CN116088147A - 准直镜头 - Google Patents

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桂嘉乐
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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，其物侧面为凸面、像侧面为凹；具有负光焦度的第二透镜，其物侧面为凹面、像侧面为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其像侧面为凸面；以及光阑；其中，光阑位于第三透镜与被测物体之间；第一透镜、第二透镜为塑胶材质，第三透镜为模造玻璃材质。本发明提供的准直镜头通过采用三片透镜，并为各透镜设置特定的表面形状和光焦度，不仅可以有效利用具有不同折射率和焦距的透镜实现清晰成像，而且能够通过各透镜进行准直投射，保证准直镜头具有较小的畸变，同时保证准直镜头在不同温度下的整体性能的变化较小，从而实现增强准直镜头的焦距稳定性的目的。

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
近年来，3D摄影技术发展迅速，这种基于3D结构光的光学传感技术可用于人脸识别、手势识别、增强摄影功能，以及AR的新应用，可以将光学图像从过去的二维空间转变为三维空间，使用户体验更加真实和清晰。
3D结构光是指将特定的激光信息投射在物体表面，由相机采集，然后通过物体引起的光信息的变化来计算物体的位置和深度，从而还原整个三维空间。特定的激光信息是3D结构光技术中非常重要的指标，因此将激光信息投射到被测物体表面的要求很高。这种将VCSEL(垂直腔面发射激光器)激光表面上以特定立体角发射的点光源阵列投射到被测物体的表面上的准直镜头，是3D成像质量的关键部分。
在现有的此类产品中，镜头焦距f随着环境温度的变化而发生较大变化，导致镜头投射的光线角度发生明显变化，从而改变原始光线信息，导致整个***的计算有误差，影响三维物体的轮廓恢复精度；同样，准直度随温度变化而降低，这也导致***恢复三维物体的清晰度降低。因此，在使用环境温度变化的情况下，保持镜头焦距稳定以使投射到被测物体的光信息的视场角和准直度不发生较大的变化就显得尤为重要。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种准直镜头，以实现在不同温度场合下投射到被测物体的光信息的视场角和准直度不发生较大的变化。
本发明实施例通过以下技术方案实施上述发明目的。
本发明提供了一种准直镜头，共三片透镜，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，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，其物侧面为凹面、像侧面为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其像侧面为凸面；光阑；其中，所述激光发射器端为物侧，所述被测物体端为像侧，所述第一透镜和所述第二透镜为塑胶材质，所述第三透镜为玻璃材质。
相比于现有技术，本发明提供的准直镜头，通过设置第一透镜、第二透镜、第三透镜，并为各透镜设置特定的表面形状和光焦度，不仅可以有效利用具有不同折射率和焦距的透镜实现清晰成像，而且能够通过各透镜进行准直投射，保证准直镜头具有较小的畸变，同时保证准直镜头在不同温度下的整体性能的变化较小，增强准直镜头的焦距稳定性，以实现在不同温度场合下投射到被测物体的光信息的视场角和准直度不发生较大变化的目的。
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。
图1为本发明第一实施例的准直镜头的结构示意图。
图2为本发明第一实施例的准直镜头的场曲曲线图。
图3为本发明第一实施例的准直镜头的畸变曲线图。
图4为本发明第一实施例的准直镜头的成像准直度示意图。
图5为本发明第二实施例的准直镜头的结构示意图。
图6为本发明第二实施例的准直镜头的场曲曲线图。
图7为本发明第二实施例的准直镜头的畸变曲线图。
图8为本发明第二实施例的准直镜头的成像准直度示意图。
图9为本发明第三实施例的准直镜头的结构示意图。
图10为本发明第三实施例的准直镜头的场曲曲线图。
图11为本发明第三实施例的准直镜头的畸变曲线图。
图12为本发明第三实施例的准直镜头的成像准直度示意图。
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。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。
本发明实施例提出一种准直镜头，从激光发射器端到被测物体端依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜以及光阑，且各个透镜的光学中心位于同一直线上；其中，所述激光发射器端为物侧，所述被测物体端为像侧，所述第一透镜和所述第二透镜为塑胶材质，所述第三透镜为玻璃材质。
具体的，第一透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；第二透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面、像侧面为凸面；第三透镜具有正光焦度，其像侧面为凸面；第一透镜、第二透镜以及第三透镜均为非球面镜片；光阑靠近被测物体端。
本发明通过设置第一透镜、第二透镜、第三透镜，并为各透镜设置特定的表面形状和光焦度，不仅可以有效利用具有不同折射率和焦距的透镜实现清晰成像，而且能够通过各透镜进行准直投射，保证准直镜头具有较小的畸变，同时保证准直镜头在不同温度下的整体性能的变化较小，增强准直镜头的焦距稳定性，以实现在不同温度场合下投射到被测物体的光信息的视场角和准直度不发生较大变化的目的。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
1.5＜Nd1＜1.6；(1)
1.5＜Nd2＜1.6；(2)
1.6＜Nd3＜1.7；(3)
其中，Nd1表示所述第一透镜的材料折射率，Nd2表示所述第二透镜的材料折射率，Nd3表示所述第三透镜的材料折射率。满足上述条件式(1)、(2)、(3)，通过合理搭配各透镜材料的折射率，有利于矫正准直镜头的像差，提高准直镜头的成像质量。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
(dn/dt)1×TCE1×f1＞-40×10-3mm/℃2；(4)
(dn/dt)2×TCE2×f2＜40×10-3mm/℃2； (5)
(dn/dt)3×TCE3×f3＞-1×10-3mm/℃2； (6)
其中，(dn/dt)1表示所述第一透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数，TCE1表示所述第一透镜的热膨胀系数，f1表示所述第一透镜在常温(20℃)时的焦距；(dn/dt)2表示所述第二透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数，TCE2表示所述第二透镜的热膨胀系数，f2表示所述第二透镜在常温(20℃)时的焦距；(dn/dt)3表示所述第三透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数，TCE3表示所述第三透镜的热膨胀系数，f3表示所述第三透镜在常温(20℃)时的焦距。满足上述条件式(4)、(5)、(6)，明确限制了各透镜的折射率随温度的变化率，并根据镜片材料的不同热膨胀特性合理匹配，实现了整个***焦距的稳定性，保证镜头的准直效果，从而在不同温度条件下在不改变原始光信息的情况下还原整个三维空间。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
3.5＜f1/r1＜4.5；(7)
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径。满足上述条件式(7)，可限制准直镜头第一透镜物侧面的形状，有利于镜片的加工制造，同时可降低公差敏感度。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
-0.5＜r1/r6＜-0.3；(8)
其中，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，r6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。满足上述条件式(8)，可限制准直镜头第一透镜物侧面与第三透镜像侧面的朝向相反，可将经过第三透镜的光线汇聚于成像面上，同时可提升镜头的准直效果。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
-3＜f/r6＜-2；(9)
其中，f表示所述准直镜头的***焦距，r6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。满足上述条件式(9)，可限制第三透镜像侧面的形状，有利于镜片加工，同时可降低公差敏感度。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
-2.0<r2/r4<-0.3；(10)
-0.2<r3/r5<0.02；(11)
其中，r2表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，r3表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，r4表示所述第二透镜像侧面的曲率半径，r5表示所述第三透镜物侧面的曲率半径。满足上述条件式(10)、(11)，可有效控制第一透镜和第二透镜像侧面形状以及有效控制第二透镜和第三透镜物侧面形状，有利于减小准直镜头的像差，平衡场曲，从而提高准直镜头的成像质量。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
-2<f3/f2<0； (12)
其中，f2表示所述第二透镜的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距。满足上述条件式(12)，可有效限制第二透镜与第三透镜的光焦度配比，减小准直镜头像差，提高成像质量。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
TTL/f＜0.85； (13)
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。满足上述条件式(13)，可限制***总长和***焦距的比例关系，实现***长焦距和小型化的均衡。具体可限定，准直镜头的光学总长TTL小于6.2mm，准直镜头的***焦距f大于6.5mm，有利于保证更好的光学特性，同时也适合3D结构光的算法实现。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
0.4＜CT1/CT2＜1.1； (14)
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度。满足上述条件式(14)，限制准直镜头第二透镜中心厚度和第一透镜中心厚度的配比，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。
在一些实施方式中，所述准直镜头满足以下条件式：
0＜(CT1+CT3)/CT2＜2；(15)
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT3表示所述第三透镜的中心厚度。满足上述条件式(15)，有助于扩展光束宽度，同时保证激光发射器发射的红外光束的均匀化，提高镜头的准直效果。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，准直镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。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。
在本发明各个实施例中，各个透镜的非球面面型均满足如下方程式：
Figure BDA0004061371260000061
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数，A2i为第2i阶的非球面面型系数。
第一实施例
请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的准直镜头100的结构示意图，该准直镜头100沿近光轴方向从物侧到成像面S7依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及光阑ST。具体的，第一透镜L1具有正光焦度，其物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面；第二透镜L2具有负光焦度，其物侧面S3为凹面、像侧面S4为凸面；第三透镜L3具有正光焦度，其物侧面S5在近光轴处为凸面、像侧面S6为凸面。其中，第一透镜L1、第二透镜L2为塑胶非球面镜片，第三透镜L3为模造玻璃非球面镜片。
本实施例提供的准直镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示。
表1
Figure BDA0004061371260000071
本实施例中的准直镜头100的各非球面的面型系数如表2所示。
表2
Figure BDA0004061371260000072
在本实施例中，准直镜头100的场曲、畸变、成像准直度示意图分别如图2、图3、图4所示。
第二实施例
本实施例提供的准直镜头200的结构示意图请参阅图5，本实施例中的准直镜头200与第一实施例中的准直镜头100的结构大抵相同，不同之处在于准直镜头200的第三透镜的物侧面为凹面。
本实施例提供的准直镜头200中各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
Figure BDA0004061371260000081
本实施例中的准直镜头200的各非球面的面型系数如表4所示。
表4
Figure BDA0004061371260000082
在本实施例中，准直镜头200的场曲、畸变、成像准直度示意图分别如图6、图7、图8所示。
第三实施例
本实施例提供的准直镜头300的结构示意图请参阅图9，本实施例中的准直镜头300的结构与第一实施例中的准直镜头100的结构大抵相同，不同之处在于准直镜头300的第三透镜的物侧面为凹面。
本实施例提供的准直镜头300中各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
Figure BDA0004061371260000091
本实施例中的准直镜头300的各非球面的面型系数如表6所示。
表6
Figure BDA0004061371260000092
在本实施例中，准直镜头300的场曲、畸变、成像准直度示意图分别如图10、图11、图12所示。
表7是上述三个实施例对应的光学特性，主要包括有效焦距f、光学总长TTL、数值孔径NA及物高OH，以及与上述每个条件式对应的数值。
表7
Figure BDA0004061371260000101
Figure BDA0004061371260000111
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，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，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面，所述第二透镜的像侧面为凸面；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的像侧面为凸面；
光阑；
其中，所述激光发射器端为物侧，所述被测物体端为像侧，所述第一透镜和所述第二透镜为塑胶材质，所述第三透镜为玻璃材质。
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：
1.5＜Nd1＜1.6；
1.5＜Nd2＜1.6；
1.6＜Nd3＜1.7；
其中，Nd1表示所述第一透镜的材料折射率，Nd2表示所述第二透镜的材料折射率，Nd3表示所述第三透镜的材料折射率。
3.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：
(dn/dt)1×TCE1×f1＞-40×10-3mm/℃2；
(dn/dt)2×TCE2×f2＜40×10-3mm/℃2；
(dn/dt)3×TCE3×f3＞-1×10-3mm/℃2；
其中，(dn/dt)1表示所述第一透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数，TCE1表示所述第一透镜的热膨胀系数，f1表示所述第一透镜在常温(20℃)时的焦距；(dn/dt)2表示所述第二透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数，TCE2表示所述第二透镜的热膨胀系数，f2表示所述第二透镜在常温(20℃)时的焦距；(dn/dt)3表示所述第三透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数，TCE3表示所述第三透镜的热膨胀系数，f3表示所述第三透镜在常温(20℃)时的焦距。
4.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足以下条件式：
3.5＜f1/r1＜4.5；
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足以下条件式：
-0.5＜r1/r6＜-0.3；
其中，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，r6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足以下条件式：
-3＜f/r6＜-2；
其中，f表示所述准直镜头的***焦距，r6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。
7.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足以下条件式：
-2.0<r2/r4<-0.3；
-0.2<r3/r5<0.02；
其中，r2表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，r3表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，r4表示所述第二透镜像侧面的曲率半径，r5表示所述第三透镜物侧面的曲率半径。
8.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：
-2<f3/f2<0；
其中，f2表示所述第二透镜的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距。
9.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：
0.4＜CT1/CT2＜1.1；
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度。
10.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：
0＜(CT1+CT3)/CT2＜2；
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT3表示所述第三透镜的中心厚度。
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