CN112305716A

CN112305716A - 一种镜头和结构光投影模组

Info

Publication number: CN112305716A
Application number: CN202011334915.8A
Authority: CN
Inventors: 郝春艳; 戴书麟; 刘风雷; 彭天才
Original assignee: Dongguan Ekos Technology Co Ltd
Current assignee: Dongguan Ekos Technology Co Ltd
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明提供一种镜头和结构光投影模组，涉及光学器件技术领域，包括：沿出光方向依次设置的第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜；第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜均为非球面镜。多束发散光束在上述汇聚透镜的作用下也会最终在主光轴上相交后相互呈一定的夹角以平行光束的形式投射在目标区域内，从而形成光斑群，实现对目标区域内的物体进行深度信息的测量。在一些场景下测量深度信息时，对于光斑的数量要求并不高，故可以避免使用衍射光学元件，从而有效的降低其制造的成本，简化了镜头的结构，也降低了装配时的难度。通过该种镜头还可以增大相邻光斑之间的间距，从而形成更大的视场角。

Description

一种镜头和结构光投影模组

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体而言，涉及一种镜头和结构光投影模组。

背景技术

二维成像装置可以获取物体的二维平面信息，由于人们生活水平的快速提高，传统的二维成像装置已慢慢不能满足人们日常的需求。随着科学技术的深入研究，三维成像装置在二维成像的基础上，还可以进一步的获取物体的深度信息，从而构建出一个立体的三维模型。

在三维成像装置中，核心部件为结构光发射模组，其在投影时主要通过准直镜和衍射元件向目标空间投射光斑阵列，利用飞行时间测距获取物体的深度信息。而在获取物体深度信息时，在一些场景下，对于光斑的数量要求不高，因此，采用准直镜和衍射元件使得结构光发射模组的成本较高且结构复杂，增加装配难度。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种镜头和结构光投影模组，以解决现有结构光模组中在实现深度信息获取中利用准直镜和衍射光学元件成本较高且结构复杂的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例的一方面，提供一种镜头，包括：沿出光方向依次设置的第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜；第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜均为非球面镜，用于使发散光束依次经第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜汇聚后以平行光束投射至目标区域形成光斑。

可选的，在第三汇聚透镜的出光侧设置有孔径光阑，用于限制经第三汇聚透镜出射的光束。

可选的，第一汇聚透镜的焦距为2至3mm；第二汇聚透镜的焦距为0.5至1.5mm；第三汇聚透镜的焦距为2.5至-3.5mm；第四汇聚透镜的焦距为40至50mm。

可选的，第一汇聚透镜的折射率为1.7至1.9；第二汇聚透镜的折射率为1.55至1.75；第三汇聚透镜的折射率为1.55至1.75；第四汇聚透镜的折射率为1.45至1.65。

可选的，第一汇聚透镜的阿贝数为35至50；第二汇聚透镜的阿贝数为20至35；第三汇聚透镜的阿贝数为20至35；第四汇聚透镜的阿贝数为50至65。

可选的，第一汇聚透镜的入光面的圆锥系数为1.19，第一汇聚透镜的出光面的圆锥系数为-0.7；第二汇聚透镜的入光面的圆锥系数为-0.44，第二汇聚透镜的出光面的圆锥系数为30；第三汇聚透镜的入光面的圆锥系数为2.91，第三汇聚透镜的出光面的圆锥系数为7.1；第四汇聚透镜的入光面的圆锥系数为17.94，第四汇聚透镜的出光面的圆锥系数为4.58。

可选的，第一汇聚透镜为玻璃材质。

可选的，第一汇聚透镜的入光面和出光面、第二汇聚透镜的入光面和出光面、第三汇聚透镜的入光面和出光面以及第四汇聚透镜的入光面和出光面分别为偶次非球面。

本发明的另一方面，提供一种结构光投影模组，包括光源以及上述任一种的镜头；光源位于镜头的入光侧，经镜头出射的平行光束投射至目标区域形成光斑。

可选的，光源为垂直腔面发射激光器阵列。

本发明的有益效果包括：

本发明提供了一种镜头，包括沿出光方向依次设置的第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜；第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜均为非球面镜，可以有效的降低透镜的使用数量。在发散光束依次经第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜汇聚后以平行光束出射，进而投射至目标区域形成光斑。当入射的发散光束为多束时，在第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜的汇聚作用下，每束发散光束内的光线逐渐进行汇聚，直至其在第四汇聚透镜的出光侧以多束平行光的方式出射，同时，多束发散光束在上述汇聚透镜的作用下也会最终在主光轴上相交后相互呈一定的夹角投射在目标区域内，从而形成光斑群，实现对目标区域内的物体进行深度信息的测量。由于在深度信息测量时，在一些场景下，对于光斑的数量要求并不高，故可以避免使用衍射光学元件，从而有效的降低其制造的成本，简化了镜头的结构，同时，也降低了装配时的难度。此外，通过该种镜头还可以增大相邻光斑之间的间距，从而形成更大的视场角。

本发明还提供了一种结构光投影模组，包括光源和上述的镜头。将光源设置在镜头的入光侧，使得光源出射的发散光束经镜头的汇聚，从而出射平行光束使其投射在目标区域内形成光斑，进而获取目标区域内的物体的深度信息。通过上述四个汇聚透镜可以有效的降低投影模组的制造成本，同时，简化投影模组的结构，降低装配难度。同时，还可以在实现深度信息采集的基础上，避免受限于光学衍射元件，导致效率较低的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种结构光投影模组的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种镜头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种镜头的点列图；

图4为本发明实施例提供的一种镜头的畸变网格图；

图5为本发明实施例提供的一种镜头的畸变曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种结构光投影模组在目标区域投射的光斑阵列图。

图标：100-光源；110-发散光束；120-平行光束；200-镜头；210-第一汇聚透镜；220-第二汇聚透镜；230-第三汇聚透镜；240-第四汇聚透镜；250-孔径光阑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本发明的保护范围内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

三维深度识别技术是一项基于光学的三维测量技术，特别是在生物识别和机器视觉领域中使用广泛，飞行时间技术是其中一种方法，随着技术的发展和相关元器件的发展，飞行时间技术越来越成熟，应用越来越广泛，同时各种应用场景的应用也对成本和体积做出很高要求。现有的结构光投影方法多使用衍射元件，将光源100分束，获得散斑阵列，该方法需要准直镜和衍射元件，成本高且系统复杂，在飞行时间测距系统中，在某些场景下，对光斑数量要求不高，对单个光斑的能量要求较高，现有衍射方法受制于衍射元件，效率较低，本发明提出一种镜头200和结构光投影模组，能够有效降低制造成本，同时简化系统结构，且具有较高的效率。

本发明实施例的一方面，提供一种镜头200，包括：沿出光方向依次设置的第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240；第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240均为非球面镜，用于使发散光束110依次经第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240汇聚后以平行光束120投射至目标区域形成光斑。

示例的，如图1和2所示，沿着出光方向，即光束的传播方向，依次设置第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240。将第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240均设置为非球面镜，可以有效的降低透镜的使用数量，以便于简化镜头200的结构，同时有利于降低镜头200的制造成本。在光源100发出发散光束110后，其会依次经过第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240，并在上述四个汇聚透镜的作用下，使得原本发散的光束在第四汇聚透镜240的出光侧以平行光束120的形式出射，并投射在目标区域内形成光斑，以便于利用飞行时间的方法获取到目标区域内的物体的深度信息。当入射的光束包括多束发散光时，每束发散光均以一定的角度入射镜头200的入光侧，即第一汇聚透镜210的入光面，并在第一汇聚透镜210、第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240的汇聚作用下进行汇聚，对于每束发散光束110来讲，其会在四个汇聚透镜的作用下，最终以平行光束120的形式出射。而对于多束发散光束110来讲，其会在上述四个汇聚透镜的作用下，向主光轴的方向汇聚，且最终在主光轴上相交后，相互呈一定角度向目标区域进行投射，从而在目标区域形成一定数量的光斑，得到获取目标区域内物体的深度信息。由于在深度信息测量时，在一些场景下，对于光斑的数量要求并不高，故可以避免使用衍射光学元件，从而有效的降低其制造的成本，简化了镜头200的结构，同时，也降低了装配时的难度。此外，通过该种镜头200还可以增大相邻光斑之间的间距，从而形成更大的视场角。

可选的，在第三汇聚透镜230的出光侧设置有孔径光阑250，用于限制经第三汇聚透镜230出射的光束。

示例的，如图2所示，为了进一步的提高目标区域内的光斑的成像质量，还可以在第三汇聚透镜230的出光侧设置有孔径光阑250，其设置位置可以是孔径光阑250的孔径中心位于上述四个汇聚透镜的主光轴上，其限制了成像光束的立体角，决定了轴上点成像光束中最边缘光线的倾斜角。通过改变孔径光阑250的孔径从而改变其限制的范围，即改变最边缘能够出射的光线的倾斜角。单束或多束光束经第三汇聚透镜230的出光侧出射后，当其中部分光线出射至孔径光阑250的不透光部分则被阻挡，剩余部分的倾斜角度小于最边缘光线的倾斜角(例如10度、11度等等)时，才能够由其透光部分(光阑孔径)出射至第四汇聚透镜240。需要说明的是，上述的孔径光阑250可以是开孔的屏，也可以是可调孔径的光圈，本申请对其具体形式不做限定。

示例的，为了进一步的提高光束在目标区域内的光斑的成像质量，还可以将第一汇聚透镜210的焦距设置为2至3mm；第二汇聚透镜220的焦距设置为0.5至1.5mm；第三汇聚透镜230的焦距设置为2.5至-3.5mm；第四汇聚透镜240的焦距设置为40至50mm。

对应的，与上述焦距相匹配的，第一汇聚透镜210的折射率可以是1.7至1.9；第二汇聚透镜220的折射率可以是1.55至1.75；第三汇聚透镜230的折射率可以是1.55至1.75；第四汇聚透镜240的折射率可以是1.45至1.65。同时，第一汇聚透镜210的阿贝数可以是35至50；第二汇聚透镜220的阿贝数可以是20至35；第三汇聚透镜230的阿贝数可以是20至35；第四汇聚透镜240的阿贝数可以是50至65。

示例的，如图2所示，给出一种具体的实施例，其中，第一汇聚透镜210的折射率为1.81、阿贝数为41，第二汇聚透镜220的折射率为1.64、阿贝数为23.97，第三汇聚透镜230的折射率为1.64、阿贝数为23.97，第四汇聚透镜240的折射率为1.53、阿贝数为56.04。

同时，第一汇聚透镜210的入光面的曲率半径为-9.36、出光面的曲率半径为-0.8，第二汇聚透镜220的入光面的曲率半径为0.72、出光面的曲率半径为-59，第一汇聚透镜210的入光面的曲率半径为2.83、出光面的曲率半径为1.1，第一汇聚透镜210的入光面的曲率半径为-0.92、出光面的曲率半径为-0.98。其中，由于上述四个汇聚透镜均为非球面镜，故，每一个入光面或出光面的曲率半径均指该面和主光轴的交点位置的曲率半径。

在曲率半径的基础上，第一汇聚透镜210的入光面至其出光面的距离可以是0.59mm，第一汇聚透镜210的出光面至第二汇聚透镜220的入光面的距离可以是0.02mm，第二汇聚透镜220的入光面至其出光面的距离可以是0.5mm，第二汇聚透镜220的出光面至第三汇聚透镜230的入光面的距离可以是0.02mm，第三汇聚透镜230的入光面至其出光面的距离可以是0.52mm，第三汇聚透镜230的出光面至第四汇聚透镜240的入光面的距离可以是0.17mm，第四汇聚透镜240的入光面至其出光面的距离可以是0.3mm。当在第三汇聚透镜230的出光侧设置有孔径光阑250时，还可以使得第三汇聚透镜230的出光面至孔径光阑250的距离为0.11mm，孔径光阑250至第四汇聚透镜240的入光面的距离为0.06mm。需要说明的是，上述面与面之间的距离均指面与主光轴的交点之间的距离。还需要说明的是，可以使得光源100距第一汇聚透镜210的入光面的距离为0.4mm，第四汇聚透镜240的出光面至目标区域的距离为1000mm。

同时，第一汇聚透镜210的入光面的圆锥系数为1.19，第一汇聚透镜210的出光面的圆锥系数为-0.7；第二汇聚透镜220的入光面的圆锥系数为-0.44，第二汇聚透镜220的出光面的圆锥系数为30；第三汇聚透镜230的入光面的圆锥系数为2.91，第三汇聚透镜230的出光面的圆锥系数为7.1；第四汇聚透镜240的入光面的圆锥系数为17.94，第四汇聚透镜240的出光面的圆锥系数为4.58。

当第一汇聚透镜210的入光面和出光面、第二汇聚透镜220的入光面和出光面、第三汇聚透镜230的入光面和出光面以及第四汇聚透镜240的入光面和出光面分别为偶次非球面时，满足公式：

上式中，h表示各汇聚透镜表面(即入光面或出光面)上各点的Y轴坐标值；c为各汇聚透镜表面的曲率半径r的倒数；k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为高阶非球面系数；Z为非球面沿主光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢量高度。

表1镜头中各非球面镜面的高阶系数表

上述表1中的面号1指第一汇聚透镜210的入光面，面号2指第一汇聚透镜210的出光面，面号3指第二汇聚透镜220的入光面，面号4指第二汇聚透镜220的出光面，面号5指第三汇聚透镜230的入光面，面号6指第三汇聚透镜230的出光面，面号7指第四汇聚透镜240的入光面，面号8指第四汇聚透镜240的出光面。

该实施例的镜头200投影距离为200～1000mm，可以根据使用场景去对焦，以使投射光斑在投影距离处最小。当使用的光源100为点光源100阵列时，其对角线长度为1mm，对应的投影距离为1000mm处镜头200的放大倍率为500～2000，视场角为40°×60°。此外，配合更小尺寸的光源100可以获得更小的视场角。具体选择时，可以根据实际的需求，进行合理选择光源100阵列的大小。

此外，还可以使得从物面出射到镜头200的光线为远心光线，提高光线的利用率。镜头200的数值孔径可以小于2.2，使得镜头200能尽可能接收光源100发出的光线，镜头200焦距(EFL，Effective Focal Length)，即有效焦距为0.5～2mm。

镜头200的TTL(光源100到镜头200最后一片镜片的第二个面)，即镜头200的总长小于2.5mm，使得镜头200的体积更小，可以适配更多的应用场景。

如图3所示，为平行光入射成像至光源100面时，本实施例中镜头200成像的点列图，可见在任何视场，镜头200所成RMS像点大小都小于2um，可以获得比较好的散斑点。

如图4所示，为本实施例中镜头200的成像畸变网格图。对其进行分析后，可以得出如图5所示的镜头200成像的畸变曲线图。可以看出本实施例中的镜头200成像后的全视场畸变可以小于3％。即本实施例中的镜头200的成像质量较高。

如图6所示，为通过仿真模拟软件模拟点光源100阵列对角线长度为1mm，投影距离为1000mm时投影出的光斑阵列图，可以看出，其光斑成像较为清晰且规则，有利于提高三维成像装置获取目标区域的物体的深度信息的精度。

可选的，第一汇聚透镜210为玻璃材质。

示例的，由于第一汇聚透镜210较为靠近光源100，故在光源100持续工作时，会产生较多的热量，为了避免第一汇聚透镜210因温度升高而损坏，可以将其材质设置为玻璃，从而避免因长期使用降低系统的成像质量。此外，第二汇聚透镜220、第三汇聚透镜230和第四汇聚透镜240的材质可以是玻璃材质，也可以是成本较低的塑料材质，例如可以是热塑性塑料，也可以是热固性塑料。热塑性塑料可以是聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等，热固性塑料可以是合成树脂、环氧光学塑料等等。本申请对其不做限制。

本发明的另一方面，提供一种结构光投影模组，包括光源100以及上述任一种的镜头200；光源100位于镜头200的入光侧，经镜头200出射的平行光束120投射至目标区域形成光斑。

示例的，如图1所示，将上述镜头200应用于结构光投影模组，将光源100设置在镜头200的入光侧，使得光源100出射的发散光束110经镜头200的汇聚，从而出射平行光束120使其投射在目标区域内形成光斑，进而获取目标区域内的物体的深度信息。通过上述四个汇聚透镜可以有效的降低投影模组的制造成本，同时，简化投影模组的结构，降低装配难度。同时，还可以在实现深度信息采集的基础上，避免受限于光学衍射元件，导致效率较低的现象。

可选的，光源100为垂直腔面发射激光器阵列。

示例的，如图1所示，光源100可以是垂直腔面发射激光器阵列，其可以是两个、多个的形式。当为两个时，其间隔设置，设置的间距可以是5微米至50微米之间。当为多个时，其可以是随机设置，即呈不规则的二维图案设置，也可以是呈矩阵的形式排列设置，即呈二维图案排列的二维光源100，设置的间距可以是5微米至50微米之间。需要说明的是，垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体，其激光垂直于顶面射出。采用VCSEL相比传统光源100，具有体积小，发散角小和能量集中等优点，从而有助于提高本申请中结构光投影模组在目标空间中投射出高清晰度、高对比度的图案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种镜头，其特征在于，包括：沿出光方向依次设置的第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜；所述第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜均为非球面镜，用于使发散光束依次经所述第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜汇聚后以平行光束投射至目标区域形成光斑。

2.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，在所述第三汇聚透镜的出光侧设置有孔径光阑，用于限制经所述第三汇聚透镜出射的光束。

3.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述第一汇聚透镜的焦距为2至3mm；所述第二汇聚透镜的焦距为0.5至1.5mm；所述第三汇聚透镜的焦距为2.5至-3.5mm；所述第四汇聚透镜的焦距为40至50mm。

4.如权利要求3所述的镜头，其特征在于，所述第一汇聚透镜的折射率为1.7至1.9；所述第二汇聚透镜的折射率为1.55至1.75；所述第三汇聚透镜的折射率为1.55至1.75；所述第四汇聚透镜的折射率为1.45至1.65。

5.如权利要求4所述的镜头，其特征在于，所述第一汇聚透镜的阿贝数为35至50；所述第二汇聚透镜的阿贝数为20至35；所述第三汇聚透镜的阿贝数为20至35；所述第四汇聚透镜的阿贝数为50至65。

6.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一汇聚透镜为玻璃材质。

7.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一汇聚透镜的入光面和出光面、所述第二汇聚透镜的入光面和出光面、所述第三汇聚透镜的入光面和出光面以及所述第四汇聚透镜的入光面和出光面分别为偶次非球面。

8.一种结构光投影模组，其特征在于，包括光源以及如权利要求1至7任一项所述的镜头；所述光源位于所述镜头的入光侧，经所述镜头出射的平行光束投射至目标区域形成光斑。

9.如权利要求8所述的结构光投影模组，其特征在于，所述光源为垂直腔面发射激光器阵列。