CN117518406A - 一种镜头及扫描仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种镜头及扫描仪，涉及光学仪器技术领域，本申请的镜头，包括沿物方到像方依次设置的前透镜组、光阑以及后透镜组，前透镜组用于收集大视场范围的光线并校正像差，光线透过光阑后入射后透镜组，后透镜组对光束进行校正像差并在像面上成像，其中，前透镜组和后透镜组形成的光学系统的焦距在4‑6mm之间，光阑配合前透镜组和后透镜组使得镜头的F数在4.8‑5.6之间。本申请提供的镜头及扫描仪，能够同时具有较大的景深和较高的分辨率。

Description

一种镜头及扫描仪

技术领域

本申请涉及光学仪器技术领域，具体而言，涉及一种镜头及扫描仪。

背景技术

三维扫描仪是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据，其中形状是指几何构造，外观是指颜色、表面反照率等性质。在精密制造领域，高精密的3D扫描仪能够扫描加工件的形状或者位置，在精密制造中起着重要的作用，特别是随着近年国家大力发展智能制造领域，在机加工领域，3D扫描仪起着不可替代的作用。而在3D扫描仪中，镜头的成像质量直接影响扫描仪的精度，使得镜头的成像质量显得尤为重要。

现有的具有较高分辨率的工业镜头主要应用于机器视觉领域，焦距在12mm以上，根据焦距与景深的关系，使得其景深较小，使得现有技术中的工业镜头难以满足三维扫描仪的大景深的要求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种镜头及扫描仪，能够同时具有较大的景深范围和较高的分辨率。

本申请的实施例一方面提供了一种镜头，包括沿物方到像方依次设置的前透镜组、光阑以及后透镜组，前透镜组用于收集大视场范围的光线并校正像差，光线透过光阑后入射后透镜组，后透镜组对光束进行校正像差并在像面上成像，其中，前透镜组和后透镜组形成的光学系统的焦距在4-6mm之间，光阑配合前透镜组和后透镜组使得镜头的F数在4.8-5.6之间。

作为一种可实施的方式，前透镜组包括沿物方到像方依次设置的具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，以及具有正光焦度的第三透镜，第一透镜和第二透镜用于收集大视场范围的光线，第三透镜用于平衡第一透镜和第二透镜产生的球差和像散。

作为一种可实施的方式，第一透镜为第一平凹透镜，第一平凹透镜的平面朝向物方，第二透镜为第二平凹透镜，第二平凹透镜的平面朝向第一平凹透镜，且与第一平凹透镜贴合设置，第一平凹透镜和第二平凹透镜的凹面的曲率半径在5-7mm之间，第一平凹透镜和第二平凹透镜的折射率在1.4-1.6之间。

作为一种可实施的方式，第三透镜为第一平凸透镜，且第一平凸透镜的平面朝向第二平凹透镜，第一平凸透镜的凸面曲率半径在(-10)-(-20)mm之间，第三透镜的折射率在1.5-1.8之间，第三透镜与光阑之间的距离在5-8mm之间。

作为一种可实施的方式，后透镜组包括沿物方到像方依次设置的第四透镜、消轴色差组以及第七透镜，第四透镜和第七透镜具有正光焦度，第四透镜和第七透镜分别用于消除单色像差。

作为一种可实施的方式，第四透镜为第二平凸透镜，且第二平凸透镜的凸面朝向像方，第七透镜为第三平凸透镜，且第三平凸透镜的凸面朝向物方，第二平凸透镜的凸面的曲率半径在(-10)-(-20)mm之间，第三平凸透镜的凸面的曲率半径在(-10)-(-15)mm之间，第四透镜和第七透镜的折射率在1.5～1.8之间。

作为一种可实施的方式，消轴色差组包括沿物方到像方依次设置的具有正光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜，第五透镜和第六透镜相互胶合。

作为一种可实施的方式，第五透镜为双凸透镜，第六透镜为第三平凹透镜，双凸透镜沿物方到像方的第一凸面的曲率半径为15-25mm，第二凸面的曲率半径在5-10mm,第五透镜的折射率在1.5-1.8之间，第六透镜的折射率在1.6-1.8之间。

作为一种可实施的方式，第四透镜与光阑之间的距离在3-5mm之间，第七透镜与像面之间的距离在5-12mm之间。

本申请的实施例另一方面提供了一种扫描仪，包括上述镜头。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的镜头，包括沿物方到像方依次设置的前透镜组、光阑以及后透镜组，前透镜组用于收集大视场范围的光线并校正像差，光线透过光阑后入射后透镜组，后透镜组对光束进行校正像差并在像面上成像，其中，前透镜组和后透镜组形成的光学系统的焦距在4-6mm之间，使得镜头的焦距较小，根据焦距与景深的关系，使得本申请的镜头具有较大的景深且能够在较大的景深下工作，光阑配合前透镜组和后透镜组使得镜头的F数在4.8-5.6之间，镜头的F数在4.8-5.6之间，一方面保证了镜头的近光量，另一方面，使得镜头能够分辨的两点之间的距离越小，即分辨率较大，因此，本申请的镜头能够在较大的景深范围内具有较高的分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种镜头的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种镜头的光路图；

图3为本申请实施例提供的一种镜头在景深为150mm时的MTF曲线图；

图4为本申请实施例提供的一种镜头在景深为250mm时的MTF曲线图；

图5为本申请实施例提供的一种镜头在景深为450mm时的MTF曲线图；

图6为本申请实施例提供的一种镜头的相对照度图；

图7为本申请实施例提供的一种镜头的光学畸变图；

图8为本申请实施例提供的一种镜头的TV畸变图；

图9为本申请实施例提供的一种镜头的点列图；

图10为本申请实施例提供的一种镜头的公差分析图。

图标：10-镜头；11-前透镜组；111-第一透镜；112-第二透镜；113-第三透镜；12-光阑；13-后透镜组；131-第四透镜；132-第五透镜；133-第六透镜；134-第七透镜；14-像面。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

当扫描仪应用于机械加工中时，需要扫描的零部件具有较大的深度，从而使得扫描仪的镜头具有较大的景深以及在较大的景深范围内具有较高的分辨率。

本申请实施例提供了一种镜头10，如图1所示，包括沿物方到像方依次设置的前透镜组11、光阑12以及后透镜组13，前透镜组11用于收集大视场范围的光线并校正像差，光线透过光阑12后入射后透镜组13，后透镜组13对光束进行校正像差并在像面14上成像，其中，前透镜组11和后透镜组13形成的光学系统的焦距在4-6mm之间，光阑12配合前透镜组11和后透镜组13使得镜头10的F数在4.8-5.6之间。

本申请实施例提供的镜头10，应用于扫描仪中，包括镜头10、光电转换器以及处理器，其中，外部光线通过镜头10投射至光电转换器上，光电转转器将光信号转换为电信号并传输至处理器，处理器根据电信号获取待扫描物的形态。

具体的，本申请实施例的镜头10包括前透镜组11、光阑12以及后透镜组13，光线进入镜头10时首先入射前透镜组11，前透镜组11的收集大视场范围的光线，并进行初步的消除像差后出射至光阑12的位置，光阑12配合前透镜组11和厚透镜组使得镜头10具有较大的F数，保证了镜头10的近光量，使得较多的光线透过光阑12，透过光阑12的光束出射至后透镜组13，后透镜组13再一次对光线进行校正像差后出射至像面14，在像面14上成像。在此过程中，镜头10具有较大的F数，使得较多的光线透过镜头10，镜头10的分辨率较高，且镜头10中的前透镜组11和后透镜组13分别对光线进校正像差，使得镜头10的成像质量较高。前透镜组11和厚透镜组形成的光学系统的焦距在4-6mm之间，使得本申请实施例的镜头10的焦距较小，根据焦距与景深的关系，使得本申请实施例的景深较大。

在实际应用中，前透镜组11收集的光线的大视场角的范围在60～80°之间。景深在150-450mm之间，即本申请实施例的镜头10在景深范围为150-450mm内均能清晰成像。

像面14可以设置光电转换器用于获取光线的信号，具体的，光电转换器可以是CMOS芯片。COMS芯片与后透镜组13之间的距离可以根据镜头10的焦距设置。

另外，光阑12设置为圆形光阑12，使得镜头10的F数在4.8-5.6之间。

本申请提供的镜头10，包括沿物方到像方依次设置的前透镜组11、光阑12以及后透镜组13，前透镜组11用于收集大视场范围的光线并校正像差，光线透过光阑12后入射后透镜组13，后透镜组13对光束进行校正像差并在像面14上成像，其中，前透镜组11和后透镜组13形成的光学系统的焦距在4-6mm之间，使得镜头10的焦距较小，根据焦距与景深的关系，使得本申请的镜头10能够在较大的景深，且能够在较大的景深范围内工作，光阑12配合前透镜组11和后透镜组13使得镜头10的F数在4.8-5.6之间，镜头10的F数在4.8-5.6之间，一方面保证了镜头10的近光量，另一方面，使得镜头10能够分辨的两点之间的距离越小，即分辨率较大，因此，本申请的镜头10同时具有较大的景深和较高的分辨率。

可选的，如图1所示，前透镜组11包括沿物方到像方依次设置的具有负光焦度的第一透镜111和第二透镜112，以及具有正光焦度的第三透镜113，第一透镜111和第二透镜112用于收集大视场范围的光线，第三透镜113用于平衡第一透镜111和第二透镜112产生的球差和像散。

其中，前透镜组11收集大视场范围的光线，第一透镜111用于收集大视场范围的光线，第二透镜112用于配合第一透镜111收集大视场范围的光线，在对大视场范围光线的收集过程中，由于第一透镜111和第二透镜112均具有负的光焦度，使得在光线的收集过程中，难以避免会产生球差和像散，将第三透镜113设置为具有正的光焦度，这样，第三透镜113平衡第一透镜111和第二透镜112产生的球差和像散，提高成像质量。

将收集大视场范围光线的透镜设置为两个，即将负的光焦度分配在两个透镜上，避免了一个较大光焦度的透镜带来的像差较大的问题。

另外，由于前透镜组11中第一透镜111和第二透镜112均具有负的光焦度，第三透镜113的正的光焦度还能够平衡第一透镜111和第二透镜112的光焦度。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1和图2所示，第一透镜111为第一平凹透镜，第一平凹透镜的平面朝向物方，第二透镜112为第二平凹透镜，第二平凹透镜的平面朝向第一平凹透镜，且与第一平凹透镜贴合设置，第一平凹透镜和第二平凹透镜的凹面的曲率半径在5-7mm之间，第一平凹透镜和第二平凹透镜的折射率在1.4-1.6之间。

其中，第一透镜111和第二透镜112的色散系数均在60-80之间。第一透镜111的中心厚度在2-3mm之间，第二透镜112的中心厚度在1-2mm之间。第一透镜111和第二透镜112的直径设置在7-10mm之间，另外，将第一透镜111设置为平凹透镜，且平凹透镜的平面朝向物方，使得镜头10的端面为平面，在安装运输过程中，不容易磨损。

可选的，如图1和图2所示，第三透镜113为第一平凸透镜，且第一平凸透镜的平面朝向第二平凹透镜，第一平凸透镜的凸面曲率半径在(-10)-(-20)mm之间，第三透镜113的折射率在1.5-1.8之间，第三透镜113与光阑12之间的距离在5-8mm之间。

其中，第三透镜113的色散系数在30-40之间，第三透镜113的中心厚度在2-5mm之间，第三透镜113的直径设置在7-10mm之间。第三透镜113与第二透镜112在光轴上的距离在3-5mm之间。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1和图2所示，后透镜组13包括沿物方到像方依次设置的第四透镜131、消轴色差组以及第七透镜134，第四透镜131和第七透镜134具有正光焦度，第四透镜131和第七透镜134分别用于消除单色像差。

后透镜组13采用多个镜片以分别消除光线中的单色像差以及轴向色差，提高镜头10的成像质量。

可选的，如图1和图2所示，第四透镜131为第二平凸透镜，且第二平凸透镜的凸面朝向像方，第七透镜134为第三平凸透镜，且第三平凸透镜的凸面朝向物方，第二平凸透镜的凸面的曲率半径在(-10)-(-20)mm之间，第三平凸透镜的凸面的曲率半径在(-10)-(-15)mm之间，第四透镜131和第七透镜134的折射率在1.5～1.8之间。

第四透镜131和第七透镜134用于校正光线的单色像差，如球差、慧差、场曲和畸变，提高镜头10的成像质量。

其中，第四透镜131的中心厚度在2-5mm之间，直径在5-10mm之间，色散系数在50-70之间。第七透镜134的中心厚度在2-5mm之间，直径在5-8mm之件，色散系数在40-60之间。另外，为了阻止或者允许某些特定波长的光进入像面14成像，可以在镜头10的端面贴合阻光膜，示例的，可以在第一透镜111的平面或者第七透镜134的平面上贴阻光膜。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1和图2所示，消轴色差组包括沿物方到像方依次设置的具有正光焦度的第五透镜132和具有负光焦度的第六透镜133，第五透镜132和第六透镜133相互胶合。

第五透镜132和第六透镜133胶合形成消轴色差组，用于校正轴上色差及轴外色差。

可选的，如图1和图2所示，第五透镜132为双凸透镜，第六透镜133为第三平凹透镜，双凸透镜沿物方到像方的第一凸面的曲率半径为15-25mm，第二凸面的曲率半径在5-10mm,第五透镜132的折射率在1.5-1.8之间，第六透镜133的折射率在1.6-1.8之间。

其中，第五透镜132的中心厚度在5-8mm之间，直径在5-10mm之间，色散系数在50-70之间。第六透镜133的中心厚度在0.5～3mm之间，直径在0.5-3mm之间，色散系数在20-30之间。

可以理解的是，第五透镜132与第六透镜133相互胶合，即第五透镜132的第二凸面的曲率半径与第六透镜133的凸面的曲率半径的数值相同，互为相反数。

本申请实施例的一种可实现的方式中，第四透镜131与光阑12之间的距离在3-5mm之间，第七透镜134与像面14之间的距离在5-12mm之间。

本申请实施例提供的镜头10采用3个平凹透镜、3个平凸透镜以及一个双凸透镜组成，其结构简单，且均为平面或者球面，使得各个镜片的加工难度较低。

为了便于理解本申请实施例镜头10中各个镜片的情况，本申请实施例将镜头10中各个镜片的参数及位置关系沿物方到像方归纳为表1，其中，半径列是指每个镜片端面的曲率半径，第一行表示靠近物方的端面的曲率半径，第二行表示靠近像方的端面的曲率半径，曲率半径中的正值是指镜片端面的曲率中心在端面靠近像方的一侧，负值是指镜片端面的曲率中心在端面靠近物方的一侧，infinity表示此面为平面；厚度列是指各个镜片的厚度或者间隙沿物方到像方的方向的厚度，间隙是指各个镜片之间的间隔，填充的气体为空气，其中，厚度是指主光轴上的厚度。

表1镜头10参数表

为进一步说明本申请实施例中的镜头10在较大景深下的成像质量，对上述镜头10的像质进行检测，图3、图4和图5分别为景深在150mm、300mm，以及450mm时镜头10在不同频率下的MTF曲线图，其中，曲线越顺滑，数值越高，成像的分辨率越大，镜头10的成像效果越好。如图所示，在景深为150mm时，145线对MTF＞0.2；在景深为250mm时，145线对MTF＞0.4；在景深为450mm时，145线对MTF＞0.3；由图可知，在景深在150-450mm时，镜头10的分辨率均满足要求，因此，本申请实施例提供的镜头10，能够在较大的景深范围内具有较高的分辨率。

图6为本申请实施例的相对照度图，其数值越高，表明相对照度越好，如图所示，本申请实施例的照度大于90％。图7和图8为本申请实施例的畸变图，其中，图7的左边为场曲，右边为畸变，图8为TV畸变，其中，曲线越靠近中心，成像效果越好，由图7和图8可以看出，光学畸变约-23％，TV畸变约-5％，且在景深范围内畸变曲线不变，即畸变控制在较小的范围内，满足扫描仪的镜头10对畸变的要求。

图9为本申请实施例的点列图，点列图指由一点发出的光线经过光学系统后，形成一个散布在一定范围的弥散图形，由图9可以看出，点列图的RMS小于3μm，即像差较小。图10为本申请实施例的公差分析图，经过公差分析后全视场的MTF均大于0@200线对。

因此，本申请实施例的镜头10能够在较大的景深范围内具有较高的分辨率。

另外，由上述各个镜片的厚度以及各个镜片之间的间隙可知，本申请实施例的镜头10的总长度小于50mm，使得本申请实施例的镜头10的结构更加紧凑。

本申请实施例还公开了一种扫描仪，包括上述镜头10。该扫描仪包含与前述实施例中的镜头10相同的结构和有益效果。镜头10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镜头，其特征在于，包括沿物方到像方依次设置的前透镜组、光阑以及后透镜组，所述前透镜组用于收集大视场范围的光线并校正像差，光线透过所述光阑后入射所述后透镜组，所述后透镜组对光束进行校正像差并在像面上成像，其中，所述前透镜组和所述后透镜组形成的光学系统的焦距在4-6mm之间，所述光阑配合所述前透镜组和所述后透镜组使得所述镜头的F数在4.8-5.6之间。

2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述前透镜组包括沿物方到像方依次设置的具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，以及具有正光焦度的第三透镜，所述第一透镜和所述第二透镜用于收集大视场范围的光线，所述第三透镜用于平衡所述第一透镜和所述第二透镜产生的球差和像散。

3.根据权利要求2所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜为第一平凹透镜，所述第一平凹透镜的平面朝向物方，所述第二透镜为第二平凹透镜，所述第二平凹透镜的平面朝向所述第一平凹透镜，且与所述第一平凹透镜贴合设置，所述第一平凹透镜和所述第二平凹透镜的凹面的曲率半径在5-7mm之间，所述第一平凹透镜和所述第二平凹透镜的折射率在1.4-1.6之间。

4.根据权利要求3所述的镜头，其特征在于，所述第三透镜为第一平凸透镜，且所述第一平凸透镜的平面朝向所述第二平凹透镜，所述第一平凸透镜的凸面曲率半径在(-10)-(-20)mm之间，所述第三透镜的折射率在1.5-1.8之间，所述第三透镜与所述光阑之间的距离在5-8mm之间。

5.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述后透镜组包括沿物方到像方依次设置的第四透镜、消轴色差组以及第七透镜，所述第四透镜和所述第七透镜具有正光焦度，所述第四透镜和所述第七透镜分别用于消除单色像差。

6.根据权利要求5所述的镜头，其特征在于，所述第四透镜为第二平凸透镜，且所述第二平凸透镜的凸面朝向像方，所述第七透镜为第三平凸透镜，且所述第三平凸透镜的凸面朝向物方，所述第二平凸透镜的凸面的曲率半径在(-10)-(-20)mm之间，所述第三平凸透镜的凸面的曲率半径在(-10)-(-15)mm之间，所述第四透镜和所述第七透镜的折射率在1.5～1.8之间。

7.根据权利要求6所述的镜头，其特征在于，所述消轴色差组包括沿物方到像方依次设置的具有正光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜，所述第五透镜和所述第六透镜相互胶合。

8.根据权利要求7所述的镜头，其特征在于，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为第三平凹透镜，所述双凸透镜沿物方到像方的第一凸面的曲率半径为15-25mm，第二凸面的曲率半径在5-10mm,所述第五透镜的折射率在1.5-1.8之间，所述第六透镜的折射率在1.6-1.8之间。

9.根据权利要求6所述的镜头，其特征在于，所述第四透镜与所述光阑之间的距离在3-5mm之间，所述第七透镜与所述像面之间的距离在5-12mm之间。

10.一种扫描仪，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的镜头。