CN113885167A - 一种定焦成像系统及定焦成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种定焦成像系统和定焦成像镜头，包括，第一透镜组，所述第一透镜组包括第一透镜，第二透镜和第三透镜；所述第一透镜，所述第二透镜和所述第三透镜沿着主光轴依次排列；液态镜片，设置在所述第一透镜组的像面侧；胶合片，设置在所述液态镜片的像面侧；第二透镜组，设置在所述胶合片的像面侧；所述第一透镜组，所述液态镜片，所述胶合片和所述第二透镜组沿着主光轴依次排列。本发明可以实现快速准确的对焦。

Description

一种定焦成像系统及定焦成像镜头

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种定焦成像系统及定焦成像镜头。

背景技术

一个没有对焦的图像是无法采集到有效的图像信息的，所以对焦一直是所有视觉成像使用过程中需要面对的重要问题。传统的对焦方式有手动对焦、相位对焦、TOF对焦、VCM对焦、TOF对焦等方式，这些方式的原理有：机械后焦补偿、牺牲光通量算法补偿、外置传感器算法补偿等。它们无论是对焦精度、对焦速度、硬件或算法成本上都会有比较大的劣势，但为了保证图像对焦可用，在应用端就要牺牲一些性能或成本优势做一定的妥协。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种定焦成像系统及定焦成像镜头，该定焦成像系统可以实现快速准确的对焦，不需要使用电机及其他硬件。

为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种定焦成像系统，包括：

第一透镜组，所述第一透镜组包括第一透镜，第二透镜和第三透镜；所述第一透镜，所述第二透镜和所述第三透镜沿着主光轴依次排列；

液态镜片，设置在所述第一透镜组的像面侧；

胶合片，设置在所述液态镜片的像面侧；

第二透镜组，设置在所述胶合片的像面侧；所述第一透镜组，所述液态镜片，所述胶合片和所述第二透镜组沿着主光轴依次排列。

进一步地，所述定焦成像系统还包括光阑，所述光阑设置于所述液态镜片内。

进一步地，所述第一透镜至所述第二透镜的光学间隔小于所述第二透镜至所述第三透镜的光学间隔。

进一步地，所述第一透镜包括凸凹透镜，所述第一透镜的物面为凸球面，所述第一透镜的像面为凹球面；所述第一透镜的物面的曲率半径在48-49mm之间，所述第一透镜的像面的曲率半径在20-21mm之间。

进一步地，所述第二透镜包括凹凸透镜，所述第二透镜的物面为凹球面，所述第二透镜的像面为凸球面；所述第二透镜的物面的曲率半径在100-102mm之间，所述第二透镜的像面的曲率半径在42-43mm之间。

进一步地，所述第三透镜包括双凸球面，所述第三透镜的物面为凸球面，所述第三透镜的像面为凸球面；所述第三透镜的物面的曲率半径在31-32mm之间，所述第三透镜的像面的曲率半径在88-89mm之间。

进一步地，所述胶合片包括第一胶合片和第二胶合片。

进一步地，所述第一胶合片的物面包括凸球面，所述第一胶合片的像面为凸球面，所述第一胶合片的物面的曲率半径在39-40mm之间，所述第一胶合片的像面的曲率半径在15-16mm之间；所述第二胶合片的物面包括凹球面，所述第二胶合片的物面的曲率半径等于所述第一胶合片的像面的曲率半径，所述第二胶合片的像面包括凸球面，所述第二胶合片的像面的曲率半径在23-24mm之间。

进一步地，所述第二透镜组包括第四透镜和第五透镜；所述第四透镜和所述第五透镜沿着主光轴依次排列。

进一步地，所述第四透镜包括双凸球面，所述第四透镜的物面为凸球面，所述第四透镜的像面为凸球面；所述第四透镜的物面的曲率半径在28-29mm之间，所述第四透镜的像面的曲率半径在28-29mm之间。

进一步地，所述第五透镜包括双凹球面，所述第五透镜的物面为凹球面，所述第五透镜的像面为凹球面；所述第五透镜的物面的曲率半径在26-27mm之间，所述第五透镜的像面的曲率半径在23-24mm之间。

进一步地，所述第三透镜至所述液态镜片的光学间隔小于所述第二透镜至所述第三透镜的光学间隔。

进一步地，所述液态镜片至所述胶合片的光学间隔在2-4mm之间。

进一步地，所述第四透镜至所述第五透镜的光学间隔在0.2-0.3mm之间，所述第五透镜至所述定焦成像系统的像面的光学间隔在2-3mm之间。

进一步地，本发明还提出一种定焦成像镜头，包括：

壳体；

定焦成像系统，设置在所述壳体内，所述定焦成像系统包括：

第一透镜组；

液态镜片，设置在所述第一透镜组的像面侧；

胶合片，设置在所述液态镜片的像面侧；

第二透镜组，设置在所述胶合片的像面侧；所述第一透镜组，所述液态镜片，所述胶合片和所述第二透镜组沿着主光轴依次排列。

综上所述，本发明提出一种定焦成像系统及定焦成像镜头，通过在第一透镜组和第二透镜组之间设置液态镜片，能够对液态镜片电压和曲率的对应关系补偿到系统不同的对焦位置，从而根据不同的应用实现快速准确的对焦。

附图说明

图1：本实施例提出的定焦成像系统的结构示意图。

图2：本实施例中定焦成像系统的场曲图和畸变图。

图3：本实施例中定焦成像系统的光学传递函数图。

图4：本实施例中定焦成像系统的像面照度图。

图5：本实施例中定焦成像系统的弥散圆图。

图6：本实施例提出的定焦成像镜头的简要示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提出一种定焦成像系统10，该定焦成像系统10可以包括第一透镜组11，液态镜片104，胶合片105和第二透镜组12。第一透镜组11，液态镜片104，胶合片105和第二透镜组12沿着主光轴依次排列。该液态镜片104可以使得该定焦成像系统10实现不同焦距的调节。该定焦成像系统10的总长可以为40-41mm，例如为40.00155mm。

如图1所示，在本实施例中，该第一透镜组11可以包括第一透镜101，第二透镜102和第三透镜103。第一透镜101，第二透镜102和第三透镜103沿着主光轴依次排列。在本实施例中，该第一透镜101可以为凸凹透镜，第一透镜101的物面可以为凸球面，第一透镜101的物面的曲率半径可以介于48-49mm之间，例如为48.4mm。第一透镜101的像面可以为凹球面，第一透镜101的像面的曲率半径可以介于20-21mm之间，例如为20.1mm。第二透镜102位于第一透镜101的像面侧，第二透镜102可以为凹凸透镜，第二透镜102的物面可以为凹球面，第二透镜102的物面的曲率半径可以介于100-102mm之间，例如为-101mm。第二透镜102的像面为凸球面，第二透镜102的像面的曲率半径介于42-43mm之间，例如为-42.89mm。需要说明的是，“-”仅表示方向。第三透镜103可以为双凸透镜，第三透镜103的物面为凸球面，第三透镜103的曲率半径可以介于31-32mm之间，例如为31.99mm。第三透镜103的像面可以为凸球面，第三透镜103的像面的曲率半径88-89mm，例如为-88.6mm。

如图1所示，在本实施例中，第一透镜101可以采用镧冕玻璃(h-lak2a)，第二透镜102可以采用冕玻璃(h-k91)，第三透镜103可以采用重冕玻璃(h-zk101)。第一透镜101，第二透镜102,和第三透镜103可以是高色散，低折射率的玻璃材料。第一透镜101至第二透镜102的光学间隔可以小于第二透镜102至第三透镜103的光学间隔。第一透镜101至第二透镜102的光学间隔可以等于1mm。第二透镜102至第三透镜103的光学间隔可以等于10.1mm。第三透镜103至液态镜片104的光学间隔可以小于第二透镜102至第三透镜103的光学间隔，第三透镜103至液态镜片104的光学间隔可以为2.7mm。液态镜片104可以采用康宁的A39-NO。液态镜片104可以位于第三透镜103的像面侧，也就是位于第一透镜组11的像面侧。

如图1所示，在本实施例中，胶合片105位于液态镜片104的像面侧，胶合片105可以包括第一胶合片1051和第二胶合片1052。第一胶合片1051可以为双凸透镜，第一胶合片1051的物面可以为凸球面，第一胶合片1051的物面的曲率半径可以介于39-40mm之间，例如为39.06mm。第一胶合片1051的像面可以为凸球面，第一胶合片1051的像面的曲率半径可以介于15-16mm之间，例如为-15.8mm。第二胶合片1052的像面可以为凹球面，第二胶合片1052的曲率半径等于第一胶合片1051的像面的曲率半径。第二胶合片1052的像面可以为凸球面，第二胶合片1052的像面的曲率半径可以介于23-24mm之间，例如为-23.84mm。第一胶合片1051可以采用镧冕玻璃(h-lak2a)，第二胶合片1052可以采用重火石玻璃(h-zf4a)。液态镜片104至胶合片105的光学间隔可以大于第一透镜101至第二透镜102的光学间隔，液态镜片104至胶合片105的光学间隔可以为3mm。液态镜片104的的封装的厚度可以为5.5-6mm，液态镜片104的通光口径为3.9mm。定焦成像系统10还包括光阑(图中未显示)，光阑设置于液态镜片104内的封装滤镜位置，由此通过液态镜片104有限的曲率改变量来对应更大范围的对焦距离。

如图1所示，在本实施例中，第二透镜组12位于胶合片105的像面侧，第二透镜组12可以包括第四透镜106和第五透镜107。第四透镜106和第五透镜107沿着主光轴依次排列，第四透镜106位于胶合片105的像面侧，第五透镜107位于第四透镜106的像面侧。第四透镜106可以为双凸透镜，第四透镜106的物面可以为凸球面，第四透镜106的物面的曲率半径可以介于28-29mm之间，例如为28.37mm。第四透镜106的像面可以为凸球面，第四透镜106的像面的的曲率半径可以介于28-29mm之间，例如为-28.37mm。第四透镜106的像面的曲率半径可以等于第四透镜106的物面的曲率半径。第五透镜107可以为双凹透镜，第五透镜107的物面可以为凹球面，第五透镜107的物面的曲率半径介于26-27mm之间，例如为-26.12mm。第五透镜107的像面可以为凹球面，第五透镜107的像面的曲率半径可以介于23-24mm之间，例如为23.97mm。

如图1所示，在本实施例中，第四透镜106可以采用重冕玻璃(h-zk21)，第五透镜107可以采用轻冕玻璃(h-qk3l)。胶合片105至第四透镜106的光学间隔可以为2.5mm，第四透镜106至第五透镜107的光学间隔可以为0.21mm，第五透镜107至定焦成像系统10的像面的光学间隔2.11mm。本实施例中，该定焦成像系统10的物方视角可以为36.4°，该像方主光线的角度CRA为22.8°。

如图1所示，在本实施例中，所述物面是指透镜朝向物侧的一面，所述像面是该透镜朝向像侧的一面，第一胶合片1051和第二胶合片1052的两个镜片之间可以以光学胶体固定，当然也可采用机械式手段(例如是定位槽)来夹持固定。为了保证成像质量，各所述透镜的曲率半径的公差约束在牛顿环3个光圈范围内。需要说明的是，所述各透镜的形状参数可以根据需要进行灵活的调整，并不限于上述列举的参数。

如图2所示，图2显示为该定焦成像系统10的场曲(Field Curvature)图(图2中的左图)和畸变(distortion)图(图2中的右图)。在场曲图中，实线代表子午曲线，而虚线代表弧矢曲线，横坐标是毫米，纵坐标对应定焦定焦成像系统的(半)视场区间Y+，实线从左向右依次代表波长为486.1nm、587.6nm、656.3nm和850.0nm时的子午曲线，虚线从左向右依次代表工作波段为486.1nm、587.6nm、656.3nm和850.0nm时的弧矢曲线。需要说明的是，由于本发明的定焦成像系统旋转对称，因此图2只研究半视场的性能。在场曲图中，最大市场可以为23.2°，弧矢曲线可以为0.0143mm，子午曲线可以为0.0396mm。在畸变图中，横坐标是畸变百分比，纵坐标对应定焦定焦成像系统对应的(半)视场区间Y+，四条重合曲线分别代表该定焦定焦成像系统在波长为486.1nm、587.6nm、656.3nm和850.0nm时畸变(Distortion)图；光学成像系统畸变的大小，一般最大的畸变会出现在视场的整个边缘位置，从图2中可知，定焦成像系统10的最大畸变为1.45％。

如图3所示，图3表示定焦成像系统傅里叶变换的调制传递函数(FFT MTF)图。在图3中，横坐标为以mm为单位的空间频率，纵坐标为光学传递函数的系数(Modulus of theOTF)，从图中可以看出在工作波段下，整个定焦成像系统的空间传递函数，这是整个定焦成像系统在这个波段下工作的性能参数之一，是整个系统分辨率评价的方式，图中示出了不同视场的对应的曲线图。图3中显示为从486.1nm至850.0nm的波段的像面数据。

如图4所示，图4显示为定焦成像系统的像面照度图。在图4中，横坐标为Y轴视场角度，纵坐标为相对照度(RelativeIllumination)。相对照度主要体现光线经过定焦成像系统后像面不同的区域内光照分布的情况，体现了不同视场光照度的衰减情况，是评价整个定焦成像系统像面照度的重要指标。图4中的像面照度曲线在0.6-1.0之间，说明随着视场大小的变化照度的均匀性也会有相应的变化，从图4中可以看出，曲线的最大衰减在0.65的位置，说明整个视场带有一点的渐晕，像面在整个范围内照度均匀，且衰减可以忽略。

如图5所示，图5显示为定焦成像系统的弥散圆图，也就是定焦成像系统在波长为486.1nm、587.6nm、656.3nm和850.0nm时弥散圆。图5体现了不同视场成像像差的情况，不同视场区域内像差的分布，也是评价一个定焦成像系统整体成像特性的一种重要的方式，从图5中可以看出在设计波长范围内中心视场的成像和边缘视场的成像都能达到4个微米以内，中心区域图像满足600万分辨率工业相机的视野要求满足300万分辨率工业相机的使用要求。

如图6所示，本实施例还提出一种定焦成像镜头20，该定焦成像镜头20镜头包括壳体21和定焦成像系统10，该定焦成像系统10设置在壳体21内，该定焦成像系统10的具体结构可参阅上述描述。该定焦成像镜头20可例如用于智能家居、安防、物流等行业视觉监控等领域。

综上所述，本发明提出一种定焦成像系统及定焦成像镜头，通过在第一透镜组和第二透镜组之间设置液态镜片，能够对液态镜片电压和曲率的对应关系补偿到系统不同的对焦位置，从而根据不同的应用实现快速准确的对焦。

综上所述，本发明提出的定焦成像系统的工作波段可以为可见光波段和850nm波段，通过不同折射率和色散系数的胶合镜片对整个系统的轴向色差和垂轴色差做了补偿校正。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (15)

1.一种定焦成像系统，其特征在于，包括：

第一透镜组，所述第一透镜组包括第一透镜，第二透镜和第三透镜；所述第一透镜，所述第二透镜和所述第三透镜沿着主光轴依次排列；

液态镜片，设置在所述第一透镜组的像面侧；

胶合片，设置在所述液态镜片的像面侧；

第二透镜组，设置在所述胶合片的像面侧；所述第一透镜组，所述液态镜片，所述胶合片和所述第二透镜组沿着主光轴依次排列。

2.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述定焦成像系统还包括光阑，所述光阑设置于所述液态镜片内。

3.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第一透镜至所述第二透镜的光学间隔小于所述第二透镜至所述第三透镜的光学间隔。

4.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第一透镜包括凸凹透镜，所述第一透镜的物面为凸球面，所述第一透镜的像面为凹球面；所述第一透镜的物面的曲率半径在48-49mm之间，所述第一透镜的像面的曲率半径在20-21mm之间。

5.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第二透镜包括凹凸透镜，所述第二透镜的物面为凹球面，所述第二透镜的像面为凸球面；所述第二透镜的物面的曲率半径在100-102mm之间，所述第二透镜的像面的曲率半径在42-43mm之间。

6.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第三透镜包括双凸球面，所述第三透镜的物面为凸球面，所述第三透镜的像面为凸球面；所述第三透镜的物面的曲率半径在31-32mm之间，所述第三透镜的像面的曲率半径在88-89mm之间。

7.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述胶合片包括第一胶合片和第二胶合片。

8.根据权利要求7所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第一胶合片的物面包括凸球面，所述第一胶合片的像面为凸球面，所述第一胶合片的物面的曲率半径在39-40mm之间，所述第一胶合片的像面的曲率半径在15-16mm之间；所述第二胶合片的物面包括凹球面，所述第二胶合片的物面的曲率半径等于所述第一胶合片的像面的曲率半径，所述第二胶合片的像面包括凸球面，所述第二胶合片的像面的曲率半径在23-24mm之间。

9.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第二透镜组包括第四透镜和第五透镜；所述第四透镜和所述第五透镜沿着主光轴依次排列。

10.根据权利要求9所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第四透镜包括双凸球面，所述第四透镜的物面为凸球面，所述第四透镜的像面为凸球面；所述第四透镜的物面的曲率半径在28-29mm之间，所述第四透镜的像面的曲率半径在28-29mm之间。

11.根据权利要求9所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第五透镜包括双凹球面，所述第五透镜的物面为凹球面，所述第五透镜的像面为凹球面；所述第五透镜的物面的曲率半径在26-27mm之间，所述第五透镜的像面的曲率半径在23-24mm之间。

12.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第三透镜至所述液态镜片的光学间隔小于所述第二透镜至所述第三透镜的光学间隔。

13.根据权利要求1所述的定焦成像系统，其特征在于，所述液态镜片至所述胶合片的光学间隔在2-4mm之间。

14.根据权利要求9所述的定焦成像系统，其特征在于，所述第四透镜至所述第五透镜的光学间隔在0.2-0.3mm之间，所述第五透镜至所述定焦成像系统的像面的光学间隔在2-3mm之间。

15.一种定焦成像镜头，其特征在于，包括：

壳体；

定焦成像系统，设置在所述壳体内，所述定焦成像系统包括：

第一透镜组，

液态镜片，设置在所述第一透镜组的像面侧；

胶合片，设置在所述液态镜片的像面侧；

第二透镜组，设置在所述胶合片的像面侧；所述第一透镜组，所述液态镜片，所述胶合片和所述第二透镜组沿着主光轴依次排列。

Images