内反射式远心镜头的制作方法

1.本发明涉及光学镜头，具体地，涉及一种内反射式远心镜头。


背景技术：

2.投影镜头通常采用物方远心光路以实现均匀的视场与cra匹配。由于远心投影镜头的原理限制，其第一透镜与后续镜组间会有较大的间距。常规的设计方案是直下式结构，物面垂直于光轴，光线自下而上透过物面和远心镜头将物面图像投射出去。或者在镜头的末端加一片反射镜以实现光束的90
°
折转，以减小系统高度，但因此进一步增加了镜头的长度。
3.随着手机、平板电脑等便携式终端设备的发展，在特定的应用中，需要设备具有投射功能。常规的远心投影镜头设计需要占用较大的空间体积，限制了其在便携式设备中的应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内反射式远心镜头，通过在远心镜头内部设置反射器件，缩短了整个远心镜头的光路长度，使得镜头能够在手机等紧凑设备上进行应用。
5.根据本发明提供的内反射式远心镜头，包括沿光路顺次设置的第一透镜组件、反射器件以及第二透镜组件；
6.所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜和第四透镜；
7.所述第一透镜的像侧面布置有所述反射器件，所述反射器件的像侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的像侧面布置有所述第四透镜；
8.所述第一透镜组件，用于接收远心光束，对所述远心光束进行会聚，以使所述远心光束通过反射器件折转后会聚于第二透镜组件的光阑位置；
9.所述第二透镜组件，用于接收所述反射器件反射后的所述远心光束，并投射成像。
10.优选地，所述第二透镜组件还包括第三透镜；
11.所述第二透镜的像侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的像侧面布置有第四透镜。
12.优选地，所述第一透镜具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构；
13.所述第二透镜具有正的光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
14.所述第三透镜具有正的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
15.所述第四透镜具有负的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面。
16.优选地，所述远心镜头的物面不同像高处的主光线，均平行于所述第一透镜的光轴。
17.优选地，所述反射器件的反射面为金属层、介质膜镀层或棱镜的内全反射表面。
18.优选地，所述反射器件的反射面为平面，设置于第一透镜与第二透镜的光路之间，相对于所述第一透镜或所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜光轴倾斜40
°
至50
°
；
19.所述反射器件，用于将第一透镜出射的远心光束，折转90
°
后投射至第二透镜。
20.优选地，所述第一透镜与所述第二透镜之间的光学间距与反射器件的尺寸满足以下条件式：
[0021][0022]
优选地，所述第二透镜与第三透镜之间设置有光阑，使的所述远心镜头满足以下条件式：
[0023]
73
°
《fov《112
°
[0024]
其中，fov为所述远心镜头的视场角；
[0025]
0.95《vp《1
[0026]
其中，vp为所述远心镜头的视点深度；
[0027]
∣distortion∣《8％
[0028]
其中，distortion为所述远心镜头形成的光学系统的光学畸变。
[0029]
优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜为非球面塑料镜片；
[0030]
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的折射率nd满足以下公式：
[0031]
1.62《nd《1.69
[0032]
其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。
[0033]
优选地，所述第二透镜组件能够沿光轴方向移动，改变第一透镜组件与第二透镜组件的光学距离来改变所述远心镜头的物方焦距，实现对不同像面位置的对焦。
[0034]
优选地，当远心镜头的物面为离散光斑点阵时，能够通过调节第二透镜组件改变对焦平面，实现投射光斑由点光阵到面光阵之间的切换；
[0035]
当物面具有多层图案时，能够通过调节第二透镜组件改变对焦平面，实现不同深度的图像切换投射。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0037]
本发明中在第一透镜组件和第二透镜组件之间设置中设置反射器件，缩短了整个远心镜头的光路长度，进而降低了远心镜头的高度，从而能够将远心镜头应用在手机等对厚度有要求的电子设备上；
[0038]
本发明中当物面与第一透镜组件的相对位置发生变化时，则可以对应移动第二透镜组件，实现分组调焦，从而便于对应用远心镜头的光投射器进行调焦，从而能够匹配不同物面位置，而无需调整物面与第一透镜之间的位置关系。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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
提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0040]
图1(a)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第一种结构示意图；
[0041]
图1(b)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第二种结构示意图；
[0042]
图1(c)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第三种结构示意图；
[0043]
图1(d)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第三种结构示意图；
[0044]
图2为本发明实施例中省略掉反射器件的远心镜头结构示意图；
[0045]
图3为本发明实施例中在反射器件位于出光端的远心镜头结构示意图；
[0046]
图4(a)为本发明实施例中内反射式远心镜头装配于手机中的一侧面位置示意图；
[0047]
图4(b)为本发明实施例中内反射式远心镜头装配于手机中的另一侧面位置示意图；
[0048]
图5(a)为本发明实施例中内反射式远心镜头装配于手机中的尺寸示意图；
[0049]
图5(b)为本发明实施例中省略掉反射器件的远心镜头装配于手机中的尺寸示意图；
[0050]
图5(c)为本发明实施例中反射器件位于出光端的远心镜头装配于手机中的尺寸示意图；
[0051]
图6为本发明实施例中第一透镜组件、第二透镜组件的调焦原理示意图；
[0052]
图7为本发明实施例中光学系统的mtf传递函数曲线图；
[0053]
图8为本发明实施例中光学系统的相对照度曲线图；
[0054]
图9为本发明实施例中光学系统的畸变曲线图。
[0055]
图中：
[0056]
1为物面；2为第一透镜；3为反射器件；4为第二透镜；5光阑；6为第三透镜；7为第四透镜；8为镜头开孔；9为镜头组件；10为第一透镜组件；11为第二透镜组件。
具体实施方式
[0057]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
[0058]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
[0059]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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实施例和简化描述，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。
[0060]
此外，术语“第一”、“第二”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明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0061]
在本发明实施例中，本发明提供的内反射式远心镜头，包括沿光路顺次设置的第一透镜组件、反射器件以及第二透镜组件；
[0062]
所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
[0063]
所述第一透镜的像侧面布置有所述反射器件，所述反射器件的像侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的像侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的像侧面布置有第四透镜；
[0064]
所述第一透镜组件，用于接收远心光束，对所述远心光束进行会聚，以使所述远心光束通过反射器件折转后会聚于第二透镜组件的光阑位置；所述第二透镜组件，用于接收所述反射器件反射后的所述远心光束，并投射成像。
[0065]
本发明中在远心镜头中设置反射器件，将入射的所述离散准直光束并进行反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵，缩短了整个远心镜头的光路长度，进而降低了光学投影器的高度，从而能够将包括光学投影器的深度相机应用在手机等对厚度有要求的电子设备上。
[0066]
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
图1(a)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第一种结构示意图，如图1(a)所示，本发明提供的内反射式远心镜头，包括沿光路顺次设置的第一透镜组件10、反射器件3以及第二透镜组件11；
[0068]
所述第一透镜组件10包括第一透镜2；所述第二透镜组件11包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜6以及第四透镜7；
[0069]
所述第一透镜2的像侧面布置有所述反射器件3，所述反射器件3的像侧面布置有所述第二透镜4，所述第二透镜4的像侧面布置有所述第三透镜6，所述第三透镜6的像侧面布置有第四透镜7；
[0070]
所述第一透镜组件10，用于接收远心光束，对所述远心光束进行会聚，以使所述远心光束通过反射器件3折转后会聚于第二透镜组件11的光阑5位置；所述第二透镜组件11，用于接收所述反射器件3反射后的所述远心光束，并投射成像。
[0071]
图1(b)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第二种结构示意图，如图1(b)所示，所述第二透镜组件11包括沿光路顺次设置的第二透镜4和及第四透镜7，所述第二透镜4采用弯月凸透镜，用于将远心光束会聚到光阑5处；所述第四透镜7采用弯月凹透镜，用于将通过所述光阑5入射的远心光束进一步发散投射出，通过在第二透镜组件11中省略第三透镜，可以进一步减小内反射式远心透镜系统的尺寸，使系统更加紧凑。
[0072]
图1(c)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第三种结构示意图，如图1(c)所示，本发明实施例中，反射镜器件3采用直角全反射棱镜，由于远心光束在直角反射棱镜的
斜面反射面进行全反射，由于光线入射直角棱镜的斜面角度超过了全反射临界角，因此在斜面上无须镀膜即可实现100％的反射率。
[0073]
图1(d)为本发明实施例中内反射式远心镜头的第四种结构示意图，如图1(d)所示，所述第二透镜组件11包括沿光路顺次设置的第二透镜4和及第四透镜7，所述第二透镜4采用弯月凸透镜，用于将远心光束会聚到光阑5处；所述第四透镜7采用弯月凹透镜，用于将通过所述光阑5入射的远心光束进一步发散投射出，通过在第二透镜组件11中省略第三透镜，可以进一步减小内反射式远心透镜系统的尺寸，使系统更加紧凑。
[0074]
所述内反射式远心镜头的光路组成包括：物面1、第一透镜2、反射镜器件3、第二透镜4、光阑5、第三透镜6、第四透镜7；
[0075]
所述物面1，用于提供投射图案，所述物面1可以为任意的光投射器，如结构光投射器、激光器以投射图案。
[0076]
在本发明实施例中，第一透镜2，用于将来自物面1的远心光束会聚，其焦平面在光阑5处；
[0077]
反射镜器件3，用于将远心光束反射后折转90
°
，可以采用平面镀膜反射镜，且能够通过表面的金属层或多层介质膜镀层以提高光线在反射镜表面的反射率，也可以采用直角全反射棱镜，由于远心光束在直角反射棱镜的斜面反射面进行全反射，由于光线入射直角棱镜的斜面角度超过了全反射临界角，因此在斜面上无须镀膜即可实现100％的反射率，但需要直角面需要镀增透膜以提高透过率。
[0078]
所述第二透镜4采用弯月凸透镜，用于将远心光束会聚到光阑5处；
[0079]
所述光阑5，为一虚拟平面，所述远心光束在光阑5处收至最窄；
[0080]
所述第三透镜6采用弯月凸透镜，用于将通过所述光阑5入射的远心光束发散投射；
[0081]
所述第四透镜7采用弯月凹透镜，用于将通过所述第三透镜6入射的远心光束进一步发散投射出；
[0082]
在本发明实施例中，所述第一透镜2具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构，所述远心镜头的物面1不同像高处的主光线，均平行于所述第一透镜2的光轴。
[0083]
所述反射器件3的反射面为平面，相对于所述第一透镜2或所述第二透镜4、所述第三透镜6以及所述第四透镜7的光轴倾斜40
°
至50，其中优选倾斜为45
°
；所述反射器3件，用于将第一透镜2出射的远心光束，折转90
°
后投射至第二透镜4。
[0084]
所述反射器件3的设置，利用了物方远心光路第一透镜2与第二透镜4光学间距较大，光路倾角小的特点，在光路中嵌入反射器件3，实现光路折叠的同时不增加远心镜头的总长，有利于镜头尺寸的小型化。
[0085]
所述第二透镜4具有正的光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
[0086]
所述第三透镜6具有正的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
[0087]
所述第四透镜7具有负的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面。
[0088]
在本发明实施例中，所述第一透镜2与所述第二透镜4之间的光学间距与反射器件3的尺寸满足以下条件式：
[0089][0090]
在本发明实施例中，所述光学间距为第一透镜的像侧面顶点延光轴到反射器件的
距离，与第二透镜2的物侧面顶点延光轴到反射器件的距离之和。
[0091]
在本发明实施例中，所述反射器件长度为所述反射器件在所述第一透镜和所述第二透镜之间延伸的长度，即图1(a)和图1(c)中展示的反射器件长度。
[0092]
在本发明实施例中，所述第二透镜4与第三透镜6之间设置有光阑5，使的所述远心镜头满足以下条件式：
[0093]
73
°
《fov《112
°
[0094]
其中，fov为所述远心镜头的视场角；fov用于限制镜头视场角的范围，实现大角度投射。
[0095]
0.95《vp《1
[0096]
其中，vp为所述远心镜头的视点深度；vp用于约束镜头的视点深度，减小镜头的开孔大小，同时减小渐晕，有利于提高像面的照度均匀性。
[0097]
∣distortion∣《8％
[0098]
其中，distortion为光学系统的光学畸变。distortion用于约束广角镜头的畸变，对于广角镜头，畸变越小成图像轮廓越真实。
[0099]
在本发明实施例中，所述远心镜头的物面1不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜2的光轴。
[0100]
在本发明一实施例中，所述第一透镜2、所述第二透镜4、所述第三透镜6、所述第四透镜7为非球面塑料镜片。所述第一透镜2、所述第二透镜4、所述第三透镜6、所述第四透镜7的镜片折射率nd满足以下公式：
[0101]
1.62《nd《1.69
[0102]
其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。
[0103]
所述的物面1的中心与第一透镜2的光轴在同一直线上；
[0104]
所述的第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴在同一直线上；
[0105]
所述的第一透镜2的光轴与所述第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴垂直。
[0106]
图2为本发明实施例中省略掉反射器件的远心镜头结构示意图，如图2所示，物面1和第一透镜2、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴都在同一直线上，能够实现相同的投射效果，但省略掉反射器件3后的远心镜头的高度显著增大。
[0107]
图3为本发明实施例中在反射器件3位于出光端的远心镜头结构示意图，如图3所示，物面1和第一透镜2、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴都在同一直线上，在第四透镜7的像侧设置反射器件3，能够实现相同的投射效果，但远心镜头的长度和高度都均显著增大。
[0108]
图4(a)为本发明实施例中内反射式远心镜头装配于手机中的一侧面位置示意图,图4(b)为本发明实施例中内反射式远心镜头装配于手机中的一侧面位置示意图，如图4(a)和图4(b)中，在手机等紧凑型设备中，对所述远心镜头的高度及开孔尺寸均具有限制要求，因此，所述远心镜头的开孔尺寸越小越好，所述远心镜头的高度需要小于手机的厚度。
[0109]
图5(a)为本发明实施例中内反射式远心镜头装配于手机中的尺寸示意图，图5(b)为本发明实施例中省略掉反射器件的远心镜头装配于手机中的尺寸示意图，图5(c)为本发明实施例中反射器件位于出光端的远心镜头装配于手机中的尺寸示意图，如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，本发明实施例内反射式远心镜头相对于省略掉反射器件3的远心镜头具
有更低的光学高度，内反射式远心镜头相对于反射器件3位于出光端的远心镜头具有更低的光学高度、更短的长度以及更小的开孔口径，能够在紧凑型设备中具有更好的兼容性。
[0110]
图6为本发明实施例中第一透镜组件、第二透镜组件的调焦原理示意图，如图6所示，所述第二透镜组件11能够沿光轴方向移动，从而能够进行焦距调整；
[0111]
如当物面1位于虚线处时，第一透镜组件10与物面1之间发生相对位移失去对焦，即产生如图6中示出的水平方向位移，则可通过图6中示出的竖直方向移动调整第二透镜组件11的位置来补偿，进行重新对焦。
[0112]
具体的调焦方向为，当物面1相对于第一透镜组件10的距离减小时，则将第二透镜组件11向相对于反射器件3靠近的方向移动；当物面1相对于第一透镜组件10距离增大时，则将第二透镜组件11向相对于反射器件3远离的方向移动。
[0113]
在本发明实施例中，所述第二透镜组件11设置在镜筒中，通过微型电机驱动所述镜筒旋转带动所述第二透镜组件移动。
[0114]
在本发明实施例中，物面1、第一透镜2、反射镜器件3、第二透镜4、光阑5、第三透镜6、第四透镜7的表面类型、曲率半径、厚度以及材料的折射率nd、色散系数vd，如表1所示。
[0115]
表1
[0116]
表面序号表面类型曲率半径厚度材料(nd，vd)1非球面3.2330.3531.65，25.482非球面0.6640.575 3非球面0.8660.3291.64，27.564非球面0.7800.145 光阑平面无限大0.110 6非球面-3.9230.6441.66，20.377非球面-0.7111.415 反射镜平面无限大0.802 9球面2.9750.4621.62，33.2410球面-3.4050.391 物面平面无限大0.000 [0117]
在表1中，表面序号1为第四透镜7的出光面，表面序号2为第四透镜7的入光面；表面序号3为第三透镜6的出光面，表面序号4为第第三透镜6的入光面；表面序号6为第二透镜4的出光面，表面序号7为第二透镜4的入光面；表面序号9为第一透镜2的出光面，表面序号10为第一透镜2的入光面。
[0118]
图7为本发明实施例中光学系统的mtf传递函数曲线图，mtf传递函数可以综合反映光学系统的成像质量，当曲线在y轴的高度越高，越平滑，证明光学系统的成像质量越好；如图7所示，横坐标：spatial frequency in cycles per millimeter表示线对/每毫米1p/mm的空间频率。纵坐标表示mtf值。曲线越高，表示成像质量越好。纵坐标：modulus of the otf中otf全称为：optical transfer function，指光学传递函数。即纵坐标为光学调制传递函数。本发明实施例中内反射式远心镜头解像力》110lp/mm。
[0119]
图8为本发明实施例中光学系统的相对照度曲线图，如图8所示，纵坐标relative illumination为相对照度，横坐标y field millimeters为y方向向高，单位为毫米。
[0120]
其中，当曲线在y轴的高度越高，越平滑，证明光学系统的相对照度越均匀,本发明实施例中内反射式远心镜头最大视场相对照度》70％；
[0121]
图9为本发明实施例中的光学系统的畸变曲线图，如图9所示，横坐标percent为百分比，纵坐标distortion为畸变。本发明实施例中内反射式远心镜头在全视场范围内的畸变《7％。
[0122]
本发明实施例中在第一透镜组件和第二透镜组件之间设置中设置反射器件，缩短了整个远心镜头的光路长度，进而降低了远心镜头的高度，从而能够将远心镜头应用在手机等对厚度有要求的电子设备上；本发明实施例中当物面与第一透镜组件的相对位置发生变化时，则可以对应移动第二透镜组件，实现分组调焦，从而便于对应用远心镜头的光投射器进行调焦，从而能够匹配不同物面位置，而无需调整物面与第一透镜之间的位置关系。
[0123]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0124]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。