算公式為：

其中，z為非球面上任一點的矢高，c表示非球面頂點的曲率，k表示二次曲面系數，r表示非球面上任一點到非球面鏡片的光軸的距離，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅為非球面的高次項系數。

作為上述物像雙傾斜的成像光學系統的一種優選方案，所述入射面頂點的曲率為-0.087，入射面的二次曲面系數為27.666，入射面的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分別為3.767×10^-4、3.222×10^-4、4.016×10^-5、-2.957×10^-5和-9.361×10^-6。

作為上述物像雙傾斜的成像光學系統的一種優選方案，所述出射面頂點的曲率為-0.173，出射面的二次曲面系數為0.353，出射面的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分別為1.610×10^-4、9.608×10^-6、-2.182×10^-6、5.426×10^-7和-3.399×10^-8。

作為上述物像雙傾斜的成像光學系統的一種優選方案，所述非球面鏡片為樹脂鏡片。

作為上述物像雙傾斜的成像光學系統的一種優選方案，所述成像部為CMOS傳感器、CCD傳感器或PSD傳感器。

作為上述物像雙傾斜的成像光學系統的一種優選方案，所述被測物面為實物或者激光光點面。

本實用新型的有益效果：

本實用新型提出的物像雙傾斜的成像光學系統，包括一個非球面鏡片和成像部，被測物面與成像部分別位于非球面鏡片兩側，采用一個非球面鏡片即可代替現有技術中的透鏡組合，結構簡單，體積小便于攜帶，同時非球面能夠效消除斜射象散，場曲，畸變等像差，能夠提高成像質量。

附圖說明

圖1是本實用新型具體實施方式提供的物像雙傾斜的成像光學系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型具體實施方式提供的非球面鏡片的結構示意圖；

圖3是本實用新型具體實施方式提供的物像雙傾斜的成像光學系統檢測位移的結構示意圖；

圖4是本實用新型具體實施方式提供的物像雙傾斜的成像光學系統檢測物體輪廓的結構示意圖。

其中，1、被測物面；2、非球面鏡片；3、成像部；4、半導體激光器；21、入射面；22、出射面。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本實用新型的技術方案。

參照圖1-4，本實施方式保護一種物像雙傾斜的成像光學系統，包括一個非球面鏡片2和成像部3，被測物面1與成像部3分別位于非球面鏡片2兩側，被測物面1、成像部3的成像面與非球面鏡片2的光軸的夾角分別為傾斜角θ和傾斜角ω，傾斜角θ和傾斜角ω相匹配，即，該成像光學系統滿足斯凱普夫拉格條件，即物面、像面和透鏡主面必須相交于同一直線。

該物像雙傾斜的成像光學系統的結構簡單，僅采用一個非球面鏡片2即可代替現有技術中的透鏡組合，結構簡單，體積小便于攜帶，同時非球面能夠效消除斜射象散，場曲，畸變等像差。

具體的，如圖2所示，非球面鏡片2包括入射面21和出射面22，入射面21和出射面22均為非球面，非球面的矢高計算公式為：

$z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^4+a_2{r}^6+a_3{r}^8+a_4{r}^{10}+a_5{r}^{12}$

其中，z為非球面上任一點的矢高，c表示非球面頂點的曲率，k表示二次曲面系數，r表示非球面上任一點到非球面鏡片2的光軸的距離，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅為非球面的高次項系數。

本實施方式中，入射面21頂點的曲率為-0.087，入射面21的二次曲面系數為27.666，入射面21的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分別為3.767×10^-4、3.222×10^-4、4.016×10^-5、-2.957×10^-5和-9.361×10^-6。出射面22頂點的曲率為-0.173，出射面22的二次曲面系數為0.353，出射面22的a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分別為1.610×10^-4、9.608×10^-6、-2.182×10^-6、5.426×10^-7和-3.399×10^-8。

被測物面1和成像部3的成像面相對于光軸存在傾斜角，故被測物面1上不同點的成像倍率是不同的，利用鏡片的兩個非球面，被測物面1上的不同點可以完善地成像在成像部3上，況且鏡片制造與加工容易，裝配方便，而現有技術采用多組透鏡成像以便滿足優良的成像質量，鏡片加工必須控制好公差，組裝過程還要配合結構設計，結構復雜且體積較大，本實施方式中的成像光學系統能夠改善上述現有技術中存在的問題。

需要說明的是，非球面鏡片2的入射面21和出射面22的凹凸結構是不固定的，本實施方式中的圖2僅是其中一種結構，可以根據具體情況對入射面21和出射面22進行不同設計。

如圖1所示，成像時，被測物面1上的各個點通過非球面鏡片2成像在成像部3上，被測物面1上的點A成像在成像部3上的點a處，被測物面1上的點B成像在成像部3上的點b處，被測物面1上的點C成像在成像部3上的點c處，其他各點依照上述規律實現被測物面1在成像部3上的成像。

本實施方式中的非球面鏡片2為樹脂鏡片。在其他實施方式中非球面鏡片2還可以為玻璃鏡片。

成像部3為CMOS傳感器、CCD傳感器或PSD傳感器，還可以根據應用不同選擇不同的傳感器。

被測物面1為實物或者激光光點面。例如，本實施方式中的物像雙傾斜的成像光學系統可以進行位移的高精度檢測。如圖3所示，具體為：半導體激光器4發出聚焦點激光光束，在聚焦處附近，當光斑的大小在半導體激光器4的焦深的范圍內時，成像光斑較小，較均勻，當半導體激光器4入射到此范圍的物體上時，根據光的漫反射性質，有一部分光將通過非球面鏡片2在成像部3上成像，該成像部3選擇為一維傳感器，當物體上下移動時，物體上的光斑位置也跟著物體上下移動，不同位置處漫反射光經過非球面鏡片2，最后成像在一維傳感器上。上述提及的焦深范圍可認為是成像光學系統的被測物面1，通過非球面鏡片2后，所有的光斑位置都將成像在一維傳感器上，由于非球面的成像完善性，每個位置的光斑對應的像點均處于一維傳感器的分辨范圍內，因此可以精確地分辨出每個光斑的位置，從而物像雙傾斜的成像光學系統可以實現位移的高精度測量。

本實施方式中的物像雙傾斜的成像光學系統還可以進行物體輪廓的高精度檢測，如圖4所示，半導體激光器4發出聚焦線激光，與物體的表面形成交線光斑，當該交線光斑的線寬處于半導體激光器4的焦深范圍時，物體上交線光斑可以被當作被測物面1，交線光斑經過非球面鏡片2成像在成像部3上，此時，成像部3選擇為二維傳感器，交線上不同位置的光斑成像在二位傳感器的不同位置，從而實現物體輪廓的高精度檢測。

注意，上述僅為本實用新型的較佳實施例。本領域技術人員會理解，本實用新型不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本實用新型的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本實用新型進行了較為詳細的說明，但是本實用新型不僅僅限于以上實施例，在不脫離本實用新型構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本實用新型的范圍由所附的權利要求范圍決定。