CN109031593A - 投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学镜头领域，公开了一种投影镜头，该投影镜头，由物侧至像侧依序包括：物面，一具有正屈折力的第一透镜，一具有负屈折力的第二透镜，一具有正屈折力的第三透镜；整体投影镜头的焦距为f，所述投影镜头的光学总长度为TTL，所述第二透镜的折射率为n2，所述第三透镜的折射率为n3，满足下列关系式：1.7≤n2≤2.2；1.7≤n3≤2.2；1.25≤f/TTL≤2.20。本发明提供的投影镜头能有效减少系统长度，并且在不同温度环境下具有良好的性能稳定性。

Description

投影镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头领域，特别涉及一种适用于智能手机、数码相机等手提终端设备的投影镜头。
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投影镜头要求很高。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投影镜头，是3D成像质量的一个关键环节。
在现有的投影镜头类产品中，存在随着使用环境温度的变化，镜头焦距f发生较大变化的问题，这会导致镜头投射光的角度发生明显变化，改变原有的光信息，从而导致整个系统的计算出现误差，影响三维物体的轮廓复原精度；同样还存在随着环境温度的变化，投影的像点变大的问题，这也会导致系统还原三维物体的清晰度下降。为了有效减少系统长度，以及提高投影镜头对环境温度变化的稳定性，本发明提出一种投影镜头。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种投影镜头，其能有效减少系统长度，并且在不同温度环境下具有良好的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种投影镜头，由物侧至像侧依序包括：物面，一具有正屈折力的第一透镜，一具有负屈折力的第二透镜，一具有正屈折力的第三透镜；整体投影镜头的焦距为f，所述投影镜头的光学总长度为TTL，所述第二透镜的折射率为n2，所述第三透镜的折射率为n3，满足下列关系式：1.7≤n2≤2.2；1.7≤n3≤2.2；1.25≤f/TTL≤2.20。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过上述透镜的配置方式，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，同时还能有效减少系统长度，减少系统占用的空间，此外，系统对环境温度不敏感，性能可以在不同温度下保持稳定，投射的角度变化不明显，很好的保留了光信息，因此系统投影性能更好，更加适合便携式高功率激光投影装置。
另外，所述第二透镜的物侧面曲率半径R3，所述第二透镜的像侧面曲率半径R4，满足下列关系式：-1.0≤(R3+R4)/(R3-R4)≤-0.1。
另外，所述整体投影镜头的焦距f，第一透镜的焦距f1，满足下列关系式：0.30≤f1/f≤0.41。
另外，所述整体投影镜头的焦距f，第二透镜的焦距f2，满足下列关系式：-0.2≤f2/f≤0。
另外，所述第二透镜的像侧面到第三透镜的物侧面的轴上距离d4，所述第三透镜的轴上厚度d5，满足下列关系式：1.1≤d4/d5≤2.0。
另外，所述第三透镜的物侧面曲率半径R5，所述第三透镜的像侧面曲率半径R6，满足下列关系式：1.7≤(R5+R6)/(R5-R6)≤2.5。
另外，所述第一透镜的材质为塑料，所述第二透镜的材质为玻璃，所述第三透镜的材质为玻璃。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的投影镜头的结构示意图；
图2是图1所示投影镜头的场曲及畸变示意图；
图3是图1中所示投影镜头的点列图；
图4是本发明第二实施方式提供的投影镜头的结构示意图；
图5是图4所示投影镜头的场曲及畸变示意图；
图6是图4中所示的投影镜头的点列图；
图7是本发明第三实施方式提供的投影镜头的结构示意图；
图8是图7所示投影镜头的场曲及畸变示意图；
图9是图7中所示的投影镜头的点列图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。
(第一实施方式)
参考附图，本发明第一实施方式提供了一种投影镜头10。图1所示为本发明第一实施方式的投影镜头10，该投影镜头10包括三个透镜。具体的，所述投影镜头10，由物侧至像侧依序包括：物面S1，具有正屈折力的第一透镜L1、具有负屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。
第一透镜L1具有正屈折力，其能够有效减少系统长度，其物侧面向外凸出为凸面，像侧面向内凹陷为凹面。第二透镜L2具有负屈折力，本实施方式中，第二透镜L2的物侧面和像侧面均为凹面。第三透镜L3具有正屈折力，本实施方式中，第三透镜L3的物侧面为凹面、像侧面为凸面。
在此，定义整体投影镜头10的焦距为f，所述投影镜头10的光学总长度为TTL，指自物面S1到第三透镜L3像侧面的轴上距离，所述第二透镜L2的折射率为n2，所述第三透镜L3的折射率为n3，f、TTL、n2、n3满足下列关系式：1.7≤n2≤2.2；1.7≤n3≤2.2；1.25≤f/TTL≤2.20。
当本发明所述投影镜头10的焦距f、光学总长度TTL以及第二透镜的折射率n2和第三透镜的折射率n3满足上述关系式时，可以控制/调整投影镜头10的屈折力大小配置，在满足清晰投影的同时，有效减少系统长度，减少系统占用的空间，此外，第二透镜和第三透镜均采用玻璃材料，提高系统对环境温度的稳定性，投射的角度变化不明显，很好的保留了光信息，因此系统投影性能更好，更加适合便携式高功率激光投影装置。
具体的，本发明实施方式中，所述第二透镜L2的物侧面曲率半径R3，所述第二透镜L2的像侧面曲率半径R4，满足下列关系式：-1.0≤(R3+R4)/(R3-R4)≤-0.1。如此设计，设置了第二透镜L2的形状，能够有效校正投影镜头系统像差。
优选的，本发明实施方式的所述投影镜头10的焦距f，第一透镜L1的焦距f1满足下列关系式：0.30≤f1/f≤0.41。如此设计，能有效的校正投影镜头系统像差，进一步实现系统的超薄化。
优选地，所述投影镜头10的焦距f，第二透镜L2的焦距f2，满足下列关系式：-0.2≤f2/f≤0。如此设计，能进一步校正投影镜头系统像差。
优选地，所述第二透镜L2的像侧面到第三透镜L3的物侧面的轴上距离为d4，所述第三透镜L3的轴上厚度为d5，满足下列关系式：1.1≤d4/d5≤2.0。如此设计，适当配置了透镜的位置和轴上厚度，有利于投影镜头10的加工和组装。
优选地，所述第三透镜L3的物侧面曲率半径为R5，所述第三透镜L3的像侧面曲率半径为R6，满足下列关系式：1.7≤(R5+R6)/(R5-R6)≤2.5。如此设计，规定了第三透镜L3的形状，有利于校正投影镜头系统的像差。
具体地，所述第一透镜L1的材质为塑料，所述第二透镜L2的材质为玻璃，所述第三透镜L3的材质为玻璃，由于玻璃材质的折射率高且光透性好，因此可以有效提升所述投影镜头10的光学性能，且玻璃材质具有更好的热稳定性，使得光学系统在不同温度下具有良好的性能稳定性。
此外，透镜的表面可以设置为非球面，非球面可以容易制作成球面以外的形状，获得较多的控制变数，用以消减像差，进而缩减透镜使用的数目，因此可以有效降低本发明投影镜头的总长度。本发明实施方式中，各个透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
优选的，所述透镜的物侧面和/或像侧面上还可以设置有反曲点和/或驻点，以满足高品质的成像需求，具体的可实施方案，参下所述。
以下示出了依据本发明实施方式的投影镜头10的设计数据。各实施方式中所记载的符号如下所示。焦距、轴上距离、曲率半径、轴上厚度、反曲点位置、驻点位置的单位为mm。表1、表2示出本发明实施方式的投影镜头10的数据。
【表1】
各符号的含义如下：
f：投影镜头10的焦距；
f1：第一透镜L1的焦距；
f2：第二透镜L2的焦距；
f3：第三透镜L3的焦距。
【表2】
各符号的含义如下：
R:光学面的曲率半径、透镜时为中心曲率半径；
R1:第一透镜L1的物侧面的曲率半径；
R2:第一透镜L1的像侧面的曲率半径；
R3:第二透镜L2的物侧面的曲率半径；
R4:第二透镜L2的像侧面的曲率半径；
R5:第三透镜L3的物侧面的曲率半径；
R6:第三透镜L3的像侧面的曲率半径；
d:透镜的轴上厚度与透镜之间的轴上距离；
d0：摄像镜头物面S1到第一透镜L1的物侧面的轴上距离；
d1：第一透镜L1的轴上厚度；
d2：第一透镜L1的像侧面到第二透镜L2的物侧面的轴上距离；
d3：第二透镜L2的轴上厚度；
d4：第二透镜L2的像侧面到第三透镜L3的物侧面的轴上距离；
d5：第三透镜L3的轴上厚度；
d6：第三透镜L3的像侧面到摄像镜头像面的轴上距离；
nd:d线的折射率；
nd1：第一透镜L1的折射率；
nd2：第二透镜L2的折射率；
nd3：第三透镜L3的折射率；
vd:阿贝数；
v1：第一透镜L1的阿贝数；
v2：第二透镜L2的阿贝数；
v3：第三透镜L3的阿贝数；
表3示出本发明实施方式的投影镜头10中各透镜的非球面数据。
【表3】
其中,k是圆锥系数,A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数。
IH:像高
y＝(x2/R)/[1+{1-(k+1)(x2/R2)}1/2]+A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16 (1)
为方便起见,各个透镜面的非球面使用上述公式(1)中所示的非球面。但是,本发明不限于该公式(1)表示的非球面多项式形式。
表4、表5示出本发明实施方式的投影镜头10中各透镜的反曲点以及驻点设计数据。其中，R1、R2分别代表第一透镜L1的物侧面和像侧面，R3、R4分别代表第二透镜L2的物侧面和像侧面，R5、R6分别代表第三透镜L3的物侧面和像侧面。“反曲点位置”栏位对应数据为各透镜表面所设置的反曲点到投影镜头10光轴的垂直距离。“驻点位置”栏位对应数据为各透镜表面所设置的驻点到投影镜头10光轴的垂直距离。
【表4】
【表5】
驻点个数 驻点位置1
R1
R2 1 0.565
R3
R4
R5
R6
图2则示出了波长为925nm、940nm和955nm的光经过第一实施方式的投影镜头10后的场曲及畸变示意图。
图3示出了第一实施方式的投影镜头10的点列图。
以下表6按照上述条件式列出了本实施方式中对应各条件式的数值。显然，本实施方式的投影镜头10满足上述的条件式。
【表6】
条件 第一实施方式
1.7≤n2≤2.2 1.7555
1.7≤n3≤2.2 1.7555
1.25≤f/TTL≤2.2 1.53
-1≤(R3+R4)/(R3-R4)≤-0.1 -0.15
0.3≤f1/f≤0.41 0.32
-0.2≤f2/f≤0 -0.13
1.1≤d4/d5≤2 1.38
1.7≤R5+R6)/(R5-R6)≤2.5 2.05
在本实施方式中，全视场像高为0.5mm，工作距离为399.64mm。
(第二实施方式)
图4所示为本发明第二实施方式的投影镜头20，其各透镜的配置与第一实施方式的投影镜头10大体相同，以下只列出不同点。以下示出了依据本发明第二实施方式的投影镜头20的设计数据。
表7、表8示出本发明实施方式的投影镜头20的数据。
【表7】
【表8】
表9示出本发明实施方式的投影镜头20中各透镜的非球面数据。【表9】
表10、表11示出本发明实施方式的投影镜头20中各透镜的反曲点以及驻点设计数据。【表10】
反曲点个数 反曲点位置1 反曲点位置2
R1 1 0.675
R2 2 0.505 0.675
R3 1 0.355
R4
R5 1 0.525
R6 1 0.765
【表11】
驻点个数 驻点位置1 驻点位置2
R1
R2 2 0.615 0.685
R3
R4
R5 1 0.705
R6
图5则示出了波长为925nm、940nm和955nm的光经过实施方式的投影镜头20后的场曲及畸变示意图。
图6示出了第二实施方式的投影镜头20的点列图。
以下表12按照上述条件式列出了本实施方式中对应各条件式的数值。显然，本实施方式的投影镜头20满足上述的条件式。
【表12】
条件 第二实施方式
1.7≤n2≤2.2 1.7555
1.7≤n3≤2.2 1.7555
1.25≤f/TTL≤2.2 1.38
-1≤(R3+R4)/(R3-R4)≤-0.1 -0.35
0.3≤f1/f≤0.41 0.36
-0.2≤f2/f≤0 -0.15
1.1≤d4/d5≤2 1.18
1.7≤(R5+R6)/(R5-R6)≤2.5 1.78
在本实施方式中，全视场像高为0.5mm，工作距离为399.64mm。
(第三实施方式)
图7所示为本发明第三实施方式的投影镜头30，其各透镜的配置与第一实施方式的投影镜头10大体相同。以下示出了依据本发明第三实施方式的投影镜头30的设计数据。
表13、表14示出本发明实施方式的投影镜头30的数据。
【表13】
【表14】
表15示出本发明实施方式的投影镜头30中各透镜的非球面数据。
【表15】
表16、表17示出本发明实施方式的投影镜头30中各透镜的反曲点以及驻点设计数据。【表16】
反曲点个数 反曲点位置1 反曲点位置2
R1 1 0.655
R2 2 0.405 0.745
R3 1 0.385
R4
R5 1 0.635
R6
【表17】
驻点个数 驻点位置1
R1
R2 1 0.585
R3
R4
R5
R6
图8则示出了波长为925nm、940nm和955nm的光经过实施方式的投影镜头30后的场曲及畸变示意图。
图9示出了第三实施方式的投影镜头30的点列图。
以下表18按照上述条件式列出了本实施方式中对应各条件式的数值。显然，本实施方式的投影镜头30满足上述的条件式。
【表18】
在本实施方式中，全视场像高为0.5mm，工作距离为399.744mm。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头，由物侧至像侧依序包括：物面，一具有正屈折力的第一透镜，一具有负屈折力的第二透镜，一具有正屈折力的第三透镜；
整体投影镜头的焦距为f，所述投影镜头的光学总长度为TTL，所述第二透镜的折射率为n2，所述第三透镜的折射率为n3，满足下列关系式：
1.7≤n2≤2.2；
1.7≤n3≤2.2；
1.25≤f/TTL≤2.20。
2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面曲率半径R3，所述第二透镜的像侧面曲率半径R4，满足下列关系式：
-1.0≤(R3+R4)/(R3-R4)≤-0.1。
3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述整体投影镜头的焦距f，第一透镜的焦距f1，满足下列关系式：
0.30≤f1/f≤0.41。
4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述整体投影镜头的焦距f，第二透镜的焦距f2，满足下列关系式：
-0.2≤f2/f≤0。
5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜的像侧面到第三透镜的物侧面的轴上距离d4，所述第三透镜的轴上厚度d5，满足下列关系式：
1.1≤d4/d5≤2.0。
6.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面曲率半径R5，所述第三透镜的像侧面曲率半径R6，满足下列关系式：
1.7≤(R5+R6)/(R5-R6)≤2.5。
7.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的材质为塑料，所述第二透镜的材质为玻璃，所述第三透镜的材质为玻璃。
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