CN109557650A - 准直镜头及投影模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种准直镜头及投影模组，设定激光发射器端为物侧，被测物体端为像侧，沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜和光阑。第一透镜的物侧面为凸面；第二透镜的物侧面为凹面；第三透镜的物侧面为凸面或近平面且像侧面为凸面；光阑位于第三透镜与被测物体之间。第一透镜、第二透镜、第三透镜均为塑胶材质；准直镜头满足以下条件式：(dn/dt)1<‑30×10‑6/℃；(dn/dt)2<‑30×10‑6/℃；(dn/dt)3<‑30×10‑6/℃；本发明提供的准直镜头及投影模组明确限定了三个透镜的折射率随温度的变化率，用于合理地搭配镜片的热膨胀特性，从而实现焦距稳定，并适用于不同的温度场合。

Description

准直镜头及投影模组
技术领域
本发明涉及摄像镜头技术领域，特别是涉及一种准直镜头及投影模组。
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。这种把特定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准直镜头，是3D成像质量的一个关键环节。
然而，在现有的智能手机中，随着使用环境下温度的变化，镜头焦距f发生较大变化，从而导致镜头投射光的角度发生明显变化，这会改变原有的光信息，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，同样还存在随着温度的变化，投影的像点变大的情况，这也会导致系统还原三维物体的清晰度下降，因此在随着使用环境温度变化的情况下，投射到被测物体的光信息的视场角和斑点的大小不发生较大的变化就显得尤为重要。
此外，一般传统的准直镜头靠近激光发射器的第一透镜为模造玻璃镜片，这种模造玻璃镜片太小、生产加工难度大、良率低、不易量产，使生产成本大大提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准直镜头及投影模组，以解决上述问题。
本发明实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
第一方面，本发明提供一种准直镜头，设定激光发射器端为物侧，被测物体端为像侧，沿光轴从物侧到像侧依次包括：第一透镜，第二透镜，第三透镜和光阑。第一透镜具有正光焦度，且第一透镜的物侧面为凸面；第二透镜具有负光焦度，且第二透镜的物侧面为凹面；第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凸面或近平面且像侧面为凸面；光阑位于第三透镜与被测物体之间。第一透镜、第二透镜、第三透镜均为塑胶材质；准直镜头满足以下条件式：
(dn/dt)1<-50×10-6/℃；
(dn/dt)2<-50×10-6/℃；
(dn/dt)3<-50×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1表示第一透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数；
(dn/dt)2表示第二透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数；
(dn/dt)3表示第三透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数。
第二方面，本发明还提供一种投影模组，本发明提供的投影模组包括上述准直镜头，投影模组还包括光源以及衍射光学元件，光源发射的光束经准直镜头汇聚并由衍射光学元件扩束后向外投射出结构化图案光束。
相较于现有技术，本发明提供的准直镜头及投影模组明确限定了三个透镜的折射率随温度的变化率，用于合理地搭配镜片的热膨胀特性，从而实现焦距稳定且成本较低，并适用于不同的温度场合。
本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例提供的准直镜头的结构示意图；
图2是本发明第一实施例中的准直镜头的场曲曲线图；
图3是本发明第一实施例中的准直镜头的畸变曲线图；
图4为本发明第一实施例中的准直镜头的像点大小及形状的示意图；
图5是根据本发明第二实施例提供的准直镜头的结构示意图。
图6是本发明第二实施例中的准直镜头的场曲曲线图；
图7是本发明第二实施例中的准直镜头的畸变曲线图；
图8为本发明第二实施例中的准直镜头的像点大小及形状的示意图；
图9是根据本发明第三实施例提供的准直镜头的结构示意图。
图10是本发明第三实施例中的准直镜头的场曲曲线图；
图11是本发明第三实施例中的准直镜头的畸变曲线图；
图12为本发明第三实施例中的准直镜头的像点大小及形状的示意图；
图13是本本发明第四实施例提供的准直镜头的结构示意图。
图14是本发明第四实施例中的准直镜头的场曲曲线图；
图15是本发明第四实施例中的准直镜头的畸变曲线图；
图16为本发明第四实施例中的准直镜头的像点大小及形状的示意图；
图17为本发明第五实施例中提供的投影模组的结构示意图。
主要元素符号说明
第一透镜 L1 第二透镜 L2
第三透镜 L3 光阑 ST
光源 60 衍射光学元件 50
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于更好地理解本发明，下面将结合相关实施例附图对本发明进行在一种实施方式中解释。附图中给出了本发明的实施例，但本发明并不仅限于上述的优选实施例。相反，提供这些实施例的目的是为了使本发明的公开面更加得充分。
本发明提供的准直镜头，设定激光发射器端为物侧，被测物体端为像侧，沿光轴从物侧到像侧依次包括：第一透镜，第二透镜，第三透镜和光阑。第一透镜具有正光焦度，且第一透镜的物侧面为凸面；第二透镜具有负光焦度，且第二透镜的物侧面为凹面；第三透镜具有正光焦度，且第三透镜的物侧面为凸面或近平面且像侧面为凸面；光阑位于第三透镜与被测物体之间。第一透镜、第二透镜、第三透镜均为塑胶材质。
第一透镜具有正光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，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。
第二透镜具有负光焦度，第二透镜的物侧面为凹面，可有效地调和第一透镜所产生的像差，亦能控制工作波段的聚焦能力。
第三透镜具有正光焦度，第三透镜的像侧面为凸面，可以有效修正光学透镜的像差，可有效地控制光线的出射角度。
第一透镜、第二透镜及第三透镜的物侧面及像侧面皆为非球面，也即第一透镜、第二透镜及第三透镜的物侧面及像侧面是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。
第一透镜、第二透镜和第三透镜均采用塑胶材质，借以有效降低生产成本。
本实施方式提供的准直镜头满足以下条件式：
(dn/dt)1<-30×10-6/℃；
(dn/dt)2<-30×10-6/℃；
(dn/dt)3<-30×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1表示第一透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数；
(dn/dt)2表示第二透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数；
(dn/dt)3表示第三透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数。
此条件限制了第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率随温度的变化率，主要用于合理的搭配镜片的热膨胀，保证在不同温度下镜头焦距的稳定性。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
4<f/r1<7；
其中，f表示准直镜头的系统焦距，r1表示第一透镜物侧面的曲率半径。此条件限制了第一透镜物侧面的形状，有利于镜片的加工制造，同时可以降低公差敏感度。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
-0.7<r1/r6<0；
其中，r1表示第一透镜物侧面的曲率半径，r6表示第三透镜像侧面的曲率半径。此条件限制了第一透镜物侧面与第三透镜像侧面的朝向相反，主要用于将经过第三透镜的光线会聚于成像面上，同时减少准直镜头的像差。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
-1＜f2/f1＜0；
其中，f2表示第二透镜的焦距，f1表示第一透镜的焦距。此条件限制了第一透镜与第二透镜的配比，可以有效减少准直镜头的像差。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
0<CT2/CT1<1；
其中，CT1表示第一透镜的中心厚度，CT2表示第二透镜的中心厚度。此条件限制了第二透镜的中心厚度与第一透镜的中心厚度的配比，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。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
0<CT/TD<0.6；
其中，CT表示第一透镜、第二透镜、第三透镜的中心厚度之和，TD表示该准直镜头从第一透镜物侧面到第三透镜像侧面在光轴上的距离。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
-1<r3/f<0；
其中，r3表示第二透镜物侧面的曲率半径，f表示准直镜头的系统焦距。满足此条件，可缩短系统的后焦距，以降低准直镜头的光学总长度。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
6<TTL/ImgH<9；
其中，TTL表示准直镜头的光学总长，ImgH表示准直镜头的半像高。此条件限制了镜头系统的总长，并且保证了系统具有足够好的成像质量。
在一种实施方式中，本发明提供的准直镜头满足条件式：
TTL/f<1.0；
其中，TTL表示准直镜头的光学总长，f表示准直镜头的系统焦距。此条件限制了系统总长和系统焦距的比例关系，在保证系统长焦距的情况下，能达到系统小型化的目的。具体地，可以限定，准直镜头10的光学总长TTL小于3.2mm，且准直镜头的系统焦距f大于3.6mm，以保证更好的光学特性，更适合3D结构光的算法实现。
在一种实施方式中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的各物侧面与像侧面均为非球面，借此可以获得较多的控制变数，以削减像差。
在一种实施方式中，准直镜头的光学总长小于3.2mm，利于准直镜头的小型化。
在一种实施方式中，还提供一种投影模组，包括上述任意一种实施方式的准直镜头，投影模组还包括光源以及衍射光学元件，光源发射的光束经准直镜头汇聚并由衍射光学元件扩束后向外投射出结构化图案光束。
本发明提供的准直镜头及投影模组由于采用三片塑胶镜片，镜头尺寸更小成本更低，且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抵消，所以能够实现焦距稳定及适用于不同的温度场合；本发明提供的准直镜头能够达到温度每变化10℃，有效焦距变化量小于0.001mm，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；且相比现有技术，在同样尺寸的激光发射器下，可以实现系统的焦距更大，视场角更小，从而更有利于3D结构光的算法实现，成本也更低。
在本发明的所有实施例中，准直镜头的各个镜片的相关参数如表1、表3、表5和表7所示，其中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，用来衡量介质的光线色散程度。各实施例对应的光学特性如表5所示，其中，f表示准直镜头的焦距，TTL表示准直镜头的光学总长，NA表示数值孔径。
准直镜头的各个透镜的非球面参数如表2、表4、表6和表8所示，且本发明各个实施例中准直镜头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、F、G、H分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。
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，准直镜头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。
第一实施例
请参阅图1，本实施例提供的一种准直镜头10的结构示意图，设定激光发射器端为物侧S0，被测物体端为像侧S7，从物侧S0到像侧S7依次包括：第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3和光阑ST。
第一透镜L1具有正光焦度，第一透镜L1的物侧面S1为凸面且像侧面S2为凹面。
第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜L2的物侧面S3和像侧面S4均为凹面。
第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜L3的物侧面S5为凹面且像侧面S6为凸面。
光阑ST位于第三透镜L3与被测物体之间。各个透镜的光学中心位于同一直线上，且各个透镜均为塑胶材质。准直镜头10满足以下条件式：
(dn/dt)1<-30×10-6/℃；
(dn/dt)2<-30×10-6/℃；
(dn/dt)3<-30×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1表示第一透镜L1在0～60℃范围内的折射率温度系数；(dn/dt)2表示第二透镜L2在0～60℃范围内的折射率温度系数；(dn/dt)3表示第三透镜L3在0～60℃范围内的折射率温度系数。
本实施例中的准直镜头10中各个镜片的相关参数如表1所示。
表1
表面序号 代号 表面类型 r d n<sub>d</sub> Vd
物面S0 球面 — 0.245
S1 第一透镜 非球面 0.700 0.482 1.640 23.529
S2 非球面 1.676 0.660
S3 第二透镜 非球面 -0.619 0.170 1.516 57.038
S4 非球面 1.060 0.833
S5 第三透镜 非球面 9.235 0.563 1.640 23.529
S6 非球面 -1.130 0.400
ST 光阑 球面 — 300.000
S7 像面 球面 — —
本实施例的各透镜的非球面参数如表2所示。
表2
在本实施例中，图2是准直镜头在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3是准直镜头在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4为准直镜头在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图，单位为微米，从左到右、从上到下，物高与像高均逐渐增大。
由于像点的数据范围越小，说明镜头性能越好，由图2至图4可以看出，本实施例中像差能被很好地校正。
第二实施例
本实施例的准直镜头20的结构示意图可参阅图5。本实施例与第一实施例的镜头结构图大抵相似，不同之处在于：各个镜片的相关参数不同。
本实施例中的准直镜头20中各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
表面序号 表面类型 r d n<sub>d</sub> Vd
物面S0 球面 — 0.420
S1 第一透镜 非球面 0.646 0.395 1.640 23.529
S2 非球面 1.289 0.823
S3 第二透镜 非球面 -0.513 0.266 1.516 57.038
S4 非球面 14.889 0.657
S5 第三透镜 非球面 5.288 0.525 1.640 23.529
S6 非球面 -1.233 0.350
ST 光阑 球面 — 300.000
S7 像面 球面 — —
本实施例的各透镜的非球面参数如表4所示。
表4
在本实施例中，图6是准直镜头在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图。图7是准直镜头在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图。图8为准直镜头在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图。
由于像点的数据范围越小，说明镜头性能越好，由图6至图8可以看出，本实施例中的准直镜头20的像差能被很好地校正。
第三实施例
本实施例的准直镜头30的结构示意图可参阅图9，本实施例与第一实施例的镜头结构图大抵相似，不同之处在于：各个镜片的相关参数不同。
本实施例中的准直镜头30中各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
表面序号 表面类型 r d n<sub>d</sub> Vd
物面S0 球面 — 0.250
S1 第一透镜 非球面 0.647 0.524 1.640 23.529
S2 非球面 1.412 0.592
S3 第二透镜 非球面 -0.726 0.170 1.640 23.529
S4 非球面 1.232 0.773
S5 第三透镜 非球面 21.774 0.641 1.640 23.529
S6 非球面 -1.054 0.400
ST 光阑 球面 — 300.000
S7 像面 球面 — —
本实施例的各透镜的非球面参数如表6所示。
表6
在本实施例中，图10是准直镜头在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图。图11是准直镜头在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图。图12为准直镜头在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图。
由于像点的数据范围越小，说明镜头性能越好，由图10至图12可以看出，本实施例中像差能被很好的校正。
第四实施例
本实施例的准直镜头40的结构示意图可参阅图13，本实施例与第一实施例的镜头结构图大抵相似，不同之处在于：各个镜片的相关参数不同。
本实施例中的准直镜头40中各个镜片的相关参数如表7所示。
表7
表面序号 表面类型 r d n<sub>d</sub> Vd
物面S0 球面 — 0.489
S1 第一透镜 非球面 0.663 0.428 1.640 23.529
S2 非球面 1.595 0.705
S3 第二透镜 非球面 -0.596 0.200 1.516 57.038
S4 非球面 2.063 0.703
S5 第三透镜 非球面 54.356 0.573 1.640 23.529
S6 非球面 -1.067 0.350
ST 光阑 球面 — 300.000
S7 像面 球面 — —
本实施例的各透镜的非球面参数如表8所示。
表8
在本实施例中，图14是准直镜头在40℃，300mm像距成像时的场曲曲线图。图15是准直镜头在40℃，300mm像距成像时的畸变曲线图。图16为准直镜头在40℃，300mm像距成像时像点大小及形状的示意图。
由于像点的数据范围越小，说明镜头性能越好，由图14至图16可以看出，本实施例中像差能被很好的校正。
第一实施例至第四实施例及其对应的光学特性如表5所示。
表5
本发明提供的准直镜头由于各镜片的折射率随温度的变化率分配合理，能实现焦距稳定及适用于不同的温度场合，有利于3D结构光的算法实现。
第五实施例
如图17所示，本实施例提供一种投影模组100，包括上述任一实施例中的准直镜头(例如准直镜头10)，投影模组100还包括光源60以及衍射光学元件50，由光源60发射的光束经准直镜头10汇聚并由衍射光学元件50扩束后向外投射出结构化图案光束，并向待测物体方向投射。
其中，光源60可以是可见光、不可见光等激光光源，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或红外激光二极管发射的光作为光源等。
本发明提供的投影模组100包括准直镜头10，由于准直镜头10中各镜片的折射率随温度的变化率分配合理，能实现焦距稳定及适用于不同的温度场合。投影模组100工作方式如下：光源60发出的光经准直镜头10和衍射光学元件50后向待测物体方向投射；该投影光束在经过衍射光学元件50后向外发射出图案化的结构光，由接收模组接收来自待测物体反射的图案化的结构光信息，并计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。
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。

Claims (12)

1.一种准直镜头，其特征在于，设定激光发射器端为物侧，被测物体端为像侧，沿光轴从所述物侧到所述像侧依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面或近平面，像侧面为凸面；
光阑，所述光阑位于所述第三透镜与所述被测物体之间；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜均为塑胶材质；
所述准直镜头满足以下条件式：
(dn/dt)1<-30×10-6/℃；
(dn/dt)2<-30×10-6/℃；
(dn/dt)3<-30×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1表示所述第一透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数；
(dn/dt)2表示所述第二透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数；
(dn/dt)3表示所述第三透镜在0～60℃范围内的折射率温度系数。
2.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
4<f/r1<7；
其中，f表示所述准直镜头的系统焦距，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径。
3.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
-0.7<r1/r6<0；
其中，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，r6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。
4.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
-1＜f2/f1＜0；
其中，f2表示所述第二透镜的焦距，f1表示所述第一透镜的焦距。
5.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
0<CT2/CT1<1；
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度。
6.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
0<CT/TD<0.6；
其中，CT表示所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的中心厚度之和，TD表示所述准直镜头从所述第一透镜的物侧面到所述第三透镜的像侧面在光轴上的距离。
7.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
-1<r3/f<0；
其中，r3表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，f表示所述准直镜头的系统焦距。
8.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
6<TTL/Img H<9；
其中，TTL表示所述准直镜头的光学总长，ImgH表示所述准直镜头的半像高。
9.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足条件式：
TTL/f<1.0；
其中，TTL表示所述准直镜头的光学总长，f表示所述准直镜头的系统焦距。
10.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的各物侧面与像侧面均为非球面。
11.如权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头的光学总长小于3.2mm。
12.一种投影模组，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的准直镜头，所述投影模组还包括光源以及衍射光学元件，所述光源发射的光束经所述准直镜头汇聚并由所述衍射光学元件扩束后向外投射出结构化图案光束。
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