CN108227149B - 准直镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准直镜头，从激光发射器端到被测物体端依次包括：具有正光焦度的第一透镜，其物侧表面为凸面；具有负光焦度的第二透镜，其物侧表面和像侧表面均为凹面；具有正光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜，其像侧表面为凸面；靠近被测物体端的光阑；各个透镜的光学中心位于同一直线上；该准直镜头满足条件式：(dn/dt)1<‑50×10‑6/℃；(dn/dt)2<‑50×10‑6/℃；(dn/dt)3<‑50×10‑6/℃；(dn/dt)4>‑10×10‑6/℃；其中，(dn/dt)1、(dn/dt)2、(dn/dt)3、(dn/dt)4分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的折射率在0～60℃范围内随温度的变化率。该准直镜头由于各透镜的折射率随温度的变化率分配合理，能实现不同温度下焦距稳定。且在同样尺寸的激光发射器下，***的焦距更大，视场角更小，更有利于3D结构光的算法实现。

Description

准直镜头
技术领域
本发明涉及摄像镜头技术领域，特别是涉及一种准直镜头。
背景技术
随着智能手机的快速发展，手机的摄像功能也不断涌现出创新的技术，比如苹果公司主推的3D成像技术，这种基于3D结构光的光学感测技术，可用于人脸、手势辨识，强化照相功能，带来AR新应用，将光学图像从过去的二维向三维空间转换，从而带来更加真实、清晰的感知体验。
3D结构光是指将特定的激光信息投射到物体表面后，由摄像头采集，根据物体造成的光信息的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。特定的激光信息是3D结构光技术中的一个非常重要的指标，因此对把激光信息投影到被测物体表面的准直镜头要求很高。这种把VCSEL(垂直腔面发射激光器)激光器表面的有特定立体角发射的阵列点光源投影到被测物体表面的准直镜头，是3D成像质量的一个关键环节。
在现有的这类产品中，存在随着使用环境下温度的变化，镜头焦距f发生较大变化，从而导致镜头投射光的角度发生明显变化，这会改变原有的光信息，从而导致整个***的计算出现误差，影响三维物体的轮廓复原精度；同样还存在随着温度的变化，准直的像点变大的情况，这也会导致***还原三维物体的清晰度下降。因此在随着使用环境温度变化的情况下，投射到被测物体的光信息的视场角和斑点的大小不发生较大的变化就显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种在不同温度下焦距稳定的准直镜头。
根据本发明提供的准直镜头，从激光发射器端到被测物体端依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，其物侧表面为凸面；
具有负光焦度的第二透镜，其物侧表面和像侧表面均为凹面；
具有正光焦度的第三透镜；
具有正光焦度的第四透镜，其像侧表面为凸面；
靠近所述被测物体端的光阑；
各个透镜的光学中心位于同一直线上；
所述准直镜头满足以下条件式：
(dn/dt)1<-50×10-6/℃；
(dn/dt)2<-50×10-6/℃；
(dn/dt)3<-50×10-6/℃；
(dn/dt)4>-10×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1、(dn/dt)2、(dn/dt)3、(dn/dt)4分别表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的折射率在0～60℃范围内随温度的变化率。
根据本发明提供的准直镜头，由于各透镜的折射率随温度的变化率分配合理，能够和镜片本身及结构件带来的热膨胀对焦距的影响相抵消，所以能够实现焦距稳定及适用于不同的温度场合；能够达到温度每变化10摄氏度，该准直镜头的有效焦距变化量小于0.0005mm，以致镜头投射光的角度不生明显变化，不改变原有的光信息。且相比现有技术，在同样尺寸的VCSEL(激光发射器)下，可以实现***的焦距更大，视场角更小，从而更有利于3D结构光的算法实现。
进一步地，所述准直镜头满足以下条件式：
TTL/f＜1.0，
其中，TTL表示所述准直镜头的光学总长，f表示所述准直镜头的***焦距。
进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的两侧均为非球面。
进一步地，所述准直镜头满足条件式：
0＜f4/f1＜5.0；
其中，f4表示所述第四透镜的焦距，f1表示所述第一透镜的焦距。
进一步地，所述准直镜头满足条件式：
-6.0＜f/R8＜0；
其中，f表示所述准直镜头的***焦距，R8表示所述第四透镜像侧表面的曲率半径。
进一步地，所述准直镜头满足条件式：
-5.0＜R1/R8＜0；
其中，R1表示所述第一透镜物侧表面的曲率半径，R8表示所述第四透镜像侧表面的曲率半径。
进一步地，所述准直镜头满足条件式：
1.0＜CT4/CT2＜5.0；
其中，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT4表示所述第四透镜的中心厚度。
进一步地，所述准直镜头的光学总长TTL小于3.5mm。
进一步地，所述准直镜头的***焦距f大于4.45mm。
进一步地，所述准直镜头中各透镜的非球面表面形状均满足下列方程：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E、F、G、H分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。
本发明的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一实施方式的准直镜头的截面结构示意图；
图2是激光发射器的发射光经过图1中的准直镜头的光学线路示意图；
图3a是根据本发明实施例1中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；
图3b是根据本发明实施例1中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；
图4是根据本发明实施例1中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；
图5是根据本发明实施例2中的准直镜头的截面结构示意图；
图6a是根据本发明实施例2中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；
图6b是根据本发明实施例2中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；
图7是根据本发明实施例2中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；
图8是根据本发明实施例3中的准直镜头的截面结构示意图；
图9a是根据本发明实施例3中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；
图9b是根据本发明实施例3中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；
图10是根据本发明实施例3中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；
图11是根据本发明实施例4中的准直镜头的截面结构示意图；
图12a是根据本发明实施例4中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；
图12b是根据本发明实施例4中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；
图13是根据本发明实施例4中的准直镜头在40℃，400mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1及图2，本发明的一实施方式提供的准直镜头10，包括靠近激光发射器20(也即物侧)且具有正光焦度的第一透镜L1，具有负光焦度的第二透镜L2，具有正光焦度的第三透镜L3，具有正光焦度的第四透镜L4，靠近被测物体(也即像侧)的光阑S9；且各个透镜的光学中心位于同一直线上。
所述第一透镜L1具有正光焦度，其物侧表面为凸面，且物侧表面及像侧表面皆为非球面，借此汇聚来自激光发射器20的远心光束，第一透镜L1提供足够的正光焦度，可有效地控制光学透镜组的整体体积。
所述第二透镜L2具有负光焦度，其物侧表面及像侧表面皆为凹面非球面，可有效的调和第一透镜L1所产生的像差，亦能控制工作波段的聚焦能力。
所述第三透镜L3具有正光焦度，其物侧表面及像侧表面皆为非球面。
所述第四透镜L4具有正光焦度，其像侧表面为凸面，其物侧表面及像侧表面皆为非球面，可以有效修正光学透镜的像差，从而有效地控制光线的出射角度。
本实施方式提供的准直镜头10满足以下条件式：
(dn/dt)1<-50×10-6/℃；
(dn/dt)2<-50×10-6/℃；
(dn/dt)3<-50×10-6/℃；
(dn/dt)4>-10×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1、(dn/dt)2、(dn/dt)3和(dn/dt)4分别表示第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4的折射率在0～60℃范围内随温度的变化率。
上述准直镜头，由于各透镜的折射率随温度的变化率分配合理，能够和镜片本身及结构件带来的热膨胀对焦距的影响相抵消，所以能够实现焦距稳定及适用于不同的温度场合；能够达到温度每变化10摄氏度，该准直镜头的有效焦距变化量小于0.0005mm，以致镜头投射光的角度不生明显变化，不改变原有的光信息。且相比现有技术，在同样尺寸的VCSEL(激光发射器)下，可以实现***的焦距更大，视场角更小，从而更有利于3D结构光的算法实现。
上述准直镜头10中，限定所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3为塑胶材质，借以有效降低生产成本，第四透镜L4可为玻璃材质，以保证随工作温度的变化，***解像力不发生明显变化。
进一步地，所述准直镜头10的光学总长TTL与***焦距f满足条件式：TTL/f＜1.0，此条件限制了***总长和***焦距的比例关系，在保证***长焦距的情况下，能达到***小型化的目的。具体的，可以限定，所述准直镜头10的光学总长TTL小于3.5mm，且所述准直镜头10的***焦距f大于4.45mm，以保证更好的光学特性，更适合3D结构光的算法实现。
所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4的物侧表面及像侧表面皆为非球面，也即第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4的物侧表面及像侧表面制作成球面以外的形状，借此可以获得较多的控制变数，以削减像差。
在本发明的光学透镜组中，第一透镜L1至第四透镜L4为四片非粘合的独立透镜：换言之，在本发明的光学透镜组中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4中，任两相邻的具有光焦度的透镜间具有一空气间隔，由于粘合透镜的工艺较非粘合透镜复杂，特别在两透镜的粘合面须拥有高准度的曲面，以便达到两透镜粘合时的高密合度，且在粘合过程中，也可以因偏位而造成密合度不佳，影像光学成像品质。因此，本发明光学透镜组中，第一透镜L1至第四透镜L4为四片非粘合的独立透镜，可有效改善粘合透镜所产生的问题。
所述第四透镜L4的焦距f4与所述第一透镜L1的焦距f1的比值范围为：
0＜f4/f1＜5.0，此条件限制了第一透镜L1和第四透镜L4焦距的配比，主要用于将经过所述第一透镜L1的光线会聚于成像面上，同时减少所述准直镜头10的像差。
所述准直镜头10的***焦距f与第四透镜L4像侧表面的曲率半径R8的比值范围为：
-6.0＜f/R8＜0，此条件限制了第四透镜L4像侧面的形状，有利于镜片的加工制造，同时可以降低公差敏感度。
所述第一透镜L1物侧表面的曲率半径R1与所述第四透镜L4像侧表面的曲率半径R8的比值范围为：
-5.0＜R1/R8＜0，此条件限制了第一透镜L1物侧表面与第四透镜L4像侧表面的朝向相反，主要用于将经过第一透镜L1的光线会聚于成像面上，同时减少所述准直镜头10的像差。
所述第四透镜L4的中心厚度CT4与所述第二透镜L2的中心厚度CT2的比值范围为：
1.0＜CT4/CT2＜5.0，此条件限制了第四透镜L4的中心厚度CT4与第二透镜L2的中心厚度CT2的配比，借由适当配置透镜的中心厚度，有利于光学透镜组的加工制造及组装。
综上，该准直镜头10尺寸更小，能够实现焦距稳定及适用于不同的温度场合。各透镜的折射率随温度的变化率及热膨胀系数分配合理，以致镜头投射光的角度不生明显变化，不改变原有的光信息；且在搭配同样尺寸的VCSEL(激光发射器)下，可以实现***的焦距更大，视场角更小，从而更有利于3D结构光的算法实现。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中，准直镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径有所不同，具体不同可参见各实施例中的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
本发明各个实施例中的各透镜的非球面表面形状均满足下列方程：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E、F、G、H分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。
实施例1：
本实施例的准直镜头的结构图可参阅图1，同时请参阅图3a、3b及图4，所述准直镜头中各个镜片的相关参数如表1-1所示。
表1-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表1-2所示。
表1-2
实施例2
请参阅图5、图6a、6b及图7，为发明第二实施例中提供的准直镜头，所述准直镜头中各个镜片的相关参数如表2-1所示。
表2-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表2-2所示。
表2-2
实施例3
请参阅图8、图9a、9b及图10，为发明第三实施例中提供的准直镜头，所述准直镜头中各个镜片的相关参数如表3-1所示。
表3-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表3-2所示。
表3-2
实施例4
请参阅图11、图12a、12b及图13，为发明第四实施例中提供的准直镜头，所述准直镜头中各个镜片的相关参数如表4-1所示。
表4-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表4-2所示。
表4-2
由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，从各个实施例中的图4、图7、图10和图13可以得出，每个实施例中的像差被很好的校正。
表5是上述4个实施例及其对应的光学特性，包括***焦距f、数值孔径NA和***光学总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表5
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种准直镜头，其特征在于，共四片透镜，从激光发射器端到被测物体端依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，其物侧表面为凸面；
具有负光焦度的第二透镜，其物侧表面和像侧表面均为凹面；
具有正光焦度的第三透镜；
具有正光焦度的第四透镜，其像侧表面为凸面；
靠近所述被测物体端的光阑；
各个透镜的光学中心位于同一直线上；
所述准直镜头满足以下条件式：
(dn/dt)1<-50×10-6/℃；
(dn/dt)2<-50×10-6/℃；
(dn/dt)3<-50×10-6/℃；
(dn/dt)4>-10×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1、(dn/dt)2、(dn/dt)3和(dn/dt)4分别表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的折射率在0～60℃范围内随温度的变化率；
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜为塑胶材质，所述第四透镜为玻璃材质。
2.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足以下条件式：
TTL/f＜1.0，
其中，TTL表示所述准直镜头的光学总长，f表示所述准直镜头的***焦距。
3.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的两侧均为非球面。
4.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
0＜f4/f1＜5.0；
其中，f4表示所述第四透镜的焦距，f1表示所述第一透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
-6.0＜f/R8＜0；
其中，f表示所述准直镜头的***焦距，R8表示所述第四透镜像侧表面的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
-5.0＜R1/R8＜0；
其中，R1表示所述第一透镜物侧表面的曲率半径，R8表示所述第四透镜像侧表面的曲率半径。
7.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
1.0＜CT4/CT2＜5.0；
其中，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT4表示所述第四透镜的中心厚度。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的光学总长TTL小于3.5mm。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的***焦距f大于4.45mm。
10.根据权利要求1至7任意一项所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头中各透镜的非球面表面形状均满足下列方程：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E、F、G、H分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。
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