CN117518429A - 一种用于机器人视觉的镜头 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于机器人视觉的镜头，包括：从物侧至像侧依次设置有平板玻璃、光阑、镜片组以及滤光片，镜片组包括从物侧至像侧依次的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、以及第五镜片；其中，光阑与平板玻璃相贴合，镜片组中各镜片分别为塑胶镜片，镜片组中各镜片分别为非球面镜片；其中，镜头满足如下约束关系：0.498≤D_stop/f≤0.521；1.831≤TTL/f≤1.919；其中，f为镜头的总焦距，D_stop为光阑的直径尺寸，TTL为镜头的总长。

Description

一种用于机器人视觉的镜头

技术领域

本申请涉及的光学成像领域，具体而言，涉及一种用于机器人视觉的镜头。

背景技术

随着工业水平持续发展及人们生活水平的不断提升，社会对自动化产品的需求越来越旺盛，大到大型产线的工业机器人，小到家用电器如扫地机器人甚至儿童玩具比比皆是，极大的提高了生产生活的便捷性。而在机器人的开发技术中，视觉镜头则是机器人不可或缺的重要环节，为机器人在前行导航、环境识别、深度感知等功能的实现起着至关重要的作用。

镜头是机器人视觉中的至关重要的光学组件，其架构设计及光学性能对机器人的功能实现及成本控制影响深远。现有传统功能机器人（例如扫地机器人，送饭机器人，快递分拣机器人等）通常为了控制尺寸体积及成本，采用像质分辨率较低的视觉镜头，而对像质分辨率要求较高的诸如带有深度感知、环境探测等功能的机器人，为了保证成像分辨率及探测精度，必须选用像质分辨率较高的镜头，但其架构体积大及成本高等因素又难尽如人意。

因此，本申请提供了一种用于机器人视觉的镜头，以解决上述技术问题之一。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于机器人视觉的镜头，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：

根据本申请的具体实施方式，第一方面，本申请提供一种用于机器人视觉的镜头，包括：

从物侧至像侧依次设置有平板玻璃、光阑、镜片组以及滤光片，所述镜片组包括从所述物侧至所述像侧依次的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、以及第五镜片；其中，所述光阑与所述平板玻璃相贴合，所述镜片组中各镜片分别为塑胶镜片，所述镜片组中各镜片分别为非球面镜片；其中，所述镜头与所述光阑满足如下约束关系：0.498≤D_stop/f≤0.521；1.831≤TTL/f≤1.919；其中，f为所述镜头的总焦距，D_stop为所述光阑的直径尺寸，TTL为所述镜头的总长。

一种实施方式中，所述镜头与所述第一镜片、以及所述第五镜片满足如下约束关系：0.042≤d_s1/f≤0.053；0.837≤D_5max/H_img≤0.895；其中，d_s1为所述光阑与所述第一镜片之间的空气间隙，D_5max为所述第五镜片各表面的最大口径尺寸，H_img为所述镜头的像面高度。

一种实施方式中，所述第一镜片、所述第二镜片、以及所述第四镜片分别具有正光焦度；所述第三镜片以及所述第五镜片分别具有负光焦度。

一种实施方式中，所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片、所述第四镜片、以及所述第五镜片，分别与所述镜头之间满足如下约束关系：1.61≤f₁/f≤1.81；-3.85≤f₂/f≤-2.89；-5.39≤f₃/f≤-4.86；0.52≤f₄/f≤0.86；-1.67≤f₅/f≤-1.16；其中，f₁为所述第一镜片的等效焦距，f₂为所述第二镜片的等效焦距，f₃为所述第三镜片的等效焦距，f₄为所述第四镜片的等效焦距，f₅为所述第五镜片的等效焦距，f为所述镜头的总焦距。

一种实施方式中，所述镜头的像面高度与所述镜头的焦距之间满足如下约束关系：0.787≤H_img / f≤0.826；其中，H_img为所述镜头的像面高度，f为所述镜头的总焦距。

一种实施方式中，所述镜头的背焦长度与所述镜头的总长之间满足如下约束关系：0.108≤BFL/TTL≤0.134；其中，BFL为所述镜头的背焦长度，TTL为所述镜头的总长。

一种实施方式中，所述平板玻璃用作衍射光学元件基底，以实现包括但不限于深度感知、特征探测的拓展应用。

本申请实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

本申请提供了一种用于机器人视觉的镜头，从物侧至像侧依次设置有平板玻璃、光阑、镜片组以及滤光片，镜片组包括从物侧至像侧依次的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、以及第五镜片。其中，光阑与平板玻璃相贴合，镜片组中各镜片分别为塑胶镜片，镜片组中各镜片分别为非球面镜片。其中，光阑S1与平板玻璃G1相贴合，且光阑S1位于平板玻璃G1的后表面，用以控制进光量的大小，并在一定程度上对像差进行平衡调节。由于非球面镜片的使用，极大的缩减了镜片的使用数量，改善架构设计，节省镜片成本的同时，达成视觉镜头架构小型化目标。此外，镜头与光阑满足0.498≤D_stop/f≤0.521、以及1.831≤TTL/f≤1.919的约束关系。基于上述约束，可以保证对像差的矫正、以及扩展视场，并保证在实现高分辨率成像的同时达成小型化的目标。

附图说明

图1是本申请示例性提供的一种用于机器人视觉的镜头的示意图；

图2是本申请示例性提供的另一种用于机器人视觉的镜头的示意图；

图3为用于机器人视觉的镜头的镜头像质调制传递函数的示意图；

图4为用于机器人视觉的镜头于不同视场的spot散斑图；

图5为用于机器人视觉的镜头场曲及畸变示意图；

图6为用于机器人视觉的镜头的镜头像质调制传递函数的示意图；

图7为用于机器人视觉的镜头于不同视场的spot散斑图；

图8为用于机器人视觉的镜头场曲及畸变示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些描述不应限于这些术语。这些术语仅用来将描述区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

特别需要说明的是，在说明书中存在的符号和/或数字，如果在附图说明中未被标记的，均不是附图标记。

下面结合附图详细说明本申请的可选实施例。

本申请提供的用于机器人视觉的镜头，可以应用于各类基于机器人视觉的智能机器人，例如可应用于扫地机器人、送饭机器人、快递分拣机器人等一系列类似的智能机器人。

随着工业水平持续发展及人们生活水平的不断提升，社会对自动化产品的需求越来越旺盛，大到大型产线的工业机器人，小到家用电器如扫地机器人甚至儿童玩具比比皆是，极大的提高了生产生活的便捷性。而在机器人的开发技术中，视觉镜头则是机器人不可或缺的重要环节，为机器人在前行导航、环境识别、深度感知等功能的实现起着至关重要的作用。

镜头是机器人视觉中的至关重要的光学组件，其架构设计及光学性能对机器人的功能实现及成本控制影响深远。现有传统功能机器人（例如扫地机器人，送饭机器人，快递分拣机器人等）通常为了控制尺寸体积及成本，采用像质分辨率较低的视觉镜头，而对像质分辨率要求较高的诸如带有深度感知、环境探测等功能的机器人，为了保证成像分辨率及探测精度，必须选用像质分辨率较高的镜头，但其架构体积大及成本高等因素又难尽如人意。

有鉴于此，本申请提供了一种用于机器人视觉的镜头，已解决上述问题。

对本申请提供的实施例，即一种用于机器人视觉的镜头的实施例。

下面结合图1对本申请实施例进行详细说明。

图1是本申请示例性提供的一种用于机器人视觉的镜头的示意图，如图1所示，从物侧至像侧依次设置有平板玻璃G1、光阑S1、镜片组以及滤光片F1，镜片组包括从物侧至像侧依次的第一镜片P1、第二镜片P2、第三镜片P3、第四镜片P4、以及第五镜片P5。

本申请实施例中，平板玻璃G1一方面可用于光学微结构的设计基板，实现镜头深度感知、特征性探测等更深层次的功能开发，拓展应用场景。另一方面，在物体识别、视觉导航等单纯成像领域，可作为保护玻璃，对镜头的防尘及恒温起到保障作用。

本申请实施例中，平板玻璃G1可用作衍射光学元件基底，以实现包括但不限于深度感知、特征探测的拓展应用。

本申请实施例中，光阑S1与平板玻璃G1相贴合，且光阑S1位于平板玻璃G1的后表面（本实施例中，前表面均指镜片靠近物侧的表面，后表面均指镜片靠近像侧的表面），用于控制进光量的大小，并在一定程度上对像差进行平衡调节。

本申请实施例中，镜片组采用“5P”结构，即第一镜片至第五镜片均为塑胶材质，由于塑胶镜片易于成型且价格低廉，进一步压缩成本。

本申请实施例中，镜片组中各镜片分别为非球面镜片，用以在于对各级像差进行高效率矫正，实现视觉镜头高分辨率成像。同时，由于非球面镜片的使用，极大的缩减了镜片的使用数量，改善架构设计，节省镜片成本的同时，达成视觉镜头架构小型化目标。

本申请实施例中，滤光片F1用于对非可见光进行滤除，保证所成画面具有较高的对比度及信噪比。

本申请实施例中，镜头与光阑满足0.498≤D_stop/f≤0.521、以及1.831≤TTL/f≤1.919的约束关系。其中，f为镜头的总焦距，D_stop为光阑的直径尺寸，TTL为镜头的总长。

本申请实施例中，镜头与第一镜片、以及第五镜片满足0.042≤d_s1/f≤0.053、以及0.837≤D_5max/H_img≤0.895的约束关系。其中，d_s1为光阑与第一镜片之间的空气间隙，D_5max为第五镜片各表面的最大口径尺寸，H_img为镜头的像面高度。其中，满足上述约束关系的镜头，可以保证对像差的矫正、以及扩展视场，并能够保证在实现高分辨率成像的同时达成小型化的目标。

本申请实施例中，第一镜片P1、第二镜片P2、以及第四镜片P4分别具有正光焦度，第三镜片P3以及第五镜片P5分别具有负光焦度。同时，第一镜片P1、第二镜片P2、第三镜片P3、第四镜片P4、以及第五镜片P5，分别与镜头之间满足1.61≤f₁/f≤1.81、-3.85≤f₂/f≤-2.89、-5.39≤f₃/f≤-4.86、0.52≤f₄/f≤0.86、以及-1.67≤f₅/f≤-1.16的约束关系。

其中，f₁为第一镜片P1的等效焦距，f₂为第二镜片P2的等效焦距，f₃为第三镜片P3的等效焦距，f₄为第四镜片P4的等效焦距，f₅为第五镜片P5的等效焦距，f为镜头的总焦距。

本申请实施例中，镜头的像面高度与镜头的焦距之间满足0.787≤H_img / f≤0.826的约束关系。其中，H_img为镜头的像面高度，f为镜头的总焦距，基于该约束关系，可以使镜头持有合适的视场角。

示例的，为了使用于机器人视觉的镜头满足小型化要求，需要镜头长度尽量小。在此基础上，可以为镜头的镜头长度设置0.108≤BFL/TTL≤0.134的约束关系，用以通过合适的比例使得镜头长度缩减至最优，即镜头长度的理论最小值。其中，BFL为镜头的背焦长度，TTL为镜头的总长。

本申请提供的用于机器人视觉的镜头，镜片架构满足0.498≤D_stop/f≤0.521以及1.831≤TTL/f≤1.919的约束关系，在达成系统高分辨率成像的同时，极大的减小了镜头整体的尺寸体积。由于本申请所提供的镜头镜片数量少、材料需求低、且整体尺寸小，相比于目前用于机器人视觉的同类镜头，本申请所提供的镜头在保证高分辨率成像的基础上，具有更低的制作成本及更小的占用空间。较目前市面上用于如扫地机器人、送饭机器人、快递分拣机器人的视觉镜头，本申请所提供的镜头更具实用性及性价比。

图2是本申请示例性提供的另一种用于机器人视觉的镜头的示意图。如图2所示，从左至右分别为平板玻璃G1、光阑S1、第一镜片P1、第二镜片P2、第三镜片P3、第四镜片P4、第五镜片、滤光片F1及像面。

本申请提供的用于机器人视觉的镜头，可以保证在机器人视觉场景下提供高清晰度成像的要求下，实现镜头小型化，使镜头的f数（Fno）保持在1.9左右，且镜头的总长保持在7.5mm左右。为便于举证，以下是基于上述实施例中的约束，提供的镜头实例。

示例的，作为实例1，镜头各镜片的参数如下表1及表2所示。

表1

表2

其中，表1中，表面编号为各个面的对应编号，如0为物面，1为chart平板玻璃的表面，STOP为光阑表面，3、4为第一镜片的前表面与后表面（本实施例中，前表面均指镜片靠近物侧的表面，后表面均指镜片靠近像侧的表面），同样5、6为第二镜片的前表面与后表面，其他镜片遵循与前述相同的规律。需要强调的是13、14为滤光片的前表面与后表面，15为像面。

表2中，A2-A16指偶次非球面公式中的高阶非球面系数，满足的公式，用于确定透镜面型矢高z。其中，c为曲率半径倒数，k为二次曲面系数，r为镜片口径尺寸。其中，c、k可直接参考表1中的镜片参数，如表面编号3的c为1/5.51843，二次曲面系数k为-10.69585755。

基于上述镜片参数，用于机器人视觉的镜头的相关性能如图3至图5所示。其中，图3为镜头的镜头像质调制传递函数的示意图，图4为用于机器人视觉的镜头于不同视场的spot散斑图，图5为用于机器人视觉的镜头场曲及畸变示意图。其中，如图4所示，点列图选用的是成像面上（image，IMA）的点列图，IMA后标注的数字表示视场高度。以“IMA：1.284mm”为例，指代在成像面上视场高度为1.284mm处的光斑点图。基于图3至图5可知，此时镜头的像面照度及解析度均达到了较优水平，镜头焦距为4.01mm，光阑口径为2mm，且镜头总长仅为7.75mm。

示例的，作为实例2，镜头各镜片的参数如下表3及表4所示。

表3

表4

其中，表3中，表面编号为各个面的对应编号，如0为物面，1为chart平板玻璃的表面，STOP为光阑表面，3、4为第一镜片的前表面与后表面（本实施例中，前表面均指镜片靠近物侧的表面，后表面均指镜片靠近像侧的表面），同样5、6为第二镜片的前表面与后表面，以此类推相同的规律。需要强调的是13、14为滤光片的前表面与后表面，15为像面。

表4中，A2-A16指偶次非球面公式中的高阶非球面系数，满足的公式，用于确定透镜面型矢高z。其中，c为曲率半径倒数，k为二次曲面系数，r为镜片口径尺寸。其中，c、k可直接参考表1中的镜片参数，如表面编号3的c为1/4.77146 ，二次曲面系数k为-10.44695321。

基于上述镜片参数，用于机器人视觉的镜头的相关性能如图6至图8所示。其中，图6为镜头的镜头像质调制传递函数的示意图，图7为用于机器人视觉的镜头于不同视场的spot散斑图，图8为用于机器人视觉的镜头场曲及畸变示意图。其中，如图7所示，点列图选用的是成像面上（image，IMA）的点列图，IMA后标注的数字表示视场高度。以“IMA：1.284mm”为例，指代在成像面上视场高度为1.284mm处的光斑点图。基于图3至图5可知，此时镜头的像面照度及解析度均达到了较优水平，镜头焦距为4.00mm，光阑口径为2mm，且镜头总长仅为7.59mm。

尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本申请的方法和装置能够利用标准编程技术来完成，利用基于规则的逻辑或者其他逻辑来实现各种方法步骤。还应当注意的是，此处以及权利要求书中使用的词语“装置”和“模块”意在包括使用一行或者多行软件代码的实现和/或硬件实现和/或用于接收输入的设备。

此处描述的任何步骤、操作或程序可以使用单独的或与其他设备组合的一个或多个硬件或软件模块来执行或实现。在一个实施方式中，软件模块使用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品实现，其能够由计算机处理器执行用于执行任何或全部的所描述的步骤、操作或程序。

出于示例和描述的目的，已经给出了本申请实施的前述说明。前述说明并非是穷举性的也并非要将本申请限制到所公开的确切形式，根据上述教导还可能存在各种变形和修改，或者是可能从本申请的实践中得到各种变形和修改。选择和描述这些实施例是为了说明本申请的原理及其实际应用，以使得本领域的技术人员能够以适合于构思的特定用途来以各种实施方式和各种修改而利用本申请。

进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。

进一步可以理解的是，本申请实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本申请领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利范围指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利范围来限制。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于机器人视觉的镜头，其特征在于，包括：

从物侧至像侧依次设置有平板玻璃、光阑、镜片组以及滤光片，所述镜片组包括从所述物侧至所述像侧依次的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、以及第五镜片；

其中，所述镜头与所述光阑满足如下约束关系：

0.498≤D_stop/f≤0.521；

1.831≤TTL/f≤1.919；

其中，f为所述镜头的总焦距，D_stop为所述光阑的直径尺寸，TTL为所述镜头的总长。

2.根据权利要求1所述的用于机器人视觉的镜头，其特征在于，所述镜头与所述第一镜片、以及所述第五镜片满足如下约束关系：

0.042≤d_s1/f≤0.053；

0.837≤D_5max/H_img≤0.895；

其中，d_s1为所述光阑与所述第一镜片之间的空气间隙，D_5max为所述第五镜片各表面的最大口径尺寸，H_img为所述镜头的像面高度。

3.根据权利要求1所述的用于机器人视觉的镜头，其特征在于，

所述第一镜片、所述第二镜片、以及所述第四镜片分别具有正光焦度；

所述第三镜片以及所述第五镜片分别具有负光焦度。

4.根据权利要求1所述的用于机器人视觉的镜头，其特征在于，所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片、所述第四镜片、以及所述第五镜片，分别与所述镜头总焦距之间满足如下约束关系：

1.61≤f₁/f≤1.81；

-3.85≤f₂/f≤-2.89；

-5.39≤f₃/f≤-4.86；

0.52≤f₄/f≤0.86；

-1.67≤f₅/f≤-1.16；

其中，f₁为所述第一镜片的等效焦距，f₂为所述第二镜片的等效焦距，f₃为所述第三镜片的等效焦距，f₄为所述第四镜片的等效焦距，f₅为所述第五镜片的等效焦距，f为所述镜头的总焦距。

5.根据权利要求1所述的用于机器人视觉的镜头，其特征在于，所述镜头的像面高度与所述镜头的焦距之间满足如下约束关系：

0.787≤H_img / f≤0.826；

其中，H_img为所述镜头的像面高度，f为所述镜头的总焦距。

6.根据权利要求1所述的用于机器人视觉的镜头，其特征在于，所述镜头的背焦长度与所述镜头的总长之间满足如下约束关系：

0.108≤BFL/TTL≤0.134；

其中，BFL为所述镜头的背焦长度，TTL为所述镜头的总长。

7.根据权利要求1所述的用于机器人视觉的镜头，其特征在于，所述平板玻璃用作衍射光学元件基底，以实现包括但不限于深度感知、特征探测的拓展应用。