CN104991329A - 一种用于工业3d扫描***的高分辨率投影镜头 - Google Patents
一种用于工业3d扫描***的高分辨率投影镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，主要由光学透镜组、可变光阑组件、棱镜和芯片组成，其特征在于：所述光学透镜组从物方到像方依次设有具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜组成的胶合透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜，所述可变光阑组件设于所述第四透镜和所述第五透镜之间，所述棱镜设于所述第八透镜和所述芯片之间。本发明采用八片球面透镜，结构简单，具有制造成本低，易加工，低畸变，高分辨率，像方远心等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影镜头，特别涉及一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头。
背景技术
近几年来，随着IT技术的快速发展，3D扫描技术已经广泛应用于医疗、航天航空、特效制作、文物保护等领域。因为3D扫描***是利用光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，根据成一定夹角的两个相机同步采得相应图像通过投影镜头产生图像信号，再进行后续图像处理，生成待测物体的三维模型，因此投影镜头采集的图像信号质量对最终模型的建立有着决定性作用。
为了适应3D扫描***的发展需求，投影镜头需保证整个光学***具有良好的成像质量，才能提高3D扫描仪的扫描精度。现有的投影镜头一般都使用九片或九片以上的透镜，使得镜头结构比较复杂，或者采用非球面技术来达到结构简单高成像质量的目的，但由于非球面透镜加工和检测难度大，一定程度上也增加了整个镜头的成本和工艺复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，该投影镜头结构简单，像质高，制造成本低，易加工。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，主要由光学透镜组、可变光阑组件、棱镜和芯片组成，所述光学透镜组从物方到像方依次设有具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜组成的胶合透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜，所述可变光阑组件设于所述第四透镜和所述第五透镜之间，所述棱镜设于所述第八透镜和所述芯片之间。
进一步的，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凹面朝向像面的弯月形正透镜，所述第三透镜为凹面朝向像面的弯月形负透镜，所述第四透镜为凹面朝向像面的弯月形负透镜，所述第五透镜为双凹透镜，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜为双凸透镜。
进一步的，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔介于0.1mm和1mm之间，所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔介于0.5mm和1.5mm之间，所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔介于2mm和4mm之间，所述第四透镜和可变光阑组件之间的空气间隔介于7mm和9mm之间，所述可变光阑组件和第五透镜之间的空气间隔介于2mm和4mm之间，所述第六透镜和第七透镜之间的空气间隔介于12mm和14mm之间，所述第七透镜和第八透镜之间的空气间隔介于4mm和6mm之间，所述第八透镜和棱镜之间的空气间隔介于6mm和8mm之间。
进一步的，所述第一透镜的焦距介于35mm和45mm之间，所述第二透镜的焦距介于25mm和35mm之间，所述第三透镜的焦距介于-5mm和-15mm之间，所述第四透镜的焦距介于-25mm和-35mm之间，所述胶合透镜的焦距介于35mm和45mm之间，所述第七透镜的焦距介于55mm和75mm之间，所述第八透镜的焦距介于45mm和55mm之间。
进一步的，所述第一透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第二透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第三透镜的折射率介于1.55和1.65之间，所述第四透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第五透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第六透镜的折射率介于1.45和1.55之间，所述第七透镜的折射率介于1.45和1.55之间，所述第八透镜的折射率介于1.55和1.65之间。
进一步的，所述芯片为0.3英寸DMD-DLP3010芯片，分辨率为WXGA1280*720。
进一步的，所述投影镜头的有效焦距为27.5mm，相对数值孔径F/2.2，最大口径小于23mm，光学总长为第一透镜到第八透镜的距离58.43mm。
本发明的有益效果是提供了一种适用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，该投影镜头采用八片球面透镜，具有结构简单，像质高，制造成本低，易加工，低畸变，高分辨率，像方远心等特点。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的投影镜头的光学结构图。
图2是图1中光学镜头半像高为0、0.5mm、2.1mm、3.1mm、4.4mm各视场在芯片上的光线点列图。
图3是图1中光学镜头的各视场芯片面上的传递函数MTF曲线图。
图4是图1中光学镜头的场曲和畸变图。
图5是图1中光学镜头的垂轴色差图。
图6是图1中光学镜头的轴向色差图。
具体实施方式
本发明用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，如图1所示，主要由光学透镜组、可变光阑组件10、棱镜9和芯片11组成，光学透镜组从物方到像方依次设有具有正光焦度的第一透镜1、具有负光焦度的第二透镜2、具有负光焦度的第三透镜3、具有负光焦度的第四透镜4、具有负光焦度的第五透镜5和具有正光焦度的第六透镜6组成的胶合透镜、具有正光焦度的第七透镜7、具有正光焦度的第八透镜8，可变光阑组件10设于第四透镜4和第五透镜5之间，棱镜9设于第八透镜8和芯片11之间。
其中，第一透镜1为双凸透镜，第二透镜2为凹面朝向像面的弯月形正透镜，第三透镜3为凹面朝向像面的弯月形负透镜，第四透镜4为凹面朝向像面的弯月形负透镜，第五透镜5为双凹透镜，第六透镜6为双凸透镜，第七透镜7为双凸透镜，第八透镜8为双凸透镜。
第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔介于0.1mm和1mm之间，第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔介于0.5mm和1.5mm之间，第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔介于2mm和4mm之间，第四透镜4和可变光阑组件10之间的空气间隔介于7mm和9mm之间，可变光阑组件10和第五透镜5之间的空气间隔介于2mm和4mm之间，第六透镜6和第七透镜7之间的空气间隔介于12mm和14mm之间，第七透镜7和第八透镜8之间的空气间隔介于4mm和6mm之间，第八透镜8和棱镜9之间的空气间隔介于6mm和8mm之间。在本实施例中，第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔为0.1mm，第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔为0.927mm，第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔为2.191mm，第四透镜4和和第五透镜5之间的空气间隔为11.701mm，第六透镜6和第七透镜7之间的空气间隔为13.058mm，第七透镜7和第八透镜8之间的空气间隔为5.873mm，第八透镜8和棱镜9之间的空气间隔为7.423mm。
第一透镜1的焦距介于35mm和45mm之间，第二透镜2的焦距介于25mm和35mm之间，第三透镜3的焦距介于-5mm和-15mm之间，第四透镜4的焦距介于-25mm和-35mm之间，胶合透镜的焦距介于35mm和45mm之间，第七透镜7的焦距介于55mm和75mm之间，第八透镜8的焦距介于45mm和55mm之间。
第一透镜1的折射率介于1.75和1.85之间，第二透镜2的折射率介于1.75和1.85之间，第三透镜3的折射率介于1.55和1.65之间，第四透镜4的折射率介于1.75和1.85之间，第五透镜5的折射率介于1.75和1.85之间，第六透镜6的折射率介于1.45和1.55之间，第七透镜7的折射率介于1.45和1.55之间，第八透镜8的折射率介于1.55和1.65之间。
第一透镜1材料使用火石玻璃，第二透镜2使用火石玻璃，第三透镜3使用火石玻璃，第四透镜4使用火石玻璃，第五透镜5使用火石玻璃，第六透镜6使用冕牌玻璃，第七透镜7使用冕牌玻璃，第八透镜8使用冕牌玻璃。
芯片为0.3英寸DMD-DLP3010芯片，分辨率为WXGA1280*720。
投影镜头的有效焦距为27.5mm，相对数值孔径F/2.2，最大口径小于23mm，光学总长为第一透镜到第八透镜的距离58.43mm。
本实施例的波长为WAVE，光圈数为FNO，有效焦距为EFL，第一面到DMD芯片的距离为TTL。WAVE=465nm-540nm-640nm，FNO=2.2，EFL=27.5mm，TTL=82.73mm，表1是镜头的结构参数表，单位mm。
表1
图2是本发明实施例中光学镜头半像高为0、0.5mm、2.1mm、3.1mm、4.4mm各视场在芯片上的光线点列图。从图中可看出，各个视场下的点列图的均方根半径小于显示芯片像素大小5.4um。
图3是本发明实施例中光学镜头各视场芯片面上的传递函数MTF曲线图。图中在200lp/mm下各视场的MTF值均大于0.3，且曲线平滑、紧凑，说明该镜头成像清晰，均匀，能够与0.3英寸DMD-DLP3010相匹配。
图4是本发明实施例中光学镜头的场曲和畸变图。从图中可以看出该镜头场曲小于0.1mm，畸变小于0.3%。
图5是本发明实施例中光学镜头的垂轴色差图。从图中可以看出最大的横向色差小于3um。
图6是本发明实施例中光学镜头的轴向色差图。由图6可看出在波长465nm-640nm范围内，最大焦点偏移量为42.5um。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，主要由光学透镜组、可变光阑组件、棱镜和芯片组成，其特征在于：所述光学透镜组从物方到像方依次设有具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜组成的胶合透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜，所述可变光阑组件设于所述第四透镜和所述第五透镜之间，所述棱镜设于所述第八透镜和所述芯片之间。
2.根据权利1所述的一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，其特征在于：所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凹面朝向像面的弯月形正透镜，所述第三透镜为凹面朝向像面的弯月形负透镜，所述第四透镜为凹面朝向像面的弯月形负透镜，所述第五透镜为双凹透镜，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜为双凸透镜。
3.根据权利1所述的一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔介于0.1mm和1mm之间，所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔介于0.5mm和1.5mm之间，所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔介于2mm和4mm之间，所述第四透镜和可变光阑组件之间的空气间隔介于7mm和9mm之间，所述可变光阑组件和第五透镜之间的空气间隔介于2mm和4mm之间，所述第六透镜和第七透镜之间的空气间隔介于12mm和14mm之间，所述第七透镜和第八透镜之间的空气间隔介于4mm和6mm之间，所述第八透镜和棱镜之间的空气间隔介于6mm和8mm之间。
4.根据权利1所述的一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，其特征在于：所述第一透镜的焦距介于35mm和45mm之间，所述第二透镜的焦距介于25mm和35mm之间，所述第三透镜的焦距介于-5mm和-15mm之间，所述第四透镜的焦距介于-25mm和-35mm之间，所述胶合透镜的焦距介于35mm和45mm之间，所述第七透镜的焦距介于55mm和75mm之间，所述第八透镜的焦距介于45mm和55mm之间。
5.根据权利1所述的一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，其特征在于：所述第一透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第二透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第三透镜的折射率介于1.55和1.65之间，所述第四透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第五透镜的折射率介于1.75和1.85之间，所述第六透镜的折射率介于1.45和1.55之间，所述第七透镜的折射率介于1.45和1.55之间，所述第八透镜的折射率介于1.55和1.65之间。
6.根据权利1所述的一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，其特征在于：所述芯片为0.3英寸DMD-DLP3010芯片，分辨率为WXGA1280*720。
7.根据权利1所述的一种用于工业3D扫描***的高分辨率投影镜头，其特征在于：所述投影镜头的有效焦距为27.5mm，相对数值孔径F/2.2，最大口径小于23mm，光学总长为第一透镜到第八透镜的距离58.43mm。
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