一种应用于激光雷达的光学镜头的制作方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36404427发布日期:2023-12-16 10:19阅读:12来源:国知局
一种应用于激光雷达的光学镜头的制作方法

1.本发明涉及光学领域,尤其涉及一种光学镜头和车载激光雷达



背景技术:

2.激光雷达
(laser detection and ranging, ladar 或 light detection and ranging, lidar)
区别于传统的以微波和毫米波作为载波的雷达,是指以激光作为载波

以光电探测器作为接收器件

以光学镜头作为天线的光雷达

3.其工作原理是向被测目标发射激光束,然后测量反射或散射信号的到达时间

强弱程度等参数,以确定目标的距离

方位

运动状态及表面光学特性,从而建立测量目标的三维成像信息

由于探测精度高

功耗低

体积小

易于装备等特点,目前激光雷达在地形测绘

城市建模

工业制造

自动驾驶,以及预警探测

制导

引信等技术中等领域已得到广泛的应用,具有良好的应用前景

4.激光雷达的接收光学系统-接收镜头是为了尽可能地将由探测目标反射回来的激光能量会聚到探测器上

对于激光雷达的接收镜头来说,需要其具备采集微弱光信号的能力

为了提高激光雷达分辨率和精度,激光雷达接收镜头要尽可能实现更小的相对孔径
(fnum)
,来增加镜头的通光能力;为了提升激光雷达的探测范围,需要更大的视场角;为了更好地实现环境光抑制,接收镜头需要实现更小的主光线角度
(chief ray angle

cra)。
但现有的镜头结构要实现较小的
fnum、cra
以及较大的视场角,会造成体积很大,难以放到车载激光雷达内部使用



技术实现要素:

5.由此原因,本技术的目的在于提供一种用于车载激光雷达的光学镜头,仅由七片玻璃镜片组成,且在保证大的视场角度,
fnum
值较小,
cra
也较小的特点之外,还能够同时实现高解像力和紧凑小体积的结构

6.本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的

7.本发明提供一种应用于激光雷达的光学镜头,沿光轴从物侧到成像面依次包括:具有负光焦度的第一透镜,所述第一透镜的像侧面为凹面;具有正光焦度的第二透镜,所述第二透镜的物侧面为凹面,所述第二透镜的像侧面为凸面;具有正光焦度的第三透镜,所述第三透镜的物侧面为凸面,所述第三透镜的像侧面为凸面;具有负光焦度的第四透镜,所述第四透镜的物侧面为凹面;具有正光焦度的第五透镜,所述第五透镜的像侧面为凸面;具有正光焦度的第六透镜,所述第六透镜的物侧面为凸面,所述第六透镜的像侧面为凸面;具有正光焦度的第七透镜,所述第七透镜的物侧面为凸面;
其中,所述光学镜头满足条件式:
6.1《ttl/f《6.5
,其中,
ttl
表示所述光学镜头的光学总长,f表示所述光学镜头的有效焦距;其中,所述光学镜头满足条件式:
1.70《tan(hfov)/fnum《1.80
,其中,
hfov
为所述光学镜头的最大视场角的一半,
tan(hfov)

hfov
角度的正切,
fnum
为所述光学镜头的相对孔径;其中,所述光学镜头满足条件式:
cra《10
°
,其中
cra
为所述光学镜头在所述镜头最大视场角
fov
所对应的主光线角度

8.进一步的,所述光学镜头满足条件式:-2.4《f1/f《-1.5
,其中,
f1
表示所述第一透镜的焦距

9.进一步的,所述光学镜头满足条件式:
1.5《f3/f《2.4
,其中,
f3
表示所述第三透镜的焦距

10.进一步的,所述光学镜头满足条件式:-1.1《f4/f《-6
,其中,
f4
表示所述第四透镜的焦距

11.进一步的,所述光学镜头满足条件式:
3.5《f7/f《5.9
,其中,
f7
表示所述第七透镜的焦距

12.进一步的,所述光学镜头满足条件式:
0.8《r2/f《1.2
,其中,
r2
表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径

13.进一步的,所述光学镜头满足条件式:
10.1mm

ttl/tan(hfov)

10.8mm。
14.与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明实施例提供的一种光学镜头,包括一些设置的第一透镜至第七透镜,通过将第一透镜设置为具有负光焦度,当入射光线经过具有负光焦度的第一透镜
l1
,能够有效地将较大视场范围的光线耦合进入光学镜头中,配合第一透镜的物侧面

像侧面分别为凸面

凹面的面型设计,从而增大光学镜头的视场角,并且缩短光学镜头的光学总长

第二透镜具有正光焦度,且第二透镜的物侧面为凸面

像侧面为凹面,有助于降低光线在第二透镜的物侧面和第二透镜的像侧面上的入射角度,降低光线在透镜的表面上的反射,并且还能校正像差

第三透镜具有正光焦度,且第三透镜的物侧面

像侧面于为凸面,有利于合理分配光学镜头的光焦度,使得光学镜头整体的光焦度朝物侧方向移动的幅度减小,有助于缩短光学镜头的光学总长,实现小型化设计需求

搭配具有负光焦度的第四透镜,能够较好的矫正光学镜头的场曲和像散

通过将第四透镜的物侧面和像侧面均设置为凹面,能够进一步缩短光学镜头的光学总长,使得四片透镜的结构更为紧凑

第五透镜具有正光焦度,且第五透镜的像侧面为凸面,有助于降低光线在透镜表面上的入射角,进一步压缩主光线角度,同时还能校正像差

第六透镜具有正光焦度,有助于降低光线在透镜表面上的入射角,进一步压缩主光线角度,同时还能校正像差

第七透镜具有正光焦度,有助于降低光线在透镜表面上的入射角,进一步压缩主光线角度,同时还能校正像差,并且能够与具有较大主光角的图像传感器相匹配,从而提高成像质量

15.当光学镜头满足
6.1《ttl/f《6.5
时,通过限定光学镜头的光学总长与焦距关系,能够在满足光学镜头实现小型化设计的同时满足光学镜头具有较大景深的效果

另一方面,光学镜头满足上述关系式时,还能确保光学镜头的光学总长较小,从而使得光学镜头具有较小的体积,当光学镜头用于车载激光雷达时,满足车载激光雷达的空间的需求

16.以此法设计的车载激光雷达的光学镜头,仅由七片玻璃镜片组成,且在保证大的视场角度,
fnum
值较小,
cra
也较小的特点之外,还能够做到结构紧凑

压缩体积,同时实现高解像力

附图说明
17.图1是本技术实施例一公开的光学镜头的结构示意图;图2是本技术实施例一公开的光学镜头的纵向球差图;图3是本技术实施例一公开的光学镜头的畸变曲线;图4是本技术实施例一公开的光学镜头主光线角度曲线;图5是本技术实施例二公开的光学镜头的结构示意图;图6是本技术实施例二公开的光学镜头的纵向球差图;图7是本技术实施例二公开的光学镜头的畸变曲线;图8是本技术实施例二公开的光学镜头主光线角度曲线;图9是本技术实施例三公开的光学镜头的结构示意图;图
10
是本技术实施例三公开的光学镜头的纵向球差图;图
11
是本技术实施例三公开的光学镜头的畸变曲线;图
12
是本技术实施例三公开的光学镜头主光线角度曲线

具体实施方式
18.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

19.在本发明中,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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

这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例,并非用于限定所指示的装置

元件或组成部分必须具有特定方位,或以特定方位进行构造和操作

并且,上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外,还可能用于表示其他含义,例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系

对于本领域普通技术人员而言,可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义

20.此外,术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解

例如,可以是固定连接,可拆卸连接,或整体式构造;可以是机械连接,或电连接;可以是直接相连,或者是通过中间媒介间接相连,又或者是两个装置

元件或组成部分之间内部的连通

对于本领域普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义

21.此外,术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置

元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同),并非用于表明或暗示所指示装置

元件或组成部分的相对重要性和数量

除非另有说明,“多个”的含义为两个或两个以上

22.本发明提供了一种光学镜头,共有七片具有光焦度的透镜,所述光学镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜

第二透镜

第三透镜

第四透镜

第五透镜

第六透


第七透镜;具有负光焦度的第一透镜,所述第一透镜的像侧面为凹面;具有正光焦度的第二透镜,所述第二透镜的物侧面为凹面,所述第二透镜的像侧面为凸面;具有正光焦度的第三透镜,所述第三透镜的物侧面为凸面,所述第三透镜的像侧面为凸面;具有负光焦度的第四透镜,所述第四透镜的物侧面为凹面;具有正光焦度的第五透镜,所述第五透镜的像侧面为凸面;具有正光焦度的第六透镜,所述第六透镜的物侧面为凸面,所述第六透镜的像侧面为凸面;具有正光焦度的第七透镜,所述第七透镜的物侧面为凸面;其中,所述光学镜头满足条件式:
6.1《ttl/f《6.5

5.0《ttl/ih《6.5
,其中,
ttl
表示所述光学镜头的光学总长,f表示所述光学镜头的有效焦距,
ih
表示所述光学镜头的全视场角对应的像高

23.同时,所述光学镜头满足条件式:
1.70《tan(hfov)/fnum《1.80
,其中,
hfov
为所述光学镜头的最大视场角的一半,
tan(hfov)

hfov
角度的正切,
fnum
为所述光学镜头的相对孔径

24.当光学镜头满足
6.1《ttl/f《6.5
时,通过限定光学镜头的光学总长与焦距关系,能够在满足光学镜头实现小型化设计的同时满足光学镜头具有较大景深的效果

还能确保光学镜头的光学总长较小,从而使得光学镜头具有较小的体积,当光学镜头用于车载激光雷达时,满足车载激光雷达的空间的需求

25.另一方面,当光学镜头满足光学镜头满足
1.70《tan(hfov)/fnum《1.80
时,能满足在比较大的视场角的基础上保持镜头满足比较小的相对孔径,从而提升激光雷达的探测范围,增加镜头的通光能力,提升激光雷达镜头的探测质量和效率

26.同时,所述光学镜头满足条件式:
cra《10
°
,其中
cra
为所述光学镜头在所述镜头最大视场角
fov
所对应的主光线角度

从而可以满足激光雷达探测器接收器的角度要求,提升探测的灵敏度,降低杂散光的干扰

27.作为一种可选的实施方式,在本发明实施例中,所述光学镜头满足以下关系式:-2.4《f1/f《-1.5
其中,
f1
表示所述第一透镜的焦距,f为所述光学镜头的焦距

当光学镜头满足上述关系式时,一方面有利于压缩入射光线进入第一透镜的角度,使得光线在进入第二透镜时更平滑,从而更好地矫正像差,使得光学镜头在使用过程中能够获取更清晰准确的图像,从而提升成像质量;另一方面,还能够避免后焦变长导致光学镜头体积过大的问题,从而有助于实现光学镜头小型化的设计,而且能够避免光学镜头的主光角变大导致难以匹配图像传感器的主光角的问题,从而提升光学镜头的成像质量

28.作为一种可选的实施方式,在本发明实施例中,所述光学镜头满足以下关系式:
1.5《f3/f《2.4
其中,
f3
表示所述第三透镜的焦距,f为所述光学镜头的焦距

当光学镜头满足上述关系式时,一方面有利于压缩入射光线进入第三透镜的角度,使得光线在进入第四透镜
时更平滑,从而更好地矫正像差,使得光学镜头在使用过程中能够获取更清晰准确的图像,从而提升成像质量;另一方面,能够保证光线在进入第一透镜和第三透镜的过程中更加顺畅,避免光线在进入第三透镜时入射角度过大,从而能够更好地校正像差,减少鬼像发生的风险,从而提高光学镜头的成像质量

29.作为一种可选的实施方式,在本发明实施例中,所述光学镜头满足以下关系式:-1.1《f4/f《-6
其中,
f4
为所述第四透镜的焦距,f为所述光学镜头的焦距

当光学镜头满足上述关系式时,确保光线在进入第四透镜时更顺畅,进而更好地矫正光学镜头的场曲和像散,从而提高光学镜头的成像效果

并且通过合理配置第四透镜的屈折力,使得光学镜头的主光角范围更为合理,当采用具有较大主光角的图像传感器时,能够提高与图像传感器主光角的适配程度,进一步提高光学镜头的成像质量

30.作为一种可选的实施方式,在本发明实施例中,所述光学镜头满足以下关系式:
3.5《f7/f《5.9
其中,
f7
为所述第七透镜的焦距

当光学镜头满足上述关系式时,能够合理控制光线经过镜头之后的走向和路径,满足较小的相对孔径,提升光学镜头的成像性能;同时可以控制入射到像面上的

31.作为一种可选的实施方式,在本发明实施例中,所述光学镜头满足以下关系式:
0.8《r2/f《1.2
其中,
r2
表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径;当光学镜头满足上述关系式时,能够合理控制第二透镜的面型,使得光线在离开第二透镜且进入第三透镜时更平顺

因此,通过使光学镜头满足上述关系式,能够有效控制光学镜头的敏感度,从而提升装配的良率

32.作为一种可选的实施方式,在本发明实施例中,所述光学镜头满足以下关系式:
10.1

ttl/tan

hfov
)<
10.8
其中,
hfov
为所述光学镜头的最大视场角的一半

当光学镜头满足上述关系式时,不仅能够保证光学镜头的光学总长保持在合理范围内,缩小光学镜头的长度,在将光学镜头用于激光雷达时,能使镜头的整体体积控制在比较小的范围内,从而能够减轻车载激光雷达系统的安装压力

而且满足上述关系式的光学镜头还能够避免视场角过大而导致第一透镜的直径过大的情况,从而保证光学镜头的直径保持在合理范围内,同样也能减小镜头的尺寸

通过合理配置所述光学镜头的光学总长与光学镜头的最大视场角的一半的关系,能够在满足光学镜头的小型化需求的同时满足大视场的设计,使得光学镜头能够探测到足够大范围的激光信号,提升镜头的使用性能

33.下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的光学镜头的具体实施例

实施例一
34.本技术的实施例一公开的光学镜头
100
的结构示意图如图1所示,光学镜头
100
包括沿光轴o从物侧至像侧依次设置的所述光学镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜
l1、
第二透镜
l2、
第三透镜
l3、
第四透镜
l4、
第五透镜
l5、
第六透镜
l6、
第七透镜
l7。
成像时,光线从第一透镜
l1
物侧依次进入第一透镜
l1、
第二透镜
l2、
第三透镜
l3、
第四透镜
l4、
第五透镜
l5、
第六透镜
l6、
第七透镜
l7
,并最终成像于光学镜头
100
的成像面
s1


其中,第
一透镜
l1
具有负光焦度,第二透镜
l2
具有正光焦度,第三透镜
l3
具有正光焦度,第四透镜
l4
具有负光焦度,第五透镜
l5
具有正光焦度

第六透镜
l6
具有正光焦度

第七透镜
l7
具有正光焦度

35.进一步地,第一透镜
l1
的物侧面
11
于近光轴o处为凸面,第一透镜
l1
的像侧面
12
于近光轴o处为凹面;第二透镜
l2
的物侧面
21
于近光轴o处为凹面,第二透镜
l2
的像侧面
22
于近光轴o处为凸面;第三透镜
l3
的物侧面
31
于近光轴o处为凸面,第三透镜
l3
的像侧面
32
于近光轴o处为凸面;第四透镜
l4
的物侧面
41
于近光轴o处为凹面,第四透镜
l4
的像侧面
42
于近光轴o处为凹面;第五透镜
l5
的物侧面
51
于近光轴o处为凸面,第五透镜
l5
的像侧面
52
于近光轴o处为凸面;第六透镜
l6
的物侧面
61
于近光轴o处为凸面,第六透镜
l6
的像侧面
62
于近光轴o处为凸面;第七透镜
l7
的物侧面
71
于近光轴o处为凸面,第七透镜
l7
的像侧面
72
于近光轴o处为凸面

36.具体地,以光学镜头
100
的焦距
f=4.6388mm、
光学镜头
100
的光圈数
fno=1.5996
,光学镜头
100
的最大视场半角
hfov=70
度,第一透镜
l1
的物侧面
11
至光学镜头
100
的第七透镜
l7
像侧于光轴o上的距离
ttl=28.9447mm
为例,光学镜头
100
的其他参数由下表1给出

其中,沿光学镜头
100
的光轴o由物侧向像侧的各元件依次按照表1从上至下的各元件的顺序排列

在同一透镜中,表面编号较小的表面为该透镜的物侧面,表面编号较大的表面为该透镜的像侧面,如表面编号1和2分别对应第一透镜
l1
的物侧面
11
和像侧面
12。
表1中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴o处的曲率半径

透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴o上的厚度,第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴o上的距离

默认第一透镜
l1
物侧面
11
到最后一枚镜片像侧面的方向为光轴o的正方向

可以理解的是,表1中的曲率半径

厚度

焦距的单位均为
mm。
且表1中的折射率在参考波长
940nm
下得到,焦距在参考波长
940nm
下得到

37.表138.请参阅图2,图2示出了实施例一的光学镜头
100
的像差图,其中,图2示出了实施例一中的光学镜头
100
在波长为
905nm

940nm
下的纵向球差图

图2中,沿
x
轴方向的横坐标表示焦点偏移,单位为
mm
,沿y轴方向的纵坐标表示归一化孔径

由图2中可以看出,实施例一
45.请参阅图
6、

7、
图8,其中图6示出了实施例二的光学镜头
200
的纵向球差图,图7示出了实施例二中光学镜头
200
的畸变曲线图,图8示出了实施例二中光学镜头
200
的主光线角度图

根据图
6-7
可知,光学镜头
200
的纵向球差

畸变和主光线角度均得到良好的控制,从而该实施例的光学镜头
200
拥有良好的成像品质

此外,关于图
6、

7、
图8中各曲线对应的波长可参考实施例一中关于图2中

图3中

图4中所描述的内容,此处不再赘述

实施例三
46.本技术的实施例三公开的光学镜头
300
的结构示意图如图9所示,光学镜头
300
包括沿光轴o从物侧至像侧依次设置的所述光学镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜
l15、
第二透镜
l16、
第三透镜
l17、
第四透镜
l18、
第五透镜
l19、
第六透镜
l20、
第七透镜
l21。
成像时,光线从第一透镜
l15
物侧依次进入第一透镜
l15、
第二透镜
l16、
第三透镜
l17、
第四透镜
l18、
第五透镜
l19、
第六透镜
l20、
第七透镜
l21
,并最终成像于光学镜头
300
的成像面
s3


其中,第一透镜
l15
具有负光焦度,第二透镜
l16
具有正光焦度,第三透镜
l17
具有正光焦度,第四透镜
l18
具有负光焦度,第五透镜
l19
具有正光焦度

第六透镜
l20
具有正光焦度

第七透镜
l21
具有正光焦度

47.进一步地,第一透镜
l15
的物侧面
151
于近光轴o处为凸面,第一透镜
l15
的像侧面
152
于近光轴o处为凹面;第二透镜
l16
的物侧面
161
于近光轴o处为凹面,第二透镜
l16
的像侧面
162
于近光轴o处为凸面;第三透镜
l17
的物侧面
171
于近光轴o处为凸面,第三透镜
l17
的像侧面
172
于近光轴o处为凸面;第四透镜
l18
的物侧面
181
于近光轴o处为凹面,第四透镜
l18
的像侧面
182
于近光轴o处为凹面;第五透镜
l19
的物侧面
191
于近光轴o处为凸面,第五透镜
l19
的像侧面
192
于近光轴o处为凸面;第六透镜
l20
的物侧面
201
于近光轴o处为凸面,第六透镜
l20
的像侧面
202
于近光轴o处为凸面;第七透镜
l21
的物侧面
211
于近光轴o处为凸面,第七透镜
l21
的像侧面
212
于近光轴o处为凹面

48.具体地,以光学镜头
300
的焦距
f=4.64mm、
光学镜头
300
的光圈数
fno=1.6
,光学镜头
300
的最大视场半角
hfov=70
度,第一透镜
l15
的物侧面
151
至光学镜头
300
的第七透镜
l21
像侧于光轴o上的距离
ttl=28.574mm
为例,光学镜头
300
的其他参数由下表3给出

其中,沿
光学镜头
300
的光轴o由物侧向像侧的各元件依次按照表3从上至下的各元件的顺序排列

在同一透镜中,表面编号较小的表面为该透镜的物侧面,表面编号较大的表面为该透镜的像侧面,如表面编号1和2分别对应第一透镜
l15
的物侧面
151
和像侧面
152。
表3中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴o处的曲率半径

透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴o上的厚度,第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴o上的距离

默认第一透镜
l15
物侧面
151
到最后一枚镜片像侧面的方向为光轴o的正方向

可以理解的是,表1中的曲率半径

厚度

焦距的单位均为
mm。
且表3中的折射率在参考波长
940nm
下得到,焦距在参考波长
940nm
下得到

49.表350.请参阅图
10、

11、

12
,其中图
10
示出了实施例三的光学镜头
300
的纵向球差图,图
11
示出了实施例三中光学镜头
300
的畸变曲线图,图
12
示出了实施例三中光学镜头
300
的主光线角度图

根据图
6-7
可知,光学镜头
300
的纵向球差

畸变和主光线角度均得到良好的控制,从而该实施例的光学镜头
300
拥有良好的成像品质

此外,关于图
10、

11、

12
中各曲线对应的波长可参考实施例一中关于图2中

图3中

图4中所描述的内容,此处不再赘述

51.以上对本发明实施例公开的光学镜头进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的光学镜头及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制

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