CN111239977B - 一种低畸变工业投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低畸变工业投影镜头，属于光电投影技术领域，该低畸变工业投影镜头包括光阑、具有正光焦度的透镜和具有负光焦度的透镜，其中透镜均为球面透镜，沿着光轴从投影侧至显示芯片侧依次分布有第一至第九球面透镜，其中光阑位于第三球面透镜和第四球面透镜之间；该投影镜头的工作距离为0‑300mm、工作波长为444‑465nm、F/#＝2.3‑2.5，这种低畸变工业投影镜头具有高分辨率、小像差、且畸变小于0.02％的优点，因此可以实现高精度的工业测量。

Description

一种低畸变工业投影镜头
技术领域
本发明属于光电投影技术领域，具体涉及一种低畸变工业投影镜头。
背景技术
随着机器视觉技术的逐步发展，对于很多更具挑战的测量检测等应用，传统意义的2D平面相机已经无法解决了，3D相机是一种高度集成化的可进行在线实时三维重建、检测的微小型机器视觉系统。将图像的采集、处理、设备控制与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案，采用3D相机进行物体识别，场景建模等，开创了越来越多的可能性，未来数年，由于工业4.0的影响以及自动化领域的进步，3D技术将变得更为重要。3D结构光相机是基于结构光测量法的非接触式测量仪器，主要实现方式为投影设备对被测物体投射带有编码信息的结构光，用摄像装置记录下结构光图像序列，利用特定的算法，得出被测物体的三维数据，而投影镜头是3D结构光相机的重要组成部分，投影畸变对3D重构的精度影响极大，对于测量尤其关键。
投影镜头畸变是光学透镜固有的透视失真的总称，是由于凸透镜会聚光线、凹透镜发散光线这一固有特性造成的，无法消除，但可以通过优化设计、优选镜片材质等进行改善，对镜片进行组合设计、设计焦距等可以将投影镜头的畸变降低，从而提高投影成像的真实度。
市面上投影镜头主要用于消费级投影应用，畸变都在1％左右，同时投影的镜头尺寸较大，镜片也是以塑料件为主，易发热，投影图案精度不稳定，近些年随着3D结构光相机的发展，传统的投影镜头已经不能满足高精度测量及检测等工业需要，需要设计出低畸变小像差高分辨率的镜头才能满足高精度测量及检测的需求。
中国发明专利CN108227150A(一种高分辨率低畸变微型投影镜头)中，设计了一种高分辨率低畸变的投影镜头，该镜头包括发散镜组和会聚镜组两部分镜组，其中发散镜组包括第一至第四透镜，会聚镜组包括第五至第九透镜，该投影镜头通过设计光焦度和焦距、选择镜片的材质为玻璃、镜头的长度和口径等，得到了分辨率高达1001p/mm、系统畸变低至0.14％的结构紧凑、且生产成本低的投影镜头。
中国发明专利CN109100857A(一种低F数低畸变全高清投影镜头)公开了一种投影镜头，从左至右一次包括第一负弯月透镜、双凹透镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、第三凸透镜、第一正弯月透镜，该透镜的焦距为9.5-9.5mm，F数介于1.6-1.8之间，DMD芯片调制的投影光束依次通过所述透镜组件并在投影面上成像，该透镜以光阑为界，负组镜片在前，正组镜片在后，在镜头负透镜组和正透镜组分别使用一片非球面镜片，双非球面镜片设计使低F数的同时保证MTF保持较高的数值，因此这种方法设计得到的投影镜头具有低畸变的特点，畸变小于0.11％。该镜头的结构简单，采用光学玻璃制成，生产成本低，且投影效果好。
然而上述两件专利设计得到的投影镜头畸变仍然较高，在0.1％以上，较高的畸变会导致投影后的成像真实度低，不能满足一些精度要求更高、真实度要求更高的精密器件的测量。
发明内容
本发明欲解决的技术问题是现有技术中用于工业测量的投影镜头具有畸变高、分辨率低、像差大等技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种9片式镜头：包括光阑、具有正光焦度的透镜和具有负光焦度的透镜。具体地，沿着光轴从投影侧至显示芯片侧依次为具有正光焦度的第一透镜，负光焦度的第二透镜，负光焦度的第三透镜，负光焦度的第四透镜，正光焦度的第五透镜，负光焦度的第六透镜，正光焦度的第七透镜，正光焦度的第八透镜，正光焦度的第九透镜。第一透镜、第三透镜有助于消除球差、场区，第二透镜有助于消除彗差、像散、倍率色差，光阑位于第三和第四透镜之间有助于消除彗差、畸变和倍率色差，第四透镜、第五透镜有助消除球差、轴向色差，第六透镜、第七透镜有助于场区和倍率色差，第八透镜、第九透镜有助消除球差、彗差、畸变和轴向色差。由于该投影镜头具有合理的正负光焦度，所以可以设计出工作距离(简称WD)为0-300mm的超高分辨率，小像差，畸变小于0.02％的投影镜头。其中光阑位于第三透镜和第四透镜之间。
进一步地，所述第一透镜的焦距为21mm＜f1＜28mm，第二透镜的焦距为-51mm＜f2＜-42mm，第三透镜的焦距为-195mm＜f3＜-110mm，第四透镜的焦距为-55mm＜f4＜-32mm，第五透镜的焦距为23mm＜f5＜35mm，第六透镜的焦距为-10mm＜f6＜-6mm，第七透镜的焦距为20mm＜f7＜25mm，第八透镜的焦距为14mm＜f8＜18mm，第九透镜的焦距为52mm＜f9＜63mm。
进一步地，所述透镜均为球面透镜。
进一步地，所述透镜镜片均为玻璃镜片。
进一步地，所述低畸变工业投影镜头的工作距离WD＝70-300mm。
进一步地，所述低畸变工业投影镜头的工作波长λ＝444-465nm。
进一步地，所述低畸变工业投影镜头的镜头焦距为f＝18-19mm，该数值根据工作距离不同适合大部分工业测量视场应用。
进一步地，所述低畸变工业投影镜头的F/#＝2.3-2.5；更进一步地，F/#＝2.4。F/#太小投影图案对比度会降低，太大投影亮度会下降。
与现有技术相比，本发明的低畸变工业投影镜头具有如下优点：
(1)通过具有正光焦度的透镜和负光焦度的透镜的合理设置，使最终的投影镜头具有小像差，高分辨率，超低畸变的优点。
(2)镜片均是玻璃镜片，提高3D结构光相机的投影精度的同时，在连续工作状态下由于热量未能及时散去也不会引起投影图案的变形，最终大大提高点云的重构精度，对于高精度测量不再是奢望。
附图说明
图1：9片球面式投影镜头结构图。
图2：实施例1的投影镜头结构图。
图3：实施例1的投影镜头的成像质量MTF曲线图。
图4：实施例1的投影镜头的场区和畸变曲线图
图5：实施例1的投影镜头的轴向像差曲线图。
图6：实施例2的投影镜头结构图。
图7：实施例2的投影镜头的成像质量MTF曲线图。
图8：实施例2的投影镜头的场区和畸变曲线图
图9：实施例2的投影镜头的轴向像差曲线图。
图10：实施例3的投影镜头结构图。
图11：实施例3的投影镜头的成像质量MTF曲线图。
图12：实施例3的投影镜头的场区和畸变曲线图
图13：实施例3的投影镜头的轴向像差曲线图。
附图标记说明：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、光阑；5、第四透镜；6、第五透镜；7、第六透镜；8、第七透镜；9、第八透镜；10、第九透镜；11、棱镜；12、保护玻璃；13、像源面；14、投影面。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1、2、6、10所示，低畸变工业投影镜头的结构为：沿着光轴从投影面14一侧至显示芯片侧，即像源面13一侧依次为具有正光焦度的第一球面透镜1，负光焦度的第二球面透镜2，负光焦度的第三球面透镜3，光阑4，负光焦度的第四球面透镜5，正光焦度的第五球面透镜6，负光焦度的第六球面透镜7，正光焦度的第七球面透镜8，正光焦度的第八球面透镜9，正光焦度的第九球面透镜10。光阑4位于第三透镜3和第四透镜5之间。在第九透镜10的右侧依次设有棱镜11、保护玻璃12。
实施例1
利用9片球面式光焦度结构设计了WD＝70mm投影镜头，工作波长λ＝444nm-465nm，镜头焦距为f＝18.98mm，F/#＝2.4，详细设计结构如图2所示，详细设计参数如表1。
其中，第一透镜的焦距为21mm＜f1＜28mm，第二透镜的焦距为-51mm＜f2＜-42mm，第三透镜的焦距为-195mm＜f3＜-110mm，第四透镜的焦距为-55mm＜f4＜-32mm，第五透镜的焦距为23mm＜f5＜35mm，第六透镜的焦距为-10mm＜f6＜-6mm，第七透镜的焦距为20mm＜f7＜25mm，第八透镜的焦距为14mm＜f8＜18mm，第九透镜的焦距为52mm＜f9＜63mm。
表1投影镜头的设计参数
Figure BDA0002412546320000041
其中20面和21面是棱镜，22面和23面是保护玻璃。图3是WD＝70mm投影镜头的成像质量MTF曲线图，全视场下MTF>0.84，所有视场均接近衍射极限，图4是WD＝70mm投影镜头的场区和畸变曲线图，全视场下场区小于8μm，畸变小于0.02％，图5是WD＝70mm投影镜头轴向像差曲线图，全孔径像差小于0.0024mm。综上，该投影镜头设计具有全视场超高分辨率成像，小像差，超低畸变的优点。
实施例2
利用9片球面式光焦度结构设计了WD＝110mm投影镜头，工作波长λ＝444nm-465nm，镜头焦距为f＝18.94mm，F/#＝2.4，详细设计结构如图6，详细设计参数如表2。
其中，第一透镜的焦距为21mm＜f1＜28mm，第二透镜的焦距为-51mm＜f2＜-42mm，第三透镜的焦距为-195mm＜f3＜-110mm，第四透镜的焦距为-55mm＜f4＜-32mm，第五透镜的焦距为23mm＜f5＜35mm，第六透镜的焦距为-10mm＜f6＜-6mm，第七透镜的焦距为20mm＜f7＜25mm，第八透镜的焦距为14mm＜f8＜18mm，第九透镜的焦距为52mm＜f9＜63mm。
表2投影镜头的设计参数
Figure BDA0002412546320000051
其中20面和21面是棱镜，22面和23面是保护玻璃。图7是WD＝110mm投影镜头的成像质量MTF曲线图，全视场下MTF>0.82，整个视场均接近衍射极限，图8是WD＝110mm投影镜头的场区和畸变曲线图，全视场下场区小于4μm，畸变小于0.02％，图9是WD＝110mm投影镜头轴向像差曲线图，全孔径像差小于0.008mm。综上，该投影镜头设计具有全视场超高分辨率成像，小像差，超低畸变的优点。
实施例3
利用9片球面式光焦度结构设计了WD＝300mm投影镜头，工作波长λ＝444nm-465nm，镜头焦距为f＝18.96mm，F/#＝2.4，详细设计结构如图10，详细设计参数如表3。
其中，第一透镜的焦距为21mm＜f1＜28mm，第二透镜的焦距为-51mm＜f2＜-42mm，第三透镜的焦距为-195mm＜f3＜-110mm，第四透镜的焦距为-55mm＜f4＜-32mm，第五透镜的焦距为23mm＜f5＜35mm，第六透镜的焦距为-10mm＜f6＜-6mm，第七透镜的焦距为20mm＜f7＜25mm，第八透镜的焦距为14mm＜f8＜18mm，第九透镜的焦距为52mm＜f9＜63mm。
表3投影镜头的设计参数
Figure BDA0002412546320000061
其中20面和21面是棱镜，22面和23面是保护玻璃。图11是WD＝300mm投影镜头的成像质量MTF曲线图，全视场下MTF>0.83，整个视场均接近衍射极限，图12是WD＝300mm投影镜头的场区和畸变曲线图，全视场下场区小于4μm，畸变小于0.02％，图13是WD＝300mm投影镜头轴向像差曲线图，全孔径像差小于0.0037mm。综上，该投影镜头设计具有全视场超高分辨率成像，小像差，超低畸变的优点。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种低畸变工业投影镜头，包括光阑、具有正光焦度的透镜和具有负光焦度的透镜，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头中，沿着光轴从投影侧至显示芯片侧分别设有第一透镜至第九透镜，依次为具有正光焦度的第一透镜，负光焦度的第二透镜，负光焦度的第三透镜，负光焦度的第四透镜，正光焦度的第五透镜，负光焦度的第六透镜，正光焦度的第七透镜，正光焦度的第八透镜，正光焦度的第九透镜；所述光阑位于第三透镜和第四透镜之间；所述第一透镜的焦距为21mm＜f1＜28mm，第二透镜的焦距为-51mm＜f2＜-42mm，第三透镜的焦距为-195mm＜f3＜-110mm，第四透镜的焦距为-55mm＜f4＜-32mm，第五透镜的焦距为23mm＜f5＜35mm，第六透镜的焦距为-10mm＜f6＜-6mm，第七透镜的焦距为20mm＜f7＜25mm，第八透镜的焦距为14mm＜f8＜18mm，第九透镜的焦距为52mm＜f9＜63mm。
2.如权利要求1所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述透镜均为球面透镜。
3.如权利要求1所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述透镜镜片均为玻璃镜片。
4.如权利要求1所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头的工作距离WD＝0-300mm。
5.如权利要求4所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头的工作距离WD＝70-300mm。
6.如权利要求1所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头的工作波长λ＝444-465nm。
7.如权利要求1所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头的镜头焦距为f＝18-19mm。
8.如权利要求1所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头的F/#＝2.3-2.5。
9.如权利要求8所述的低畸变工业投影镜头，其特征在于：所述低畸变工业投影镜头的F/#＝2.4。
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