投影镜头系统的制作方法

本发明涉及摄像镜头技术领域，特别是涉及一种投影镜头系统。

背景技术：

随着智能手机的快速发展，手机的摄像功能也不断涌现出创新的技术，比如苹果公司主推的3d成像技术，这种基于3d结构光的光学感测技术，可用于人脸、手势辨识，强化照相功能，带来ar新应用，将光学图像从过去的二维向三维空间转换，从而带来更加真实、清晰的感知体验。

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。特定的激光信息是3d结构光技术中的一个非常重要的指标，因此对把激光信息投影到被测物体表面的投影镜头系统要求很高。这种把vcsel(垂直腔面发射激光器)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投影镜头系统，是3d成像质量的一个关键环节。

在现有的投影镜头系统类产品中，存在随着使用环境温度的变化，镜头焦距f发生较大变化的问题，这会导致镜头投射光的角度发生明显变化，改变原有的光信息，从而导致整个系统的计算出现误差，影响三维物体的轮廓复原精度；同样还存在随着环境温度的变化，投影的像点变大的问题，这也会导致系统还原三维物体的清晰度下降。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种能够在不同的温度场合下实现焦距稳定的投影镜头系统。

根据本发明提供的投影镜头系统，沿光轴从物侧到像侧依次包括：

具有正光焦度的第一透镜，其物侧表面为凸面；

具有负光焦度的第二透镜；

具有正光焦度的第三透镜，其像侧表面为凸面；

光阑；其中，光阑设于第三透镜之后，可有效限制孔径，便于光学设计；

各个透镜的光学中心位于同一直线上；

所述投影镜头系统满足以下条件：

f12>f3；

(dn/dt)1<-50×10^-6/℃；

(dn/dt)2<-50×10^-6/℃；

(dn/dt)3>-10×10^-6/℃；

其中，f12表示所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距，f3表示所述第三透镜的焦距，(dn/dt)1、(dn/dt)2、(dn/dt)3分别表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜的折射率随温度的变化率。

本发明的投影镜头系统由于各镜片的折射率随温度的变化率分配合理，能够和镜片本身及结构件带来的热膨胀对焦距的影响相互抵消，所以能够实现不同的温度场合下焦距保持稳定；且该投影镜头系统能够达到温度每变化10℃，投影镜头系统的有效焦距变化量小于0.0005mm，以致镜头投射光的角度不发生明显变化，不改变原有的光信息。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

0＜f3/f1＜3.5；

其中，f3表示所述第三透镜的焦距，f1表示所述第一透镜的焦距。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

-5＜f/r6＜0；

其中，f表示所述投影镜头系统的系统焦距，r6表示所述第三透镜像侧表面的曲率半径。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

-5.5＜r1/r6＜0；

其中，r1表示所述第一透镜物侧表面的曲率半径，r6表示所述第三透镜像侧表面的曲率半径。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

0.5＜ct3/ct2＜7.5；

其中，ct2表示所述第二透镜的中心厚度，ct3表示所述第三透镜的中心厚度。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的各物侧表面与像侧表面均为非球面。

进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜为塑胶材质，所述第三透镜为玻璃材质。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜中任意两相邻的透镜之间具有空气间隔。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜为非粘合的独立透镜。

进一步地，所述投影镜头系统中各透镜的非球面表面形状均满足下列方程：

其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，b、c、d、e和f分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。

本发明的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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一实施方式的投影镜头系统的截面结构示意图；

图2a是根据本发明实施例1中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；

图2b是根据本发明实施例1中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；

图3是根据本发明实施例1中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；

图4是根据本发明实施例2中的投影镜头系统的截面结构示意图；

图5a是根据本发明实施例2中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；

图5b是根据本发明实施例2中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；

图6是根据本发明实施例2中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；

图7是根据本发明实施例3中的投影镜头系统的截面结构示意图；

图8a是根据本发明实施例3中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；

图8b是根据本发明实施例3中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；

图9是根据本发明实施例3中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；

图10是根据本发明实施例4中的投影镜头系统的截面结构示意图；

图11a是根据本发明实施例4中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；

图11b是根据本发明实施例4中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；

图12是根据本发明实施例4中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；

图13是根据本发明实施例5中的投影镜头系统的截面结构示意图；

图14a是根据本发明实施例5中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；

图14b是根据本发明实施例5中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；

图15是根据本发明实施例5中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米；

图16是根据本发明实施例6中的投影镜头系统的截面结构示意图；

图17a是根据本发明实施例6中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图，图中x轴为场曲值，坐标单位为毫米，y轴为用物高定义的视场；

图17b是根据本发明实施例6中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图，图中x轴为畸变值，坐标单位为百分比，y轴为用物高定义的视场；

图18是根据本发明实施例6中的投影镜头系统在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

请参阅图1，本发明的一实施方式提供的投影镜头系统，沿光轴从物侧到像侧依次包括：

具有正光焦度的第一透镜l1，其物侧表面为凸面；

具有负光焦度的第二透镜l2；

具有正光焦度的第三透镜l3，其像侧表面为凸面；

光阑s7；光阑s7设于第三透镜l3之后，可有效限制孔径，便于光学设计；

各个透镜的光学中心位于同一直线上；

所述投影镜头系统满足以下条件：

f12>f3；

(dn/dt)1<-50×10^-6/℃；

(dn/dt)2<-50×10^-6/℃；

(dn/dt)3>-10×10^-6/℃；

其中，f12表示所述第一透镜l1和所述第二透镜l2的组合焦距，f3表示所述第三透镜l3的焦距，(dn/dt)1、(dn/dt)2、(dn/dt)3分别表示所述第一透镜l1、所述第二透镜l2、所述第三透镜l3的折射率随温度的变化率。

所述第一透镜l1、第二透镜l2的组合焦距f12与所述第三透镜l3的焦距f3的差值大于0，即满足条件f12>f3。此条件限制了所述第一透镜l1、第二透镜l2组合与第三透镜l3相比对光线的偏折能力更弱。

所述第一透镜l1、第二透镜l2及第三透镜l3的折射率随温度的变化率(dn/dt)1、(dn/dt)2及(dn/dt)3满足条件(dn/dt)1<-50×10^-6/℃，(dn/dt)2<-50×10^-6/℃，(dn/dt)3>-10×10^-6/℃。此条件限制了三个透镜的折射率随温度的变化率，主要用于合理搭配镜片的热膨胀，保证在不同温度下镜头焦距的稳定性。

上述投影镜头系统由于各镜片的折射率随温度的变化率分配合理，能够和镜片本身及结构件带来的热膨胀对焦距的影响相互抵消，所以能够实现不同的温度场合下焦距保持稳定；且该投影镜头系统能够达到温度每变化10℃，投影镜头系统的有效焦距变化量小于0.0005mm，以致镜头投射光的角度不发生明显变化，不改变原有的光信息。

具体的，在该投影镜头系统中，所述第一透镜l1具有正光焦度，其物侧表面s1为凸面，其物侧表面s1及像侧表面s2皆为非球面，借此汇聚来自激光器的远心光束，且搭配第一透镜提供足够的正光焦度，可有效地控制光学透镜组的整体体积。

所述第二透镜l2具有负光焦度，其物侧表面s3及像侧表面s4皆为非球面，可有效地调和第一透镜所产生的像差，也能控制工作波段的聚焦能力。

所述第三透镜l3具有正光焦度，其像侧表面s6为凸面，其物侧表面s5及像侧表面s6皆为非球面，可以有效修正光学透镜的像差，并有效地控制出射角度。

所述第一透镜l1、第二透镜l2及第三透镜l3的各个物侧表面及像侧表面皆为非球面，将各透镜的两表面制作成球面以外的形状，借此可以获得较多的控制变数，以削减像差。

上述投影镜头系统中，采用三片非粘合的独立透镜，换言之，第一透镜l1、第二透镜l2及第三透镜l3中，任意两相邻的具有光焦度的透镜间具有一空气间隔，由于粘合透镜的工艺较非粘合透镜复杂，特别在两透镜的粘合面须拥有高准度的曲面，以便达到两透镜粘合时的高密合度，且在粘合过程中，也可以因偏位而造成密合度不佳，影像光学成像品质。而在本实施方式的投影镜头系统中，采用三片非粘合的独立透镜，可有效改善粘合透镜所产生的问题。

本发明提供的的光学透镜组中，第一透镜l1，第二透镜l2可为塑胶材质，借以有效降低生产成本；第三透镜l3可为玻璃材质，以保证在工作温度发生变化时，系统解像力不发生明显变化。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

0＜f3/f1＜3.5；

其中，f3表示所述第三透镜l3的焦距，f1表示所述第一透镜l1的焦距。此条件限制了所述第一透镜l1与第三透镜l3焦距的配比，主要用于将经过第一透镜l1的光线会聚于成像面上，同时减少所述投影镜头系统的像差。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

-5＜f/r6＜0；

其中，f表示所述投影镜头系统的系统焦距，r6表示所述第三透镜l3像侧表面s6的曲率半径。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

-5.5＜r1/r6＜0；

其中，r1表示所述第一透镜l1物侧表面s1的曲率半径，r6表示所述第三透镜l3像侧表面s6的曲率半径。此条件限制了所述第一透镜l1物侧表面s1和第三透镜l3像侧表面s6的朝向相反，主要用于将经过所述第一透镜l1的光线会聚于成像面上，同时减少所述投影镜头系统的像差。

进一步地，所述投影镜头系统满足条件式：

0.5＜ct3/ct2＜7.5；

其中，ct2表示所述第二透镜l2的中心厚度，ct3表示所述第三透镜l3的中心厚度。此条件限制了所述第三透镜l3的中心厚度与第二透镜l2的中心厚度的配比，借由适当配置透镜的中心厚度，有利于光学透镜组的加工制造及组装。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中，投影镜头系统中的各个透镜的厚度、曲率半径有所不同，具体不同可参见各实施例中的参数表。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。

在本发明的所有实施例中，f表示所述投影镜头系统的有效焦距，na表示数值孔径，r表示光学曲面顶点的曲率半径，d表示光学表面间距(相邻的两个光学曲面顶点之间的距离)，nd表示各个透镜的折射率，vd表示各个透镜的阿贝数，可用来衡量介质的光线色散程度，ttl表示所述投影镜头系统的光学总长。

本发明各个实施例中的各透镜的非球面表面形状均满足下列方程：

其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，b、c、d、e和f分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。

实施例1：

本实施例的投影镜头系统的结构图可参阅图1，同时请参阅图2a、2b及图3，所述投影镜头系统中各个镜片的相关参数如表1-1所示。

表1-1

本实施例的各透镜非球面的参数如表1-2所示。

表1-2

实施例2

请参阅图4、图5a、5b及图6，为发明第二实施例中提供的投影镜头系统，所述投影镜头系统中各个镜片的相关参数如表2-1所示。

表2-1

本实施例的各透镜非球面的参数如表2-2所示。

表2-2

实施例3

请参阅图7、图8a、8b及图9，为发明第三实施例中提供的投影镜头系统，所述投影镜头系统中各个镜片的相关参数如表3-1所示。

表3-1

本实施例的各透镜非球面的参数如表3-2所示。

表3-2

实施例4

请参阅图10、图11a、11b及图12，为发明第四实施例中提供的投影镜头系统，所述投影镜头系统中各个镜片的相关参数如表4-1所示。

表4-1

本实施例的各透镜非球面的参数如表4-2所示。

表4-2

实施例5

请参阅图13、图14a、14b及图15，为发明第无实施例中提供的投影镜头系统，所述投影镜头系统中各个镜片的相关参数如表5-1所示。

表5-1

本实施例的各透镜非球面的参数如表5-2所示。

表5-2

实施例6

请参阅图16、图17a、17b及图18，为发明第六实施例中提供的投影镜头系统，所述投影镜头系统中各个镜片的相关参数如表6-1所示。

表6-1

本实施例的各透镜非球面的参数如表6-2所示。

表6-2

由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，从各个实施例中的附图可以得出，每个实施例中的像点rmsradius在40℃，300mm像距成像时范围在80um之内，说明每个实施例中的像差被很好的校正。

表7是上述6个实施例及其对应的光学特性的比较，包括系统焦距f、数值孔径na和系统总长ttl，以及与前面每个条件式对应的数值。

表7

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。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和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。