CN110221418B - 一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头 - Google Patents

一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，从物方到像方依次设有液体透镜组件、光阑、第一平凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、双凸透镜、第二平凸透镜和滤光片；所述液体透镜组件可拆卸；所述第一平凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、双凸透镜、第二平凸透镜构成的光学系统可手动对焦。本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，通过液体透镜组件能够实现自动对焦，达到低畸变、高清晰度的扫描目的；通过将液体透镜组件置于前端，能够方便对其进行拆卸，无论组装或检测都十分方便；并且，本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，在未安装液体透镜组件时也能针对不同物距进行清晰成像，达到方便检测的目的。

Description

一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头
技术领域
本发明涉及液体镜头领域，特别涉及一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头。
背景技术
二维码又称二维条码，是近几年来在移动设备上超流行的一种编码方式。二维码需要相应的扫描设备进行扫描读取才能实现其应用价值。现有的扫描设备所用的镜头通常是定焦镜头。传统的定焦镜头，尤其是有限物距成像的镜头，为实现较大的景深，通常其焦距会比较小，对准平面的距离会比较大。
在光学系统设计领域，景深的大小与镜头的入瞳直径、焦距及对准平面的距离有关。入瞳直径越小，焦距越小，对准平面的距离越大，景深就越大。若增大二维码扫描镜头的焦距，对准平面的距离又偏小的话，该镜头的景深就会非常小，也就是该镜头只能在某个特定位置才能清晰成像，在进行扫描时，需要将二维码放在某个特定位置才能进行正常的读取，造成使用不便。
市场上出现了一种液体透镜组件，通过调节液体透镜组件上的电压来改变两个不同光学特性的液体之间的“膜”的曲率，实现镜头的自动对焦功能。如申请号为200920235084.1的中国专利中公开的利用液体镜头进行内调焦的小型摄影光学系统，其采用5个镜片加一个液体透镜组件，液体透镜组件置于光阑前，液体透镜组件前还有1个弯月形镜片；通过采用液体透镜组件实现调焦功能。又如申请号为201510808129.X的中国专利所公开的一种可自动对焦镜头组合，通过采用6个镜片加一个液体透镜组件，液体透镜组件置于光阑后，以及液体透镜组件前后各有3个镜片的结构实现自动对焦功能。再如申请号为201721797913.6的中国专利所公开的一种液体变焦镜头组，通过采用4个镜片加一个液体透镜组件，液体透镜组件置于光阑前，且液体透镜组件前后各有2个镜片的结构实现变焦功能。
上述运用了液体透镜的变焦镜头中，液体透镜组件均是置于整个光学系统中部，在未安装液体透镜组件的情况下，镜头不能清晰成像，造成镜头检测不便。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，从物方到像方依次设有液体透镜组件、光阑、第一平凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、双凸透镜、第二平凸透镜和滤光片；所述液体透镜组件可拆卸；
所述第一平凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、双凸透镜、第二平凸透镜构成的光学系统可手动或自动对焦。
进一步地，所述第一平凸透镜、弯月透镜、双凸透镜、第二平凸透镜具有正光焦度；所述双凹透镜具有负光焦度。
进一步地，所述液体透镜组件的曲率变化范围为-0.186mm-1～0.466mm-1；电压有效调节范围为24V～70V。
进一步地，所述第一平凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、双凸透镜和第二平凸透镜为玻璃球面透镜。
进一步地，各透镜的折射率nd和阿贝数Vd分别如下：
所述第一平凸透镜的折射率nd1≥1.90，阿贝数Vd1≤25；
所述双凹透镜的折射率nd2≥1.90，阿贝数Vd2≤25；
所述弯月透镜的折射率nd3≥1.70，阿贝数Vd3≥50；
所述双凸透镜的折射率nd4≥1.65，阿贝数Vd4≥50；
所述第二平凸透镜的折射率nd5≥1.70，阿贝数Vd5≥50。
进一步地，所述滤光片为红外截止滤光片。
进一步地，所述光阑至像面的中心距离≥17.3mm。
本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，通过液体透镜组件能够实现自动对焦，达到低畸变、高清晰度的扫描目的；通过将液体透镜组件置于前端，能够方便对其进行拆卸，无论组装或检测都十分方便；并且，本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，在未安装液体透镜组件时也能针对不同物距进行清晰成像，达到方便检测的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头结构示意图；
图2为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头的光路示意图；
图3为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距100mm时的点列图；
图4为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距100mm时的MTF曲线图；
图5为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距100mm时的场曲和畸变图；
图6为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距100mm时的相对照度曲线图；
图7为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距100mm时的离焦MTF曲线图；
图8为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距100mm时的倍率色差曲线图；
图9为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距50mm时的MTF曲线图；
图10为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在可见光下、物距300mm时的MTF曲线图；
图11为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在未安装液体透镜组件、可见光下、物距50mm时的MTF曲线图；
图12为液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头在未安装液体透镜组件、可见光下、物距300mm时的MTF曲线图。
附图标记：
10液体透镜组件 20光阑 30第一平凸透镜
40双凹透镜 50弯月透镜 60双凸透镜
70第二平凸透镜 80滤光片 90密封玻璃
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”以及类似的词语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定与物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接、光连接等，不管是直接的还是间接的。
本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，从物方到像方依次设有液体透镜组件10、光阑20、第一平凸透镜30、双凹透镜40、弯月透镜50、双凸透镜60、第二平凸透镜70和滤光片80；所述液体透镜组件10可拆卸；
所述第一平凸透镜30、双凹透镜40、弯月透镜50、双凸透镜60、第二平凸透镜70构成的光学系统可手动或自动对焦。
具体实施时，如图1、图2所示，液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，从物方到像方依次设有液体透镜组件10、光阑20、第一平凸透镜30、双凹透镜40、弯月透镜50、双凸透镜60、第二平凸透镜70和滤光片80；所述液体透镜组件10可拆卸；可拆卸结构包括但不限于锁盖、用胶水固定，采用锁盖连接时，拆卸的时候，将锁盖旋出来即可拿出液体透镜组件10，采用胶水连接时，当需要拆卸的时候，蘸一点酒精等溶剂泡一下胶，然后就可以用镊子夹出来了；所述第一平凸透镜30、双凹透镜40、弯月透镜50、双凸透镜60、第二平凸透镜70构成的光学系统可手动对焦。
由于清晰度是衡量一个成像镜头好坏的重要指标，影响成像清晰度因素有很多，如公差。现有的镜头都是需要安装液体透镜组件10才能检测这个镜头的成像性能，造成检测不便和检测流程繁琐的问题。本发明实施例提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，在未安装液体透镜组件10时也能针对不同物距进行清晰成像，能够省去液体透镜组件10的安装程序，简化检测流程，从而达到方便检测的目的。
第一平凸透镜30是具有正光焦度的平凸形玻璃球面透镜；
双凹透镜40是具有负光焦度的双凹形玻璃球面透镜；
弯月透镜50是具有正光焦度的弯月形玻璃球面透镜；
双凸透镜60是具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜；
第二平凸透镜70是具有正光焦度的平凸形玻璃球面透镜；
其中，所述液体透镜组件10内部前后各有一个密封玻璃90，中间设有一层“膜”隔开前后不同光学特性的液体，“膜”前后液体的中心厚度之和保持不变，“膜”的曲率半径可通过电压调控。“膜”的曲率变化范围为-0.186～0.466mm-1，电压有效调节范围为24V～70V；采用该曲率变化和电压有效调节范围内，本发明提供的镜头的光学性能最佳。
所述第一平凸透镜30为高折射率、高色散透镜，所述第一平凸透镜30朝向物方的一面为凸面，所述第一平凸透镜30朝向像方的一面为平面，所述第一平凸透镜30的折射率nd1≥1.90，阿贝数Vd1≤25。
所述双凹透镜40为高折射率、高色散透镜，所述双凹透镜40朝向物方的一面为凹面，所述双凹透镜40朝向像方的一面也为凹面，所述双凹透镜40的折射率nd2≥1.90，阿贝数Vd2≤25。
所述弯月透镜50为高折射率、低色散透镜，所述弯月透镜50朝向物方的一面为凹面，所述弯月透镜50朝向像方的一面为凸面，所述弯月透镜50的折射率nd3≥1.70，阿贝数Vd3≥50。
所述双凸透镜60为高折射率、低色散透镜，所述双凸透镜60朝向物方的一面为凸面，所述双凸透镜60朝向像方的一面也为凸面，所述双凸透镜60的折射率nd4≥1.65，阿贝数Vd4≥50。
所述第二平凸透镜70为高折射率、低色散透镜，所述第二平凸透镜70朝向物方的一面为凸面，所述第二平凸透镜70朝向像方的一面为平面，所述第二平凸透镜70的折射率nd5≥1.70，阿贝数Vd5≥50。
折射率跟阿贝数是光学玻璃的两个重要参数，本发明经过无数次实验才得出了折射率和阿贝数搭配使用的最佳区间。超过该区间范围，则较难进行镜头优化，难以达到最优解。
优选地，所述滤光片80为红外截止滤光片。
本发明采用的滤光片80为红外截止滤光片，红外截止滤光片的作用是拦截不必要的光，从而避免不必要的光进入图像传感器，影响成像性能。
优选地，无论所述液体透镜组件10是否有安装，光阑20至像面的中心距离≥17.3mm。
在本发明实施例中，镜头的整体焦距值为EFL，物距d0，调控电压值为R1、R2；光圈值为FNO，对角线方向视场角DFOV，镜头光学总长TTL，像面主光线入射角CRA，物面的曲率半径为R0，并由物方侧开始，将各个镜面依次编号，液体透镜组件10的镜面为R3、R4、R5、R6、R7、R8，光阑20，第一透镜30的镜面为R10、R11，第二透镜40的镜面为R12、R13，第三透镜50的镜面为R14、R15，第四透镜60的镜面为R16、R17，第五透镜70的镜面为R18、R19，滤光片80前后两个面R20、R21，感光成像芯片表面的密封玻璃90的两个面为R22、R23，图像传感器的实际感光面为IMA。
本发明优选参数值(参考表1及表2)：EFL＝6.038mm，物距＝100mm，FNO＝5.53，DFOV＝60，TTL＝20.12mm，CRA≤8.35°，液体透镜组件10为Varioptic的A-25H0，感光成像芯片为AR0135，单位：mm。
液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头详细参数如表1所示(物距＝100mm)
表1
本发明实施例中不同物距下镜头自动对焦内部参数如表2所示：
表2
表2中d0表示物距；d1表示调控电压，单位为伏特(V)；d4表示对应表1中面4至面5的中心厚度；R5表示对应表1中面5的曲率半径；d5表示对应表1中面5至面6的中心厚度；D5表示对应表1中面5的有效口径。
其中，d4、R5、D5随调控电压d1而变化。d4与d5的和保持不变，等于0.60mm。
本发明提供的镜头的光学设计性能曲线如图3-图12所示：
图3为可见光下、物距100mm时的点列图，其中波长取460nm、469nm、480nm、554nm、570nm、609nm、657nm、676nm八个波长，权重比为7:10:4:3:5:10:5:3。由图3可知，各个视场下的弥散斑比较集中，接近衍射极限，分布也比较均匀。
图4为可见光下、物距100mm时的MTF曲线图。MTF曲线图代表了一个光学系统的综合解像水平，由图4可知，中心视场100lp/mm处MTF值≥0.3，边缘视场67lp/mm处MTF值≥0.2，成像清晰。此外，该光学镜头在波长取460nm、469nm、480nm三个波长，权重比为7:10:4时，或波长取570nm、609nm、657nm三个波长，权重比为5:10:5:时，中心视场100lp/mm处MTF值依然≥0.3，边缘视场67lp/mm处MTF值依然≥0.2。
图5为可见光下、物距100mm时的场曲/畸变曲线图。畸变曲线图表示不同视场角情况下的F-Tan(theta)畸变大小值，单位为％。由图5可见，光学畸变为桶形畸变，其绝对值≤5％。
图6为可见光下、物距100mm时的相对照度曲线图。由图6可知，曲线下降平滑，最大视场下的相对照度值＞0.6，成像画面比较明亮。
图7为可见光下、物距100mm时的离焦MTF曲线图，空间频率取的是67lp/mm，离焦范围为-0.1mm至0.1mm。图7反映了场曲校正的程度。当一个系统存在场曲，其结果是中心和周边不能够同步清晰，即视场中心调至最清晰时，边缘却不够清晰；需要通过回调降低视场中心的清晰度来让视场边缘清晰一些。由图7可见，场曲校正效果良好。
此外，图7也可以反映景深的大小。若以纵坐标MTF值取0.2作一个临界线，则由图7可见，横坐标焦点移动的范围涵盖(-0.08mm，+0.06mm)，也就是焦深比较大，对应到物方，其景深也比较大。
图8为可见光下、物距100mm时的倍率色差曲线图，通过该图结合像素颗粒的大小可以知道倍率色差校正的程度。由图8可知，倍率色差校正得较好。
图9为可见光下、物距50mm时的MTF曲线图，图10为可见光下、物距300mm时的MTF曲线图。由图9、图10可知，中心视场100lp/mm处MTF值接近0.3或大于0.3，边缘视场67lp/mm处MTF值≥0.2，成像比较清晰。
图11为未安装液体透镜组件时，可见下、物距50mm时的MTF曲线图。图12为未安装液体透镜组件时，可见下、物距300mm时的MTF曲线图。由图11、12可见，中心视场100lp/mm处MTF值≥0.3，边缘视场67lp/mm处MTF值≥0.2，成像依然清晰。
本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，通过液体透镜组件能够实现自动对焦，达到低畸变、高清晰度的扫描目的；通过将液体透镜组件置于前端，能够方便对其进行拆卸，无论组装或检测都十分方便；并且，本发明提供的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，在未安装液体透镜组件时也能针对不同物距进行清晰成像，达到方便检测的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，其特征在于：从物方到像方依次设有液体透镜组件（10）、光阑（20）、第一平凸透镜（30）、双凹透镜（40）、弯月透镜（50）、双凸透镜（60）、第二平凸透镜（70）和滤光片（80）；所述液体透镜组件（10）可拆卸；
所述第一平凸透镜（30）、双凹透镜（40）、弯月透镜（50）、双凸透镜（60）、第二平凸透镜（70）构成的光学系统可手动对焦；
各透镜的折射率nd和阿贝数Vd分别如下：
所述第一平凸透镜（30）的折射率nd1≥1.90，阿贝数Vd1≤25；
所述双凹透镜（40）的折射率nd2≥1.90，阿贝数Vd2≤25；
所述弯月透镜（50）的折射率nd3≥1.70，阿贝数Vd3≥50；
所述双凸透镜（60）的折射率nd4≥1.65，阿贝数Vd4≥50；
所述第二平凸透镜（70）的折射率nd5≥1.70，阿贝数Vd5≥50；
所述第一平凸透镜（30）、弯月透镜（50）、双凸透镜（60）、第二平凸透镜（70）具有正光焦度；所述双凹透镜（40）具有负光焦度。
2.根据权利要求1所述的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，其特征在于：所述液体透镜组件（10）的曲率变化范围为-0.186 mm-1 ～0.466mm-1；电压有效调节范围为24V～70V。
3.根据权利要求1所述的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，其特征在于：所述第一平凸透镜（30）、双凹透镜（40）、弯月透镜（50）、双凸透镜（60）和第二平凸透镜（70）为玻璃球面透镜。
4.根据权利要求1所述的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，其特征在于：所述滤光片（80）为红外截止滤光片。
5.根据权利要求1所述的液体透镜组件前置的扫描用自动对焦镜头，其特征在于：所述光阑（20）至像面的中心距离≥17.3mm。
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