一种用于3D结构光的低畸变远心投影镜头的制作方法

一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头
技术领域
1.本发明涉及投影镜头相关技术领域，尤其涉及一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头。


背景技术：

2.近年来，随着工业检测及自动化行业的快速发展，3d测量技术在3c电子，汽车制造，航空航天等领域得到了越来越广泛的应用，3d结构光传感器是利用光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，根据成一定夹角的相机采集被投射到待测物体上的结构光图像，通过后续的图像处理及算法计算即可获得待测物体的3d图像。其中光栅投影装置投射出来的结构光图像质量直接影响后续对物体3d图像的计算，而投影镜头为决定投影装置投影图像质量的关键。
3.为适应3d测量技术的发展要求，投影镜头需要保证整个光学系统具有良好的成像质量，才能提高3d结构光传感器的测量精度。现有的投影镜头一般采用9片及9片以上的透镜，使得镜头结构比较复杂，或者采用非球面技术来达到简化结构或提高成像质量的目的，但由于非球面的加工及检测难度大，一定程度上也增加了镜头的成本及工艺复杂性。
4.有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，使其更具有产业上的利用价值。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，投影镜头从左往右依次包括包括发散镜组、光阑、汇聚镜组和像面；
8.发散镜组从左往右依次包括第一镜片、第二镜片和第三镜片，汇聚镜组从左往右依次包括第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；
9.第一镜片为弯月形透镜，其凹面朝向光阑，第二镜片为平凸形透镜，其凸面朝向光阑，第三镜片为弯月形透镜，其凹面背离光阑，第四镜片为双凹形透镜，第五镜片为弯月形透镜，其凹面朝向光阑，第六镜片为平凸形透镜，其凸面朝向像面，第七镜片为弯月形透镜，其凹面朝向像面。
10.作为本发明的进一步改进，其中，
11.第一镜片与第二镜片之间的间隔介于3.5mm到5.5mm之间；
12.第二镜片与第三镜片之间的间隔介于26mm到28mm之间；
13.第三镜片与光阑之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；
14.光阑与第四镜片之间的间隔介于2.5mm到4.5mm之间；
15.第四镜片与第五镜片之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；
16.第五镜片与第六镜片之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；
17.第六镜片与第七镜片之间的间隔介于11mm到13mm之间；
18.第七镜片与像面之间的间隔介于22.5mm到24.5mm之间。
19.作为本发明的进一步改进，其中，
20.第一镜片与第二镜片之间的间隔为4.5mm；
21.第二镜片与第三镜片之间的间隔为27mm；
22.第三镜片与光阑之间的间隔为1.5mm；
23.光阑与第四镜片之间的间隔为3.5mm；
24.第四镜片与第五镜片之间的间隔为1.5mm；
25.第五镜片与第六镜片之间的间隔为1.5mm；
26.第六镜片与第七镜片之间的间隔为12mm；
27.第七镜片与像面之间的间隔为23.5mm。
28.作为本发明的进一步改进，第一镜片的光焦度为负，第二镜片的光焦度为正，第三镜片的光焦度为正，第四镜片的光焦度为负，第五镜片的光焦度为正，第六镜片的光焦度为正，第七镜片的光焦度为正。
29.作为本发明的进一步改进，其中，
30.第一镜片的焦距介于-45mm到-55mm之间；
31.第二镜片的焦距介于50mm到60mm之间；
32.第三镜片的焦距介于50mm到60mm之间；
33.第四镜片的焦距介于-5mm到-15mm之间；
34.第五镜片的焦距介于30mm到40mm之间；
35.第六镜片的焦距介于20mm到30mm之间；
36.第七镜片的焦距介于55mm到65mm之间。
37.作为本发明的进一步改进，其中，
38.第一镜片的焦距为-50mm；
39.第二镜片的焦距为55mm；
40.第三镜片的焦距为55mm；
41.第四镜片的焦距为-10mm；
42.第五镜片的焦距为35mm；
43.第六镜片的焦距为25mm；
44.第七镜片的焦距为60mm。
45.作为本发明的进一步改进，其中，
46.第一镜片的折射率介于1.6到1.7之间；
47.第二镜片的折射率介于1.7到1.8之间；
48.第三镜片的折射率介于1.55到1.65之间；
49.第四镜片的折射率介于1.7到1.8之间；
50.第五镜片的折射率介于1.6到1.7之间；
51.第六镜片的折射率介于1.6到1.7之间；
52.第七镜片的折射率介于1.6到1.7之间。
53.作为本发明的进一步改进，其中，
54.第一镜片的折射率为1.65；
55.第二镜片的折射率为1.75；
56.第三镜片的折射率为1.6；
57.第四镜片的折射率为1.75；
58.第五镜片的折射率为1.65；
59.第六镜片的折射率为1.65；
60.第七镜片的折射率为1.65。
61.作为本发明的进一步改进，投影镜头的芯片为0.45寸dmd-dlp4500芯片，分辨率为912*1140。
62.作为本发明的进一步改进，投影镜头的有效焦距为19.5mm，相对数值孔径为有效焦距/2.4，最大口径小于30mm，光学总长为96.84mm。
63.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
64.本发明提供一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，该投影镜头具有清晰度高，畸变低，结构简单，易加工，成本低的特点。
65.本发明投影镜头的系统分辨率高，可达100lp/mm以上，系统畸变率低，为0.2％以下，采用7片球面透镜，结构简单，具有制造成本低，低畸变，高分辨率，像方远心等特点。
66.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
67.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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。
68.图1是本发明一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头的结构示意图；
69.图2是本发明中镜头的结构参数表，其中，单位为mm；
70.图3是本发明实施例中半视场像高分别为0，0.707，1.0时的光线点列图；
71.图4是本发明实施例中像面上不同视场处的传递函数mtf曲线；
72.图5是本发明实施例中投影镜头的场曲和畸变图。
73.其中，图中各附图标记的含义如下。
74.1 第一镜片
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2 第二镜片
75.3 第三镜片
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4 光阑
76.5 第四镜片
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6 第五镜片
77.7 第六镜片
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8 第七镜片
78.9 像面
具体实施方式
79.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施
例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
80.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
81.实施例
82.如图1～图5所示，
83.一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，投影镜头从左往右依次包括包括发散镜组、光阑4、汇聚镜组和像面9；
84.发散镜组从左往右依次包括第一镜片1、第二镜片2和第三镜片3，汇聚镜组从左往右依次包括第四镜片5、第五镜片6、第六镜片7和第七镜片8；
85.第一镜片1为弯月形透镜，其凹面朝向光阑4，第二镜片2为平凸形透镜，其凸面朝向光阑4，第三镜片3为弯月形透镜，其凹面背离光阑4，第四镜片5为双凹形透镜，第五镜片6为弯月形透镜，其凹面朝向光阑4，第六镜片7为平凸形透镜，其凸面朝向像面9，第七镜片8为弯月形透镜，其凹面朝向像面9。
86.优选的，其中，
87.第一镜片1与第二镜片2之间的间隔介于3.5mm到5.5mm之间；
88.第二镜片2与第三镜片3之间的间隔介于26mm到28mm之间；
89.第三镜片3与光阑4之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；
90.光阑4与第四镜片5之间的间隔介于2.5mm到4.5mm之间；
91.第四镜片5与第五镜片6之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；
92.第五镜片6与第六镜片7之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；
93.第六镜片7与第七镜片8之间的间隔介于11mm到13mm之间；
94.第七镜片8与像面9之间的间隔介于22.5mm到24.5mm之间。
95.优选的，其中，
96.第一镜片1与第二镜片2之间的间隔为4.5mm；
97.第二镜片2与第三镜片3之间的间隔为27mm；
98.第三镜片3与光阑4之间的间隔为1.5mm；
99.光阑4与第四镜片5之间的间隔为3.5mm；
100.第四镜片5与第五镜片6之间的间隔为1.5mm；
101.第五镜片6与第六镜片7之间的间隔为1.5mm；
102.第六镜片7与第七镜片8之间的间隔为12mm；
103.第七镜片8与像面9之间的间隔为23.5mm。
104.优选的，第一镜片1的光焦度为负，第二镜片2的光焦度为正，第三镜片3的光焦度为正，第四镜片5的光焦度为负，第五镜片6的光焦度为正，第六镜片7的光焦度为正，第七镜片8的光焦度为正。
105.优选的，其中，
106.第一镜片1的焦距介于-45mm到-55mm之间；
107.第二镜片2的焦距介于50mm到60mm之间；
108.第三镜片3的焦距介于50mm到60mm之间；
109.第四镜片5的焦距介于-5mm到-15mm之间；
110.第五镜片6的焦距介于30mm到40mm之间；
111.第六镜片7的焦距介于20mm到30mm之间；
112.第七镜片8的焦距介于55mm到65mm之间。
113.优选的，其中，
114.第一镜片1的焦距为-50mm；
115.第二镜片2的焦距为55mm；
116.第三镜片3的焦距为55mm；
117.第四镜片5的焦距为-10mm；
118.第五镜片6的焦距为35mm；
119.第六镜片7的焦距为25mm；
120.第七镜片8的焦距为60mm。
121.优选的，其中，
122.第一镜片1的折射率介于1.6到1.7之间；
123.第二镜片2的折射率介于1.7到1.8之间；
124.第三镜片3的折射率介于1.55到1.65之间；
125.第四镜片5的折射率介于1.7到1.8之间；
126.第五镜片6的折射率介于1.6到1.7之间；
127.第六镜片7的折射率介于1.6到1.7之间；
128.第七镜片8的折射率介于1.6到1.7之间。
129.优选的，其中，
130.第一镜片1的折射率为1.65；
131.第二镜片2的折射率为1.75；
132.第三镜片3的折射率为1.6；
133.第四镜片5的折射率为1.75；
134.第五镜片6的折射率为1.65；
135.第六镜片7的折射率为1.65；
136.第七镜片8的折射率为1.65。
137.优选的，投影镜头的芯片为0.45寸dmd-dlp4500芯片，分辨率为912*1140。
138.优选的，投影镜头的有效焦距为19.5mm，相对数值孔径为有效焦距/2.4，最大口径小于30mm，光学总长为96.84mm。其中，光学总长为第一镜片1到像面9的距离。
139.本发明涉及一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，投影镜头包含两部分镜组，第一部分为发散镜组，具有负光焦度；第二部分为汇聚镜组，具有正光焦度，而孔径光阑4位于两部分镜组之间。发散镜组依次包括第一镜片1、第二镜片2和第三镜片3，汇聚镜组依次包括第四镜片5、第五镜片6、第六镜片7和第七镜片8。
140.本发明一实施例：
141.本实施例的波长为wave，光圈数为fno，有效焦距为efl，第一镜片1到像面9的距离为totr。对于本发明中的3d结构光投影镜头，光源为中心波长为460nm的蓝光，wave＝440nm-460nm-480nm，fno＝2.4，efl＝19.5mm，totr＝96.84mm。
142.下图是镜头的结构参数表，单位为mm。
143.surfradiusthicknessglass12009.5801.7301.66，54.7233.4884.528 3infinity3.0001.76，27.64-44.55527.314 5-40.7825.5001.61，58.96-19.2271.324 stoinfinity3.498 8-8.8101.6501.76，27.69201.3021.557 10-26.3963.4001.66，54.711-13.3910.554 12-1168.9814.4801.66，54.713-16.19912.259 1429.0792.6001.66，54.71593.20023.448 imainfinity
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144.图3是本发明实施例中半视场像高分别为0，0.707，1.0时的光线点列图，从图中可以看出，各个视场的点列图的均方根半径小于芯片像素大小7.6um。
145.图4是本发明实施例中像面上不同视场处的传递函数mtf曲线，图中在100lp/mm以下各视场的mtf值均大于0.5，且曲线平滑，紧凑，说明该投影镜头成像清晰，均匀，与0.45寸芯片匹配较好。
146.图5是本发明实施例中投影镜头的场曲和畸变图，从图中可以看出镜头场曲小于0.1mm，畸变小于0.2％。
147.本发明提供一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，该投影镜头具有清晰度高，畸变低，结构简单，易加工，成本低的特点。
148.本发明投影镜头的系统分辨率高，可达100lp/mm以上，系统畸变率低，为0.2％以下，采用7片球面透镜，结构简单，具有制造成本低，低畸变，高分辨率，像方远心等特点。
149.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指咧所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可
以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
150.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通.对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
151.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，投影镜头从左往右依次包括包括发散镜组、光阑(4)、汇聚镜组和像面(9)；所述发散镜组从左往右依次包括第一镜片(1)、第二镜片(2)和第三镜片(3)，所述汇聚镜组从左往右依次包括第四镜片(5)、第五镜片(6)、第六镜片(7)和第七镜片(8)；所述第一镜片(1)为弯月形透镜，其凹面朝向所述光阑(4)，所述第二镜片(2)为平凸形透镜，其凸面朝向所述光阑(4)，所述第三镜片(3)为弯月形透镜，其凹面背离所述光阑(4)，所述第四镜片(5)为双凹形透镜，所述第五镜片(6)为弯月形透镜，其凹面朝向所述光阑(4)，所述第六镜片(7)为平凸形透镜，其凸面朝向所述像面(9)，所述第七镜片(8)为弯月形透镜，其凹面朝向所述像面(9)。2.如权利要求1所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，其中，所述第一镜片(1)与第二镜片(2)之间的间隔介于3.5mm到5.5mm之间；所述第二镜片(2)与第三镜片(3)之间的间隔介于26mm到28mm之间；所述第三镜片(3)与光阑(4)之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；所述光阑(4)与第四镜片(5)之间的间隔介于2.5mm到4.5mm之间；所述第四镜片(5)与第五镜片(6)之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；所述第五镜片(6)与第六镜片(7)之间的间隔介于0.5mm到2.5mm之间；所述第六镜片(7)与第七镜片(8)之间的间隔介于11mm到13mm之间；所述第七镜片(8)与像面(9)之间的间隔介于22.5mm到24.5mm之间。3.如权利要求2所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，其中，所述第一镜片(1)与第二镜片(2)之间的间隔为4.5mm；所述第二镜片(2)与第三镜片(3)之间的间隔为27mm；所述第三镜片(3)与光阑(4)之间的间隔为1.5mm；所述光阑(4)与第四镜片(5)之间的间隔为3.5mm；所述第四镜片(5)与第五镜片(6)之间的间隔为1.5mm；所述第五镜片(6)与第六镜片(7)之间的间隔为1.5mm；所述第六镜片(7)与第七镜片(8)之间的间隔为12mm；所述第七镜片(8)与像面(9)之间的间隔为23.5mm。4.如权利要求1所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，所述第一镜片(1)的光焦度为负，所述第二镜片(2)的光焦度为正，所述第三镜片(3)的光焦度为正，所述第四镜片(5)的光焦度为负，所述第五镜片(6)的光焦度为正，所述第六镜片(7)的光焦度为正，所述第七镜片(8)的光焦度为正。5.如权利要求1所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，其中，所述第一镜片(1)的焦距介于-45mm到-55mm之间；所述第二镜片(2)的焦距介于50mm到60mm之间；所述第三镜片(3)的焦距介于50mm到60mm之间；所述第四镜片(5)的焦距介于-5mm到-15mm之间；所述第五镜片(6)的焦距介于30mm到40mm之间；所述第六镜片(7)的焦距介于20mm到30mm之间；所述第七镜片(8)的焦距介于55mm到65mm之间。
6.如权利要求5所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，其中，所述第一镜片(1)的焦距为-50mm；所述第二镜片(2)的焦距为55mm；所述第三镜片(3)的焦距为55mm；所述第四镜片(5)的焦距为-10mm；所述第五镜片(6)的焦距为35mm；所述第六镜片(7)的焦距为25mm；所述第七镜片(8)的焦距为60mm。7.如权利要求1所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，其中，所述第一镜片(1)的折射率介于1.6到1.7之间；所述第二镜片(2)的折射率介于1.7到1.8之间；所述第三镜片(3)的折射率介于1.55到1.65之间；所述第四镜片(5)的折射率介于1.7到1.8之间；所述第五镜片(6)的折射率介于1.6到1.7之间；所述第六镜片(7)的折射率介于1.6到1.7之间；所述第七镜片(8)的折射率介于1.6到1.7之间。8.如权利要求7所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，其中，所述第一镜片(1)的折射率为1.65；所述第二镜片(2)的折射率为1.75；所述第三镜片(3)的折射率为1.6；所述第四镜片(5)的折射率为1.75；所述第五镜片(6)的折射率为1.65；所述第六镜片(7)的折射率为1.65；所述第七镜片(8)的折射率为1.65。9.如权利要求1所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的芯片为0.45寸dmd-dlp4500芯片，分辨率为912*1140。10.如权利要求1所述的一种用于3d结构光的低畸变远心投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的有效焦距为19.5mm，相对数值孔径为有效焦距/2.4，最大口径小于30mm，光学总长为96.84mm。

技术总结
本发明涉及一种用于3D结构光的低畸变远心投影镜头，投影镜头从左往右依次包括包括发散镜组、光阑、汇聚镜组和像面；发散镜组从左往右依次包括第一镜片、第二镜片和第三镜片，汇聚镜组从左往右依次包括第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片。本发明投影镜头的系统分辨率高，可达100lp/mm以上，系统畸变率低，为0.2％以下，采用7片球面透镜，结构简单，具有制造成本低，低畸变，高分辨率，像方远心等特点。像方远心等特点。像方远心等特点。


技术研发人员：包嘉东 张振伟
受保护的技术使用者：苏州深浅优视智能科技有限公司
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2023/9/22