CN111766689A

CN111766689A - 一种非球面大景深沙姆镜头

Info

Publication number: CN111766689A
Application number: CN202010698047.5A
Authority: CN
Inventors: 赵效楠; 彭思龙; 汪雪林; 顾庆毅
Original assignee: Suzhou Zhongke Whole Elephant Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Zhongke Whole Elephant Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2020-10-13
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: CN111766689B; WO2022016757A1

Abstract

本发明公开了一种非球面大景深沙姆镜头，属于光学系统技术领域，从物侧至像侧依次为第一非球面透镜、光阑、第二非球面透镜、第三非球面透镜，其中第二非球面透镜具有负光焦度，第三非球面透镜具有正光焦度；所述第一非球面透镜具有正光焦度或负光焦度。由于该镜头具备合理的光焦度分配以及运用非球面消像差特性，具有高分辨率、大景深的优势。

Description

一种非球面大景深沙姆镜头

技术领域

本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种非球面大景深沙姆镜头。

背景技术

随着光学、图像处理和计算机技术的发展，3D线激光测量技术得到广泛应用。它利用工业相机拍摄得到相应的图像信息，并对图像进行一系列的处理，提取出所需要的信息，最终达到测量的目的。3D线激光测量技术是一种快速发展的非接触式测量，具有灵活性好、速度快、精度高以及智能化等优点。3D线激光测量技术需要镜头拍摄倾斜目标，传统镜头受景深的限制难于对倾斜目标全视野清晰成像。

沙姆镜头可以对倾斜目标全视野清晰成像，沙姆镜头是指镜头在拍摄时，满足沙姆定律，当目标平面、镜头主面、探测器平面三者延长线相交于一线，且相交线唯一，此时可以对整个倾斜目标DOF(景深)视野范围清晰成像。

中国发明专利申请CN111031300A(一种投影装置及三维测量系统)中，设计了一种包括光源、图像显示芯片、投影镜头和屏幕的投影装置，通过设置图像显示芯片所在的平面、投影镜头光轴的中垂面以及屏幕所在的平面相交于一条直线，使得图像显示芯片、投影镜头和屏幕满足沙姆定律，能够使屏幕投影的图像清晰、扩大景深，提高了3D重建的重建精度。中国实用新型专利CN204807891U(相机镜头俯仰旋转调节装置)中，设计了一种包括底座、滑动座、第一驱动机构、转动座、第二驱动机构、旋转座及第三驱动机构的旋转装置，该旋转装置能够纵向滑动、上下倾斜、左右转动等，实现沙姆定律的景深控制，可以通过移轴实现对透视变形校正，通过调节焦距实现微缩景观的效果。

由上述两件专利申请可以看出，在光学投影技术领域中，有效利用沙姆定律可以得到投影清晰、调节景深的效果，但是上述两件专利需要对投影装置或镜头等进行位置设置或调节才能在拍摄过程中满足沙姆定律，并未涉及对镜头本身的改进。

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存在难以对倾斜目标进行全视野高分辨率清晰成像的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种非球面大景深沙姆镜头，从物侧至像侧依次为：第一非球面透镜、光阑、第二非球面透镜、第三非球面透镜，其中第二非球面透镜具有负光焦度，第三非球面透镜具有正光焦度。

光焦度，又称为屈光度，是像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，表征光学系统偏折光线的能力，规定凸透镜的光焦度为正，凹透镜的光焦度为负。

进一步地，所述第一非球面透镜具有正光焦度或负光焦度。

进一步地，所述非球面大景深沙姆镜头的焦距与第一非球面透镜之间的焦距满足如下公式：-3.2≦f₁/f≦2，其中f为非球面大景深沙姆镜头的焦距，f₁为第一非球面透镜的焦距。

进一步地，所述非球面大景深沙姆镜头的焦距与第二非球面透镜之间的焦距满足如下公式：-2.5≦f₂/f≦-0.1，其中f为非球面大景深沙姆镜头的焦距，f₂为第二非球面透镜的焦距。

进一步地，所述非球面大景深沙姆镜头的焦距与第三非球面透镜之间的焦距满足如下公式：0.2≦f₃/f≦0.6，其中f为非球面大景深沙姆镜头的焦距，f₃为第三非球面透镜的焦距。

进一步地，所述第二非球面透镜的阿贝数满足20≦vd₂≦45，其中vd₂为第二非球面透镜的阿贝数。

进一步地，所述非球面大景深沙姆镜头满足如下公式：TTL/IH≦7，其中TTL为第一非球面透镜前表面最前端到像面的距离，IH为矩形探测器对角线长度的一半；所述矩形探测器是沙姆镜头的成像探测器，矩形探测器所在的平面即像面。

进一步地，所述第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜满足如下公式：

该公式为非球面方程，其中z为表面矢高；r为径向半径；c为曲率；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、G、H为非球面系数。

该非球面方程是偶次非球面标准方程，若非球面系数A、B、C、D、E、F、G、H的取值均为0：当k＝0时，代表球面；当k＝-1时，代表抛物面；当k＜-1时，代表双曲面；当-1＜k＜0时，代表椭球面；当k＞0时，代表扁球面。若非球面系数A、B、C、D、E、F、G、H中至少有一个系数的取值不为0，则无论k的取值是多少，均代表非球面。

本发明中各透镜均采用非球面表面，对于边缘光束的折射角大于中心光束的折射角，优化光源的发散光束为平行光，有利于图像的采集。

与现有技术相比，本发明的非球面大景深沙姆镜头具有如下优点：

(1)大景深。

(2)高分辨率。

(3)小型化。

附图说明

图1：沙姆定律成像原理图。

图2：3片非球面式大景深沙姆镜头结构图。

图3：非球面透镜的结构示意图。

图4：圆弧的曲率计算示意图。

图5：实施例1的镜头结构图。

图6：实施例1的镜头的成像质量MTF曲线图。

图7：实施例1的镜头的轴向球差曲线图。

图8：实施例1的镜头的畸变曲线图。

图9：实施例2的镜头结构图。

图10：实施例2的镜头的成像质量MTF曲线图。

图11：实施例2的镜头的轴向像差曲线图。

图12：实施例2的镜头的畸变曲线图。

图13：实施例3的镜头结构图。

图14：实施例3的镜头的成像质量MTF曲线图。

图15：实施例3的镜头的轴向像差曲线图。

图16：实施例3的镜头的畸变曲线图。

附图标记说明：1、第一非球面透镜；2、第二非球面透镜；3、第三非球面透镜；4、光阑；5、目标平面；6、矩形探测器。

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所示，为沙姆定律成像原理图，当目标平面、镜头主面、探测器平面三者延长线相交于一线，且相交线唯一，满足如下沙姆关系式：

其中，α是目标平面与镜头光轴的夹角，β是探测器平面与镜头光轴的夹角，a’是光轴上D点的物距，b’是光轴上D点的像距，b’/a’为镜头的放大倍率。

此时可以对整个倾斜目标DOF视野范围清晰成像。

在此基础上，本发明实施例1-3分别设计了三种非球面大景深沙姆镜头，该沙姆镜头的结构图如图2所示。可以看出，从物侧(目标平面)5至像侧(矩形探测器)6，依次为第一非球面透镜1、光阑4、第二非球面透镜2、第三非球面透镜3。

该沙姆镜头中，第一非球面透镜1具有正光焦度或负光焦度，第二非球面透镜具有负光焦度，第三非球面透镜具有正光焦度。

所述非球面大景深沙姆镜头满足如下公式：

-3.2≦f₁/f≦2 (2)

-2.5≦f₂/f≦-0.1 (3)

0.2≦f₃/f≦0.6 (4)

20≦vd₂≦45 (5)

其中，f为非球面大景深沙姆镜头的焦距；f₁为第一透镜焦距；f₂为第二透镜焦距；f₃为第三透镜焦距；vd₂为第二透镜阿贝数。

同时，该非球面大景深沙姆镜头可实现小型化，即满足如下公式：

TTL/IH≦7 (6)

其中，TTL为第一透镜前表面最前端到像面的距离，IH为矩形探测器对角线长度的一半。

并且，第一透镜、第二透镜、第三透镜均为非球面透镜，满足非球面方程：

其中z为表面矢高；r为径向半径；c为曲率；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、G、H为非球面系数。

该非球面方程(7)是偶次非球面标准方程，若非球面系数A、B、C、D、E、F、G、H的取值均为0：当k＝0时，代表球面；当k＝-1时，代表抛物面；当k＜-1时，代表双曲面；当-1＜k＜0时，代表椭球面；当k＞0时，代表扁球面。若非球面系数A、B、C、D、E、F、G、H中至少有一个系数的取值不为0，则无论k的取值是多少，均代表非球面。

如图3所示，为非球面透镜的结构示意图，表面失高Z，r是圆弧的径向半径。

如图4所示，为圆弧的曲率计算示意图，在光滑弧上自点M开始取弧段，其长为ΔS，对应切线转角为Δα，定义弧段ΔS上的平均曲率为

则点M处的曲率

本发明各个实施例中，非球面方程(7)中的圆锥系数和非球面系数是经过光焦度分配，以及合理的消除像差，并经过一系列优化算法得到的。

下述各实施例中，各英文名称的中文意思为：Surface：表面序号；Radius：表面曲率半径；Thickness：表面厚度；Material：透镜材料；nd：材料折射率，vd：材料阿贝数。

实施例1

镜头焦距f＝15.08mm，F/#＝5.54，IH＝4.76，TTL/IH＝6.2，DOF＝466.76mm，设计结构如图5，设计参数如表1，圆锥系数以及非球面系数如表2。

表1实施例1镜头的设计参数

表2实施例1镜头的圆锥系数以及非球面系数

Surface

k

A

B

C

D

E

F

G

H

1

-3.12E-01

0.00E+00

3.28E-04

-1.39E-05

1.13E-05

-1.79E-06

8.23E-08

7.39E-09

-6.09E-10

2

-2.80E-01

0.00E+00

8.27E-04

8.17E-05

1.48E-05

-1.36E-05

7.89E-07

2.79E-06

-6.25E-07

Stop

0.00E+00

4

9.85E-01

0.00E+00

-6.06E-03

5.63E-05

1.28E-05

4.19E-06

-7.37E-07

-6.80E-08

9.80E-09

5

-3.43E-01

0.00E+00

-9.89E-03

-2.81E-06

6.35E-05

-5.54E-06

-1.42E-08

-1.12E-08

1.60E-09

6

-1.67E-01

0.00E+00

-9.35E-04

-2.45E-04

3.28E-05

-7.32E-07

-7.40E-08

3.17E-09

-8.80E-11

7

-7.30E-01

0.00E+00

6.94E-04

3.35E-05

8.17E-06

-6.47E-07

6.47E-09

5.48E-09

-2.65E-10

该设计目标平面与光轴夹角α＝19.24°，探测器平面与光轴夹角β＝81.88°，镜头放大倍率b’/a’＝0.049778。又tan(α)/tan(β)＝0.049778，即满足关系式(1)。图6给出了实施例1的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.4，图7给出了实施例1的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图8给出了实施例1的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，见表7。

实施例2

镜头焦距f＝15.03mm，F/#＝5.47，IH＝4.76，TTL/IH＝4.89，DOF＝467.11mm，设计结构如图9，设计参数如表3，圆锥系数以及非球面系数如表4。

表3实施例2镜头的设计参数

表4实施例2镜头的圆锥系数以及非球面系数

Surface

k

A

B

C

D

E

F

G

H

1

-4.04E-02

0.00E+00

9.50E-04

8.33E-05

2.60E-05

-1.32E-06

-3.36E-08

4.45E-09

8.10E-09

2

2.26E-01

0.00E+00

6.30E-03

2.73E-03

-1.31E-04

-7.30E-06

1.36E-04

6.87E-05

-2.95E-05

Stop

0.00E+00

4

5.73E+05

0.00E+00

-1.24E-02

-1.96E-03

3.01E-04

2.89E-04

5.65E-05

-7.34E-06

-2.22E-05

5

-1.97E+00

0.00E+00

-1.25E-02

-1.62E-04

1.44E-04

2.93E-05

4.97E-06

-1.15E-06

-9.32E-07

6

-6.61E-01

0.00E+00

-1.54E-03

-1.93E-04

3.76E-05

-7.72E-07

-1.15E-07

1.11E-09

3.43E-10

7

-5.55E-01

0.00E+00

2.40E-04

3.23E-05

8.06E-06

-6.69E-07

6.51E-09

5.73E-09

-2.24E-10

该设计目标平面与光轴夹角α＝19.14°，探测器平面与光轴夹角β＝81.765°，镜头放大倍率b’/a’＝0.05。又tan(α)/tan(β)＝0.05，即满足关系式(1)。图10给出了实施例2的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.4，图11给出了实施例2的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图12给出了实施例2的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，见表7。

实施例3

镜头焦距f＝12.865mm，F/#＝5.555，IH＝4.76，TTL/IH＝5.6，DOF＝465.5mm，设计结构如图13，设计参数如表5，圆锥系数以及非球面系数如表6。

表5实施例3镜头的设计参数

表6实施例3镜头的圆锥系数以及非球面系数

Surface

k

A

B

C

D

E

F

G

H

1

-3.64E-01

0.00E+00

4.12E-04

-3.68E-05

1.38E-05

-1.85E-06

6.69E-08

6.84E-09

-4.98E-10

2

-2.05E-01

0.00E+00

-1.12E-05

1.33E-04

-9.90E-05

-2.73E-05

9.00E-06

3.37E-06

-1.26E-06

Stop

0.00E+00

4

1.41E+00

0.00E+00

-5.84E-03

2.98E-04

2.55E-05

7.22E-07

-1.64E-06

-1.12E-07

2.49E-08

5

-2.78E-01

0.00E+00

-9.44E-03

5.62E-05

7.42E-05

-5.47E-06

-2.41E-07

-6.37E-08

3.85E-09

6

7.99E-02

0.00E+00

-7.43E-04

-2.36E-04

3.41E-05

-7.90E-07

-4.77E-08

5.72E-09

-1.79E-09

7

-9.19E-01

0.00E+00

9.03E-04

3.05E-05

8.01E-06

-6.54E-07

4.57E-09

5.37E-09

-2.60E-10

该设计目标平面与光轴夹角α＝19.886°，探测器平面与光轴夹角β＝81.5375°，镜头放大倍率b’/a’＝0.0538。又tan(α)/tan(β)＝0.0538，即满足关系式(1)。图14给出了实施例3的成像质量MTF曲线图，全视野下MTF>0.4，图15给出了实施例3的轴向球差曲线图，全孔径下小于0.05mm，图16给出了实施例3的畸变曲线图，全视野下畸变小于0.5％。综上，该设计具有高分辨率、小型化的优点。该设计满足条件式(2)-(5)，见表7。

表7条件式满足情况

条件式	实施例1	实施例2	实施例3	备注
					-3.2≦f<sub>1</sub>/f≦2	-2.94	1.81	-1.685	条件式(2)
-2.5≦f<sub>2</sub>/f≦-0.1	-0.8178	-0.3	-2.15	条件式(3)
					0.2≦f<sub>3</sub>/f≦0.6	0.4	0.358	0.493	条件式(4)
20≦vd<sub>2</sub>≦45	41	36	28	条件式(5)
					TTL/IH≦7	6.2	4.89	5.6

上述实施例1-3中的沙姆镜头，在实际应用中，当景深设计为460mm以上时，仍能够得到高分辨率低畸变的图片；并且如果进一步增大成像探测器尺寸，即增大IH，则镜头的景深会进一步增大。

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

1.一种非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：从物侧至像侧依次为第一非球面透镜、光阑、第二非球面透镜、第三非球面透镜，其中第二非球面透镜具有负光焦度，第三非球面透镜具有正光焦度。

2.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述第一非球面透镜具有正光焦度。

3.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述第一非球面透镜具有负光焦度。

4.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述非球面大景深沙姆镜头的焦距与第一非球面透镜之间的焦距满足如下公式：-3.2≦f₁/f≦2，其中f为非球面大景深沙姆镜头的焦距，f₁为第一非球面透镜的焦距。

5.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述非球面大景深沙姆镜头的焦距与第二非球面透镜之间的焦距满足如下公式：-2.5≦f₂/f≦-0.1，其中f为非球面大景深沙姆镜头的焦距，f₂为第二非球面透镜的焦距。

6.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述非球面大景深沙姆镜头的焦距与第三非球面透镜之间的焦距满足如下公式：0.2≦f₃/f≦0.6，其中f为非球面大景深沙姆镜头的焦距，f₃为第三非球面透镜的焦距。

7.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述第二非球面透镜的阿贝数满足20≦vd₂≦45，其中vd₂为第二非球面透镜的阿贝数。

8.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述非球面大景深沙姆镜头满足如下公式：TTL/IH≦7，其中TTL为第一非球面透镜前表面最前端到像面的距离，IH为矩形探测器对角线长度的一半；所述矩形探测器是沙姆镜头的成像探测器，矩形探测器所在的平面即像面。

9.如权利要求1所述的非球面大景深沙姆镜头，其特征在于：所述第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜满足如下公式：