CN114859529B - 准直镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种准直镜头，共三片透镜，沿光轴从物面到成像面依次包括：具有正光焦度的第一透镜，其物侧面和像侧面均为凸面；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；光阑；具有负光焦度的第三透镜，其物侧面为凹面；所述准直镜头的有效焦距f与最大视场角所对应的物高OH满足：2.1＜OH/f。该准直镜头具有大投影视场、大投影面、高成像品质及低成本的优点。

Description

准直镜头
技术领域
本发明涉及成像镜头的技术领域，特别涉及一种准直镜头。
背景技术
3D结构光是指将特定的激光信息投射到物体表面后，由摄像头采集，根据物体造成的光信息的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。这种把特定激光器表面的有特定立体角发射的阵列点光源投影到被测物体表面的准直镜头，是3D成像质量的一个关键环节。然而，在现有的准直镜头中存在着投影视场小，无法实现远距离的清晰投影等诸多问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种准直镜头，具有大投影视场、大投影面、高成像品质及低成本的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种准直镜头，共三片透镜，沿光轴从物面到成像面依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，其物侧面和像侧面均为凸面；
具有正光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
光阑；
具有负光焦度的第三透镜，其物侧面为凹面；
所述准直镜头的有效焦距f与最大视场角所对应的物高OH满足：2.1＜OH/f。
较佳地，所述准直镜头的光学总长TTL与有效焦距f满足：4.5＜TTL/f＜6.0。
较佳地，所述准直镜头的有效焦距f与所述第一透镜的焦距f1满足：1.5＜f1/f＜2.5。
较佳地，所述准直镜头的有效焦距f与所述第二透镜的焦距f2满足：2.5＜f2/f＜4.0。
较佳地，所述准直镜头的有效焦距f与所述第三透镜的焦距f3满足：-3.5＜f3/f＜-2.4。
较佳地，所述准直镜头的有效焦距f与所述第一透镜物侧面曲率半径R1和像侧面曲率半径R2分别满足：3.5＜R1/f＜7.5；-2.6＜R2/f＜-2.0。
较佳地，所述第二透镜物侧面曲率半径R3与像侧面曲率半径R4满足：0.3＜R3/R4＜0.7。
较佳地，所述第二透镜像侧面曲率半径R4与所述第三透镜物侧面曲率半径R5满足：-1.4＜R4/R5＜-0.6。
较佳地，所述准直镜头的有效焦距f与所述第一透镜的中心厚度CT1、所述第二透镜的中心厚度CT2、所述第三透镜的中心厚度CT3分别满足：1.1＜CT1/f＜1.8；0.5＜CT2/f＜1.1；0.4＜CT3/f＜0.7。
较佳地，所述第三透镜物侧面的矢高SAG5和像侧面的矢高SAG6与所述第三透镜的中心厚度CT3分别满足：-1.1＜SAG5/CT3＜-0.5；-1.4＜SAG6/CT3＜-0.7；0.6＜SAG5/SAG6＜0.9。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：本申请的准直镜头通过合理的搭配各透镜之间的镜片形状与光焦度组合，实现了大投影视场、大投影面、高成像品质及低成本的优点。
本发明的附加方面与优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：
图1为本发明实施例1中准直镜头的结构示意图。
图2为本发明实施例1中准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图。
图3为本发明实施例1中准直镜头在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线图。
图4为本发明实施例2中准直镜头的结构示意图。
图5为本发明实施例2中准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图。
图6为本发明实施例2中准直镜头在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线图。
图7为本发明实施例3中准直镜头的结构示意图。
图8为本发明实施例3中准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图。
图9为本发明实施例3中准直镜头在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线图。
图10为本发明实施例4中准直镜头的结构示意图。
图11为本发明实施例4中准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图。
图12为本发明实施例4中准直镜头在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的实施例的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜最靠近被摄物体的表面称为该透镜的物侧面，每个透镜最靠近成像面的表面称为该透镜的像侧面。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
根据本申请实施例的准直镜头从物面到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜。
在一些实施例中，第一透镜可具有正光焦度，物侧面为凸面，能够汇聚来自物面的远心光束，并且可以有效地压缩准直镜头的光学总长。
在一些实施例中，第二透镜具有正光焦度，像侧面为凹面，能够矫正第一透镜产生的像差，同时还可以增强工作波段的聚焦能力。
在一些实施例中，第三透镜具有负光焦度，物侧面为凹面，能够平衡准直镜头的像差，同时还可以增大准直镜头的出射角度。
在一些实施例中，第二透镜和第三透镜之间可设置用于限制光束的光阑，不仅能够增大准直镜头的投影视场角，而且还能减少准直镜头像散的产生。
在一些实施例中，准直镜头的有效焦距f与最大视场角所对应的物高OH满足：2.1＜OH/f。满足上述范围，可以使得准直镜头能够匹配大像面，在投影时具有良好的成像品质。
在一些实施例中，准直镜头的光学总长TTL与有效焦距f满足：4.5＜TTL/f＜6.0。满足上述范围，可以有效地限制镜头的长度，有利于实现准直镜头小型化。
在一些实施例中，准直镜头的有效焦距f与第一透镜的焦距f1满足：1.5＜f1/f＜2.5。满足上述范围，可以使第一透镜具有适当的正光焦度，能够汇聚来自物侧面的远心光束，并且可以有效地压缩准直镜头的光学总长。
在一些实施例中，准直镜头的有效焦距f与第二透镜的焦距f2满足：2.5＜f2/f＜4.0。满足上述范围，可以使第二透镜具有适当的正光焦度，有利于光线平稳过渡，同时能够矫正光线经第一透镜过度折转所产生的像差，提升准直镜头的成像品质。
在一些实施例中，准直镜头的有效焦距f与第三透镜的焦距f3满足：-3.5＜f3/f＜-2.4。满足上述范围，可以使第三透镜具有适当的负光焦度，能够平衡准直镜头的像差，同时还可以增大准直镜头的出射角度。
在一些实施例中，准直镜头的有效焦距f与第一透镜物侧面曲率半径R1和像侧面曲率半径R2分别满足：3.5＜R1/f＜7.5；-2.6＜R2/f＜-2.0。满足上述范围，能够有效地降低第一透镜对准直镜头像差的影响，提升准直镜头的成像品质。
在一些实施例中，第二透镜物侧面曲率半径R3与像侧面曲率半径R4满足：0.3＜R3/R4＜0.7。满足上述范围，能够有效地降低平衡第一透镜产生的球差、慧差、像散和畸变，提升准直镜头的成像品质。
在一些实施例中，第二透镜像侧面曲率半径R4与第三透镜物侧面曲率半径R5满足：-1.4＜R4/R5＜-0.6。满足上述范围，可以控制第二透镜像侧面与第三透镜物侧面的形状，能够有效地平衡准直镜头的场曲，提升准直镜头的成像品质。
在一些实施例中，准直镜头的有效焦距f与第一透镜的中心厚度CT1、第二透镜的中心厚度CT2、第三透镜的中心厚度CT3分别满足：1.1＜CT1/f＜1.8；0.5＜CT2/f＜1.1；0.4＜CT3/f＜0.7。满足上述范围，能够降低各透镜自身产生的场曲对准直镜头的影响。
在一些实施例中，第三透镜物侧面的矢高SAG5和像侧面的矢高SAG6与第三透镜的中心厚度CT3分别满足：-1.1＜SAG5/CT3＜-0.5；-1.4＜SAG6/CT3＜-0.7；0.6＜SAG5/SAG6＜0.9。满足上述范围，可以通过控制第三透镜的矢高与中心厚度的比值，有效约束第三透镜形状过渡的均匀性，降低对准直镜头畸变的影响；同时还能够增大准直镜头的投影视场角。
为使系统具有更好的光学性能，镜头中采用多片非球面透镜，所述准直镜头的各非球面表面形状满足下列方程：
Figure 734579DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，z为曲面与曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，A、B、C、D、E、F分别为二阶、四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶曲面系数。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，准直镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
请参阅图1，所示为本发明实施例1中提供的准直镜头的结构示意图，该准直镜头沿光轴从物面到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、第三透镜L3。
第一透镜L1具有正光焦度，其物侧面S1和像侧面S2均为凸面；
第二透镜L2具有正光焦度，其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面；
光阑ST；
第三透镜L3具有负光焦度，其物侧面S5和像侧面S6均为凹面；
物面S0为平面，成像面S7为平面。
实施例1中的准直镜头中各透镜的相关参数如表1-1所示。
表 1-1
Figure 798350DEST_PATH_IMAGE002
实施例1中的准直镜头的非球面透镜的面型参数如表1-2所示。
表 1-2
Figure 731671DEST_PATH_IMAGE003
在本实施例中，准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图、F-tanθ畸变曲线图分别如图2、图3所示。
图2示出了实施例1在300mm像距成像时的场曲曲线，其表示不同波长的光线在子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量(单位：mm)，纵轴表示半物高(单位：mm)。
图3示出了实施例1在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在成像面上不同像高处的F-tanθ畸变，横轴表示F-tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半物高(单位：mm)。从图中可以看出，准直镜头的场曲控制在合理范围内，且F-tanθ畸变控制在1.6%以内，边缘大角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
实施例2
请参阅图4，所示为本发明实施例2中提供的准直镜头的结构示意图，该准直镜头沿光轴从物面到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、第三透镜L3。
第一透镜L1具有正光焦度，其物侧面S1和像侧面S2均为凸面；
第二透镜L2具有正光焦度，其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面；
光阑ST；
第三透镜L3具有负光焦度，其物侧面S5为凹面，像侧面S6为凸面。
实施例2中的准直镜头中各透镜的相关参数如表2-1所示。
表 2-1
Figure 197287DEST_PATH_IMAGE004
实施例2中的准直镜头的非球面透镜的面型参数如表2-2所示。
表 2-2
Figure 925072DEST_PATH_IMAGE005
在本实施例中，准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图、F-tanθ畸变曲线图分别如图5、图6所示。
图5示出了实施例2在300mm像距成像时的场曲曲线，其表示不同波长的光线在子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量(单位：mm)，纵轴表示半物高(单位：mm)。
图6示出了实施例2在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在成像面上不同像高处的F-tanθ畸变，横轴表示F-tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半物高(单位：mm)。从图中可以看出，准直镜头的场曲控制在合理范围内，且F-tanθ畸变控制在2.0%以内，边缘大角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
实施例3
请参阅图7，所示为本发明实施例3中提供的准直镜头的结构示意图，该准直镜头沿光轴从物面到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、第三透镜L3。
第一透镜L1具有正光焦度，其物侧面S1和像侧面S2均为凸面；
第二透镜L2具有正光焦度，其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面；
光阑ST；
第三透镜L3具有负光焦度，其物侧面S5和像侧面S6均为凹面。
实施例3中的准直镜头中各透镜的相关参数如表3-1所示。
表 3-1
Figure 476139DEST_PATH_IMAGE006
实施例3中的准直镜头的非球面透镜的面型参数如表3-2所示。
表 3-2
Figure 947572DEST_PATH_IMAGE007
在本实施例中，准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图、F-tanθ畸变曲线图分别如图8、图9所示。
图8示出了实施例3在300mm像距成像时的场曲曲线，其表示不同波长的光线在子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量(单位：mm)，纵轴表示半物高(单位：mm)。
图9示出了实施例3在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在成像面上不同像高处的F-tanθ畸变，横轴表示F-tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半物高(单位：mm)。从图中可以看出，准直镜头的场曲控制在合理范围内，且F-tanθ畸变控制在2.0%以内，边缘大角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
实施例4
请参阅图10，所示为本发明实施例4中提供的准直镜头的结构示意图，该准直镜头沿光轴从物面到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、第三透镜L3。
第一透镜L1具有正光焦度，其物侧面S1和像侧面S2均为凸面；
第二透镜L2具有正光焦度，其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面；
光阑ST；
第三透镜L3具有负光焦度，其物侧面S5为凹面，像侧面S6为凸面。
实施例4中的准直镜头中各透镜的相关参数如表4-1所示。
表 4-1
Figure 267694DEST_PATH_IMAGE008
实施例4中的准直镜头的非球面透镜的面型参数如表4-2所示。
表 4-2
Figure 431960DEST_PATH_IMAGE009
在本实施例中，准直镜头在300mm像距成像时的场曲曲线图、F-tanθ畸变曲线图分别如图11、图12所示。
图11示出了实施例4在300mm像距成像时的场曲曲线，其表示不同波长的光线在子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量(单位：mm)，纵轴表示半物高(单位：mm)。
图12示出了实施例4在300mm像距成像时的F-tanθ畸变曲线，其表示不同波长的光线在成像面上不同像高处的F-tanθ畸变，横轴表示F-tanθ畸变(单位：%)，纵轴表示半物高(单位：mm)。从图中可以看出，准直镜头的场曲控制在合理范围内，且F-tanθ畸变控制在2.0%以内，边缘大角度区域的图像压缩较为平缓，有效提高了展开图像的清晰度。
请参阅表5，为上述各实施例对应的光学特性，包括所述准直镜头的有效焦距f、光学总长TTL、物高OH、最大视场角FOV、以及数值孔径NA与各个实施例中每个条件式对应的数值。
表5
Figure 470323DEST_PATH_IMAGE010
综上所述，本发明实施例的准直镜头通过合理的搭配各透镜之间的镜片形状与光焦度组合，具有大投影视场、大投影面、高成像品质及低成本的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体与详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形与改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种准直镜头，共三片透镜，其特征在于，沿光轴从物面到成像面依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，其物侧面和像侧面均为凸面；
具有正光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
光阑；
具有负光焦度的第三透镜，其物侧面为凹面；
所述准直镜头的有效焦距f与最大视场角所对应的物高OH满足：2.1＜OH/f。
2.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的光学总长TTL与有效焦距f满足：4.5＜TTL/f＜6.0。
3.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的有效焦距f与所述第一透镜的焦距f1满足：1.5＜f1/f＜2.5。
4.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的有效焦距f与所述第二透镜的焦距f2满足：2.5＜f2/f＜4.0。
5.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的有效焦距f与所述第三透镜的焦距f3满足：-3.5＜f3/f＜-2.4。
6.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的有效焦距f与所述第一透镜物侧面曲率半径R1和像侧面曲率半径R2分别满足：3.5＜R1/f＜7.5；-2.6＜R2/f＜-2.0。
7.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述第二透镜物侧面曲率半径R3与像侧面曲率半径R4满足：0.3＜R3/R4＜0.7。
8.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述第二透镜像侧面曲率半径R4与所述第三透镜物侧面曲率半径R5满足：-1.4＜R4/R5＜-0.6。
9.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的有效焦距f与所述第一透镜的中心厚度CT1、所述第二透镜的中心厚度CT2、所述第三透镜的中心厚度CT3分别满足：1.1＜CT1/f＜1.8；0.5＜CT2/f＜1.1；0.4＜CT3/f＜0.7。
10.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述第三透镜物侧面的矢高SAG5和像侧面的矢高SAG6与所述第三透镜的中心厚度CT3分别满足：-1.1＜SAG5/CT3＜-0.5；-1.4＜SAG6/CT3＜-0.7；0.6＜SAG5/SAG6＜0.9。
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