CN108132526B - 一种用于三维测量的条纹投影镜头 - Google Patents

一种用于三维测量的条纹投影镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于三维测量的条纹投影镜头，其从物方到像方依次由具有负光焦度的前透镜组、光阑以及具有正光焦度的后透镜组组成；前透镜组从物方到像方依次由第一透镜、第二透镜以及第三透镜组成；第一透镜是具有负光焦度的弯月透镜；第二透镜是具有负光焦度的双凹透镜；第三透镜是具有正光焦度的双凸透镜；后透镜组物方到像方依次由第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜组成；第四透镜是具有正光焦度的双凸透镜；第五透镜是具有负光焦度的双凹透镜；第六透镜是具有正光焦度的双凸透镜；第七透镜是具有负光焦度的弯月透镜。本发明提供了可实现成本低、重量轻、畸变小、尺寸小、高通光性能且符合高清晰度投影要求的镜头。

Description

一种用于三维测量的条纹投影镜头
【技术领域】
本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种用于三维测量的条纹投影镜头。
【背景技术】
对于结构光的三维测量具有多种方法，传统方法是利用计算机生成条纹，将条纹投影获取目标对象的三维轮廓图像，即利用计算机生成的条纹图放映到目标对象上去，以获取目标对象的三维轮廓图像，但是这种方法局限于聚焦深度，投影面积和清晰度，一定程度上还局限于灯泡的寿命。
为了解决传统的条纹投影法在进行三维测量时的固有缺陷，利用声光条纹法代替条纹投影法进行三维测量的方法应运而生。声光条纹法代替计算机生成光栅条纹的方法，可以投射真正的干涉条纹到目标对象上去，它具有很大的聚焦深度和真正的正弦条纹，特别有利于三维测量。
而传统的声光条纹法进行三维测量的投影装置的投影镜头通光性能较弱，解像力较低，无法满足三维测量***高通光能力和高清晰度的要求。
【发明内容】
为克服现有技术存在的不足。本发明提供一种用于三维测量的条纹用于三维测量的条纹投影镜头。
本发明解决技术问题的技术方案是提供一种用于三维测量的条纹用于三维测量的条纹投影镜头，该条纹用于三维测量的条纹投影镜头从物方到像方依次由具有负光焦度的前透镜组、光阑以及具有正光焦度的后透镜组组成；所述前透镜组从物方到像方依次由第一透镜、第二透镜以及第三透镜组成；所述第一透镜是具有负光焦度的弯月透镜，且凸面朝向物方；所述第二透镜是具有负光焦度的双凹透镜；所述第三透镜是具有正光焦度的双凸透镜；所述后透镜组物方到像方依次由第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜组成；所述第四透镜是具有正光焦度的双凸透镜；所述第五透镜是具有负光焦度的双凹透镜；所述第六透镜是具有正光焦度的双凸透镜；所述第七透镜是具有负光焦度的弯月透镜，且凸面朝向物方；所述第四透镜和第五透镜组合成一胶合透镜；所述用于三维测量的条纹投影镜头满足76.36mm≤TTL≤79.92mm，TTL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的第一透镜物方侧最外点至成像面的距离。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式8.08≤TTL/EFL≤10.52，其中，EFL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的总焦距值。
优选地，所述第一透镜靠近物方一面是非球面，所述第七透镜靠近像方一面是非球面。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式5.87≤TTL/FFL≤6.51，其中FFL为第一透镜像方侧最外点至成像面的距离。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式0.32≤BFL/EFL≤0.40，其中EFL为用于三维测量的条纹投影镜头的总焦距值，BFL为用于三维测量的条纹投影镜头的第七透镜像方侧最外点至成像面的距离。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式18.06mm≤F后≤44.80mm，其中F后表示后透镜群组的焦距值。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式-1.11≤F后/F前≤-0.54，其中F前表示前透镜群组的焦距值。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式72.45°≤FOV≤72.56°，其中FOV表示条纹投影镜头的最大视场角，且该用于三维测量的条纹投影镜头在距离为1米的位置处至少有40英寸的投影面积。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头第一透镜满足条件公式0.05≤(d/h)/FOV≤0.06，其中d表示最大视场角所对应的第一透镜朝向物方凸面的最大通光口径，h表示最大视场角所对应的成像像高。
优选地，所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式2.96≤F胶/F后≤4.71，其中F胶表示胶合透镜的焦距值，F后表示后透镜群组的焦距值。
本发明用于三维测量的条纹投影镜头采用了超短焦距的紧凑结构TTL较小，实现视场角和投影面积最大化，在距离为1米的位置至少有40英寸的投影面积使得一副条纹图能够一次尽快覆盖较大的表面，使***能够捕捉到足够对象信息和实现高精度的条纹图。畸变率小，在所有的空间频率的MTF值高达80％以上，光线像差只存在从-0.025到0.025的范围内，成像质量更加优异。
同时，第一透镜靠近物方一面是非球面，第七透镜靠近像方一面是非球面，该用于三维测量的条纹投影镜头用较少的非球面透镜就可以达到较好的像差校正效果，同时节约成本
进一步本发明提供的用于三维测量的条纹投影镜头，可实现成本低、重量轻、畸变小、尺寸小、高通光性能且符合高清晰度要求的用于三维测量的条纹投影镜头。
【附图说明】
图1是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第一实施例的结构示意图。
图2A为是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第一实施例的色差曲线图。
图2B是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第一实施例的散光场曲线图。
图2C是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第一实施例的畸变像差曲线
图3为本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第一实施例的MTF曲线图。
图4为本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第一实施例的径向能量曲线图。
图5是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第二实施例的结构示意图。
图6A为是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第二实施例的色差曲线图。
图6B是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第二实施例的散光场曲线图。
图6C是本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第二实施例的畸变像差曲线
图7为本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第二实施例的MTF曲线图。
图8为本发明一种用于三维测量的条纹投影镜头第二实施例的径向能量曲线图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供一种用于三维测量的条纹投影镜头。该用于三维测量的条纹投影镜头从物方到像方依次包括具有负光焦度的前透镜组、光阑以及具有正光焦度的后透镜组，前透镜组从物方到像方依次包括第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3。后透镜组30物方到像方依次包括第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6以及第七透镜L7。
如图1所示，所述用于三维测量的条纹投影镜头由物方到像方依次为第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3，光阑R7(FNO)，第四透镜L4，第五透镜L5，第六透镜L6，第七透镜L7，滤色片GF以及成像面IMA。第一透镜L1是具有负光焦度的弯月透镜，且凸面朝向物方，第一透镜L1靠近物方一面是非球面，靠近像方一面是球面的塑料透镜；第二透镜L2是具有负光焦度的双凹透镜，且两面都是球面的玻璃透镜；第三透镜L3是具有正光焦度的双凸透镜，是两面都是球面的玻璃透镜；第四透镜L4是具有正光焦度的双凸透镜，是两面都是球面的玻璃透镜；第五透镜L5是具有负光焦度的双凹透镜，是两面都是球面的玻璃透镜，且第四透镜L4与第五透镜L5组合成一胶合透镜，采用胶水进行粘接接合形成一个透镜组件，且接合面的凸面朝向像方侧；第六透镜L6是具有正光焦度的双凸透镜，且是两面都是球面的塑料透镜；第七透镜L7是具有负光焦度的弯月透镜，且凸面朝向物方，第七透镜L7靠近物方一面是非球面，靠近像方一面是球面的塑料透镜。
表格一用于三维测量的条纹投影镜头规格及其光学参数表。
表格一：
Figure GDA0002208069110000051
Figure GDA0002208069110000061
表格二相关参数是该用于三维测量的条纹投影镜头从物方(OBJ)到像方(IMA)的所有的透镜的每个面的表面类型，曲率半径，中心厚度，半通光口径，折射率以及阿贝尔常数等相关参数。
表格二：
Figure GDA0002208069110000062
表格三是面序号为R1和R13的非球面的镜的详细几何参数。
表格三：
Figure GDA0002208069110000071
根据表格一，表格二以及表格三中我们可知，该用于三维测量的条纹投影镜头选择800×600像素分辨率，光学格式d为0.378″(7.68mm×5.76mm)，具体的光学要求如表2所列出的。在这些要求中，焦距与投影距离的关系满足等式：
f＝l×d/A＝1000×0.378/40＝9.45mm
其中，f代表焦距，l代表投影距离，d代表光学格式，A代表投影面积。
因为投影视场角小于80°，用正交投影来计算视场角满足以下等式：
Figure GDA0002208069110000072
ω表示视场角的一半，即最大视场角FOV＝72.45°。y是成像高度。至于最大的特殊频率F满足：
F＝1/(2×s)＝1/(2×0.016)＝31.25lp/mm,
s表示像素大小。
根据上述实施例数据，获得下表四的相关数据。
表格四：
基本参数 EFL BFL TTL FFL d h
数值(mm) 9.45 3 76.36 13 26 6.93
基本参数 F1 F2 F3 F胶 F6 F7
数值(mm) -24.8 -21.8 28.6 132.45 18.5 71.2
基本参数 F前 F后
数值(mm) -40.4 44.8
其中，EFL为用于三维测量的条纹投影镜头的总焦距值，BFL为用于三维测量的条纹投影镜头的第七透镜L7像方侧最外点至成像面的距离，TTL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的第一透镜L1物方侧最外点至成像面的距离，FFL为用于三维测量的条纹投影镜头的第一透镜L1像方侧最外点至成像面的距离。
d表示最大视场角所对应的第一透镜朝向物方凸面的最大通光口径，h表示最大视场角所对应的成像的像高。
F1、F2、F3、F5、F6分别表示第一、二、三、五、六透镜的各自的焦距值。F前、F后分别表示前透镜群组、后透镜群组的焦距值，F胶表示胶合透镜的焦距值。
最大Distortion＝-3％，其中Distortion为用于三维测量的条纹投影镜头的畸变。
第一透镜L1满足下述条件公式：(d/h)/FOV＝0.05，
第一透镜L1满足下面的条件公式：Nd≥1.59，Vd≤29.45，的高折射率高色散材料，能快速光线，且高色散材料能有效补偿光学***中的色差值，其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
第二透镜L2采用折射率Nd≥1.75，阿贝常数Vd≥60的高折射率低色散材料；第四透镜L4采用折射率Nd≥1.5，阿贝常数Vd≥60的高折射率低色散材料；第六透镜L6采用折射率Nd≥1.5，阿贝常数Vd≥60的高折射率低色散材料，能有效导入70°-80°视场角、光线并减小第一个镜片的口径，满足在较短的TTL值范围内获取较好的投影效果，以避免体积过大。
第三透镜L3满足下面的条件公式：Nd≥1.75，Vd≤27.5，的高折射率高色散材料，第七透镜L7满足下面的条件公式：Nd≥1.50，Vd≤30，的高折射率高色散材料，能快速会聚入射的光线，且高色散材料能有效补偿光学***中的色差值，其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
第四透镜L4和第五透镜L5采用接合设计，以有效改善光学***的色差。从而利于提高整个光学***的通光能力和解像能力。
请参阅图2A-2C以及图3-图4，图2A为色差曲线图(也可叫球差曲线图)，由常用的红(C)、绿(D)、蓝(F)光的波长来表示，单位为mm。2B是像散场曲线图，表示用于三维测量的条纹投影镜头由像散导致的成像的像场弯曲程度，由常用绿(D)光表示，单位是mm，图中光线像差只存在从-0.025到0.025的范围内，成像性能优异。图2C是畸变曲线图，表示不同视场角情况下的畸变大小值，单位为％，该用于三维测量的条纹投影镜头光学畸变<-3％。图3是MTF值曲线图，表示的是镜头分辨率的大小，在所有的空间频率的MTF值高达80％以上，图4是在不同视场角下几何光斑圈入的能量图，表示的是镜头成像的像点亮度，其中视场角为零度是用于三维测量的条纹投影镜头成像的像点亮度最高，最大视场角为72.45°。
请参阅图5，本发明第二实施例所提供的用于三维测量的条纹投影镜头与第一实施例所提供的用于三维测量的条纹投影镜头不同的是：第二实施例所提供的用于三维测量的条纹投影镜头总焦距值为7.6mm、TTL值为79.92mm，最大视场角FOV值72.56°，具体参数请参见表格五、六以及表格七。
表格五是本发明第二实施例所提供的用于三维测量的条纹投影镜头规格及其光学参数表。
表格五
Figure GDA0002208069110000091
Figure GDA0002208069110000101
ω＝36.28°，ω表示视场角的一半，最大视场角FOV＝2ω＝72.56°。
表格六相关参数是该用于三维测量的条纹投影镜头从物方(OBJ)到像方(IMA)的，所有的透镜的每个面的表面类型，曲率半径，中心厚度，半通光口径，折射率以及阿贝尔常数等相关参数。
表格六：
Figure GDA0002208069110000102
根据上述实施例数据，获得下表七的相关数据。
表格七：
基本参数 EFL BFL TTL FFL d h
数值(mm) 7.6 3 79.92 12.28 23.48 5.58
基本参数 F1 F2 F3 F胶 F6 F7
数值(mm) -24.925 -20.67 30.72 85.11 19.98 67.14
基本参数 F前 F后
数值(mm) -33.52 18.06
用于三维测量的条纹投影镜头焦距满足，8.08≤TTL/EFL≤10.52，其中TTL为所述用于三维测量的条纹投影镜头第一透镜物方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的总焦距值；5.87≤TTL/FFL≤6.51，其中FFL为第一透镜像方侧最外点至成像面的距离；76.36mm≤TTL≤79.92mm，TTL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的第一透镜物方侧最外点至成像面的距离；0.32≤BFL/EFL≤0.40，其中BFL为用于三维测量的条纹投影镜头的第七透镜像方侧最外点至成像面的距离；18.06mm≤F后≤44.80mm，其中F后表示后透镜群组的焦距值；-1.11≤F后/F前≤-0.54，其中F前表示前透镜群组的焦距值；2.96≤F胶/F后≤4.71，其中F胶表示胶合透镜的焦距值。
请参阅图6A-6C以及图7、8，第二实施例的光学性能曲线图，其6A中图为色差曲线图(也叫球差曲线图)，由常用的红(C)、绿(D)、蓝(F)三色光的波长来表示，单位为mm。6B是像散场曲线图，表示用于三维测量的条纹投影镜头由像散导致的成像的像场弯曲程度，由常用的绿(D)光表示，单位是mm。图6C是畸变曲线图，表示不同视场角情况下的畸变大小值，单位为％，图中畸变<-6％。图7是MTF值曲线图，表示的是镜头分辨率的大小图中，在所有的空间频率的MTF值高达80％以上，光线像差只存在从-0.025到0.025的范围内，成像质量更加优异。图8是在不同视场角下几何光斑圈入的能量图，表示的是镜头成像的像点亮度，其中视场角为零度是用于三维测量的条纹投影镜头成像的像点亮度最高，最大视场角为72.56°。
本发明通过合理控制各透镜之间的焦距分配，实现用于三维测量的条纹投影镜头的超短焦距紧凑结构，TTL保持最小，同时视场角和投影面积最大化，在距离为1米的位置至少有40英寸的投影面积使得一副条纹图能够一次尽快覆盖大的表面，使***能够捕捉到足够对象信息和实现高精度的条纹图。特别符合结构光的三维测量。第一透镜靠近物方一面是非球面，第七透镜靠近像方一面是非球面，该用于三维测量的条纹投影镜头用较少的非球面透镜就可以达到较好的像差校正效果，同时节约成本。
同时，合理控制前、后透镜群组的光焦度分配比例，一方面有利于控制前透镜组的入射光线高度，以减小光学***高级像差和镜片的外径；另一方面可减小经过后透镜群组的主光线出射角度，以提高光学***的相对亮度。
进一步本发明提供的用于三维测量的条纹投影镜头，可实现成本低、重量轻、畸变小、尺寸小、高通光性能且符合高清晰度要求的用于三维测量的条纹投影镜头，同时因采用了较多的塑料非球面透镜，可保持较轻的重量和较低的成本。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明。

Claims (10)

1.一种用于三维测量的条纹投影镜头，用于结构光的三维测量投影，其特征在于：从物方到像方依次由具有负光焦度的前透镜组、光阑以及具有正光焦度的后透镜组组成；
所述前透镜组从物方到像方依次由第一透镜、第二透镜以及第三透镜组成；
所述第一透镜是具有负光焦度的弯月透镜，且凸面朝向物方；所述第二透镜是具有负光焦度的双凹透镜；所述第三透镜是具有正光焦度的双凸透镜；
所述后透镜组物方到像方依次由第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜组成；
所述第四透镜是具有正光焦度的双凸透镜；所述第五透镜是具有负光焦度的双凹透镜；所述第六透镜是具有正光焦度的双凸透镜；所述第七透镜是具有负光焦度的弯月透镜，且凸面朝向物方；
所述第四透镜和第五透镜组合成一胶合透镜；
所述用于三维测量的条纹投影镜头满足条件公式76.36mm≤TTL≤79.92mm，TTL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的第一透镜物方侧最外点至成像面的距离。
2.如权利要求1所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式8.08≤TTL/EFL≤10.52，其中，EFL为所述用于三维测量的条纹投影镜头的总焦距值。
3.如权利要求2所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：所述第一透镜靠近物方一面是非球面，所述第七透镜靠近像方一面是非球面。
4.如权利要求1所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式5.87≤TTL/FFL≤6.51，其中FFL为第一透镜像方侧最外点至成像面的距离。
5.如权利要求1所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式0.32≤BFL/EFL≤0.40，其中EFL为用于三维测量的条纹投影镜头的总焦距值，BFL为用于三维测量的条纹投影镜头的第七透镜像方侧最外点至成像面的距离。
6.如权利要求1所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式18.06mm≤F后≤44.80mm，其中F后表示后透镜群组的焦距值。
7.如权利要求6所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式-1.11≤F后/F前≤-0.54，其中F前表示前透镜群组的焦距值。
8.如权利要求1所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式72.45°≤FOV≤72.56°，其中FOV表示条纹投影镜头的最大视场角，且该用于三维测量的条纹投影镜头在距离为1米的位置处至少有40英寸的投影面积。
9.如权利要求8所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：第一透镜满足条件公式0.05≤(d/h)/FOV≤0.06，其中d表示最大视场角所对应的第一透镜朝向物方凸面的最大通光口径，h表示最大视场角所对应的成像像高。
10.如权利要求1所述的用于三维测量的条纹投影镜头，其特征在于：满足条件公式2.96≤F胶/F后≤4.71，其中F胶表示胶合透镜的焦距值，F后表示后透镜群组的焦距值。
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