CN104204891A - 广角深度成像透镜构造 - Google Patents

Abstract

本文公开了涉及深度传感器系统的各光学元件的构造的各实施例。一个所公开的实施例提供一种广角透镜构造，包括第一、负级以及沿着所述透镜构造的光轴位于第一、负级之后的第二、正级。第二、正级还包括第一正透镜子级、第二正透镜子级、第三正透镜子级，第二正透镜子级位于第一正透镜子级和第三正透镜子级之间。

Description

广角深度成像透镜构造

背景

基于图像的深度传感器可被用在各种不同的环境中。例如，基于图像的深度传感器可以与交互式娱乐系统一起使用，以允许玩家通过只使用身体姿势而无需使用用于检测姿势的手持式运动传感器等来与该娱乐系统进行交互。

基于图像的深度传感器可以利用各种技术，包括但不限于飞行时间和结构化光深度感测技术，来根据图像数据确定深度。在任一情况下，在图像到图像传感器的传输受诸如光学系统的热膨胀之类的因素影响时，可发生深度感测误差。

发明内容

本文公开了涉及用于红外深度成像系统的广角高速红外成像透镜组装件的各实施例。例如，一个所公开的实施例提供一种包括透镜构造的深度感测系统，所述透镜构造包括第一、负级以及沿着所述透镜构造的光轴位于第一、负级之后的第二、正级。第二、正级包括第一正透镜子级、第二正透镜子级以及第三正透镜子级，其中第二正透镜子级位于第一正透镜子级和第三正透镜子级之间。

提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。

附图说明

图1A示出了包括深度相机的计算机系统的示例性实施例，该深度相机跟踪玩拳击游戏的游戏玩家。

图1B示出了图1A的游戏玩家挥出重拳，该重拳被跟踪并且被解释成致使玩家化身在拳击游戏的游戏空间中挥出重拳的游戏控制。

图2示出深度相机的实施例的示意图。

图3示出与深度相机一起使用的透镜构造的实施例的示意图。

图4是经由图3的透镜构造将图像聚焦在图像传感器上的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

公开了涉及以诸如便于光线不足、广角应用中的图像感测的方式的基于图像的深度感测系统的光学元件的各实施例。简言之，与常规的焦点后移透镜构造相比，所公开的实施例可以提供相对较低的相对孔径(f#)和较宽的视野。在一些实施例中，可达到小于或等于1.0的f数以及大于或等于90°的视野(FoV)。此外，一些实施例提供即使感测元件由于热膨胀而移动也可帮助维持图像的大小的远心度(telecentricity)。

图1A示出了深度感测相机系统10的一个非限制性示例。具体而言，图1A示出了计算机游戏系统12，该计算机游戏系统12可以用于玩各种各样不同的游戏、播放一个或多个不同的媒体类型、和/或控制或操纵非游戏应用。图1A还示出了可以被用于向游戏玩家(如游戏玩家18)呈现游戏视觉的诸如高清电视机之类的显示器14。此外，图1A示出了深度相机20形式的捕捉设备，其可以用于在视觉上监视诸如游戏玩家18之类的一个或多个游戏玩家。例如，深度相机20可以是广角高速红外深度相机设备。图1A中所示的示例是非限制性的。如下文描述的，可使用各种不同类型的深度感测系统而不背离本公开的范围。

目标跟踪系统可以用于识别、分析和/或跟踪诸如游戏玩家18之类的一个或多个目标。图1A示出了一种场景，其中使用深度相机20跟踪游戏玩家18，使得游戏玩家18的移动可以被游戏系统12解释成可以用于影响由游戏系统12执行的游戏的控制。换言之，游戏玩家18可以使用他的移动来控制游戏。游戏玩家18的移动可以被解释成实际上任何类型的游戏控制。

图1A中示出的示例场景示出了游戏玩家18正在玩正由游戏系统12执行的拳击游戏。游戏系统使用显示器14来在视觉上向游戏玩家18呈现拳击对手22。此外，游戏系统使用显示器14来在视觉上呈现游戏玩家18用其运动控制的玩家化身24。如图1B中所示，游戏玩家18可以在物理/现实世界空间中挥出重拳来作为对玩家化身24在游戏/虚拟空间中挥出重拳的指令。游戏系统12和深度相机20可以用于识别和分析游戏玩家18在物理空间中的重拳，从而使得该重拳可以被解释成使得游戏化身24在游戏空间中挥出重拳的游戏控制。例如，图1B示出了显示器14响应于游戏玩家18在物理空间中挥出重拳而在视觉上呈现游戏化身24挥出袭击拳击对手22的重拳。然而，多个移动可被检测并解释成多个不同的游戏或应用控制。

目标跟踪系统可被用来将目标移动解释成操作系统和/或应用控制。操作系统和/或诸如图1A和1B中所示的拳击游戏之类的应用的任何合适的可控制的方面都可以由诸如游戏玩家18之类的目标的移动来控制。所示出的拳击场景是作为示例来提供的，但决不意味着以任何方式进行限制。相反，所示出的场景旨在展示可以在不背离本公开的范围的情况下应用于各种各样不同的应用的一般概念。

现在转向图2，深度相机20被示意性地示为包括配置成投影光28以照亮目标30的投影仪组装件26和配置成将目标30发射的光聚焦在传感器上的透镜构造32。来自传感器的图像数据可被分析以确定与目标30有关的深度信息。深度相机20可以利用飞行时间、结构化光和/或任何其他合适的深度感测技术。尽管投影仪组装件26和透镜构造32被示为位于单个主体内，但将理解，这些组件也可以位于分开的主体内并且可具有与所示结构不同的任何其他合适的结构。

图3示出了图2的透镜构造32的实施例。透镜构造32包括外壳34，外壳34容纳多个光学组件，这些光学组件沿光轴36安排并配置成将图像聚焦在图像传感器38上以供深度分析。图像传感器38可包括任何合适类型的图像传感器，包括但不限于COMS传感器，并且被配置成获取在从目标30反射时所投影的光的图像以确定目标30的深度简档。

在所示实施例中，透镜构造32包括两个透镜级(在下文更详细地描述)并且还包括部署在传感器38与被成像的场景之间的用于降低到达图像传感器38的环境光的量的带通滤波器40。在所示实施例中，带通滤波器40被沿光轴36紧邻图像传感器38放置，以在靠近图像传感器的位置处过滤环境光。在其他实施例中，带通滤波器可具有任何其他合适的位置。

继续图3，第一、负透镜级42被沿光轴36放置在透镜构造的前方。如本文所使用的，术语“前方”描述沿光轴36的最接近被成像的场景的位置，而术语“后方”描述沿光轴36的最接近传感器38的位置。此外，参考透镜级和透镜子级来使用的术语“负”和“正”指的是光功率。

所示第一、负透镜级42包括第一负透镜元件44。所示第一负透镜元件44包括配置成弯曲传入光线46并减小主光线与光轴36之间的角度的凸前部。术语“主光线”表示来自每一不同的现场位置的光束内的中心光线。第一负透镜元件44还包括配置成发散光束48的凹后部。尽管在图3中为每一透镜元件描绘了单个透镜，将理解，在其他实施例中，每一透镜元件可包括多个透镜，该多个透镜在被组合时具有本文针对每一透镜元件描述的相应光学特性并且本文中使用的术语“元件”也指的是这样的多透镜安排。

相对于被成像的场景，第二、正透镜级50被置于第一、负透镜级42之后。第二、正透镜级50将发散光束48聚焦在传感器平面38上。所示第二、正透镜级50包括按沿光轴36的按次序的第一正透镜子级50a、负透镜子级50b、第二正透镜子级50c以及第三正透镜子级50d。所示第一正透镜子级50a包括第一正透镜元件52，第一正透镜元件52具有用于聚焦发散光束48的凸前部和凸后部，由此会聚光束48。第一正透镜元件52是比该透镜构造的其余元件更强的正透镜元件。

注意，透镜构造32的孔径光阑54被置于第一负透镜元件44与第一正透镜元件52之间，以控制在第二、正透镜级处的光收集。将孔径光阑54定位在这一位置可帮助降低进入第一负透镜元件44的光线46的高度，以减小第一负透镜元件44的大小。

负透镜子级50b包括第二负透镜元件56。第二负透镜元件56包括弯曲来自第一正透镜元件52的传入光束48以使光束48较不会聚的凸前部。第二负透镜元件56还包括另外地弯曲传入主光线以提升在第二正透镜元件58上的光线高度的凹后部。这可通过允许第一正透镜元件52与第二正透镜元件58之间的减少的间隔来帮助减少相机20的总长度，并且还可允许校正场相关像差。例如，作为透镜构造中包括的其他透镜元件的补充，第二负透镜元件56可以是非球面的，以校正落在透镜表面的外围上的光线。这可帮助降低像差，从而帮助打开透镜构造的孔径大小。如上所述，第二负透镜元件56比第一负透镜元件44弱，使得第二负透镜元件56对传入光线和光束的弯曲程度比第一负透镜元件44低。

第二正透镜子级50c包括第二正透镜元件58。第二正透镜元件58包括凹前表面和凸后表面，用于渐进地减小主光线与光轴36之间的角度。第二正透镜元件58还将光束48向下聚焦到成像传感器38上的紧要点。

第三正透镜子级50d包括第三正透镜元件60，第三正透镜元件60包括凸前表面和稍微凹的后表面。与第二正透镜元件58类似，第三正透镜元件60继续渐进地减小主光线与光轴36之间的角度并将光束48向下聚焦到传感器38上的紧要点。在所示实施例中，滤光器40被置于第三正透镜元件60之后，并且传感器38被置于滤光器40之后。然而，在其他实施例中，滤光器40可具有任何其他合适的位置。

在一些实施例中，第二和第三正透镜元件58和60可校正主光线角度并使透镜构造图像－空间远心，使得出射光瞳位于无限远处。即使透镜构造散焦或者透镜或传感器元件以任何方式移动(如在热膨胀的情况下)，这也可允许图像传感器上的成像点的质心的位置保持在图像传感器上的同一位置上。将理解，在一些实施例中，第二负透镜元件56可被省略。在这样的实施例中，第一正透镜元件52与第二正透镜元件58之间的间隔可被增加。

图3的实施例(它大约是按比例绘制的)表示可达到小于或等于1.0的f数以及大于或等于90度视野(FoV)的一个示例结构。迄今为止，即使使用诸如焦点后移和鱼眼透镜等透镜设计，这样的属性组合也是难以达到的。将理解，这一示例旨在是说明性的而非限制性的，因为上述各级和子级的其他具体结构同样可达到这样范围中的f数和FoV。

图3的实施例的透镜元件可按任何合适的方式来构造。例如，一个或多个透镜可以用塑料和/或玻璃来形成。使用更多的塑料材料可帮助降低材料和制造成本，而使用更多玻璃材料可帮助提高热稳定性。

图4示出经由图3的透镜构造实施例将图像聚焦在图像传感器上的方法400的实施例。方法400包括在402，经由第一、负透镜级中的第一负透镜元件来利用第一负透镜元件来收集光。第一负透镜元件从光源收集光线，将光线弯曲以减小光线与光轴之间的角度，并将光线定向成发散光束。

接着，方法400包括在404，利用第二、正透镜级中的第一正透镜元件收集发散光束，并将发散光束聚集成会聚光束。在406，方法400包括利用第二负透镜元件降低会聚光束的会聚程度并弯曲主光线来加大主光线角度。随后，在408，方法400包括利用第二正透镜元件和第三正透镜元件减小主光线与光轴之间的角度，以将光束聚焦到传感器元件上的紧要点。如上所述，第二和第三正透镜元件可使透镜构造远心，使得即使在发生散焦的情况下成像点的质心的位置也可保持大致不变。接着，在410，方法400包括利用滤光器元件来过滤来自第三正透镜元件的光束以移除可见光，并使通带内的红外光穿过以到达传感器元件。

应该理解，此处所述的配置和/或方法在本质上是示例性的，并且这些具体实施例或示例不应被认为是局限性的，因为多个变体是可能的。此处所述的具体例程或方法可表示任何数量的处理策略中的一个或多个。由此，所示出的各个动作可以按所示次序执行、按其他次序执行、并行地执行、或者在某些情况下被省略。同样，可以改变上述过程的次序。

本公开的主题包括各种过程、系统和配置、此处所公开的其他特征、功能、动作、和/或特性、以及其任何和全部等效方案的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种广角透镜构造，包括：

第一、负级；以及

第二、正级，所述第二、正极沿着所述透镜构造的光轴位于所述第一、负级之后，所述第二、正级包括：

第一正透镜子级；

第二正透镜子级；

第三正透镜子级，所述第二正透镜子级位于所述第一正透镜子级与所述第三正透镜子级之间。

2.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，所述第二、正级还包括位于所述第一正透镜子级与所述第二正透镜子级之间的负透镜子级。

3.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，每一透镜子级包括一个或多个透镜元件，并且所述一个或多个透镜元件包括具有非球面透镜表面的透镜元件。

4.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，还包括位于所述第三正透镜子级之后的带通滤光器，以及位于所述带通滤光器之后的深度图像传感器。

5.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，所述第二正透镜子级和所述第三正透镜子级被构造成使得所述透镜构造图像－空间远心。

6.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，孔径光阑被定位在所述第一、负级与所述第二、正级之间。

7.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，所述第一正透镜子级包括比所述透镜构造的每一其余透镜元件更强的正透镜元件。

8.如权利要求1所述的广角透镜构造，其特征在于，所述透镜构造包括等于或小于1.0的f数以及等于或大于90度的视野。

9.一种用红外相机设备收集光的方法，所述红外相机设备包括第一、负透镜级和第二、正透镜级，所述第一、负透镜级包括第一负透镜元件，所述第二、正透镜级包括第一正透镜元件、第二负透镜元件、第二正透镜元件、以及第三正透镜元件，所述方法包括：

经由所述第一、负透镜级从光源收集光线，将所述光线弯曲以减小所述光线与光轴之间的角度，以及将所述光线定向成发散光束；以及

经由所述第二、正透镜级，

经由所述第一正透镜元件收集所述发散光束并将所述发散光束聚焦成会聚光束，

经由所述第二负透镜元件降低所述会聚光束的会聚度并弯曲主光线以加大主光线角度，以及

经由所述第二正透镜元件和所述第三正透镜元件减小所述主光线与所述光轴之间的角度并将所述光束聚焦到传感器元件上的紧要点。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括用滤光器元件过滤来自所述第三正透镜元件的光束以移除可见光，并使红外光穿过以到达所述传感器元件。