CN110275180A - 准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置 - Google Patents

准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置 Download PDF

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CN110275180A CN201910565099.2A CN201910565099A CN110275180A CN 110275180 A CN110275180 A CN 110275180A CN 201910565099 A CN201910565099 A CN 201910565099A CN 110275180 A CN110275180 A CN 110275180A
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Abstract

本申请公开了一种准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置。准直镜头从物侧至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具有正光焦度的第四透镜。第一透镜的物侧面和像侧面均为凸面。第二透镜的物侧面和像侧面均为凹面。第三透镜的物侧面为凹面，第三透镜的像侧面为凸面。第四透镜的物侧面为凹面，第四透镜的像侧面为凸面。第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑料透镜，第四透镜为玻璃透镜，且第一透镜至第四透镜的物侧面和像侧面均为非球面。准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置通过第一至第四透镜的面型及材料的搭配设计有效控制不同温度下焦距的变化，保证了不同温度下的深度图像的成像精度。

Description

准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置
技术领域
本申请涉及准直镜头技术，特别涉及一种准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置。
背景技术
目前的三维结构光的深度相机中，激光发射器发出激光，激光经过准直镜头准直后射向目标物体，激光经目标物体反射后被深度相机接收形成散斑图像，并根据散斑图像和参考图像生成深度图像。然而，随着使用环境下温度发生变化时，镜头的焦距也会发生较大变化，导致从镜头出射并投射到被测物体的光信息的视场角及斑点大小发生明显变化，从而进一步导致深度相机的计算出现误差，影响深度图像的成像精度。
发明内容
有鉴于此，本申请实施方式提供一种准直镜头、激光模组、深度相机及电子装置。
本申请实施方式的准直镜头从物侧至像侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜。所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面。所述第二透镜具有负光焦度，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凹面。所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面。所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜的物侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面为凸面。所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为塑料透镜，所述第四透镜为玻璃透镜，且所述第一透镜至所述第四透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
在某些实施方式中，所述准直镜头还包括光阑，所述光阑设置在所述第四透镜的像侧面上。
在某些实施方式中，所述准直镜头满足以下关系式：TTL/f<1.0；其中，TTL为所述准直镜头的光学总长，f为所述准直镜头的有效焦距。
在某些实施方式中，所述准直镜头还满足以下关系式：1<f4/f1<3；-5<f4/f2<-3；0<f4/f3<2；其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距。
在某些实施方式中，所述准直镜头还满足以下关系式：-6<f/R8<-2；其中，R8为所述第四透镜的像侧面的曲率半径，f为所述准直镜头的有效焦距。
在某些实施方式中，所述准直镜头还满足以下关系式：-2.0<R1/R8<0；其中，R1为所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R8为所述第四透镜的像侧面的曲率半径。
在某些实施方式中，所述准直镜头还满足以下关系式：1.5<CT4/CT2<3.5；其中，CT2为所述第二透镜的中心厚度，CT4为所述第四透镜的中心厚度。
在某些实施方式中，所述准直镜头还满足以下关系式：TTL<3.6mm；其中，TTL为所述准直镜头的光学总长。
在某些实施方式中，所述准直镜头还满足以下关系式：f<4.45mm；其中，f为所述准直镜头的有效焦距。
本申请实施方式的激光模组包括光发射器和上述任一实施方式的准直镜头。所述光发射器用于发射激光。所述准直镜头用于准直所述激光。
本申请实施方式的深度相机包括上述实施方式的激光模组、成像模组和处理器。所述成像模组用于接收所述激光以生成散斑图像。所述处理器用于处理所述散斑图像以生成深度图像。
本申请实施方式的电子装置包括壳体和上述任一实施方式所述的深度相机。所述深度相机安装在所述壳体上。
本申请实施方式的准直镜头、激光模组、深度相机和电子装置通过第一透镜至第四透镜的面型及材料的搭配设计可以有效的控制不同温度下焦距的变化，使得在温度从-15°到60°范围内变化时，焦距的变化可以控制在0.0035mm以内，实现了很好的高温稳定性，避免从镜头出射并投射到被测物体的光信息的视场角及斑点大小发生明显变化，有利于三维结构光的算法不出现误差，保证了不同温度下的深度图像的成像精度，有利于提升面部解锁能力的竞争力。而且，本申请的准直透镜采用了三个塑料透镜和一个玻璃透镜组装而成，相较于复杂的晶圆级玻璃工艺，不仅可以大大的降低工艺复杂性，同时保证了良率，而且塑料透镜成本较低，可降低成本。
本申请实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点可以从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请第一实施例的准直镜头的结构及光路示意图；
图2是本申请第一实施例的准直镜头的弥散斑点图；
图3和图4是本申请第一实施例的准直镜头的场曲畸变图；
图5是本申请第二实施例的准直镜头的弥散斑点图；
图6和图7是本申请第二实施例的准直镜头的场曲畸变图；
图8是本申请实施方式的激光模组的结构示意图；
图9是本申请实施方式的深度相机的结构示意图；及
图10是本申请实施方式的电子装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。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”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1，本申请实施方式的准直镜头11从物侧至像侧包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。
第一透镜L1具有正光焦度，第一透镜L1包括物侧面S1及像侧面S2，物侧面S1为凸面，像侧面S2为凹面。第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜L2包括物侧面S3及像侧面S4，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包括物侧面S5及像侧面S6，第三透镜L3的物侧面S5为凹面，第三透镜L3的像侧面S6为凸面。第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜L4包括物侧面S7及像侧面S8，第四透镜L4的物侧面S7为凹面，第四透镜L4的像侧面S8为凸面。
第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3均为塑料透镜，第四透镜L4为玻璃透镜，且第一透镜L1至第四透镜L4的物侧面和像侧面均为非球面。光线(自物面S0发射，也即自图8所示的光发射器12发射)依次经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4，最后来到成像面S9(成像面S9位于被测物体端)。
本申请实施方式的准直镜头11通过第一透镜L1至第四透镜L4的面型及材料的搭配设计可以有效的控制不同温度下焦距的变化，使得在温度从-15°到60°范围内变化时，焦距的变化可以控制在0.0035mm以内，实现了很好的高温稳定性，避免从镜头出射并投射到被测物体的光信息的视场角及斑点大小发生明显变化，有利于三维结构光的算法不出现误差，保证了不同温度下的深度图像的成像精度，有利于提升面部解锁能力的竞争力。而且，本申请的准直透镜11采用了三个塑料透镜和一个玻璃透镜组装而成，相较于复杂的晶圆级玻璃工艺，不仅可以大大的降低工艺复杂性，同时保证了良率，而且塑料透镜成本较低，可降低成本。更进一步地，一方面，由于玻璃透镜的温漂相较塑料透镜的较小，相较于全部透镜都采用塑料透镜的准直透镜而言，本申请实施方式的准直透镜11由于第四透镜L4为玻璃透镜使得整个准直透镜11的温漂的问题也较小；另一方面，由于玻璃透镜的成本相较塑料透镜的成本更高，因此，相较于全部透镜都采用玻璃透镜的准直透镜而言，本申请实施方式的准直透镜11的成本较低。
在某些实施方式中，准直镜头11还包括光阑STO。光阑STO可以是孔径光阑或视场光阑。本申请实施方式以光阑STO是孔径光阑为例进行说明。本实施例中，光阑STO设置在第四透镜L4的像侧面S8上。
准直镜头11通过合理的设置光阑STO，可更好地控制进光量，提升成像效果。
在某些实施方式中，准直镜头11满足以下关系式：TTL/f<1.0；其中，TTL为准直镜头11的光学总长，光学总长为物面S0至第四透镜L4的像侧面S8在光轴的距离。f为准直镜头11的有效焦距。其中，物面S0位于图8所示的光发射器12用于发射激光的表面。也即是说，TTL/f可以是区间(-∞，1)内的任一数值，例如，TTL/f可以是-0.565、0.665、0.797、0.826、0.889等等。
满足上述关系式TTL/f<1.0时，准直镜头11具有合理的TTL配置，从而使得准直镜头11具有较大的f(即，较长的焦距)。
在某些实施方式中，准直镜头11还满足以下关系式：1<f4/f1<3；-5<f4/f2<-3；0<f4/f3<2；其中，f1为第一透镜L1的焦距，f2为第二透镜L2的焦距，f3为第三透镜L3的焦距，f4为第四透镜L4的焦距。也即是说，f4/f1可以是区间(1，3)内的任一数值，例如，f4/f1可以是1.252、1.572、1.914、2.456、2.898等等；f4/f2可以是区间(-5，-3)内的任一数值，例如，f4/f2可以是-4.885、-4.455、-3.898、-3.368、-3.234等等；f4/f3可以是区间(0，2)内的任一数值，例如，f4/f3可以是0.545、0.698、1.089、1.556、1.995等等。
满足上述关系式1<f4/f1<3；-5<f4/f2<-3；0<f4/f3<2时，第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4提供正光焦度，第二透镜L2提供负光焦度，第一透镜L1至第四透镜L4的光焦度分配较为合理，可避免准直镜头11产生过多的球差，同时保证准直镜头11的TTL不会过大。
在某些实施方式中，准直镜头11还满足以下关系式：-6<f/R8<-2；其中，R8为第四透镜L4的像侧面S8的曲率半径。也即是说，f/R8可以是区间(-6，-2)内的任一数值，例如，f/R8可以是-5.865、-4.564、-3.416、-3.155、-2.125等等。
准直镜头11具有合理的透镜配置且满足关系式：-6<f/R8<-2，可避免产生过多的像差，同时可修正第四透镜L4产生的高阶像差，提高成像品质。
在某些实施方式中，准直镜头11还满足以下关系式：-2.0<R1/R8<0；其中，R1为第一透镜L1的物侧面S1的曲率半径，R8为第四透镜L4的像侧面S8的曲率半径。也即是说，R1/R8可以是区间(-2，0)内的任一数值，例如，R1/R8可以是-1.996、-1.245、-0.813、-0.803、-0.235等等。
准直镜头11满足关系式：-2.0<R1/R8<0时，可有效修正像差，提高准直镜头11的成像品质。
在某些实施方式中，准直镜头11还满足以下关系式：1.5<CT4/CT2<3.5；其中，CT2为第二透镜L2的中心厚度，CT4为第四透镜L4的中心厚度。也即是说，CT4/CT2可以是区间(1.5，3.5)内的任一数值，例如，CT4/CT2可以是1.847、1.914、2.545、2.898、3.456等等。
准直镜头11满足关系式：1.5<CT4/CT2<3.5时，第二透镜L2和第四透镜L4的厚度设置较为合理，有利于准直镜头11的小型化。
在某些实施方式中，准直镜头11还满足以下关系式：TTL<3.6mm。可以理解，TTL为长度，为一个正数。也即是说，TTL可以是区间(0，3.6)内的任一数值(单位毫米(mm))，例如，TTL可以是0.556mm、1.256mm、2.898mm、3.295mm、3.400mm等等。
满足上述关系式TTL<3.6mm时，准直镜头11具有较小的TTL，有利于准直镜头11的小型化。
准直镜头11还满足以下关系式：f<4.45mm。也即是说，f可以是区间(-∞，4.45)内的任一数值(单位毫米(mm))，例如，f可以是-2.565mm、-1.125mm、1.224mm、2.586mm、3.988mm、3.989mm、4.267mm、4.264mm等等。
满足上述关系式f<4.45mm时，准直镜头11可具有合理的焦距，有利于结构光的算法实现。
在某些实施方式中，非球面的面型由以下公式决定：
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。
如此，准直镜头11可以通过调节各透镜表面的曲率半径和非球面系数，有效减小准直镜头11的总长度，并可以有效地校正像差，提高成像质量。
第一实施例
请参阅图1至图4，第一实施例的准直镜头11中，准直镜头11在温度为-15度(°)时的有效焦距f＝4.267mm，在温度为60°时的有效焦距f＝4.264mm；焦距f在温度范围[-15°,60°]内变化时的焦距变化在0.003mm内，具有良好的温度变化稳定性。
准直镜头11的光学总长(即，物面S0至第四透镜L4的像侧面S8在光轴的距离)TTL＝3.400mm。准直镜头11的数值孔径NA＝0.18mm。
准直镜头11满足以下条件：TTL/f＝0.797；f4/f1＝1.572；f4/f2＝-3.368；f4/f3＝0.698；f/R8＝-3.416；R1/R8＝-0.813；CT4/CT2＝1.847。准直镜头11还满足下面表格的条件：
表一
表2
第二实施例
请参阅图1、图5至图7，第一实施例的准直镜头11中，准直镜头11在温度为-15度(°)时的有效焦距f＝3.989mm，在温度为60°时的有效焦距f＝3.988mm；焦距f在温度范围[-15°,60°]内变化时的焦距变化0.001mm内，具有良好的温度变化稳定性。
准直镜头11的光学总长(即，物面S0至第四透镜L4的像侧面S8在光轴的距离)TTL＝3.295mm。准直镜头11的数值孔径NA＝0.18mm。
准直镜头11满足以下条件：TTL/f＝0.826；f4/f1＝1.914；f4/f2＝-3.234；f4/f3＝0.698；f/R8＝-3.155；R1/R8＝-0.803；CT4/CT2＝1.914。准直镜头11还满足下面表格的条件：
表3
表4
请参阅图1和图8，本申请实施方式的激光模组10包括光发射器12和上述任一实施方式的准直镜头11。光发射器12用于发射激光。准直镜头11用于准直激光。
光发射器12和上述任一实施方式的准直镜头11。光发射器12用于发射激光。准直镜头11用于准直激光。光发射器12可发射预定波长(如波长为900纳米(nm))的激光，激光经过准直镜头11准直后射出，然后激光射到成像面S9。如图2和图5所示，激光在成像面S9形成弥散斑点图，其中，OBJ表示物体高度，IMA表示物体对应的像的高度。从图2和图5的弥散斑点图中可以看到，在400mm处的成像点依旧很小，聚焦较好，准直效果很好。
请参阅图1和图9，本申请实施方式的深度相机100包括成像模组20、处理器30和上述任一实施方式的激光模组10。成像模组20用于接收激光以生成散斑图像；处理器30用于处理散斑图像以生成深度图像。
激光模组10中的光发射器12向被测物体端(位于成像面S9处)发射激光，激光穿过准直镜头11后射向被测物体端，激光经被测物体反射后被成像模组20接收，以生成散斑图像。处理器30与激光模组10、和成像模组20均连接，处理器30获取成像模组20生成的散斑图像，并与预存的参考图像进行比对，以得到被测物体的深度信息，从而生成被测物体的深度图像。
请参阅图1和图10，本申请实施方式的电子装置1000包括壳体200和上述实施方式的深度相机100。深度相机100安装在壳体200上。
将深度相机100安装在壳体200上，可以对深度相机200起到保护作用。本申请实施方式的电子装置1000包括但不限于为智能电话、平板电脑、笔记本电脑、相机等信息终端设备或具有获取深度图像功能的家电产品等。
本申请实施方式的激光模组10、深度相机100和电子装置1000通过第一透镜L1至第四透镜L4的面型及材料的搭配设计可以有效的控制不同温度下焦距的变化，使得在温度从-15°到60°范围内变化时，焦距的变化可以控制在0.0035mm以内，实现了很好的高温稳定性，避免从镜头出射并投射到被测物体的光信息的视场角及斑点大小发生明显变化，有利于三维结构光的算法不出现误差，保证了不同温度下的深度图像的成像精度，有利于提升面部解锁能力的竞争力。而且，本申请的准直透镜11采用了三个塑料透镜和一个玻璃透镜组装而成，相较于复杂的晶圆级玻璃工艺，不仅可以大大的降低工艺复杂性，同时保证了良率，而且塑料透镜成本较低，可降低成本。更进一步地，一方面，由于玻璃透镜的温漂相较塑料透镜的较小，相较于全部透镜都采用塑料透镜的准直透镜而言，本申请实施方式的准直透镜11由于第四透镜L4为玻璃透镜使得整个准直透镜11的温漂的问题也较小；另一方面，由于玻璃透镜的成本相较塑料透镜的成本更高，因此，相较于全部透镜都采用玻璃透镜的准直透镜而言，本申请实施方式的准直透镜11的成本较低。
在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
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至少一个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种准直镜头，其特征在于，所述准直镜头从物侧至像侧依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凹面；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面；及
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面为凸面；
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为塑料透镜，所述第四透镜为玻璃透镜，且所述第一透镜至所述第四透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
2.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还包括光阑，所述光阑设置在所述第四透镜的像侧面上。
3.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头满足以下关系式：TTL/f<1.0；其中，TTL为所述准直镜头的光学总长，f为所述准直镜头的有效焦距。
4.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还满足以下关系式：
1<f4/f1<3；-5<f4/f2<-3；0<f4/f3<2；
其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还满足以下关系式：
-6<f/R8<-2；其中，R8为所述第四透镜的像侧面的曲率半径，f为所述准直镜头的有效焦距。
6.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还满足以下关系式：
-2.0<R1/R8<0；其中，R1为所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R8为所述第四透镜的像侧面的曲率半径。
7.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还满足以下关系式：
1.5<CT4/CT2<3.5；其中，CT2为所述第二透镜的中心厚度，CT4为所述第四透镜的中心厚度。
8.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还满足以下关系式：
TTL<3.6mm；其中，TTL为所述准直镜头的光学总长。
9.根据权利要求1所述的准直镜头，其特征在于，所述准直镜头还满足以下关系式：
f<4.45mm；其中，f为所述准直镜头的有效焦距。
10.一种激光模组，其特征在于，所述激光模组包括：
光发射器，所述光发射器用于发射激光；和
权利要求1至9任意一项所述的准直镜头，所述准直镜头用于准直所述激光。
11.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：
权利要求10所述的激光模组；
成像模组，所述成像模组用于接收所述激光以生成散斑图像；及
处理器，所述处理器用于处理所述散斑图像以生成深度图像。
12.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：
壳体；和
权利要求11所述的深度相机，所述深度相机安装在所述壳体上。
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