CN113376801B - 一种大视场大景深低畸变扫描镜头 - Google Patents

一种大视场大景深低畸变扫描镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大视场大景深低畸变扫描镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6，第二透镜L2、第三透镜L3组成第一胶合透镜组，第五透镜L5和第六透镜L6组成第二胶合透镜组，第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹透镜，第二透镜L2为双凹透镜，第三透镜L3为双凸透镜，第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹透镜，第五透镜L5为双凸透镜，第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸透镜；且满足：FOV≥160°，其中，FOV为镜头的视场角。该镜头具有更大的扫描范围和景深，成像清晰、畸变小、像质高、结构稳定，可应对工业扫描镜头的高低温应用环境。

Description

一种大视场大景深低畸变扫描镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种大视场大景深低畸变扫描镜头。
背景技术
随着工业智能化进程不断加快，工业智能检测对扫描镜头的需求不断增加，进而对扫描镜头的质量要求也在不断提高。现有技术中的扫描镜头，如专利授权公告号为CN212111952U《一种F_Theta扫描镜头和光学镜头组件》中公布的扫描镜头视场角仅为±20°，扫描范围小，速度慢。且其他现有的扫描镜头一般采用八片及以上的透镜或者使用非球面技术，使得镜头结构比较复杂，并且在比较大的物距范围内不能同时成像清晰，另外，非球面透镜的存在使得镜头公差敏感、高低温性能不稳定、镜头耐久度低，并增加了整个镜头的成本和工艺复杂性。因此，对于大视场、大景深、低畸变、结构稳定的扫描镜头的需求就更为迫切。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种大视场大景深低畸变扫描镜头，具有更大的扫描范围和景深，成像清晰、畸变小、像质高，镜头组装公差不敏感，结构稳定，可应对工业扫描镜头的高低温应用环境。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6，第二透镜L2、第三透镜L3组成第一胶合透镜组，第五透镜L5和第六透镜L6组成第二胶合透镜组，其中：
第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹透镜，第二透镜L2为双凹透镜，第三透镜L3为双凸透镜，第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹透镜，第五透镜L5为双凸透镜，第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸透镜；
大视场大景深低畸变扫描镜头满足如下条件：
FOV≥160°
其中，FOV为镜头的视场角。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头还满足如下条件：
f1/f0<0，0.25<|f1/f4|<0.4，0.15<f0/TTL<0.25
其中，f0为镜头的有效焦距，f1为第一透镜L1的有效焦距，f4为第四透镜L4的有效焦距，TTL为镜头的光学总长。
优选地，第二透镜L2为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜L3为具有正光焦度的双凸透镜，第五透镜L5为具有正光焦度的双凸透镜。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头还包括光阑STOP，光阑STOP位于第四透镜L4和第五透镜L5之间。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头还包括滤光片F，滤光片F位于第六透镜L6的像侧。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头的照明光源为波长450nm～525nm的单色光。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头的工作物距为50mm～300mm。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头的工作温度区间为-20℃～85℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：该扫描镜头通过合理配置焦距、光焦度和光阑位置，采用短焦光学系统设计，有助于校正像差，减小F-theta畸变，提高像质，获得更大的视场角(最大视场角可达160°以上)，从而具有更大的扫描范围和扫描速率，且镜头组装公差不敏感；通过调整光阑，使得该扫描系统具有大景深，在工作物距50mm～300mm范围内均成像清晰；并通过滤光片滤除杂光，进一步提高像质；以及通过合理配置透镜材料和焦距，在-20℃～85℃温度环境下不离焦，结构稳定，可应对工业扫描镜头的高低温应用环境，用于工业机械臂扫描、车辆识别、物流追踪等领域。
附图说明
图1为本发明扫描镜头结构示意图；
图2为本发明实施例一扫描镜头工作物距为90mm的MTF曲线图；
图3为本发明实施例一扫描镜头工作物距为50mm的MTF曲线图；
图4为本发明实施例一扫描镜头工作物距为300mm的MTF曲线图；
图5为本发明实施例一扫描镜头的F-theta畸变曲线图；
图6为本发明实施例一扫描镜头在低温-20℃环境下的离焦曲线图；
图7为本发明实施例一扫描镜头在高温85℃环境下的离焦曲线图；
图8为本发明实施例二扫描镜头工作物距为90mm的MTF曲线图；
图9为本发明实施例二扫描镜头工作物距为50mm的MTF曲线图；
图10为本发明实施例二扫描镜头工作物距为300mm的MTF曲线图；
图11为本发明实施例二扫描镜头的F-theta畸变曲线图；
图12为本发明实施例二扫描镜头在低温-20℃环境下的离焦曲线图；
图13为本发明实施例二扫描镜头在高温85℃环境下的离焦曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-13所示，一种大视场大景深低畸变扫描镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6，第二透镜L2、第三透镜L3组成第一胶合透镜组，第五透镜L5和第六透镜L6组成第二胶合透镜组，其中：
第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹透镜，第二透镜L2为双凹透镜，第三透镜L3为双凸透镜，第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹透镜，第五透镜L5为双凸透镜，第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸透镜；
大视场大景深低畸变扫描镜头满足如下条件：
FOV≥160°
其中，FOV为镜头的视场角。
其中，本申请扫描镜头的最大视场角可以达到160°以上，具有更大的扫描范围，有助于提高扫描速率。且畸变小，像质高，在-20℃～85℃温度环境下不离焦，结构稳定，可应对工业扫描镜头的高低温应用环境，用于工业机械臂扫描、车辆识别、物流追踪等领域。
优选地，大视场大景深低畸变扫描镜头还满足如下条件：
f1/f0<0，0.25<|f1/f4|<0.4，0.15<f0/TTL<0.25
其中，f0为镜头的有效焦距，f1为第一透镜L1的有效焦距，f4为第四透镜L4的有效焦距，TTL为镜头的光学总长。通过限定f1/f0<0，0.25<|f1/f4|<0.4，可以很好的校正镜头的像差，减小F-theta畸变，有利于提高像质，且镜头组装公差不敏感，通过限定0.15<f0/TTL<0.25，可以使该镜头拥有较大的视场角。
在一实施例中，第二透镜L2为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜L3为具有正光焦度的双凸透镜，第五透镜L5为具有正光焦度的双凸透镜。通过合理配置透镜光焦度，使得F-theta畸变小，像质高。还可根据实际需求调整第二透镜L2、第三透镜L3和第五透镜L5的光焦度分配。
在一实施例中，大视场大景深低畸变扫描镜头还包括光阑STOP，光阑STOP位于第四透镜L4和第五透镜L5之间。通过合理放置光阑STOP，用来限制轴上光束通光口径并有助于减小畸变，提高成像质量。
在一实施例中，大视场大景深低畸变扫描镜头还包括滤光片F，滤光片F位于第六透镜L6的像侧。可以使扫描镜头在进行单色光照明时，过滤掉其他波长的杂光，从而提高像质。
在一实施例中，为保证成像清晰，大视场大景深低畸变扫描镜头的照明光源为波长450nm～525nm的单色光。
在一实施例中，大视场大景深低畸变扫描镜头的工作物距为50mm～300mm。在工作物距范围内，F-theta畸变小于1％，均可清晰成像，满足工业检测、物流管理等领域的应用。
在一实施例中，大视场大景深低畸变扫描镜头的工作温度区间为-20℃～85℃。可通过合理配置透镜材料和焦距，使得该扫描镜头工作在该温度区间内不离焦，成像质量高。
在下述各优选实施方式的描述中，进一步公开了扫描镜头的具体参数。
实施例1：
如图2-7所示，本实施例中的扫描镜头，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6依次为具有负光焦度的凸凹透镜、具有负光焦度的双凹透镜、具有正光焦度的双凸透镜、具有正光焦度的凸凹透镜、具有正光焦度的双凸透镜和具有负光焦度的凹凸透镜，且均为球面透镜，满足：f1＝-8.3mm，f4＝16.5mm，f0＝5.6mm；物距范围：50mm～300mm；F-theta畸变：<1％；光圈数#F＝12；视场角2ω：160°；分辨率：1.5MP；光学总长：<40mm；适用照明光源：波长为470nm的单色光。便于降低镜头组装公差敏感性，且高低温性能稳定、镜头耐久度高，并降低了整个镜头的成本和工艺复杂性。
各个透镜的相关参数如表1所示：
表1
Figure GDA0003800897040000051
Figure GDA0003800897040000061
表1中，各胶合透镜组的胶合面表示为同一表面序号，S1为第一透镜L1的物侧镜面，S2为第一透镜L1的像侧镜面，S3为第二透镜L2的物侧镜面，S4为第二透镜L2和第三透镜L3(即第一胶合透镜组)的胶合面，S5为第三透镜L3的像侧镜面，S6为第四透镜L4的物侧镜面，S7为第四透镜L4的像侧镜面，S9为第五透镜L5的物侧镜面，S10为第五透镜L5和第六透镜L6(即第二胶合透镜组)的胶合面，S11为第六透镜L6的像侧镜面，S12为滤光片F的物侧镜面，S13为滤光片F的像侧镜面，IMA为像面。
根据上述数据，本实施例在最佳工作物距90mm时的成像效果如图2的MTF曲线所示，全视场的MTF曲线都沿着衍射极限平缓下降，表示该扫描镜头在全视场内都具有较好的成像效果。并在图3和图4中的最近和最远工作物距时的MTF曲线皆表现较好，表示该扫描镜头在大景深范围内具有良好的成像效果。图5的F-theta畸变曲线图可以看出全视场F-theta畸变小于1％，满足扫描镜头对畸变的高要求。由图6和图7高低温离焦曲线可知，该扫描镜头在-20℃～85℃的温度环境下不离焦。
实施例2：
如图8-13所示，本实施例中的扫描镜头，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6依次为具有负光焦度的凸凹透镜、具有负光焦度的双凹透镜、具有正光焦度的双凸透镜、具有正光焦度的凸凹透镜、具有正光焦度的双凸透镜和具有负光焦度的凹凸透镜，且均为球面透镜，满足：f1＝-7.9，f4＝15.2，f0＝5.6mm；物距范围：50mm～300mm；F-theta畸变：<1％；光圈数#F＝12；视场角2ω：163°；分辨率：1.3MP；光学总长：<40mm；适用照明光源：波长为520nm的单色光。便于降低镜头组装公差敏感性，且高低温性能稳定、镜头耐久度高，并降低了整个镜头的成本和工艺复杂性。
各个透镜的相关参数如表2所示：
表2
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
物面 球面 无穷远
S1 球面 28.6 1.9 1.51 61.1
S2 球面 3.9 4.8
S3 球面 -10.6 1.1 1.77 27.1
S4 球面 4.2 3 1.83 32.8
S5 球面 -10.3 1.2
S6 球面 5.8 2.6 1.91 25.6
S7 球面 13.5 0.4
Stop 球面 无穷远 3.1
S9 球面 72.3 2.1 1.60 65.6
S10 球面 -3.6 1.9 1.93 27.7
S11 球面 -5.2 1
S12 球面 无穷远 0.8 1.52 64.2
S13 球面 无穷远 6.1
IMA 球面 无穷远
表2中，各胶合透镜组的胶合面表示为同一表面序号，S1为第一透镜L1的物侧镜面，S2为第一透镜L1的像侧镜面，S3为第二透镜L2的物侧镜面，S4为第二透镜L2和第三透镜L3(即第一胶合透镜组)的胶合面，S5为第三透镜L3的像侧镜面，S6为第四透镜L4的物侧镜面，S7为第四透镜L4的像侧镜面，S9为第五透镜L5的物侧镜面，S10为第五透镜L5和第六透镜L6(即第二胶合透镜组)的胶合面，S11为第六透镜L6的像侧镜面，S12为滤光片F的物侧镜面，S13为滤光片F的像侧镜面，IMA为像面。
根据上述数据，本实施例在最佳工作物距90mm时的成像效果如图8的MTF曲线所示，全视场的MTF曲线都沿着衍射极限平缓下降，表示该扫描镜头在全视场内都具有较好的成像效果。并在图9和图10中的最近和最远工作物距时的MTF曲线皆表现较好，表示该扫描镜头在大景深范围内具有良好的成像效果。图11的F-theta畸变曲线图可以看出全视场F-theta畸变小于1％，满足扫描镜头对畸变的高要求。由图12和图13高低温离焦曲线可知，该扫描镜头在-20℃～85℃的温度环境下不离焦。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述大视场大景深低畸变扫描镜头由沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成，所述第二透镜L2、第三透镜L3组成第一胶合透镜组，所述第五透镜L5和第六透镜L6组成第二胶合透镜组，其中：
所述第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹透镜，所述第二透镜L2为双凹透镜，所述第三透镜L3为双凸透镜，所述第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹透镜，所述第五透镜L5为双凸透镜，所述第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸透镜；
所述大视场大景深低畸变扫描镜头满足如下条件：
FOV≥160°
其中，FOV为镜头的视场角；
所述大视场大景深低畸变扫描镜头还满足如下条件：
f1/f0<0，0.25<|f1/f4|<0.4，0.15<f0/TTL<0.25
其中，f0为镜头的有效焦距，f1为所述第一透镜L1的有效焦距，f4为所述第四透镜L4的有效焦距，TTL为镜头的光学总长。
2.如权利要求1所述的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述第二透镜L2为具有负光焦度的双凹透镜，所述第三透镜L3为具有正光焦度的双凸透镜，所述第五透镜L5为具有正光焦度的双凸透镜。
3.如权利要求1所述的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述大视场大景深低畸变扫描镜头还包括光阑STOP，所述光阑STOP位于所述第四透镜L4和第五透镜L5之间。
4.如权利要求1所述的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述大视场大景深低畸变扫描镜头还包括滤光片F，所述滤光片F位于所述第六透镜L6的像侧。
5.如权利要求1所述的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述大视场大景深低畸变扫描镜头的照明光源为波长450nm～525nm的单色光。
6.如权利要求1所述的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述大视场大景深低畸变扫描镜头的工作物距为50mm～300mm。
7.如权利要求1所述的一种大视场大景深低畸变扫描镜头，其特征在于：所述大视场大景深低畸变扫描镜头的工作温度区间为-20℃～85℃。
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低成本高变倍光学变焦手机摄像镜头设计;王海燕等;《激光与光电子学进展》;第48卷;122202-1-122202-5 *
摄影镜头的光学薄膜膜系设计;邢德华;《光学仪器》;20010430;第23卷(第02期);37-41 *

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