CN110873947A - 投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影镜头，其自物侧至像侧依序包含：具有正屈折力的第一透镜，具有正屈折力的第二透镜，第三透镜，以及具有正屈折力的第四透镜；投影镜头的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜物侧面的曲率半径为R3，第二透镜像侧面的曲率半径为R4，第二透镜的折射率为n2，满足下列关系式：0.80≤f2/f≤1.50；1.67≤n2≤2.20；1.20≤f1/f≤2.00；4.50≤(R3+R4)/(R3‑R4)≤15.00。本发明提供的投影镜头具有良好光学性能的同时，满足广角化、超薄化的设计要求。

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，提高系统结构设计的宽容度以及降低焦距对环境温度的敏感度，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，其具有良好光学性能的同时，满足超薄化、广角化的设计要求。

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，自物侧至像侧依序包含：具有正屈折力的第一透镜，具有正屈折力的第二透镜，第三透镜，以及具有正屈折力的第四透镜；

所述投影镜头的焦距为f，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第二透镜物侧面的曲率半径为R3，所述第二透镜像侧面的曲率半径为R4，所述第二透镜的折射率为n2，满足下列关系式：

0.80≤f2/f≤1.50；

1.67≤n2≤2.20；

1.20≤f1/f≤2.00；

4.50≤(R3+R4)/(R3-R4)≤15.00。

优选的，所述第三透镜的轴上厚度为d5，所述第三透镜像侧面到所述第四透镜物侧面的轴上距离为d6，满足下列关系式：

10.00≤d5/d6≤12.00。

优选的，所述第三透镜物侧面的曲率半径为R5，所述第三透镜像侧面的曲率半径为R6，满足下列关系式：

-15.00≤(R5+R6)/(R5-R6)≤-5.00。

优选的，所述第四透镜的焦距为f4，满足下列关系式：

5.00≤f4/f≤9.00。

优选的，所述第一透镜物侧面的曲率半径为R1，所述第一透镜像侧面的曲率半径为R2，所述第一透镜的轴上厚度为d1，所述投影镜头的光学总长为TTL，满足下列关系式：

-14.93≤(R1+R2)/(R1-R2)≤-1.51；

0.03≤d1/TTL≤0.13。

优选的，所述第三透镜的焦距为f3，所述第三透镜的轴上厚度为d5，所述投影镜头的光学总长为TTL，且满足下列关系式：

-102.60≤f3/f≤10.34；

0.05≤d5/TTL≤0.21。

优选的，所述第四透镜物侧面的曲率半径为R7，所述第四透镜像侧面的曲率半径为R8，所述第四透镜的轴上厚度为d7，所述投影镜头的光学总长为TTL，且满足下列关系式：

-4.85≤(R7+R8)/(R7-R8)≤-0.90；

0.16≤d7/TTL≤0.50。

优选的，所述投影镜头的视场角为FOV，其满足下列关系式：

FOV≥69°。

优选的，所述第二透镜为玻璃材质。

本发明的有益效果在于: 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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图，其中：

图1是实施方式一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所示投影镜头的点列图；

图4是实施方式二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所示投影镜头的点列图；

图7是实施方式三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所示投影镜头的点列图。

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）

请参考附图，本发明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包括四个透镜。具体的，所述投影镜头10，由物侧至像侧依序包括：光圈S1、具有正屈折力的第一透镜L1，具有正屈折力的第二透镜L2，第三透镜L3，以及具有正屈折力的第四透镜L4。

在本实施方式中，定义所述投影镜头10的焦距为f，所述第二透镜L2的焦距为f2，满足下列关系式：0.80≤f2/f≤1.50，规定了第二透镜L2的焦距与投影镜头10的焦距的比值，在条件式范围内，可以有效地平衡系统的球差以及场曲量。优选的，0.81≤f2/f≤1.47。

所述第二透镜L2的折射率为n2，满足下列关系式：1.67≤n2≤2.20，规定了第二透镜L2的折射率，在条件式范围内，有利于提高系统对环境温度的稳定性，很好的保留光信息。优选的，1.68≤n2≤2.13。

所述第一透镜L1的焦距为f1，满足下列关系式：1.20≤f1/f≤2.00，规定了第一透镜L1的焦距与投影镜头10的焦距的比值，可以有效地平衡系统的球差以及场曲量。优选的，1.30≤f1/f≤1.99。

所述第二透镜L2物侧面的曲率半径为R3，所述第二透镜像L2侧面的曲率半径为R4，满足下列关系式：4.50≤(R3+R4)/(R3-R4)≤15.00，规定了第二透镜L2的形状，在条件式范围内，可以缓和光线经过镜片的偏折程度，有效减小像差。优选的，4.75≤(R3+R4)/(R3-R4)≤14.74。

定义所述第三透镜L3的轴上厚度为d5，所述第三透镜L3像侧面到所述第四透镜L5物侧面的轴上距离为d6，满足下列关系式：10.00≤d5/d6≤12.00，规定了所述第三透镜L3的轴上厚度与所述第三透镜L3像侧面到所述第四透镜L5物侧面的轴上距离的比值，条件式范围内有助于压缩光学系统总长，实现超薄化效果。优选的，10.17≤d5/d6≤11.23。

定义所述第三透镜L3物侧面的曲率半径为R5，所述第三透镜像侧面的曲率半径为R6，满足下列关系式：-15.00≤(R5+R6)/(R5-R6)≤-5.00，规定了第三透镜L3的形状，在此条件范围内时，有利于第三透镜L3成型，并避免因表面曲率过大而导致成型不良与应力产生。优选的，-14.80≤(R5+R6)/(R5-R6)≤-5.05。

定义所述第四透镜L4的焦距为f4，满足下列关系式：5.00≤f4/f≤9.00，规定了第四透镜L4的焦距与投影镜头10的焦距的比值，使得系统具有较佳的成像品质和较低的敏感性。优选的，5.05≤f4/f≤8.68。

定义所述第一透镜L1物侧面的曲率半径为R1，所述第一透镜L1像侧面的曲率半径为R2，满足下列关系式：-14.93≤(R1+R2)/(R1-R2)≤-1.51，在条件式范围内，合理控制第一透镜L1的形状，使得第一透镜L1能够有效地校正系统球差。优选的，-9.33≤(R1+R2)/(R1-R2)≤-1.89。

所述投影镜头10的光学总长为TTL，所述第一透镜L1的轴上厚度为d1，满足下列关系式：0.03≤d1/TTL≤0.13，在条件式范围内，有利于实现超薄化。优选的，0.06≤d1/TTL≤0.10。

定义所述第三透镜L3的焦距为f3，所述投影镜头10的焦距为f，且满足下列关系式：-102.60≤f3/f≤10.34，在条件式范围内，通过光焦度的合理分配，使得系统具有较佳的成像品质和较低的敏感性。优选的，-64.13≤f3/f≤8.27。

所述第三透镜L3的轴上厚度为d5，所述投影镜头10的光学总长为TTL，满足下列关系式：0.05≤d5/TTL≤0.21，在条件式范围内，有利于实现超薄化。优选的，0.07≤d5/TTL≤0.17。

定义所述第四透镜L4物侧面的曲率半径为R7，以及所述第四透镜L4像侧面的曲率半径为R8，满足下列关系式：-4.85≤(R7+R8)/(R7-R8)≤-0.90。规定了第四透镜L4的形状，在条件式范围内，随着超薄化、广角化的发展，有利于补正轴外画角的像差等问题。优选的，-3.03≤(R7+R8)/(R7-R8)≤-1.13。

所述第四透镜L4的轴上厚度为d7，所述投影镜头10的光学总长为TTL，满足下列关系式：0.16≤d7/TTL≤0.50，在条件式范围内，有利于实现超薄化。优选的，0.26≤d7/TTL≤0.40。

进一步的，定义所述投影镜头10的光学总长为TTL，所述投影镜头10的像高为IH，满足下列关系式：TTL/IH≤2.70，有利于实现超薄化。

进一步的，所述投影镜头的视场角为FOV，其满足关系式：FOV≥69°。

进一步的，所述投影镜头第二透镜L2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。

当满足上述关系，使得投影镜头10实现了在具有良好光学成像性能的同时，还能满足超薄化、广角化的设计要求；系统投影性能更好，更加适合便携式高功率激光投影装置。

下面将用实例进行说明本发明的投影镜头10。各实例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。

TTL：光学总长(第一透镜L1的物侧面到像面Si的轴上距离)，单位为mm；

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。

表1示出本发明第一实施方式的投影镜头10的焦距数据。

【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；

f4：第四透镜L4的焦距。

表2、表3示出本发明第一实施方式的投影镜头10的设计数据。

【表2】

其中，各符号的含义如下。

S1： 光圈；

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；

R7： 第四透镜L4的物侧面的曲率半径；

R8： 第四透镜L4的像侧面的曲率半径；

R9：光学过滤片GF的物侧面的曲率半径；

R10：光学过滤片GF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： 光圈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的像侧面到第四透镜L4的物侧面的轴上距离；

d7： 第四透镜L4的轴上厚度；

d8： 第四透镜L4的像侧面到光学过滤片GF的物侧面的轴上距离；

d9：光学过滤片GF的轴上厚度；

d10：光学过滤片GF的像侧面到像面的轴上距离；

nd： d线的折射率；

nd1：第一透镜L1的d线的折射率；

nd2：第二透镜L2的d线的折射率；

nd3：第三透镜L3的d线的折射率；

nd4：第四透镜L4的d线的折射率；

ndg：光学过滤片GF的d线的折射率；

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；

v4：第四透镜L4的阿贝数；

vg：光学过滤片GF的阿贝数。

表3示出本发明第一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。

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示出本发明第一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，P1R1、P1R2分别代表第一透镜L1的物侧面和像侧面， P2R1、P2R2分别代表第二透镜L2的物侧面和像侧面，P3R1、P3R2分别代表第三透镜L3的物侧面和像侧面，P4R1、P4R2分别代表第四透镜L4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】

图2则示出了波长为940nm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2的场曲S是弧矢方向的场曲，T是子午方向的场曲。

图3示出了第一实施方式的投影镜头10的点列图。

后出现的表16示出各实施方式一、二、三中各种数值与条件式中已规定的参数所对应的值。

如表16所示，第一实施方式满足各条件式。

在本实施方式中，所述投影镜头的入瞳直径为0.675mm，所述投影镜头的像高IH为1.283mm，对角线方向的视场角为72.00°，使得所述投影镜头10广角化、超薄化，其轴上、轴外色像差充分补正，且具有优秀的光学特征。

（第二实施方式）

第二实施方式与第一实施方式基本相同，符号含义与第一实施方式相同，该第二实施方式的投影镜头20的结构形式请参图4所示，以下只列出不同点。

表6示出本发明第一实施方式的投影镜头20的焦距数据。

【表6】

表7、表8示出本发明第二实施方式的投影镜头20的设计数据。

【表7】

表8示出本发明第二实施方式的投影镜头20中各透镜的非球面数据。

【表8】

表9、表10示出本发明第二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9】

【表10】

图4则示出了波长为930nm的光经过第二实施方式的投影镜头20后的场曲及畸变示意图，图4的场曲S是弧矢方向的场曲，T是子午方向的场曲。

以下表16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。

在本实施方式中，所述投影镜头20的入瞳直径为0.678mm，所述投影镜头的像高为1.283mm，对角线方向的视场角为69.00°，使得所述投影镜头20广角化、超薄化，其轴上、轴外色像差充分补正，且具有优秀的光学特征。

（第三实施方式）

第三实施方式与第一实施方式基本相同，符号含义与第一实施方式相同，该第三实施方式的投影镜头30的结构形式请参图7所示，以下只列出不同点。

表11示出本发明第一实施方式的投影镜头30的焦距数据。

【表11】

表12、表13示出本发明第三实施方式的投影镜头30的设计数据。

【表12】

表13示出本发明第三实施方式的投影镜头30中各透镜的非球面数据。

【表13】

表14、表15示出本发明第三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14】

【表15】

图6示出了波长为930nm的光经过第三实施方式的投影镜头30后的场曲及畸变示意图，图6的场曲S是弧矢方向的场曲，T是子午方向的场曲。

以下表16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。

在本实施方式中，所述投影镜头30的入瞳直径为0.678mm，所述投影镜头的像高为1.283mm，对角线方向的视场角为69.00°，使得所述投影镜头30广角化、超薄化，其轴上、轴外色像差充分补正，且具有优秀的光学特征。

【表16】

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 (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头，自物侧至像侧依序包含：具有正屈折力的第一透镜，具有正屈折力的第二透镜，第三透镜，以及具有正屈折力的第四透镜；

所述投影镜头的焦距为f，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第二透镜物侧面的曲率半径为R3，所述第二透镜像侧面的曲率半径为R4，所述第二透镜的折射率为n2，满足下列关系式：

0.80≤f2/f≤1.50；

1.67≤n2≤2.20；

1.20≤f1/f≤2.00；

4.50≤(R3+R4)/(R3-R4)≤15.00。

2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第三透镜的轴上厚度为d5，所述第三透镜像侧面到所述第四透镜物侧面的轴上距离为d6，满足下列关系式：

10.00≤d5/d6≤12.00。

3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第三透镜物侧面的曲率半径为R5，所述第三透镜像侧面的曲率半径为R6，满足下列关系式：

-15.00≤(R5+R6)/(R5-R6)≤-5.00。

4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第四透镜的焦距为f4，满足下列关系式：

5.00≤f4/f≤9.00。

5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜物侧面的曲率半径为R1，所述第一透镜像侧面的曲率半径为R2，所述第一透镜的轴上厚度为d1，所述投影镜头的光学总长为TTL，满足下列关系式：

-14.93≤(R1+R2)/(R1-R2)≤-1.51；

0.03≤d1/TTL≤0.13。

6.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第三透镜的焦距为f3，所述第三透镜的轴上厚度为d5，所述投影镜头的光学总长为TTL，且满足下列关系式：

-102.60≤f3/f≤10.34；

0.05≤d5/TTL≤0.21。

7.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第四透镜物侧面的曲率半径为R7，所述第四透镜像侧面的曲率半径为R8，所述第四透镜的轴上厚度为d7，所述投影镜头的光学总长为TTL，且满足下列关系式：

-4.85≤(R7+R8)/(R7-R8)≤-0.90；

0.16≤d7/TTL≤0.50。

8.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的光学总长为TTL，所述投影镜头的像高为IH，满足下列关系式：

TTL/IH≤2.70。

9.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的视场角为FOV，其满足下列关系式：

FOV≥69° 。

10.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜为玻璃材质。

Images