CN114578517B - 一种超短大靶面tof光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学镜头技术领域的一种超短大靶面TOF光学镜头，包括光学镜头，光学镜头的镜筒内设有光学系统，光学系统包括沿光轴方向从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜、光阑元件、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为负的第六透镜、滤光片及像面；第一透镜的凸面朝向物侧，第二透镜的凸面朝向物侧，第三透镜的为双凸镜片，第四透镜为双凹镜面，第五透镜为双凸镜面，第六透镜的凸面朝向像侧。本发明通过采用合理光焦度分配且具有特定结构形状的透镜组成的光学镜头，可以在紧凑架构下达到大靶面像高。该光学镜头可在大光圈设计中矫正轴外像差，减少渐晕，提升边缘视场照度，并减小光学总长，提升成像质量，实现大靶面像高，高照度、且高低温下工作性能稳定的成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，具体地，涉及一种超短大靶面TOF光学镜头。
背景技术
TOF(Time Of Flight，飞行测距)，是一种深度信息测量技术方案，由红外光投射器和接收模组构成。简单地讲，TOF就是计算光/红外线的反弹时间，来计算事物与信号发射源之间距离的一种技术，通过获得多点的距离， TOF传感系统可以有效塑造一个3D立体模型，该技术已被广泛应用在测绘、物流、无人驾驶等多个领域。而镜头是TOF深度传感器的重要构成部分，镜头光学性能直接影响成像质量及成像视野，搭配TOF深度传感器使用的深度摄像头的需求日益突出,该类深度摄像头通常工作在近红外波段，中心波长850nm，或者940nm，要求具有光圈大(F/#≤1.2)、照度高、视场角大、尺寸小等特点。
现有技术中，申请号为202011062161.5的发明公开了一种小型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，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。但其镜头像高小，最大像高为φ4.5mm，无法匹配1/2芯片；且结构采用4G2P，高低温稳定性不好；相对照度比较低，φ4.5像高对应照度仅可达45％左右。
因此，急需一种超短大靶面TOF光学镜头解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种超短大靶面TOF光学镜头，包括光学镜头，所述光学镜头的镜筒内设有光学系统，所述光学系统包括沿光轴方向从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜、光阑元件、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为负的第六透镜、滤光片及像面；
所述第一透镜的凸面朝向物侧，第二透镜的凸面朝向物侧，第三透镜的为双凸镜片，第四透镜为双凹镜面，第五透镜为双凸镜面，第六透镜的凸面朝向像侧。
优选的，所述光学系统满足如下条件：-12.5<f1<-10.2；17<f2<21； 3.5<f3<6.2；-7.3<f4<-5.2；4.8<f5<7.1；-25.8<f6<-23.2；其中，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距， f4为第四透镜的有效焦距，f5为第五透镜的有效焦距，f6为第六透镜的有效焦距。
优选的，所述光学系统满足如下条件：1.4<n1<1.65；1.7<n2<1.98； 1.82<n3<2.01；1.4<n4<1.65；1.82<n5<2.01；1.5<n6<1.75；其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n3为第三透镜的折射率，n4为第四透镜的折射率；n5为第五透镜的折射率，n6为第六透镜的折射率。
优选的，所述光学镜头满足如下条件：L/h<2.25；其中，L表示所述光学镜头的总长度，即第一透镜至像面的距离，h表示像高。
优选的，所述第六透镜为模造玻璃透镜。
优选的，所述所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜的有效面均镀有波长400nm～1000nm、透过率为99.2-99.5％的宽带增透膜。
本发明还包括能够使一种超短大靶面TOF光学镜头正常使用的其它组件，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件均采用本领域中的常规技术手段，如光阑元件、滤光片、像面、模造玻璃透镜、各透镜及宽带增透膜等均为本领域常规设备。
本发明的工作原理是，本发明采用五片全玻镜片和1片非球面玻璃镜片，通过优化各透镜的形状、焦距、孔径、光阑位置等，实现近红外波段良好的成像效果，且全玻镜头的高低温性能更稳定；本发明采用1片非球面玻璃镜片，可在大光圈设计中矫正轴外像差，减少渐晕，提升像质，提升边缘照度及减小光学总长，且MTF的离焦性能较佳，有助于实现镜头大像高，实现超大靶面，最大像高可达φ8.0mm，提高相对照度，φ8.0mm像高相对照度可达到64％；使镜头具有较大的视场角和相对亮度，可匹配1/2Sensor,收光能力强,利于 940nm光能量的转换效率，可实现大角度探测以及获得更加精确三维数据，对捕获信息的空间尺寸和亮度信息有较高的还原度。
本发明的有益效果，通过采用合理光焦度分配且具有特定结构形状的透镜组成的光学镜头，可以在紧凑架构下达到大靶面像高。该光学镜头可在大光圈设计中矫正轴外像差，减少渐晕，提升边缘视场照度，并减小光学总长，提升成像质量，实现大靶面像高，高照度、且高低温下工作性能稳定的成像效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本申请实施例中的光学系统的结构示意图；
图2为本申请实施例中光学系统的调制传递函数(MTF)解析图；
图3为本申请实施例中光学系统在低温零下30摄氏度时的离焦曲线图；
图4为本申请实施例中光学系统在高温75摄氏度时的离焦曲线图；
图5为本申请实施例中光学系统的相对照度图；
图6为本申请实施例中光学系统的场曲图；
图7为本申请实施例中光学系统的点列图。
图中：1.第一透镜，2.第二透镜，3.光阑元件，4.第三透镜，5.第四透镜，6.第五透镜，7.第六透镜，8、滤光片，9、像面。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图以及具体实施例对本发明进行清楚地描述，在此处的描述仅仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例
如图1-7所示，本发明提供了一种超短大靶面TOF光学镜头，包括光学镜头，所述光学镜头的镜筒内设有光学系统，所述光学系统包括沿光轴方向从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜1、光焦度为正的第二透镜2、光阑元件3、光焦度为正的第三透镜4、光焦度为负的第四透镜5、光焦度为正的第五透镜6、光焦度为负的第六透镜7、滤光片8及像面9；
所述第一透镜为弯月型球面镜片，其凸面朝向物侧；第二透镜为弯月型球面镜片，其凸面朝向物侧；第三透镜的为双凸的球面镜片；第四透镜为双凹的球面镜片；第五透镜为双凸的球面镜片；第六透镜为弯月型非球面玻璃镜片，其凸面朝向像侧；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜分别为玻璃球面镜片；第六透镜为玻璃非球面镜片。
本发明实施例提供的一种超短大靶面TOF光学镜头，通过采用合理光焦度分配及具有特定结构形状的多个透镜组成光学镜头，可以在紧凑架构下达到大靶面像高。该镜头可在大光圈设计中矫正轴外像差，减少渐晕，提升边缘视场照度，并减小光学总长，提升成像质量，实现大靶面像高，高照度、且高低温下工作性能稳定，满足大靶面芯片的使用且结构紧凑、外形尺寸小，可广泛应用于TOF深度传感器领域。
具体实施时，本发明的光学系统满足如下条件：f1＝-11.278、 f2＝19.551、f3＝4.935、f4＝-6.1、f5＝5.393、f6＝-24.915，其中，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距，f5为第五透镜的有效焦距，f6为第六透镜的有效焦距。
所述光学系统满足如下条件：n1＝1.49、n2＝1.95、n3＝2、n4＝1.49、 n5＝2、n6＝1.69；其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n3 为第三透镜的折射率，n4为第四透镜的折射率；n5为第五透镜的折射率，n6 为第六透镜的折射率。
所述光学镜头满足如下条件：L/h＜2.25；其中，L表示所述光学镜头的总长度，即第一透镜至像面的距离，h表示像高。
所述第六透镜为模造玻璃透镜。
所述所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜的所有的镜片面均镀有波长400nm～1000nm、透过率为99.2-99.5％的宽带增透膜。
本实施例中各透镜表面的半径值、厚度如表1所示：
| Surf | Radius | Thickness | Index | ABB | EFL-E |
| OBJ | Infinity | Infinity | |||
| 1 | 9.708 | 0.6 | 1.49 | 70.42 | -11.278 |
| 2 | 3.408 | 2.185929 | |||
| 3 | 15.274 | 1.27 | 1.95 | 17.942 | 19.551 |
| 4 | 106.943 | 0.8925889 | |||
| STO | Infinity | 0.8468994 | |||
| 6 | 11.724 | 2.68 | 2 | 28.32 | 4.935 |
| 7 | -7.207 | 0.2862103 | |||
| 8 | -5.957 | 0.6 | 1.49 | 70.42 | -6.1 |
| 9 | 5.957 | 0.8004108 | |||
| 10 | 12.974 | 2.44 | 2 | 28.32 | 5.393 |
| 11 | -7.985 | 0.05 | |||
| 12 | 23.99237 | 1 | 1.69 | 31.08 | -24.915 |
| 13 | 9.674502 | 0.6446384 | |||
| 14 | Infinity | 0.7 | 1.52 | 64.21 | |
| 15 | Infinity | 1.980972 | |||
| IMA | Infinity |
表1
表1中提供的光学系统有效焦距为4.83mm，光圈值为1.2，光学系统总长为17mm，全视场角为86°，全像高为φ8.0mm。在表1中，镜面序号1、2依次代表第一透镜的沿光线入射方向的两个镜面，镜面序号3、4代表第二透镜的沿光线入射方向的两个镜面，镜面序号6、7代表第三透镜的沿光线入射方向的两个镜面，镜面序号8、9代表第四透镜的沿光线入射方向的两个镜面，镜面序号10、11代表第五透镜的沿光线入射方向的两个镜面，镜面序号12、 13代表第六透镜的沿光线入射方向的两个镜面，镜面序号14、15代表滤光片的沿光线入射方向的两个镜面。
本发明实施例中第六透镜的非球面数据如表2所示：
表2
非球面系数满足如下方程：
其中，z为非球面矢高，c为非球面近轴曲率，y为镜头口径，k为圆锥系数，a4为4次非球面系数、a6为6次非球面系数、a8为8次非球面系数、a10 为10次非球面系数、a12为12次非球面系数。
上述实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜的折射率分别为1.49、1.95、2、1.49、2、1.69，满足光学系统中 1.4<n1<1.65、1.7<n2<1.98、1.82<n3<2.01、1.4<n4<1.65、1.82<n5<2.01、 1.5<n6<1.75的要求。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、的有效焦距分别为-11.278、19.551、4.935、-6.1、5.393、- 24.915，满足要求。满足光学系统对-12.5<f1<-10.2、17<f2<21、3.5<f3<6.2、-7.3<f4<-5.2、4.8<f5<7.1、-25.8<f6<-23.2的要求。 L/h＝2.125，其中，光学镜头总长L为17mm，像高h为8mm，满足L/h<2.25的要求。
图2至图7为本实施例的光学性能曲线图，其中图2为解析图，纵坐标表示MTF值，曲线越高，表示成像质量越好；图3为低温零下30摄氏度时的离焦曲线图，曲线偏离中心越小越好；图4为高温75摄氏度时的离焦曲线图，曲线偏离中心越小越好；图5为相对照度图，纵坐标表示照度值，曲线越高，表示边缘照度越高；图6为场曲图，曲线越靠近中心，畸变越小；图7为点列图，点数值越小，成像越清晰。
本发明实施例中，光学镜头总长L为17mm，结构紧凑；采用五片全玻镜片和一片非球面玻璃镜片，通过优化各透镜的形状、焦距、孔径光阑位置以及各零件间的空气间隔，实现近红外波段良好的成像效果(图2所示，MTF值比较高)，且全玻镜头的高低温性能更稳定(如附图3与附图4中所示)；本发明采用1片非球面玻璃镜片，可在大光圈设计中矫正轴外像差，减少渐晕，提升像质，提升边缘照度及减小光学总长，且MTF的离焦性能较佳，有助于实现镜头大像高(如附图7中所示)，图2为本实施例中光学系统的调制传递函数(MTF) 解析图，代表了光学系统的综合解像能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米(cycles/mm)，纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1)；该镜头具有较大的视场角和相对亮度 (如图5所示)，可匹配1/2Sensor,收光能力强,利于940nm光能量的转换效率，可实现大角度探测以及获得更加精确三维数据，对捕获信息的空间尺寸和亮度信息有较高的还原度。
从上述表1及表2参数结合图2-7可知本发明通过采用合理光焦度分配具有特定结构形状的透镜组成的光学系统，可以在紧凑架构下达到大靶面像高。该镜头不仅可在大光圈设计中矫正轴外像差，减少渐晕，提升边缘视场照度，并减小光学总长，提升成像质量，实现大靶面像高，最大像高h可达φ8.0mm，而且在高照度、且高低温下工作性能稳定，满足了大靶面芯片的使用的同时，实现了结构紧凑、外形尺寸小，可广泛应用于TOF深度传感器领域的技术效果。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种超短大靶面TOF光学镜头，包括光学镜头，所述光学镜头的镜筒内设有光学系统，其特征在于：所述光学系统包括沿光轴方向从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜、光阑元件、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为负的第六透镜、滤光片及像面； 所述第一透镜的凸面朝向物侧，所述第一透镜为弯月型球面镜片，第二透镜的凸面朝向物侧，第二透镜为弯月型球面镜片，第三透镜的为双凸镜片，第三透镜的为双凸的球面镜片；第四透镜为双凹镜面，第四透镜为双凹的球面镜片，第五透镜为双凸镜面，第五透镜为双凸的球面镜片，第六透镜的凸面朝向像侧，第六透镜为弯月型非球面玻璃镜片；第一透镜、第二透 镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜分别为玻璃球面镜片；第六透镜为玻璃非球面镜片，第六透镜为模造玻璃透镜；
所述光学系统满足如下条件：f1＝-11.278、f2＝19.551、f3＝ 4.935、f4＝-6.1、f5＝5.393、f6＝-24.915，其中，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜 的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距，f5为第五透镜的有效焦距，f6为第六透镜的有效焦距；
n1＝1.49、n2＝1.95、n3＝2、n4＝1.49、n5＝2、n6＝1.69；其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n3为第三透镜的折射率，n4为第四透镜的折射率；n5为第五透镜的折射率，n6为第六透镜的折射率；
所述光学镜头满足如下条件：L/h＜2.25；其中，L表示所述光学镜头的总长度，即第一透镜至像面的距离，h表示像高。
2.根据权利要求1所述的一种超短大靶面TOF光学镜头，其特征在于：所述所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜的有效面均镀有波长400nm～1000nm、透过率为99.2-99.5％的宽带增透膜。
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