高清、大景深、长焦扫码镜头

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种高清、大景深、长焦扫码镜头。

背景技术

随着5G技术和数字智能化的发展，扫码类镜头在各个领域快速发展；同时对扫码镜头也提出新的要求。目前扫码镜头存在焦距较短从而放大倍率小，同时分辨率不高、景深小的现状，难以满足市场新的需求。

文献CN 113376801 A公开了一种大视场大景深低畸变扫描镜头，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和第六透镜L6，第二透镜L2、第三透镜L3组成第一胶合透镜组，第五透镜L5和第六透镜L6组成第二胶合透镜组，第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹透镜，第二透镜L2为双凹透镜，第三透镜L3为双凸透镜，第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹透镜，第五透镜L5为双凸透镜，第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸透镜；且满足：FOV≤160°，其中，FOV为镜头的视场角。该镜头具有更大的扫描范围和景深，成像清晰、畸变小、像质高、结构稳定，可应对工业扫描镜头的高低温应用环境。该发明使用6枚镜片，且第四透镜L4与第六透镜L6的镜片形状加工难度很大，良率较低，不利于推广应用。

文献CN 114721122 A公开了一种扫描镜头以及扫描镜头模组，属于光学成像技术领域，沿着光轴由物侧至像侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有光焦度的第二透镜，其像侧面在靠近光轴处为凸面；具有光焦度的第三透镜，其物侧面在靠近光轴处为凸面；具有光焦度的第四透镜，其像侧面在靠近光轴处为凸面；以及具有负光焦度的第五透镜，其像侧面在靠近光轴处为凹面；扫描镜头满足以下条件式：6.71

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对目前扫码镜头存在的焦距较短从而放大倍率小，同时分辨率不高、景深小的不足，提供一种高清、大景深、长焦扫码镜头。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

高清、大景深、长焦扫码镜头，沿光轴从物侧面到像侧面依次包括：第一透镜、第二透镜、由第三透镜和第四透镜组成的胶合透镜以及第五透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为玻璃球面透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的焦距依次为正、负、负、正、正。

本发明采用5枚镜片，脱胎于双高斯结构，继承其优点，同时通过对透镜的材质进行优化搭配，均采用玻璃材质，并且进行光焦度的科学分配，实现高清、大景深、长焦的镜头效果。

优选地，所述第三透镜采用高折射率、低色散材质。

在本发明中，第三透镜采用折射率为1.84以上的高折射率材质，采用Vd＝53的低色散材质材料，有利于校正球差和色差，和光焦度分配相结合，科学搭配，降低光学系的敏感度，实现了4MP高像素。

优选地，所述第二透镜为厚弯月透镜，靠近物侧面为凸面，靠近像侧面为凹面。

在本发明中，通过球面镜片材质优化搭配，第三透镜的材质选择，对第二透镜采用厚弯月形状，减少场曲的引入，使得镜头虽然是长焦镜头，但是对物距变化不敏感，解像力衰减缓慢，从而保证了大景深的效果。

优选地，所述高清、大景深、长焦扫码镜头的焦距为12mm。

优选地，所述第二透镜和第三透镜之间设置光阑，所述光阑的材质为SOMA片。

优选地，所述第一透镜、第二透镜、由第三透镜和第四透镜组成的胶合透镜以及第五透镜依次设置在镜筒内，所述镜筒内设置与所述扫码镜头的光学系统同轴的隔圈，所述第一透镜和第二透镜之间、所述第四透镜与所述第二透镜之间均设置垫片，所述垫片为金属材质。

本发明对镜筒和隔圈进行消光处理，例如：氧化成黑色、增加表面粗糙度或设置消光纹等，实现了无鬼影、炫光效果，保证了在不同环境下抓拍画面的干净度；本发明与光学系统同轴设置在镜筒中的隔圈使得镜头具有显著的组装稳定性和良好的消炫光表现。

随着条码扫面技术的不断发展成熟和市场应用领域的不断扩展，其扫描技术也在不断发展。主流条码扫描设备已经从一维激光式全面升级成二维成像式技术。而且扫描器的种类也从最简单的手持式扫描器发展为固定式，嵌入式等样式丰富，且具有专门用途的形式。现在市场上的条码扫描器产品不能很好的满足轻量级工业应用的场景。一些业内人员认为，现有扫码镜头还存在如下不足：以玻璃球面镜片为主的扫码镜头价格高，成像质量较差。由于都是采用玻璃球面镜片，所以其像差控制不是很理想，导致镜头成像质量较差，以一款50万像素的条码扫描器的镜头为例，其轴上光线MTF值为39％@701p/mm，轴外光线MTF值为28％@701p/ram。在检测普通13mil的零售条码时已经够用，但是如果用来检测高分辨率条码，譬如3mil的条码，甚至2mil等更高分辨率时，该镜头就不能再使用了(世蕙，黄晓燕，张燕珂.一款条码扫描成像镜头的多方案设计和选择[J].光学仪器，2014，36(5).420-425)。为此，扫码镜头普遍引入价格相对低的塑料镜片进行结构的优化调整，但是优化效果也非常有限。

此外，增大光学成像系统的景深一直以来都是应用光学领域的研究热点。作为扫码镜头，景深是其最重要的参数之一。景深是指在固定像平面上成清晰像时对应的物方深度范围，也就是说在保证得到清晰像时物体能够在物方空间前后移动的最大距离。通常的光学成像系统的景深范围是有限的，当通过某种方法使得成像系统的景深增大后，就称此时的成像系统是大景深成像系统，此系统具有大景深特性。对于扫码镜头而言，景深越长越好，景深越深，扫描器能“看清”的范围就越广，对解码越有利，反映到实际测试就是平均解码时间越短，可解码范围越广。但是现有扫码镜头还普遍达不到大景深的特点。

再者，光学镜头是决定成像效果好坏的重要因素之一，镜头的各种像差会降低成像质量，影响成像清晰度。光学设计是对光学镜头的各种像差进行优化，消除像差对成像质量的影响。双高斯镜头是一种经典的光学成像镜头，从其发明之日起，就经历了不断的改进，如今这种结构形式在很多场合仍在广泛使用。同时，高清化应用已深入各行各业，扫码镜头作为扫码系统中重要的组成部分，镜头的优劣直接决定了该镜头是否能准确解码。

在现有技术中，文献CN212111952U公开了一种F_Theta扫描镜头和光学镜头组件，其扫描镜头视场角仅为±20°，扫描范围小，速度慢。且其他现有的扫描镜头一般采用八片及以上的透镜或者使用非球面技术，使得镜头结构比较复杂，并且在比较大的物距范围内不能同时成像清晰，另外，非球面透镜的存在使得镜头公差敏感、高低温性能不稳定、镜头耐久度低，并增加了整个镜头的成本和工艺复杂性。再如背景技术所引用的现有技术，如文献CN 113376801 A和CN 114721122 A，这些技术均为不同镜片组合的扫描镜头，且均取得了一定的技术成效，但同时也能看到它们在某些方面还存在一定的不足，还有待进一步探索与改进。

因此，提供一种高清、大景深、长焦扫码镜头势在必行。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明扫码镜头采用5枚镜片，脱胎于双高斯结构，继承其优点，同时，在材质选择上，第三透镜采用高折射率、低色散材质的材料，优选采用折射率为1.84以上的高折射率材质，采用Vd＝53的低色散材质材料，有利于校正球差和色差，并与光焦度进行科学搭配，降低光学系的敏感度，达到4MP高像素，实现扫面画面高清化。

2、扫码镜头往往需要较大范围的工作距离，这要求扫码镜头有较大的景深。本发明通过对球面镜片材质优化搭配，优选玻璃材质，第三透镜采用高折射率、低色散材质的材料，并且对第二透镜的镜片形状的设计，减少场曲的引入，从而使得本发明尽管是长焦镜头(焦距为12mm)，但是对物距不敏感，解像力衰减缓慢，从而保证了大景深的效果。

3、不同光源及亮度环境下，镜头往往会产生较重的鬼影、炫光，干扰扫描画面的像质，导致无法识别。本发明基于事先预估，通过第二透镜、第五透镜的R值进行针对性的调整，把二次反射到像面的光束，由在像面会聚成斑的光束变成在像面发散开来的光束，大大降低鬼影斑的聚集程度；加上对镜筒、隔圈的消光处理，实现了无鬼影、炫光效果，保证了在不同环境下抓拍画面的干净度。

4、本发明扫码镜头采用全玻镜片组成光学系统，可靠性及信赖性高，工作温度达-30-+80℃，初期投入成本较少，有利于推广应用。

5、本发明通过对扫码镜头的球差、畸变、垂轴色差和MTF进行测试，结果表明本发明扫码镜头实拍画面整洁度高，解像力高，f光、d光、c光相对垂轴色差在2μm以内，分辨率高，焦距为12mm，实现了高清、大景深以及长焦的效果。

附图说明

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明高清、大景深、长焦扫码镜头的结构示意图；

图2：本发明实施例的扫码镜头的球差曲线图；

图3：本发明实施例的扫码镜头的畸变曲线图；

图4：本发明实施例的扫码镜头的垂轴色差曲线图；

图5：本发明实施例的扫码镜头的MTF曲线图；

其中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-胶合透镜，4-第五透镜，5-镜筒，6-压盖，7-第一垫片，8-第二垫片，9-光阑。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为描述方便，定义扫描镜头左侧为景物侧(以下也可称为物侧)，透镜的朝向物侧的表面可以称为物侧面，物侧面也可以理解为透镜靠近物侧的表面，扫描镜头右侧为图像侧(以下也可称为像侧)，透镜的朝向像侧的表面可以称为像侧面，像侧面也可以理解为透镜靠近像侧的表面。

参阅图1，本发明实施例的扫描镜头含5片透镜，从物侧到像侧，沿光轴依次包括：第一透镜1、第二透镜2、由第三透镜和第四透镜组成的胶合透镜3以及第五透镜4，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜、第四透镜和第五透镜4均为玻璃球面透镜，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜、第四透镜和第五透镜4的焦距依次为正、负、负、正、正。

本发明采用5枚镜片，脱胎于双高斯结构，继承其优点，同时通过对透镜的材质进行优化搭配，均采用玻璃材质，并且进行光焦度的科学分配，实现高清、大景深、长焦的镜头效果。

在本发明的一种具体实施例中，第三透镜采用高折射率、低色散材质。

在本发明中，第三透镜采用折射率为1.84以上的高折射率材质，采用Vd＝53的低色散材质材料，有利于校正球差和色差，和光焦度分配相结合，科学搭配，降低光学系的敏感度，实现了4MP高像素。

在本发明的一种具体实施例中，第二透镜2为厚弯月透镜，靠近物侧面为凸面，靠近像侧面为凹面。

在本发明中，通过球面镜片材质优化搭配，第三透镜的材质选择，对第二透镜2采用厚弯月形状，减少场曲的引入，使得镜头虽然是长焦镜头，但是对物距变化不敏感，解像力衰减缓慢，从而保证了大景深的效果。

在本发明的一种具体实施例中，高清、大景深、长焦扫码镜头的焦距为12mm，实现长焦的特点。

在本发明的一种具体实施例中，第二透镜2和第三透镜之间设置光阑9，光阑9的材质为SOMA片。

在本发明的一种具体实施例中，第一透镜1、第二透镜2、由第三透镜和第四透镜组成的胶合透镜3以及第五透镜4依次设置在镜筒5内；镜筒5内设置与扫码镜头的光学系统同轴的隔圈。

在本发明中，对镜筒5和隔圈进行消光处理，例如：氧化成黑色、增加表面粗糙度或设置消光纹等，有利于实现无鬼影、炫光效果，保证在不同环境下抓拍画面的干净度；本发明与光学系统同轴设置在镜筒5中的隔圈使得镜头具有显著的组装稳定性和良好的消炫光表现。

在本发明的一种具体实施例中，镜筒5的两端还设置有压盖6，以稳定镜头。

在本发明的一种具体实施例中，第一透镜1和第二透镜2之间设置第一垫片7，第四透镜与第二透镜2之间设置第二垫片8；第一垫片7和第二垫片8均为金属材质。

在本发明的一种具体实施例中，通过对第二透镜2和第五透镜4的曲率半径R值进行调整，具体地，第二透镜2物侧面的曲率半径为6.0mm，像侧面的曲率半径为3.9mm，第五透镜4物侧面的曲率半径为-6.1mm，像侧面的曲率半径为10.3mm，把二次反射到像面的光束，由在像面会聚成斑的光束变成在像面发散开来的光束，大大降低鬼影斑的聚集程度，实现了无鬼影、炫光效果，保证了在不同环境下抓拍画面的干净度。

本实施例提供的扫码镜头中各个镜片的相关参数如下表所示。

表中：胶合透镜3的胶合面表示为同一表面序号。

1为第一透镜1的物侧镜面，2为第一透镜1的像侧镜面；

3为第二透镜2的物侧镜面，4为第二透镜2的像侧镜面；

6为第三透镜的物侧镜面，7为第三透镜与第四透镜的(即胶合透镜3)的胶合面，8为第四透镜的像侧镜面；

9为第五透镜4的物侧镜面，10为第五透镜4的像侧镜面；

11为像面。

根据上述数据，本实施例扫码镜头的球差曲线图如图2所示，球差主要部分矫正到±0.02mm以内，在光谱带宽内球差校正得比较好，做到了内外光孔的均衡，这样能增加镜头实拍画面的整洁度。

如图3所示的畸变曲线图，基于5片球面镜片的精准配合，像散和场曲可以矫正到合适的范围，使得子午的解像力能够与弧矢方向的解像力相近。

如图4所示的垂轴色差曲线图，f光、d光、c光相对垂轴色差在2μm以内，完全满足扫码镜头解像品质的需求。

如图5所示的MTF曲线图，本发明镜头有着优良的解像力，中心视场及0.9视场以内，160cycles/mm的空间频率有着较高的锐度，MTF曲线接近衍射极限。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。