CN110636191A - 一种光学镜头和智能笔 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学镜头和智能笔，光学镜头包括镜片、镜筒、图像传感器和电路板，所述镜片具有正屈折力，所述镜片的物侧面和像侧面均为凸面且所述物侧面的曲率小于所述像侧面的曲率，所述镜片的焦距f满足以下条件式：2.8＜f＜3.2，所述镜片固定于所述镜筒的前端，所述镜筒的中部设置有通光孔，所述图像传感器固定于所述电路板上，所述电路板固定于所述镜筒的末端。该光学镜头可以在单镜片模式下，实现15度视场角、物距在20mm左右、景深达到10mm以上，畸变度小于1％的光学指标，同时，配合镜头结构，能在高达1/30000秒的曝光速度下清晰成像。

Description

一种光学镜头和智能笔

技术领域

本发明涉及光学镜头领域，并且特别涉及一种光学镜头和智能笔。

背景技术

微型镜头比较常见的是手机镜头和工业镜头。这类镜头物距至少在100mm以上，镜头可调焦，视场角也都在40度以上。

应用于智能笔的成像镜头，需要是体积小、物距短、视场角15度以下，同时还有具备大亮度大景深的定焦镜头。一般物距在20毫米左右，景深要求在10mm左右。目前常见的手机镜头，在体积、最小物距、景深、明亮和定焦方面，无法兼顾。

现有手机镜头的最小物距大于100mm，在明亮度、体积、最小物距和景深方面也无法做到同时兼顾，达不到智能笔的要求。

另外，微型手机镜头都是多镜片、可调焦设计，在通光孔小于0.5mm以下时，细微的安装误差也会导致失焦。因此这种设计在装配和调试上需要花大量成本，降低了一致性。

发明内容

本发明提出了一种光学镜头和光学设备。

根据本发明的实施例的光学镜头包括镜片、镜筒、图像传感器和电路板，镜片具有正屈折力，镜片的物侧面和像侧面均为凸面且物侧面的口径大于像侧面的口径，物侧面的曲率小于像侧面的曲率，镜片的焦距f满足以下条件式：2.8＜f＜3.2，镜片固定于镜筒的前端，镜筒的中部设置有通光孔，图像传感器固定于电路板上，电路板固定于镜筒的末端。该光学镜头在单镜片模式下，实现15度视场角、物距在20mm左右、景深达到10mm以上，畸变度小于1％的光学指标，同时，配合镜头结构，能在高达1/30000秒的曝光速度下清晰成像。

在一些可选的实施例中，镜筒前端设置有容纳镜片的腔体，腔体内壁设置有凸起，镜片压入腔体与镜筒紧密装配。凭借该凸起设置，可以解决镜片压不紧或压不到位的问题。

在一些优选的实施例中，镜片的像侧面与通光孔贴合。凭借像侧面与通光孔的贴合，避免因通光孔与镜片之间有间隙而影响成像效果。

在一些优选实施例中，镜片的厚度大于镜片的直径。凭借厚透镜的异型镜片设计，使单个镜片上实现低畸变大景深的效果。

在一些具体实施例中，镜头的光圈值F计算公式为

其中f表示镜片的焦距，d表示通光孔的直径，光圈值F满足以下条件式：3.5＜f＜5.6。凭借该配置可获得一个较为明亮的微距镜头。

在进一步优选的实施例中，还包括补光灯，补光灯与镜片平行装设于镜筒的前端。凭借补光灯的设置，可以满足高速曝光状态下的正常使用。

在进一步优选的实施例中，补光灯为红外补光灯，红外光波长为850nm。

在进一步优选的实施例中，补光灯与镜片之间的距离小于0.5mm。凭借补光灯与镜片之间的距离控制，可以保证补光灯的聚光斑覆盖在镜头的视场范围。

根据本发明的另一方面，提出了一种智能笔，该智能笔搭载了如上述的光学镜头，光学镜头设置于智能笔的笔尖一侧。

在一些具体的实施例中，笔尖至光学镜头的距离取自15-25mm范围内。凭借该距离的设置，可以保证智能笔在正握和反握的时候都可以获得清晰的成像效果。

本发明的光学镜头包括镜片、镜筒、图像传感器和电路板，所述镜片具有正屈折力，所述镜片的物侧面和像侧面均为凸面且所述物侧面的曲率小于所述像侧面的曲率，所述镜片的焦距f满足以下条件式：2.8＜f＜3.2，所述镜片固定于所述镜筒的前端，所述镜筒的中部设置有通光孔，所述图像传感器固定于所述电路板上，所述电路板固定于所述镜筒的末端。通过合理的设置焦距，以厚透镜的异型镜片的设计，仅利用单镜片的即可实现低畸变大景深的效果，同时也极大的提高了镜头的成品率。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的光学镜头的前视图；

图2是根据本发明的一个实施例的光学镜头的结构示意图；

图3是根据本发明的一个具体实施例的光学镜头的系统光路图；

图4是根据本发明的一个具体实施例的光学镜头的波前图；

图5是根据本发明的一个具体实施例的光学镜头的MTF图；

图6是根据本发明的一个具体实施例的光学镜头的点列图；

图7是根据本发明的一个具体实施例的光学镜头的渐晕图；

图8是根据本发明的一个实施例的智能笔的结构示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了根据本发明的实施例的光学镜头的结构示意图。如图1所示，该光学镜头包括补光灯1、镜片2、通光孔3和固定凸起4。补光灯1设置于镜片2的上方，镜片2和补光灯1采用压装的方式安装，可以避免使用使用胶粘导致的故障率高的情况。通光孔3设置于镜片2的后方，固定凸起4用于对镜片2进行定位和压紧。该光学镜头整体结构简单小巧，可以用于多种微距的场景，例如智能笔等领域。

在优选的实施例中，补光灯1为带聚光的LED红外补光灯，红外光波长为850nm，聚光角度15°以内。补光灯1与镜片2平行安装，且补光灯1与镜片2之间的距离小于0.5mm，可以保证补光灯的聚光斑覆盖镜头的视场范围。

图2和图3分别示出了根据本发明的一个具体实施例的光学镜头的结构示意图和光路图。结合图2和图3，该光学镜头包括镜片2、镜筒5、图像传感器6和电路板7。镜片2固定于镜筒5的前端，通光孔3设置于镜筒5的中部，图像传感器6固定于电路板7上，电路板7固定于镜筒5的末端。镜筒前端设置有容纳镜片的腔体，腔体内壁设置有凸起，镜片压入腔体与镜筒紧密装配。通光孔3设置于镜片后方，镜片2的像侧面22与通光孔5贴合，避免因通光孔3和镜片2之间产生空隙，而影响成像效果。

在具体的实施例中，镜片2具有正屈折力的异型镜片，镜片2的厚度大于镜片的直径，镜片2的物侧面21和像侧面22均为凸面，物侧面21的口径大于像侧面22的口径，物侧面21的曲率小于像侧面22的曲率，物侧面21设计成直径较大的弧面，以获得更多入射光。光线经过物侧面21的汇聚，在到达像侧面22时，汇聚成稍大于通光孔的一束光，因此像侧面22的直径可设置的更小，曲率更大。光线在通过通光孔3后，可以以较大的入射角照射到图像传感器6上，有效地缩短了焦距。镜片2的焦距f满足以下条件式：2.8＜f＜3.2，经过本申请发明人的多次试验，焦距设置为3，可以获得较佳的成像效果。

若要实现低畸变大景深设计，一般需要至少两片以上的球面镜片，镜片与镜片的间距通过隔圈固定，隔圈易出现误差，将直接影响焦距，焦距的变化又会影响物距和景深。由于焦距很短，细微的误差就会产生很大的偏差比例。故本发明采用单个镜片可以极大地提高镜头成品率。

在具体的实施例中，景深和通光孔直径成反比、和焦距成反比、和物距成正比。因此，若要获得大景深，通光孔越小越好，物距越大越好。通光孔过小，会导致f值增大亮度降低，也会导致光的衍射效应，使成像模糊，优选的，根据本发明申请人多次试验，通光孔3的大小设置应当不低于0.5mm。

在物距和通光孔确定的情况下，若再要增大景深，只能缩短焦距。焦距的极限是由图像传感器6入射角极限决定的，焦距越短，球面镜弧度需要越大，越容易产生边沿畸变，因此根据发明申请人的多次试验，焦距设计略大于极限，设置为3mm左右。镜头的光圈值F计算公式为F＝f/d，其中f表示镜片的焦距，d表示通光孔的直径，光圈值F满足以下条件式：3.5＜F＜5.6，经过本申请发明人多次试验，F值设置为4，可以获得一个较为明亮的微距镜头。

在具体的实施例中，波前是指波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点构成的面。它代表某时刻波能量到达的空间位置，它是运动着的。把波动过程中，介质中振动相位相同的点连成的面称为波阵面，把波阵面中走在最前面的那个波阵面称为波前。波前与射线成正交(但是在各向异性的介质中如双折射晶体，光线一般不和波前垂直)。因此，使用射线或波前来研究波是等效的。波前像差即是由实际波前和理想的无偏差状态的波前之间的偏差来定义。图4示出了本发明的一个具体实施例的光学镜头的波前图，本发明的光学镜头的波前象差已达到10^-3波长量级，即在小于几纳米的量级。

在具体的实施例中，Modulation Transfer Function(调制传递函数)是目前分析镜头的解像比较科学的方法，这种测定光学频率的方式是以一个mm的范围内能呈现出多少条线来度量，其单位以line/mm来表示。与媒体拍摄分辨率标板的测试方法相比，MTF成像曲线图是在极为客观严谨的测试环境下测得并对外公布的，是镜头成像品质最权威、最客观的技术参考依据。调制度M总是介于0和1之间，调制度越大，反差越大。在对镜头的反差和分辨率进行测试时，将正弦光栅置于镜头前方，测量镜头成像处的调制度。由于镜头像差的影响，会出现以下情况：当空间频率很低时，测量出的调制度M几乎等于正弦光栅的调制度；当所拍摄的正弦光栅空间频率提高时，镜头成像的调制度逐渐下降。镜头成像的调制度随空间频率变化的函数称为调制度传递函数MTF。MTF值不但可以反映镜头的反差，也可以反映镜头的分辨率。MTF值是厂商在严谨的测试环境下测得的，排除了成像介质(胶片或感光元件)的影响，故而较为客观。当空间频率很低时，MTF趋于1，这时的MTF值可以反映镜头的反差。当空间频率提高，即正弦光栅的密度提高时，MTF值逐渐下降，这时的MTF曲线可以反映镜头的分辨率。由于人眼的分辨能力有限，一般取MTF值为0.03时的空间频率作为镜头的目视分辨率极限。图5示出了本发明的一个具体实施例的光学镜头的MTF图，本发明的镜头衍射曲线所代表的镜头在低频段反差适中，但随着空间频率的提高，它的衰减过程很慢，说明该镜头的像质较高。

在具体的实施例中，由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。点列图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。光学系统的弥散斑越小代表镜头的像质越高。图6示出了本发明的一个具体实施例的光学镜头的点列图，如图6所示。本发明的光学镜头在不同视场的弥散斑半径都在1um以内，远小于像素尺寸6um，可获得很高的成像质量和10mm以上的景深。

图7示出了本发明的一个具体实施例的光学镜头的渐晕图，如图7所示，本发明的镜头在视场范围内无渐晕，渐晕是离轴越远(越接近最大视场)的光线经过光学系统的有效孔径阑越小，所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱，而形成影像由中心轴向离轴晕开。简单来说，就是轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”。存在渐晕时，轴上物点像亮，边缘像点逐渐变暗。凭借异型单镜片的设置，使得本发明的光学镜头在视场范围内无渐晕，表明不同视场的明亮度与中心视场一致且最亮。

继续参照图8，其是绘示依照本发明实施例的一种智能笔的示意图。该智能笔包扩智能笔本体8和镜筒2，镜筒2设置于智能笔本体8的笔尖一侧，镜筒2上包含依据本发明的光学镜头(图未揭示，请配合参照图1、图2对应的实施例所示的示意图)。物距越长，补光灯光斑太大，照明强度急剧减弱，因此物距不能太长，本发明中笔尖至光学镜头的距离取自15-25mm范围内，优选的，经过发明人的多次试验，使用20mm的距离能够获得更好的补光效果。

在具体的实施例中，近点距离S1是正握书写时能清晰成像的极限，远点距离S2是反握书写时能清晰成像的极限。远点距离S2和近点距离S1的差值就是镜头的景深。显然，景深越大，能正确获取图像的正握和反握书写的最大角度就越大，越方便使用。本发明的光学镜头具有10mm以上的景深，畸变度小于1％，具有良好的成像效果。

本发明的光学镜头采用具有正屈折力异型镜片，该异型镜片的物侧面和像侧面均为凸面且物侧面的曲率小于像侧面的曲率，以单镜片的方式固定于镜筒的前端，镜筒的中部设置有通光孔，图像传感器固定于电路板上，电路板固定于镜筒的末端。该光学镜头可以在单镜片模式下，实现15度视场角、物距在20mm左右、景深达到10mm以上，畸变度小于1％的光学指标，同时，配合镜头结构，能在高达1/30000秒的曝光速度下清晰成像。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (10)

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头包括镜片、镜筒、图像传感器和电路板，所述镜片具有正屈折力，所述镜片的物侧面和像侧面均为凸面且所述物侧面的口径大于所述像侧面的口径，所述物侧面的曲率小于所述像侧面的曲率，所述镜片的焦距f满足以下条件式：2.8＜f＜3.2，所述镜片固定于所述镜筒的前端，所述镜筒的中部设置有通光孔，所述图像传感器固定于所述电路板上，所述电路板固定于所述镜筒的末端。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述镜筒前端设置有容纳所述镜片的腔体，所述腔体内壁设置有凸起，所述镜片压入所述腔体与所述镜筒紧密装配。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述镜片的像侧面与所述通光孔贴合。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述镜片的厚度大于所述镜片的直径。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述镜头的光圈值F计算公式为

其中f表示所述镜片的焦距，d表示所述通光孔的直径，所述光圈值F满足以下条件式：3.5＜F＜5.6。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，还包括补光灯，所述补光灯与所述镜片平行装设于所述镜筒的前端。

7.根据权利要求6所述的光学镜头，其特征在于，所述补光灯为红外补光灯，所述红外光波长为850nm。

8.根据权利要求6所述的光学镜头，其特征在于，所述补光灯与所述镜片之间的距离小于0.5mm。

9.一种智能笔，其特征在于，所述智能笔搭载了如权利要求1-8所述的光学镜头，所述光学镜头设置于所述智能笔的笔尖一侧。

10.根据权利要求9所述的一种智能笔，其特征在于，所述笔尖至所述光学镜头的距离取自15-25mm范围内。

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