CN107490843A - 一种日夜两用的智能交互机器人 - Google Patents

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王力
董豪
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供了一种具有广角高清日夜两用摄像头的日夜两用的智能交互机器人，该摄像头的微型摄像透镜系统，从物体侧起依次包括前组透镜和后组透镜。所述前组透镜从物体侧起依次包括凸面朝向物体侧的第一负月牙透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜，所述后组透镜从物体侧起依次包括第六正透镜、第七负透镜、第八正透镜、第九负透镜、第十正透镜，实现了结构紧凑、F数小、广角、且具有良好的光学性能的日夜两用的特性。

Description

一种日夜两用的智能交互机器人
技术领域
本发明涉及一种智能交互机器人，具体的说是涉及一种具有广角高清日夜两用摄像头的智能交互机器人。
背景技术
随着人们生活水平的提高，以及机器人技术的不断进步，机器人越来越普及到人们的生活中，机器人可以代替人类进行工作，可以为人类服务，为人类带来了诸多方便。尤其是智能交互机器人的应用，其具有多种模块和功能，很重要的部件是对应的摄像头，对机器人而言，摄像头是机器人的眼睛，能跟踪并拍摄让机器人识别的人或物体的图像。
作为重要的部件，再加上机器人的小型化趋势，其安装的摄像头也需要具有相应的小型化，而且对于摄像的清晰度要求也越来越高，即对于摄像头内的光学镜头也进一步要求高分辨率等性能。另外大部分的摄像头只能在亮度足够的情况下拍摄到足够的图像，在较暗的环境下尤其是夜间无法获得清晰的图像。
为了甚至连对象的微小的细节都清楚地记录下来，镜头系统应令人满意地补偿在图像的周边区域产生的像差。然而，普通的夜用摄像头如果要实现高光学性能则难以使镜头系统小型化，而且为了使这样的镜头系统小型化会增加制造成本。因此，难以同时满足高光学性能和低制造成本。现有技术中摄像头的变焦的摄像透镜系统具有可以令人满意地补偿像差，但是伴随有镜头系统的总尺寸增加的问题。
发明内容
对于上述机器人中摄像头使用的摄像透镜，要求其为广角而且F数小。而且，固体摄像元件的小型化及高像素化在不断发展，伴随于此，对摄像透镜也要求小型化及高性能化。近年来，要求实现同时满足广角、小F数、紧凑性、高性能这全部的透镜系统，且该要求水平日益严格。
本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种结构紧凑、F数小、广角、且具有良好的光学性能的摄像透镜以及具备该摄像透镜的广角高清日夜两用摄像头的智能交互机器人。
一种日夜两用的智能交互机器人，包括：中央处理器，所述中央处理器接收模块反馈的信息，并对信息进行分析处理，作出相应的指令；人机接口模块，所述人机接口模块通过媒介与用户进行人机信息交互，并将接收到的信息传输给中央处理器；广角高清日夜两用摄像头，所述广角高清日夜两用摄像头可以摄入影像，并将影像信息传输给中央处理器；
其中，所述广角高清日夜两用摄像头，其具有一种微型摄像透镜系统，所述微型摄像透镜系统从物体侧起依次包括前组透镜和后组透镜，
所述前组透镜从物体侧起依次包括凸面朝向物体侧的第一负月牙透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜，
所述后组透镜从物体侧起依次包括第六正透镜、第七负透镜、第八正透镜、第九负透镜、第十正透镜，第六正透镜为双凸透镜，
所述第一负月牙透镜和第二负透镜之间的空气间隔为5.95～7.80mm，所述第六正透镜和第七负透镜之间的空气间隔为2.75～0.10mm，所述前组透镜与第六正透镜之间的空气间隔为5.75～9.35mm；
其中，D1表示从所述前组透镜的最靠物体侧的第一负月牙透镜的透镜表面到所述后组透镜的最靠物体侧的第六正透镜的透镜表面为止的在光轴上的距离，f表示整个广角高清日夜两用微型成像透镜的焦距，fb表示所述后组透镜的焦距，满足关系式：
0.33＜f/fb＜0.7，
1.0＜D1/f＜5.1。
另外，NdfL：所述第五透镜的对d线的折射率，vdfL：所述第五透镜的对d线的阿贝数，vd2p：所述第六透镜和第七透镜构成的复合透镜的正透镜的对d线的阿贝数，vd2n：所述第六透镜和第七透镜构成的复合透镜的负透镜的对d线的阿贝数，满足下列关系式：
NdfL＞3.8，
50＜vdfL＜58，
8＜vd2p-vd2n＜44。
进一步的，所述NdfL＞4.8。
进一步的，满足下列关系式：0.4＜(CT1+CT2+CT3+CT4+CT5)/f＜0.55，其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第一透镜在光轴上的厚度为CT1，所述第二透镜在光轴上的厚度为CT2，所述第三透镜在光轴上的厚度为CT3，所述第四透镜在光轴上的厚度为CT4，所述第五透镜在光轴上的厚度为CT5。
进一步的，满足：所述前组透镜的第一负月牙透镜的阿贝数小于18，第二负透镜的阿贝数大于13且小于32，第三负透镜的阿贝数大于23且小于35，第四正透镜的阿贝数与第五负透镜的阿贝数的比率大于3.5且小于4.3。
进一步的，满足：所述后组透镜的透镜至少包括一个非球面，第六正透镜的阿贝数大于30且小于45，第七负透镜的阿贝数与第十正透镜的阿贝数的比率大于1.5且小于3.0。
进一步的，在所述前组透镜与所述后组透镜之间设有光阑，光阑大小可以调节。
进一步的，满足关系式2.0＜|R6a/f|＜3.5，其中，R6a表示所述后组透镜的所述第六正透镜的物体侧表面的曲率半径。
进一步的，所述前组透镜和所述后组透镜至少包括一组复合透镜。
进一步的，所述前组透镜的第二负透镜和第三负透镜，以及所述后组透镜第八正透镜和第九负透镜，分别构成了复合透镜。
进一步的，满足关系式0.3＜|R10a/f|＜1.0，其中，R10a表示所述后组透镜的所述第十正透镜物体侧表面的曲率半径。
优选地，所述智能交互机器人还包括语音模块、手臂电机驱动模块和腿部电机驱动模块、电源模块。
进一步地，所述语音模块可以收集语音信息，并将信息传输给中央处理器，还可以根据中央处理器的指令发出相应的语音指令；所述手臂电机驱动模块服从中央处理器的指令，可以实现手臂的相应运动；所述腿部电机驱动模块服从中央处理器的指令，可以进行前、后、左、右运动；电源模块，所述电源模块为各模块提供电源。
根据本发明，在从物体侧依次排列有前组透镜、后组透镜而成的十片结构的透镜系统中，对十片透镜的放大率排列及最靠物体侧的透镜的形状进行适当地设定，以满足规定的条件式的方式构成，因此能够提供结构紧凑、F数小、广角、且具有良好的光学性能的广角高清日夜两用摄像透镜及具备该微型摄像透镜的广角高清日夜两用摄像头的智能交互机器人。
选用高折射、低色散的光学玻璃材料，通过计算机光学辅助设计和优化校正了光学镜头的各种像差和畸变，使镜头实现高分辨率、大通光量，日夜共焦等性能。
附图说明
图1是本发明提供的智能交互机器人的结构示意图。
图2是根据示例性实施例的在广角模式下的摄像透镜系统的示意图；
图3是根据示例性实施例的在摄远模式下的摄像透镜系统的示意图；
图4是图2的在广角模式下的摄像透镜系统的纵向球面像差、像散和畸变的曲线图；
图5是图3的在摄远模式下的摄像透镜系统的纵向球面像差、像散和畸变的曲线图；
具体实施方式
现在将对示例性实施例详细地做出说明，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。在这点上，示例性实施例可具有不同的形式且不应被解释为局限于这里的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例性实施例，以解释本描述的各方面。
以下，将参考附图详细描述示例性实施例。通过参考相似的元件来省略重复的描述。
相反，提供示例性实施例从而使本公开将会彻底和完全的，并将把本发明构思的范围充分地传达给本领域的普通技术人员。图中元件的尺寸会被夸大用于方便解释。换句话说，由于图中元件的尺寸和厚度是为了方便解释而任意描述，因此以下示例性实施例并不限于此。
本发明提供的一种日夜两用的智能交互机器人，包括：中央处理器1，所述中央处理器1接收模块反馈的信息，并对信息进行分析处理，作出相应的指令；人机接口模块2，所述人机接口模块2通过媒介与用户进行人机信息交互，并将接收到的信息传输给中央处理器1；广角高清日夜两用摄像头3，所述广角高清日夜两用摄像头3可以摄入影像，并将影像信息传输给中央处理器1。
所述智能交互机器人还包括语音模块4、手臂电机驱动模块5和腿部电机驱动模块6、电源模块7。
所述语音模块4可以收集语音信息，并将信息传输给中央处理器，还可以根据中央处理器1的指令发出相应的语音指令；所述手臂电机驱动模块5服从中央处理器1的指令，可以实现手臂的相应运动；所述腿部电机驱动模块6服从中央处理器1的指令，可以进行前、后、左、右运动；电源模块7，所述电源模块为各模块提供电源。
所述广角高清日夜两用摄像头3，其具有一种微型摄像透镜系统，所述微型摄像透镜系统从物体侧起依次包括前组透镜和后组透镜。
图2和图3是根据示例性实施例的微型摄像透镜系统的示意图。图2示出在广角模式下的微型摄像透镜系统，图3示出根据示例性实施例的在摄远模式下的微型摄像透镜系统。
根据示例性实施例的微型摄像透镜系统从物体侧O至成像侧I依次包括：前组透镜10、光阑ST、和后组透镜20。诸如光学滤光器或面板这样的光学块G可被设置于后组透镜20和像面IP之间。
如图2和图3所示，这样的根据示例性实施例的微型摄像透镜系统可被配置为沿光轴方向移动后组透镜20来执行变焦。前组透镜10可被配置为沿光轴方向移动，进而被配置为通过补偿由于到物体侧O的距离的改变而造成的像平面的波动来执行聚焦。这里，前组透镜10具有负屈光力，且后组透镜20具有正屈光力。
具体地，前组透镜10从物体侧O至成像侧I包括第一负月牙透镜11、第二负透镜12、第三负透镜13、第四正透镜14、第五负透镜15，其中，所述前组透镜10的第一负月牙透镜11的阿贝数小于18，第二负透镜12的阿贝数大于13且小于32，第三负透镜13的阿贝数大于23且小于35，第四正透镜14的阿贝数与第五负透镜15的阿贝数的比率大于3.5且小于4.3。
需要高屈光力来提高前组透镜10中的具有负屈光力的第一负月牙透镜11和第二负透镜12的放大率，即，需要高屈光力以提高第一负月牙透镜11与第二负透镜12的变焦比率。为此，第一负月牙透镜11和第二负透镜12中的每个需要具有高折射率。据此，即使变焦比率增加，摄像透镜系统的总尺寸也可被小型化。另外，需要将前组透镜10中的第一负月牙透镜11的阿贝数与第二负透镜12的阿贝数之间的差设置为较大，从而补偿前组透镜10的放大率增加时的像差。
所述第一负月牙透镜和第二负透镜之间的空气间隔为5.95～7.80mm，所述第六正透镜和第七负透镜之间的空气间隔为2.75～0.10mm，所述前组透镜与第六正透镜之间的空气间隔为5.75～9.35mm。
同时，当第一负月牙透镜11和第二负透镜12的阿贝数满足上述条件时，离开像平面中心达0.5视场或更多的周边部分的像差可被令人满意地补偿，但是在离像平面中心0.5视场以内的中央部分的像差需要通过其他方法来补偿。换句话说，需要控制第四正透镜的阿贝数和第五负透镜的阿贝数，以补偿中央部分的像差。为此，第四正透镜的阿贝数与第五负透镜的阿贝数的比率大于3.5且小于4.3。
另外，NdfL：所述第五透镜的对d线的折射率，vdfL：所述第五透镜的对d线的阿贝数，vd2p：所述第六透镜和第七透镜构成的复合透镜的正透镜的对d线的阿贝数，vd2n：所述第六透镜和第七透镜构成的复合透镜的负透镜的对d线的阿贝数，满足下列关系式：
NdfL＞3.8，
50＜vdfL＜58，
8＜vd2p-vd2n＜44。
更优地，所述NdfL＞4.8。
满足下列关系式：0.4＜(CT1+CT2+CT3+CT4+CT5)/f＜0.55，其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第一透镜在光轴上的厚度为CT1，所述第二透镜在光轴上的厚度为CT2，所述第三透镜在光轴上的厚度为CT3，所述第四透镜在光轴上的厚度为CT4，所述第五透镜在光轴上的厚度为CT5。
由于第三负透镜13与第四正透镜14被胶合在一起而形成胶合透镜，因此胶合透镜的中央部分的像差的补偿可通过增加第三负透镜13的折射率与第四正透镜14的折射率的差来执行。同时，当第四正透镜的阿贝数与第五负透镜的阿贝数的比率过大时，可以看出像差增大。
其中，D1表示从所述前组透镜的最靠物体侧的第一负月牙透镜的透镜表面到所述后组透镜的最靠物体侧的第六正透镜的透镜表面为止的在光轴上的距离，f表示整个广角高清日夜两用微型成像透镜的焦距，fb表示所述后组透镜的焦距，满足关系式：
0.33＜f/fb＜0.7，
1.0＜D1/f＜5.1。
根据上述的示例性实施例的微型摄像透镜系统可在其总尺寸上被小型化，并令人满意地执行对像差的补偿。
后组透镜20从物体侧O至成像侧I包括第六正透镜21、第七负透镜22、第八正透镜23、第九负透镜24、第十正透镜25，第六正透镜21为双凸透镜，。
这样的后组透镜20的构造也可对总尺寸的小型化做出贡献，同时对摄像透镜系统中的像差令人满意地执行补偿。特别地，第六正透镜21可包括至少一个非球面，以令人满意地执行对像差的补偿。弯月形状的第十正透镜25可包括至少一个非球面且同时具有正屈光力。因此，后组透镜20可令人满意地补偿可在周边区域产生的慧形像差。
根据上述的示例性实施例的微型摄像透镜系统补偿周边部分的像差并同时保持总尺寸的小型化。另外，微型摄像透镜系统有效地补偿从可见光区域到近红外光区域的色差。因此，当根据示例性实施例的微型摄像透镜系统应用于在白天通过图像拾取装置利用可见光捕获图像且在夜间通过图像拾取装置利用近红外光捕获图像的图像捕获系统时，则在从白天模式转换为夜间模式或者从夜间模式转换为白天模式时可抑制失焦等现象。因此，无乱白天还是夜间，均可捕获高质量的图像。
以下表1和表2示出图2和图3中所示的微型摄像透镜系统的设计数据。在设计数据中，r表示曲率半径(单位：mm)，d表示在透镜中心的厚度(单位：mm)或者两透镜之间的间距(单位：mm)，nd的表示折射率，vd表示阿贝数。
表1
在表1中，S8表示光阑ST的表面，S19和S20表示光学块G的两侧的表面，并且S21表示像面IP的表面。另外，在表1中，*表示非球面。
表2示出图2和图3所示的微型摄像透镜系统的非球面系数。在表2中，E-m(m：自然数)表示×10-m。
表2
表3示出图2和图3所示的分别在广角模式和摄远模式下的微型摄像透镜系统的焦距(f，单位：mm)、f数(Fno)、视场角(FOV，单位°)以及可变范围(单位：mm)。
表3
图4示出图2的广角模式下的微型摄像透镜系统的纵向球面像差、像散和畸变的曲线图。图5是图3的摄远模式下的微型摄像透镜系统的纵向球面像差、像散和畸变的曲线图。针对波长为大约486.13nm、大约546.07nm、大约587.56nm、大约656.28nm和大约850.00nm的光示出纵向球面像差，针对波长为大约546.07nm的光示出像散和畸变。在像散图中，虚线代表子午像散，且实线代表弧矢像散。
如上所述，根据示例性实施例，可实现令人满意地补偿了像差的微型摄像透镜系统，从而使得具备该微型摄像透镜的智能交互机器人的摄像头实现广角高清日夜两用。然而，上述微型摄像透镜系统不限制本发明构思。
应该理解，这里所描述的示例性实施例应被认为仅为描述性意义，而并不是为了限制。每个实施例中对特征和方面的描述应代表性地被认为是能够用于其他示例性实施例中的相似的特征和方面。
虽然上面已经具体示出并描述了示例性实施例，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的发明构思的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (9)

1.一种日夜两用的智能交互机器人，包括：中央处理器，所述中央处理器接收模块反馈的信息，并对信息进行分析处理，作出相应的指令；人机接口模块，所述人机接口模块通过媒介与用户进行人机信息交互，并将接收到的信息传输给中央处理器；其特征在于，
还包括：广角高清日夜两用摄像头，所述广角高清日夜两用摄像头可以摄入影像，并将影像信息传输给中央处理器；
其中，所述广角高清日夜两用摄像头，其具有一种微型摄像透镜系统，所述微型摄像透镜系统从物体侧起依次包括前组透镜和后组透镜，
所述前组透镜从物体侧起依次包括凸面朝向物体侧的第一负月牙透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜，
所述后组透镜从物体侧起依次包括第六正透镜、第七负透镜、第八正透镜、第九负透镜、第十正透镜， 第六正透镜为双凸透镜，
所述第一负月牙透镜和第二负透镜之间的空气间隔为5.95~7.80mm，所述第六正透镜和第七负透镜之间的空气间隔为2.75~0.10mm，所述前组透镜与第六正透镜之间的空气间隔为5.75~9.35mm；
其中，D1表示从所述前组透镜的最靠物体侧的第一负月牙透镜的透镜表面到所述后组透镜的最靠物体侧的第六正透镜的透镜表面为止的在光轴上的距离，f表示整个广角高清日夜两用微型成像透镜的焦距，fb表示所述后组透镜的焦距，满足关系式：
0.33＜f/fb＜0.7，
1.0＜D1/f＜5.1。
2.根据权利要求1所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，NdfL：所述第五透镜的对d线的折射率，vdfL：所述第五透镜的对d线的阿贝数，vd2p：所述第六透镜和第七透镜构成的复合透镜的正透镜的对d线的阿贝数，vd2n：所述第六透镜和第七透镜构成的复合透镜的负透镜的对d线的阿贝数，满足下列关系式：
NdfL＞3.8，
50＜vdfL＜58，
8＜vd2p-vd2n＜44。
3.根据权利要求2所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，所述NdfL＞4.8。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，所述日夜两用的智能交互机器人还包括语音模块、手臂电机驱动模块和腿部电机驱动模块、电源模块。
5.如权利要求4所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，所述语音模块可以收集语音信息，并将信息传输给中央处理器，还可以根据中央处理器的指令发出相应的语音指令；所述手臂电机驱动模块服从中央处理器的指令，可以实现手臂的相应运动；所述腿部电机驱动模块服从中央处理器的指令，可以进行前、后、左、右运动；电源模块，所述电源模块为各模块提供电源。
6.根据权利要求4所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，满足下列关系式：0.4＜(CT1+CT2+CT3+CT4+CT5)/f＜0.55，其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第一透镜在光轴上的厚度为CT1，所述第二透镜在光轴上的厚度为CT2，所述第三透镜在光轴上的厚度为CT3，所述第四透镜在光轴上的厚度为CT4，所述第五透镜在光轴上的厚度为CT5。
7.根据权利要求4所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，满足：所述前组透镜的第一负月牙透镜的阿贝数小于18，第二负透镜的阿贝数大于13且小于32，第三负透镜的阿贝数大于23且小于35，第四正透镜的阿贝数与第五负透镜的阿贝数的比率大于3.5且小于4.3。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，所述前组透镜和所述后组透镜至少包括一组复合透镜。
9.根据权利要求8所述的日夜两用的智能交互机器人，其特征在于，所述前组透镜的第二负透镜和第三负透镜，以及所述后组透镜第八正透镜和第九负透镜，分别构成了复合透镜。
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