CN112099193B - 小型tof镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型TOF镜头，包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜与第六透镜。该发明克服了现有TOF镜头存在的光学总长大、成像质量不高等缺点，本发明提供一种小型TOF镜头，运用了两片塑料非球镜片，其与镜片系统中的其他经过特别设计的镜片的配合，可以很好地在大光圈的设计中矫正TV畸变并减小光学总长，以实现结构小巧且成像质量高。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型TOF镜头，应用在光学镜头生产领域。
背景技术
近年来，在智能设备与人脸识别技术的融合趋势下，光学市场中的TOF深度传感器技术逐渐崭露头角。作为3D深度视觉领域三大主流方案之一，TOF深度传感技术依靠体积小、误差低、直接输出深度数据与抗干扰性强等优势也在诸如VR/AR手势交互、汽车电子ADAS、安防监控以及工厂自动化等多个领域开始大显身手。
光的传播速度是很快的，但就算是0.0001秒，我们虽然看不到，相机可以捕捉到，当相机获得了画面结构，根据画面里到达每一个物体的距离，就可以直接绘制出3D立体图像了。TOF镜头便是用于TOF功能相机中的部件，其要求镜头具有较大光圈、高分辨率，在与之匹配的结构光和算法结合下，可以很好的识别空间深度，为后续的物空间建模提供精准的三维初始数据。然而现有TOF镜头存在着许多缺点，如光学总长大(“小型”镜头的光学总长一般为15～20mm，现有TOF镜头的光学总长为一般为16mm)、成像质量不高等等。因此提供一种小巧且成像质量高的小型TOF镜头己成为当务之亟。
发明内容
为了克服现有TOF镜头存在的光学总长大、成像质量不高等缺点，本发明提供一种小型TOF镜头，运用了两片塑料非球镜片，其与镜片系统中的其他经过特别设计的镜片的配合，可以很好地在大光圈的设计中矫正TV畸变并减小光学总长，以实现镜头结构小巧且成像质量高的需求。
本发明的技术方案如下：
一种小型TOF镜头，包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜与第六透镜；
其中，所述第一透镜为弯月玻璃球面透镜，所述第二透镜为弯月塑料非球透镜，所述第三透镜为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜为双凹玻璃球面透镜，所述第五透镜为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜和第五透镜组成密接的胶合组，所述第六透镜为双凸塑料非球透镜；
所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为1.3～1.6mm，所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为0.05～0.15mm，所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为1.2～1.5mm，所述第五透镜和第六透镜之间的空气间隔为0.35～0.55mm，所述光阑位于第三透镜和第四透镜之间，距离第三透镜0.5～0.8mm；
所述第一透镜的焦距为-10mm≤f1≤-8mm,所述第二透镜的焦距为-10mm≤f2≤-8mm,所述第三透镜的焦距为3mm≤f3≤5mm,所述第四透镜的焦距为-5mm≤f4≤-2mm,所述第五透镜的焦距为2mm≤f5≤5mm,所述第六透镜的焦距为5mm≤f6≤8mm；
所述各个透镜还满足以下的光学条件：
1.4≤n1≤1.6，60≤v1≤85，10≤1S1≤15，2≤1S2≤4，0.5mm≤L1≤1mm；
1.45≤n2≤1.75，20≤v2≤45，-5≤2S1≤-2，-5≤2S2≤-2，1mm≤L2≤2mm；
1.9≤n3≤2.05，20≤v3≤40，5≤3S1≤10，-18≤3S2≤-10，1mm≤L3≤2mm；
1.75≤n4≤1.9，10≤v4≤30，-10≤4S1≤-5，2≤4S2≤5，0.5mm≤L4≤1mm；
1.7≤n5≤1.85，30≤v5≤50，2≤5S1≤5，-15≤5S2≤-8，1mm≤L5≤2mm；
1.45≤n6≤1.55，50≤v6≤60，3≤6S1≤5，-50≤6S2≤-20，1mm≤L6≤2mm；其中，n1～n6依次为第一透镜～第六透镜的折射率，v1～v6依次为第一透镜～第六透镜的阿贝系数，1S1～6S1依次为第一透镜前端面～第六透镜前端面的曲率半径，1S2～6S2依次为第一透镜后端面～第六透镜后端面的曲率半径，L1～L6依次为第一透镜～第六透镜的中心厚度。
本申请的小型TOF镜头采用六片式玻塑混合结构，并采用宽光谱优化设计，通过特别设计的各透镜的形状、焦距、折射率、阿贝系数、曲率半径、中心厚度，光阑位置以及各透镜及光阑间的空气间隔的配合，实现了在可见光波段及红外波段有较好的成像效果(可见光、红外光下该镜头的成像质量满足300万像素需求，可以很好匹配200万芯片)。为了可以更加精确的获取三维数据，对捕获的信息的空间尺寸和亮度信息需要有较高的还原度，此款镜头具有更小的TV畸变和相对亮度(全视场畸变小于15％，相对亮度大于45％)。考虑到结构长度需要做到更小，镜头中运用2片非球可以很好地在大光圈的设计中矫正TV畸变和减小光学总长(玻塑混合的设计使得总长更短、分辨率更高、畸变更小，本案的小型TOF镜头的镜头总长TTL为：10mm＜TTL＜15.5mm)，实现小巧的结构获得最佳的成像质量。均衡系统中每部分的光学透镜分担的光焦度，可以有效提升系统的分辨率，降低局部光焦度过于集中带来的系统局部敏感性。
本申请的小型TOF镜头，能达到以下光学指标：1、焦距：4mm；2、光圈F#＝1.2；3、Sensor size：1/4inch；4、分辨率：300万像素以上；5、光学后焦：>4m。
所述各个透镜的每个通光面均镀有在波长400～1100nm透过率为99.3-99.7％的宽带增透膜。
优选宽带增透膜的设置使得镜头能采集更高质量的图像信息。
所述宽带增透膜采用在波长800-1100nm透过率为99.3-99.7％的宽带增透膜。
在优选波段具有高透过率的宽带增透膜的设置能进一步提升成像质量。
与现有技术相比，本发明申请具有以下优点：
1)本申请的小型TOF镜头采用六片式玻塑混合结构(其中含2片非球镜片)，并采用宽光谱优化设计，通过特别设计的各透镜的形状、焦距、折射率、阿贝系数、曲率半径、中心厚度，光阑位置以及各透镜及光阑间的空气间隔的配合，具有更小的TV畸变和更大的相对亮度，在大光圈的设计中矫正TV畸变和减小光学总长，实现了结构小巧的同时又保证了良好的成像效果；
2)优选宽带增透膜的设置使得该镜头在可见光模式及红外光模式下成像更加清晰；
3)本案的小型TOF镜头设计像面φ4.5mm，相对孔径D/f’为1.2±10％，全视场光学畸变小于15％，全视场MTF在200lp/mm大于0.3。
附图说明
图1是本发明的小型TOF镜头的镜片结构示意图；
图2是本发明的小型TOF镜头实施例3的可见光MTF图；
图3是本发明的小型TOF镜头实施例3的红外模式MTF图；
图4是本发明的小型TOF镜头实施例3的畸变图；
图5是本发明的小型TOF镜头实施例3的相对照度图；
图6是本发明的小型TOF镜头实施例3的可见光弥散斑图；
图7是本发明的小型TOF镜头实施例3的红外光弥散斑图。
标号说明：
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、光阑7。
具体实施方式
下面结合说明书附图1-7对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图1-7所示，本发明所述的一种小型TOF镜头，包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑7、第四透镜4、第五透镜5与第六透镜6；
其中，所述第一透镜1为弯月玻璃球面透镜，所述第二透镜2为弯月塑料非球透镜，所述第三透镜3为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4为双凹玻璃球面透镜，所述第五透镜5为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4和第五透镜5组成密接的胶合组，所述第六透镜6为双凸塑料非球透镜；
所述第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔为1.4mm，所述第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔为0.1mm，所述第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔为1.3mm，所述第五透镜5和第六透镜6之间的空气间隔为0.45mm，所述光阑7位于第三透镜3和第四透镜4之间，距离第三透镜0.6mm；
所述第一透镜1的焦距为f1＝-9mm,所述第二透镜2的焦距为f2＝-9mm,所述第三透镜3的焦距为f3＝4mm,所述第四透镜4的焦距为f4＝-3mm,所述第五透镜5的焦距为f5＝3mm,所述第六透镜6的焦距为f6＝6mm；
所述各个透镜还满足以下的光学条件：
n1＝1.5，v1＝80，1S1＝12，1S2＝3，L1＝0.8mm；
n2＝1.6，v2＝30，2S1＝-3，2S2＝-3，L2＝1.5mm；
n3＝2，v3＝30，3S1＝8，3S2＝-12，L3＝1.5mm；
n4＝1.8，v4＝20，4S1＝-8，4S2＝3，L4＝0.8mm；
n5＝1.8，v5＝40，5S1＝3，5S2＝-10，L5＝1.5mm；
n6＝1.5，v6＝55，6S1＝4，6S2＝-30，L6＝1.5mm；
其中，n1～n6依次为第一透镜1～第六透镜6的折射率，v1～v6依次为第一透镜1～第六透镜6的阿贝系数，1S1～6S1依次为第一透镜1前端面～第六透镜6前端面的曲率半径，1S2～6S2依次为第一透镜1后端面～第六透镜6后端面的曲率半径，L1～L6依次为第一透镜1～第六透镜6的中心厚度。
所述各个透镜的每个通光面均镀有在波长1000nm透过率为99.5％的宽带增透膜。
实施例2
如图1-7所示，本发明所述的一种小型TOF镜头，包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑7、第四透镜4、第五透镜5与第六透镜6；
其中，所述第一透镜1为弯月玻璃球面透镜，所述第二透镜2为弯月塑料非球透镜，所述第三透镜3为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4为双凹玻璃球面透镜，所述第五透镜5为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4和第五透镜5组成密接的胶合组，所述第六透镜6为双凸塑料非球透镜；
所述第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔为1.3mm，所述第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔为0.15mm，所述第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔为1.2mm，所述第五透镜5和第六透镜6之间的空气间隔为0.55mm，所述光阑7位于第三透镜3和第四透镜4之间，距离第三透镜0.5mm；
所述第一透镜1的焦距为f1＝-8mm,所述第二透镜2的焦距为f2＝-8mm,所述第三透镜3的焦距为f3＝5mm,所述第四透镜4的焦距为f4＝-2mm,所述第五透镜5的焦距为f5＝5mm,所述第六透镜6的焦距为f6＝8mm；
所述各个透镜还满足以下的光学条件：
n1＝1.6，v1＝85，1S1＝15，1S2＝4，L1＝1mm；
n2＝1.75，v2＝45，2S1＝-2，2S2＝-2，L2＝2mm；
n3＝2.05，v3＝40，3S1＝10，3S2＝-10，L3＝2mm；
n4＝1.9，v4＝30，4S1＝-5，4S2＝5，L4＝1mm；
n5＝1.85，v5＝50，5S1＝5，5S2＝-8，L5＝2mm；
n6＝1.55，v6＝60，6S1＝5，6S2＝-20，L6＝2mm；
其中，n1～n6依次为第一透镜1～第六透镜6的折射率，v1～v6依次为第一透镜1～第六透镜6的阿贝系数，1S1～6S1依次为第一透镜1前端面～第六透镜6前端面的曲率半径，1S2～6S2依次为第一透镜1后端面～第六透镜6后端面的曲率半径，L1～L6依次为第一透镜1～第六透镜6的中心厚度。
所述各个透镜的每个通光面均镀有在波长400nm透过率为99.3％的宽带增透膜。
实施例3
如图1-7所示，本发明所述的一种小型TOF镜头，包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑7、第四透镜4、第五透镜5与第六透镜6；
其中，所述第一透镜1为弯月玻璃球面透镜，所述第二透镜2为弯月塑料非球透镜，所述第三透镜3为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4为双凹玻璃球面透镜，所述第五透镜5为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4和第五透镜5组成密接的胶合组，所述第六透镜6为双凸塑料非球透镜；
所述第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔为1.6mm，所述第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔为0.05mm，所述第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔为1.5mm，所述第五透镜5和第六透镜6之间的空气间隔为0.35mm，所述光阑7位于第三透镜3和第四透镜4之间，距离第三透镜0.8mm；
所述第一透镜1的焦距为f1＝-10mm,所述第二透镜2的焦距为f2＝-10mm,所述第三透镜3的焦距为f3＝3mm,所述第四透镜4的焦距为f4＝-5mm,所述第五透镜5的焦距为f5＝2mm,所述第六透镜6的焦距为f6＝5mm；
所述各个透镜还满足以下的光学条件：
n1＝1.4，v1＝60，1S1＝10，1S2＝2，L1＝0.5mm；
n2＝1.45，v2＝20，2S1＝-5，2S2＝-5，L2＝1mm；
n3＝1.9，v3＝20，3S1＝5，3S2＝-18，L3＝1mm；
n4＝1.75，v4＝10，4S1＝-10，4S2＝2，L4＝0.5mm；
n5＝1.7，v5＝30，5S1＝2，5S2＝-15，L5＝1mm；
n6＝1.45，v6＝50，6S1＝3，6S2＝-50，L6＝1mm；
其中，n1～n6依次为第一透镜1～第六透镜6的折射率，v1～v6依次为第一透镜1～第六透镜6的阿贝系数，1S1～6S1依次为第一透镜1前端面～第六透镜6前端面的曲率半径，1S2～6S2依次为第一透镜1后端面～第六透镜6后端面的曲率半径，L1～L6依次为第一透镜1～第六透镜6的中心厚度。
所述各个透镜的每个通光面均镀有在波长800nm透过率为99.7％的宽带增透膜。
实施例4
如图1-7所示，本发明所述的一种小型TOF镜头，包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑7、第四透镜4、第五透镜5与第六透镜6；
其中，所述第一透镜1为弯月玻璃球面透镜，所述第二透镜2为弯月塑料非球透镜，所述第三透镜3为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4为双凹玻璃球面透镜，所述第五透镜5为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜4和第五透镜5组成密接的胶合组，所述第六透镜6为双凸塑料非球透镜；
所述第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔为1.5mm，所述第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔为0.12mm，所述第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔为1.4mm，所述第五透镜5和第六透镜6之间的空气间隔为0.4mm，所述光阑7位于第三透镜3和第四透镜4之间，距离第三透镜0.7mm；
所述第一透镜1的焦距为f1＝-8mm,所述第二透镜2的焦距为f2＝-10mm,所述第三透镜3的焦距为f3＝5mm,所述第四透镜4的焦距为f4＝-5mm,所述第五透镜5的焦距为f5＝5mm,所述第六透镜6的焦距为f6＝5mm；
所述各个透镜还满足以下的光学条件：
n1＝1.6，v1＝60，1S1＝15，1S2＝2，L1＝1mm；
n2＝1.75，v2＝20，2S1＝-2，2S2＝-5，L2＝2mm；
n3＝2.05，v3＝20，3S1＝10，3S2＝-18，L3＝2mm；
n4＝1.9，v4＝10，4S1＝-5，4S2＝2，L4＝1mm；
n5＝1.85，v5＝30，5S1＝5，5S2＝-15，L5＝2mm；
n6＝1.55，v6＝50，6S1＝5，6S2＝-50，L6＝2mm；
其中，n1～n6依次为第一透镜1～第六透镜6的折射率，v1～v6依次为第一透镜1～第六透镜6的阿贝系数，1S1～6S1依次为第一透镜1前端面～第六透镜6前端面的曲率半径，1S2～6S2依次为第一透镜1后端面～第六透镜6后端面的曲率半径，L1～L6依次为第一透镜1～第六透镜6的中心厚度。
所述各个透镜的每个通光面均镀有在波长1100nm透过率为99.5％的宽带增透膜。
附图的文字说明：由图2可知，本申请小型TOF镜头中心MTF在200lp/mm大于0.3，边缘MTF在200lp/mm大于0.3，可达到可见光300万像素要求。
由图3可知，本申请小型TOF镜头中心MTF在200lp/mm大于0.3，边缘MTF在200lp/mm大于0.3，可达到红外模式下300万像素要求。
由图4可知，本申请小型TOF镜头畸变小(全视场畸变小于15％)、场曲小，适合量产。
由图5可知，本申请小型TOF镜头具有较好的相对亮度(相对亮度大于45％)。
由图6可知，本申请小型TOF镜头在可见光模式下弥散圆小，能很好地匹配200万芯片。
由图7可知，本申请小型TOF镜头在红外模式下弥散圆小，能很好地匹配200万芯片。
本案实施例1-2、4的小型TOF镜头的可见光MTF图、红外模式MTF图、畸变图、相对照度图、可见光弥散斑图、红外光弥散斑图与实施例3(图2-7)的类似。
可见，本申请小型TOF镜头在可见光、红外光下的成像质量能耐满足300万像素需求，在可见光、红外光下弥散圆小，能很好地匹配200万芯片，且畸变小、场曲小、相对亮度大。
本发明所述的小型TOF镜头并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种小型TOF镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向从前至后依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、光阑(7)、第四透镜(4)、第五透镜(5)与第六透镜(6)；
其中，所述第一透镜(1)为弯月玻璃球面透镜，所述第二透镜(2)为弯月塑料非球透镜，所述第三透镜(3)为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜(4)为双凹玻璃球面透镜，所述第五透镜(5)为双凸玻璃球面透镜，所述第四透镜(4)和第五透镜(5)组成密接的胶合组，所述第六透镜(6)为双凸塑料非球透镜；
所述第一透镜(1)和第二透镜(2)之间的空气间隔为1.3～1.6mm，所述第二透镜(2)和第三透镜(3)之间的空气间隔为0.05～0.15mm，所述第三透镜(3)和第四透镜(4)之间的空气间隔为1.2～1.5mm，所述第五透镜(5)和第六透镜(6)之间的空气间隔为0.35～0.55mm，所述光阑(7)位于第三透镜(3)和第四透镜(4)之间，距离第三透镜(3)0.5～0.8mm；
所述第一透镜(1)的焦距为-10mm≤f1≤-8mm,所述第二透镜(2)的焦距为-10mm≤f2≤-8mm,所述第三透镜(3)的焦距为3mm≤f3≤5mm,所述第四透镜(4)的焦距为-5mm≤f4≤-2mm,所述第五透镜(5)的焦距为2mm≤f5≤5mm,所述第六透镜(6)的焦距为5mm≤f6≤8mm；
所述各个透镜还满足以下的光学条件：
1.4≤n1≤1.6，60≤v1≤85，10≤1S1≤15，2≤1S2≤4，0.5mm≤L1≤1mm；
1.45≤n2≤1.75，20≤v2≤45，-5≤2S1≤-2，-5≤2S2≤-2，1mm≤L2≤2mm；
1.9≤n3≤2.05，20≤v3≤40，5≤3S1≤10，-18≤3S2≤-10，1mm≤L3≤2mm；
1.75≤n4≤1.9，10≤v4≤30，-10≤4S1≤-5，2≤4S2≤5，0.5mm≤L4≤1mm；
1.7≤n5≤1.85，30≤v5≤50，2≤5S1≤5，-15≤5S2≤-8，1mm≤L5≤2mm；
1.45≤n6≤1.55，50≤v6≤60，3≤6S1≤5，-50≤6S2≤-20，1mm≤L6≤2mm；
其中，n1～n6依次为第一透镜(1)～第六透镜(6)的折射率，v1～v6依次为第一透镜(1)～第六透镜(6)的阿贝系数，1S1～6S1依次为第一透镜(1)前端面～第六透镜(6)前端面的曲率半径，1S2～6S2依次为第一透镜(1)后端面～第六透镜(6)后端面的曲率半径，L1～L6依次为第一透镜(1)～第六透镜(6)的中心厚度。
2.根据权利要求1所述的小型TOF镜头，其特征在于：所述各个透镜的每个通光面均镀有在波长400～1100nm透过率为99.3-99.7％的宽带增透膜。
3.根据权利要求2所述的小型TOF镜头，其特征在于：所述宽带增透膜采用在波长800-1100nm透过率为99.3-99.7％的宽带增透膜。
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