CN115047593A - 一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态调焦镜头，具体涉及一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头。从镜头座前端到后端依次包括：具有负光焦度的第一弯月透镜、具有正光焦度的第二弯月透镜、具有正光焦度的第三弯月透镜、光阑、具有负光焦度的双凹透镜、具有正光焦度的平凸透镜、具有正光焦度的双凸透镜、线材、液态镜片模块。液态镜片模块由线材供电并实现调焦功能，且置于玻璃镜片组后端可以单独拆卸；通过加电驱动液态镜片模块内部液‑液面曲率变化完成整个镜头的自动调焦，能够有效控制像差。第一具有负光焦度的弯月透镜，利用其对光线的发散作用来收集大视场角的光线，且与正光焦度的第二弯月透镜组合具有消除像差的作用。

Description

一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头

技术领域

本发明涉及一种液态调焦镜头，具体涉及一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头。

背景技术

一维码、二维码作为一种重要的信息载体已经广泛应用于支付、医疗、工业等多个领域，而扫码设备是将条码信息转换为数字信息的重要途径，一直是机器视觉领域不可或缺的一部分。光学镜头作为扫码设备的重要组成部分是连接实体条码和图像传感器的桥梁。传统扫码设备使用的是不可调焦的定焦镜头，即识读物距固定，依靠景深对条码进行识读。这种扫码设备的识读精度和安装高度都因此受限。

自动对焦技术的出现无疑提供了很好的解决方案，通过自动对焦技术可以改变物距，使得扫码设备的识读景深大大增加，应用场景也更加广泛。目前广泛使用的机械对焦方式具有对焦速度慢、对焦马达增加了镜头整体的体积和重量，最重要的是对焦过程中机械震动会带动图像传感器震动，从而影响图像清晰度，进而影响对焦算法的判断。如今，光流控技术的发展给自动对焦扫码设备提供了一个新的可能，基于光流控技术的液态镜片可以通过施加电压的方式改变镜片的光焦度，从而可以用来实现定焦镜头的调焦。

目前，市场上存在一些基于液态镜片的可调焦镜头。例如申请号：200920235084.1中提出的基于液体透镜的内调焦小型摄影光学系统；申请号：201510808129.X中提出的基于液体透镜的6片组可调焦镜头；申请号：201721797913.6中提出的基于液体透镜的4片组可调焦镜头。以上案例中液态透镜均植入定焦镜头中部，这种设计使得定焦镜头一分为二，增加了公差难度,不利于实际加工生产。且在未安装液体透镜时，镜头不能成像，无法做镜头检测。再例如申请号：201921113858.3提出的液体透镜前置的做法，会因为液态透镜口径的限制从而难以实现大视野可调节镜头设计。

发明内容

本发明为了解决上述的问题，提出了一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头。

本发明的技术方案如下：

一种基于液态镜片模块的大视野可调焦镜头，从镜头座的前端到后端依次设置有以下器件，包括：具有负光焦度的第一弯月透镜、具有正光焦度的第二弯月透镜、具有正光焦度的第三弯月透镜、光阑、具有负光焦度的双凹透镜、具有正光焦度的平凸透镜、具有正光焦度的双凸透镜、线材、液态镜片模块；将液态镜片模块置于玻璃镜片组后端能方便镜头的组装，降低对公差的敏感度，且置于后端不会阻挡光线，可用于大视野镜头的调焦。

其中，所述液态镜片模块由线材与外部控制器电联接；所述液态镜片模块可单独拆卸，除液态镜头外剩余部分为定焦镜头。所述液态镜片模块内液-液面曲率半径变化范围是-7.32mm～6.98mm，通过加电驱动液态镜片模块内部液-液面曲率变化完成整个镜头的自动调焦。液态镜片模块的工作原理基于电湿润效应，其倾角的变化符合Young-Lippmann方程。

液态镜片模块可单独拆卸，由第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、光阑、双凹透镜、平凸透镜、双凸透镜组成的定焦镜头可安装在图像传感器感光面的前方，并使之单独成像，且能手动或自动对焦。

进一步地，所述第一弯月透镜的折射率n_d1≥1.7，阿贝数V_d1≥40。

更进一步地，所述第一弯月透镜的折射率n_d1≥1.75，阿贝数V_d1≥45。进一步地，所述第二弯月透镜的折射率n_d2≥1.60，阿贝数V_d2≤40。

更进一步地，所述第二弯月透镜的折射率n_d2≥1.65，阿贝数V_d2≤35。进一步地，所述第三弯月透镜的折射率n_d3≥1.60，阿贝数V_d3≥40。

更进一步地，所述第三弯月透镜的折射率n_d3≥1.70，阿贝数V_d3≥50。

进一步地，所述双凹透镜的折射率n_d4≥1.70，阿贝数V_d4≤40。

更进一步地，所述双凹透镜的折射率n_d4≥1.75，阿贝数V_d4≤30。

进一步地，所述平凸透镜的折射率n_d5≥1.70，阿贝数V_d5≥30。

更进一步地，所述平凸透镜的折射率n_d5≥1.80，阿贝数V_d5≥40。

进一步地，所述双凸透镜的折射率n_d6≥1.50，阿贝数V_d6≥50。

更进一步地，所述双凸透镜的折射率n_d6≥1.55，阿贝数V_d6≥60。

进一步地，所述第一弯月透镜与第二弯月透镜中心间距≤3mm。

更进一步地，所述第一弯月透镜与第二弯月透镜中心间距≤2mm。

进一步地，所述双凹透镜与平凸透镜的中心间距≤0.4mm。

更进一步地，所述双凹透镜与平凸透镜的中心间距≤0.3mm。

进一步地，所述平凸透镜与双凸透镜的中心间距≤0.3mm。

更进一步地，所述平凸透镜与双凸透镜的中心间距≤0.2mm。

进一步地，所述双凸透镜与液态镜片模块的中心间距≤4mm。

更进一步地，所述双凸透镜与液态镜片模块的中心间距≤3mm。

第一弯月透镜1前部设有定焦镜头压圈。

第二弯月透镜与第三弯月透镜之间设有第一隔圈。

平凸透镜与双凸透镜之间设有第二隔圈。

液态镜片模块后部设有液态镜片压圈。

进一步地，从镜头座前端到后端依次包括：定焦镜头压圈、第一弯月透镜、第二弯月透镜、第一隔圈、第三弯月透镜、光阑、双凹透镜、平凸透镜、第二隔圈、双凸透镜、线材、液态镜片模块、液态镜片压圈。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，利用具有负光焦度的第一弯月透镜对光线的发散作用来收集大视场角的光线；以光阑为中心，光轴右边负光焦度的双凹透镜两个曲面的曲率对称，可减少加工成本；通过加电驱动液态镜片模块内部液-液面曲率变化完成整个镜头的自动调焦，能够有效控制像差，达到清晰成像的目的；将液态镜片模块置于玻璃镜片组后端，且液态镜片模块可单独拆卸，即能方便镜头的组装，也不会阻挡光线，能降低对公差的敏感度，方便生产制造；在未安装液态镜片模块时由玻璃镜片组成的定焦镜头可单独清晰成像，且能手动或自动对焦。

2、本发明所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，具有负光焦度的第一弯月透镜配合具有正光焦度的第二弯月透镜，尤其是第一弯月透镜的折射率n_d1≥1.7，阿贝数V_d1≥40结合第二弯月透镜的折射率n_d2≥1.60，阿贝数V_d2≤40，在第一弯月透镜与第二弯月透镜中心间距≤3mm时，具有消除像差的作用。

3、本发明所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，双凹透镜与两个正光焦度的平凸透镜及双凸透镜组合，尤其在双凹透镜的折射率n_d4≥1.70，阿贝数V_d4≤40，平凸透镜的折射率n_d5≥1.70，阿贝数V_d5≥30，双凸透镜的折射率n_d6≥1.50，阿贝数V_d6≥50，在双凹透镜与平凸透镜的中心间距≤0.4mm，所述平凸透镜与双凸透镜的中心间距≤0.3mm时，不仅可以会聚光线，还可以起到消除像差的作用。

附图说明

图1为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头的结构剖面示意图。

图2为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头的光路示意图。

图3为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头物距70mm时的点列图。

图4为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距70mm时的MTF图。

图5为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距70mm时的场曲畸变图。

图6为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距70mm时的离焦MTF曲线图。

图7为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距150mm时的点列图。

图8为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距150mm时的MTF图。

图9为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距150mm时的场曲畸变图。

图10为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距150mm时的离焦MTF曲线图。

图11为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距400mm时的点列图。

图12为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距400mm时的MTF图。

图13为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距400mm时的场曲畸变图。

图14为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距400mm时的离焦MTF曲线图。

图15为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在物距100mm时无液态镜片的MTF图。

图16为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头的立体示意图。

图17为本发明一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头的液态镜头示意图。

附图标记：1-第一弯月透镜；2-第二弯月透镜；3-第三弯月透镜；4-光阑；5-双凹透镜；6-平凸透镜；7-双凸透镜；8-线材；9-液态镜片模块；10-图像传感器；11-定焦镜头压圈；12-第一隔圈；13-第二隔圈；14-液态镜片压圈；15-镜头座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，如图1、2、15、16、17所示。从镜头座15的前端到后端依次设置有以下器件，包括：具有负光焦度的第一弯月透镜1、具有正光焦度的第二弯月透镜2、具有正光焦度的第三弯月透镜3、光阑4、具有负光焦度的双凹透镜5、具有正光焦度的平凸透镜6、具有正光焦度的双凸透镜7、线材8、液态镜片模块9；

镜头座15前端到后端，也是镜片光学系统的物面到像面的方向。第一弯月透镜1开口朝像面，第二弯月透镜2开口朝物面，第三弯月透镜3开口朝像面，平凸透镜6凸的一面朝像面。

液态镜片模块9由线材8与外部控制器电联接，并实现调焦功能，外部控制器通过算法判断液态镜片模块9在电压范围值内的图像清晰度，将电压稳定在显示最清晰图像的电压值。

所使用液态镜片模块9满足Young-Lippmann方程的电湿润驱动原理。可以选型采用Varioptic公司的A-39N0，镜片内有两种互不相容的具有折射率差的透明液态，液态之间因表面张力形成曲面，且在电压的驱动下可变，从而起到动态调焦的作用。该液态镜片模块9的光学厚度为3.9mm，通光口径3.9mm，驱动电压范围10V～64V，液态镜片模块9内液-液面曲率半径变化范围是-7.32mm～6.98mm。可见光波段。图像传感器10为230万像素1/2.6-inch CMOS传感器。

由第一弯月透镜1、第二弯月透镜2、第三弯月透镜3、光阑4、双凹透镜5、平凸透镜6、双凸透镜7组成的定焦镜头可安装在图像传感器感光面的前方，并使之单独成像，且能手动或自动对焦。

利用具有负光焦度的第一弯月透镜1对光线的发散作用来收集大视场角的光线；光阑4为圆型，以光阑4为中心，光轴右边负光焦度的双凹透镜5两个曲面的曲率对称，可减少加工成本；通过加电驱动液态镜片模块9内部液-液面曲率变化完成整个镜头的自动调焦，有效控制像差，达到清晰成像的目的；将液态镜片模块9置于玻璃镜片组后端，且液态镜片模块9可单独拆卸，即能方便镜头的组装，也不会阻挡光线，能降低对公差的敏感度，方便生产制造；在未安装液态镜片模块9时由玻璃镜片组成的定焦镜头可单独清晰成像，且能手动或自动对焦。

各透镜的折射率n_d和阿贝数V_d，镜头的焦距表示为EFL，物距d，光圈F，镜头光学总长TTL，主光线入射角度CRA，驱动电压U，镜头全视场角D，镜片的曲率半径为R。从物面开始，各镜面的曲率半径以此为：第一弯月透镜1的镜面R₁、R₂，第二弯月透镜2的镜面R₃、R₄，第三弯月透镜3的镜面R₅、R₆，光阑4，双凹透镜5的镜面R₇、R₈，平凸透镜6的镜面R₉、R₁₀，双凸透镜7的镜面R₁₁、R₁₂，液态镜片模块9的镜面为R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆、R₁₇，其中R₁₅是液态镜片模块9中液-液面的曲率半径，通过施加电压可以控制其改变从而实现对焦。成像面IMA。

第一弯月透镜1前部设有定焦镜头压圈11。

第二弯月透镜2与第三弯月透镜3之间设有第一隔圈12。

平凸透镜6与双凸透镜7之间设有第二隔圈13。

液态镜片模块9后部设有液态镜片压圈14。

定焦镜头从镜头座15左端依次按照双凸透镜7、第二隔圈13、平凸透镜6、双凹透镜5、光阑4、第三弯月透镜3、第一隔圈12、第二弯月透镜2、第一弯月透镜1的顺序装入，再由定焦镜头压圈11锁死。镜头座15右端依次装入线材8以及液态镜片模块9，再由液态镜片模块压圈14锁死。定焦镜头和液态镜头9在组装上相互独立，便于安装。

具有负光焦度的第一弯月透镜1配合具有正光焦度的第二弯月透镜2，尤其是第一弯月透镜1的折射率n_d1≥1.7，阿贝数V_d1≥40结合第二弯月透镜2的折射率n_d2≥1.60，阿贝数V_d2≤40，在第一弯月透镜1与第二弯月透镜2中心间距≤3mm时，具有消除像差的作用。

双凹透镜5与两个正光焦度的平凸透镜6及双凸透镜7组合，尤其在双凹透镜5的折射率n_d4≥1.70，阿贝数V_d4≤40，平凸透镜6的折射率n_d5≥1.70，阿贝数V_d5≥30，双凸透镜7的折射率n_d6≥1.50，阿贝数V_d6≥50，在双凹透镜5与平凸透镜6的中心间距≤0.4mm，所述平凸透镜6与双凸透镜7的中心间距≤0.3mm时，不仅可以会聚光线，还可以起到消除像差的作用。

实施例中，一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头各项基本参数与液态镜片模块9对焦到不同物距下的镜头内部优选参数值参数如表1与表2所示，其中焦距EFL＝5.3mm，物距d＝150mm，全视场角D＝65.3°，光圈F＝7.0，光学总长TTL＝24.09mm，主光线角度CRA≤20°。

表1和表2中的L和S分别表示不同对焦状态下的物距和液态镜片模块9内液面的曲率半径。阿贝数和折射率是任一取数进行试验检测，并不是唯一确定值；中心间距为镜面与镜面之间的距离；MTF为调制传递函数。

表1 各镜片的详细参数

表2 液态镜片模块对焦到不同物距下的镜头内部参数

	实施例一	实施例二	实施例三
				物距d(L)	70mm	150mm	400mm
全视场角D	67.1°	65.3°	64.1°
				焦距EFL	5.12mm	5.3mm	5.42mm
R<sub>15</sub>(S)	-31.986mm	38.621mm	16.664mm
				U	45.68V	37.27V	30.92V

实施例一。

一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头。

镜头参数如表1所示，在物距70mm时，液态镜片模块9中液-液面曲率-31.986mm，需要施加45.68V电压，此时镜头焦距5.12mm，全视场角67.1°。

得到如图3-6所示：

从图3的点列图中可以看出，从中心视野到边缘视野的弥散斑都在艾里斑范围以内，且在最边缘视野的弥散斑的均方根半径1.981um＜5.25um(艾里斑半径)。

从图4的MTF图中可以看出，中心视野空间频率达到92lp/mm时，传递系数保证在0.4以上；边缘视野空间频率达到96lp/mm时，传递系数保证在0.3以上。

从图5的场曲畸变图中可以看出，对于大视野镜头来说，畸变是首先要控制的像差，从图中可以看出，最大视野处光学畸变绝对值＜5％。

从图6的离焦MTF曲线图中可以看出，空间频率取100lp/mm，离焦范围为-0.15mm至0.15mm。从图中也能看出镜头在该物距下的景深大小，以传递系数0.2为基准，横坐标焦点移动范围为-0.06mm至0.08mm，焦深较大，由此可见景深也较大。

实施例二。

一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头。

镜头参数如表1所示，在物距150mm时，液态镜片模块9中液-液面曲率38.621mm，需要施加37.27V电压，此时镜头焦距5.3mm，全视场角65.3°。得到如图7-10所示：

从图7的点列图中可以看出，从中心视野到边缘视野的弥散斑都在艾里斑范围以内，且在最边缘视野的弥散斑的均方根半径1.287um＜5.153um(艾里斑半径)。

从图8的MTF图中可以看出，中心视野空间频率达到95lp/mm时，传递系数保证在0.5以上；边缘视野空间频率达到94lp/mm时，传递系数保证在0.4以上。

从图9的场曲畸变图中可以看出，对于大视野镜头来说，畸变是首先要控制的像差，从图中可以看出，最大视野处光学畸变绝对值＜5％。

从图10的离焦MTF曲线图中可以看出，空间频率取100lp/mm，离焦范围为-0.15mm至0.15mm。从图中也能看出镜头在该物距下的景深大小，以传递系数0.2为基准，横坐标焦点移动范围为-0.09mm至0.07mm，焦深较大，由此可见景深也较大。

实施例三。

一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头。

镜头参数如表1所示，在物距400mm时，液态镜片模块9中液-液面曲率16.664mm，需要施加30.92V电压，此时镜头焦距5.42mm，全视场角64.1°。得到如图11-14所示：

从图11的点列图中可以看出，从中心视野到边缘视野的弥散斑都在艾里斑范围以内，且在最边缘视野的弥散斑的均方根半径2.144um＜5.085um(艾里斑半径)。

从图12的MTF图中可以看出，中心视野空间频率达到98lp/mm时，传递系数保证在0.5以上；边缘视野空间频率达到100lp/mm时，传递系数保证在0.2以上。

从图13的场曲畸变图中可以看出，对于大视野镜头来说，畸变是首先要控制的像差，从图中可以看出，最大视野处光学畸变绝对值＜5％。

从图14的离焦MTF曲线图中可以看出，空间频率取100lp/mm，离焦范围为-0.15mm至0.15mm。从图中也能看出镜头在该物距下的景深大小，以传递系数0.2为基准，横坐标焦点移动范围为-0.08mm至0.02mm，焦深较大，由此可见景深也较大。

以上三个实施例可以得出，在液态镜片模块9曲率半径变化范围-7.32mm～6.98mm内，可实现对焦距离30mm～5000mm。最大全视场角73.5°。

现已知大恒图像推出的基于液态镜片模块9的16mm焦段自动对焦镜头的全视场角仅为37°；例如申请号：201921113858.3提出的液体透镜前置的做法全视场角60°，低于本发明专利的视场角，且光学素质如点列图及MTF表现远差于本专利；再例如申请号：202110684469.1提出的液体透镜中置的做法全视场角仅为55°，且大量使用非球面镜片，大大增加制造成本。相对于本实施例，不需要使用非球面镜片，MTF会大很多。

实施例四。

一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头在无液态镜片模块9的情况下对定焦镜头进行测试。

图15是无液态镜片模块时物距在100mm时的MTF图，从图中可以看出空间频率达到68lp/mm时，传递系数保证在0.2以上，显示能清晰成像。

以上所述仅为本发明的实施例，对实施例方案的选择只是为了更好理解发明内容，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，从镜头座(15)的前端到后端依次设置有以下器件，包括：具有负光焦度的第一弯月透镜(1)、具有正光焦度的第二弯月透镜(2)、具有正光焦度的第三弯月透镜(3)、光阑(4)、具有负光焦度的双凹透镜(5)、具有正光焦度的平凸透镜(6)、具有正光焦度的双凸透镜(7)、线材(8)、液态镜片模块(9)；

其中，所述液态镜片模块(9)由线材(8)与外部控制器电联接；所述液态镜片模块(9)可单独拆卸，液态镜片模块(9)内液-液面曲率半径变化范围是-7.32mm～6.98mm；

由第一弯月透镜(1)、第二弯月透镜(2)、第三弯月透镜(3)、光阑(4)、双凹透镜(5)、平凸透镜(6)、双凸透镜(7)组成的定焦镜头可安装在图像传感器感光面的前方，并使之单独成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，

所述第一弯月透镜(1)的折射率n_d1≥1.75，阿贝数V_d1≥45；

所述第二弯月透镜(2)的折射率n_d2≥1.65，阿贝数V_d2≤35；

所述第三弯月透镜(3)的折射率n_d3≥1.70，阿贝数V_d3≥50。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，所述双凹透镜(5)的折射率n_d4≥1.75，阿贝数V_d4≤30。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，所述平凸透镜(6)的折射率n_d5≥1.80，阿贝数V_d5≥40。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，所述双凸透镜(7)的折射率n_d6≥1.55，阿贝数V_d6≥60。

6.根据权利要求2所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，所述第一弯月透镜(1)与所述第二弯月透镜(2)中心间距≤2mm。

7.根据权利要求3或4任一所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，双凹透镜(5)与平凸透镜(6)的中心间距≤0.3mm。

8.根据权利要求4或5任一所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，平凸透镜(6)与双凸透镜(7)的中心间距≤0.2mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，所述双凸透镜(7)与所述液态镜片模块(9)的中心间距≤3mm。

10.根据权利要求1-3任一所述的一种基于液态镜片的大视野可调焦镜头，其特征在于，

第一弯月透镜(1)前部设有定焦镜头压圈(11)；

第二弯月透镜(2)与第三弯月透镜(3)之间设有第一隔圈(12)；

平凸透镜(6)与双凸透镜(7)之间设有第二隔圈(13)；

液态镜片模块(9)后部设有液态镜片压圈(14)。

Images