CN112731628A - 一种镜头及tof成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种镜头及TOF成像设备。本发明提供一种镜头，沿光轴方向从物侧至像侧依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和一个成像面，镜头第一透镜与第二透镜之间的空气间隔G12与镜头的光学总长TTL满足G12/TTL≤0.02；第二透镜与第三透镜之间的空气间隔G23与镜头的光学总长TTL满足G23/TTL≤0.09；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔G34与镜头的光学总长TTL满足G34/TTL≤0.37。通过本发明技术方案提供的镜头和TOF成像设备，能保持复杂环境中成像质量高的同时，具有小型化、轻薄化的特点，能更好地满足移动和消费电子领域应用TOF技术成像的需求。

Description

一种镜头及TOF成像设备

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种镜头及TOF成像设备。

背景技术

在移动和消费电子领域，3D感知技术在近几年得到快速应用，其中，基于飞行时间法(TOF)的3D感知技术的应用尤其得到人们的关注。近几年，TOF成像技术在工业和科研领域等方面有较多的应用，其设备尺寸比较大，像素比较低；在移动和消费电子领域要得到应用，首先要求像素能达到VGA级别以获得更多的深度信息，其次要求小型化轻薄化，这需要对光学系统及相应的光学结构进行改进，从而得到更轻薄化的光学设备和获得更高的成像效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镜头及TOF成像设备，解决现有技术尺寸大、像素低的问题。

本发明解决其技术问题提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种镜头，沿光轴方向从物侧至像侧依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和一个成像面，镜头满足：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔G12与镜头的光学总长TTL满足：G12/TTL≤0.02；第二透镜与第三透镜之间的空气间隔G23与镜头的光学总长TTL满足：G23/TTL≤0.09；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔G34与镜头的光学总长TTL满足：G34/TTL≤0.37；镜头的光学总长TTL与镜头的焦距EFL满足：1.2≤TTL/EFL≤1.5。合理设置透镜之间的空气间隔与光学总长的比值，利于在保证合理的光线走势、提高成像质量的基础上保持光学系统的小型化；合理设置镜头的光学总长TTL与镜头的焦距EFL的比值，能在保持光学系统小型化的同时保证成像质量。

第二方面，本发明提供一种TOF成像设备，包括发射端和接收端，其中，

发射端包括红外发射器，用于向目标物发射波长为940nm的光信号；接收端包括：镜头，所述镜头为本发明所提供的第一方面中任一项所述镜头，用于汇聚目标物反射的光信号；窄带滤波片，设置在镜头的第四透镜和成像面之间，用于选取与所述红外发射器所发射波长一致波长的光，滤除干扰光；图像传感器，所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器，设置于所述镜头的成像面，用于测量物体与镜头之间的距离，并生成深度图像或3D图像。该TOF成像设备可以通过发射940nm的光信号，经目标物反射光信号并转化为深度数据信息，从而获得目标物的2维信息以及3维信息进行目标物的分类、建模、检测、与交互等方面的应用，能满足应用TOF技术成像的需求。

本发明的有益效果包括：本发明提供的镜头通过对透镜及光兰的合理设置，在满足成像质量高的同时，具有小型化、轻薄化的特点；本发明提供的TOF成像设备，采用兼具成像质量高和小型化轻薄化的镜头，能适应复杂环境的变化提供高质量的图像信息，可以满足TOF技术成像的需求，应用于智能手机、支付终端、智能家居、AR/VR等场景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例镜头的结构示意图。

图2是本发明实施例镜头的像散场曲和畸变的曲线图。

图3是本发明实施例镜头的相关照度图。

图4是本发明实施例镜头的网格畸变图。

图5是本发明实施例TOF成像设备的结构示意图。

图6是本发明实施例TOF成像设备接收端的结构示意图。

附图标号：

镜头 100

光轴 OA

物侧 O

像侧 I

第一透镜 L1

第一透镜朝物面 S1

第一透镜朝像面 S2

第二透镜 L2

第二透镜朝物面 S3

第二透镜朝像面 S4

光兰 ST

第三透镜 L3

第三透镜朝物面 S5

第三透镜朝像面 S6

第四透镜 L4

第四透镜朝物面 S7

第四透镜朝像面 S8

成像面、图像传感器 IMA

TOF成像设备 200

目标物 201

发射端 202

接收端 203

窄带滤光片 NB

窄带滤光片朝物面 S9

窄带滤光片朝像面 S10

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的阐述。本领域的普通技术人员可以理解，在本发明实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

以下对实施例涉及到的概念进行简要说明：

光学总长(TTL)：指由镜头中镜片的第一面到像面的距离。

视场角(FOV)：指镜头能拍摄到的最大视场范围。

半视角(HFOV)：指镜头能够拍摄到的最大角度的一半。

有效焦距(EEL)：指镜头中心到焦点的距离。

光圈(Fno)：镜头的有效焦距与入瞳直径的比值。

屈光度：指光轴附近使光汇聚或发散的程度。正屈光度是使光线向着光线弯曲、即汇聚光的屈光度。负屈光度是使光线弯曲远离光轴、即发射光的屈光度。

曲率半径：曲率是用于表示曲线在某一点的弯曲程度的数值。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大，曲率的倒数就是曲率半径。

孔径光兰：指通过镜头的光束尺寸的开口。

相对照度(IR)：指像面边缘照度和中心照度之比。

畸变(TVD)：对于理想的光学系统，在一对共轭的物像平面上，放大率是常数。但对于实际的光学系统，仅当视场较小时具有这一性质。当视场较大时，像的放大率就要随着视场而异，使得像对于物失去相似性。这种使像变形的成像缺陷称为畸变。

球差：球差是由于透镜中心区域和边缘区域对光束会聚能力不同而造成的。远轴光束通过透镜时被折射得比近轴光束要厉害得多，因而由同一物点散射的光束经过透镜后不交在一点上，而是在透镜相平面上变成了一个漫射圆斑。结果成像会变得模糊，这种成像缺陷就是球差。

本发明的一些实施方式提供一种镜头，参照图1，沿光轴OA方向从物侧O至像侧O依次设置第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和一个成像面I，该镜头的第一透镜与第二透镜之间的空气间隔G12与镜头的光学总长TTL满足：G12/TTL≤0.02；第二透镜与第三透镜之间的空气间隔G23与镜头的光学总长TTL满足：G23/TTL≤0.09；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔G34与镜头的光学总长TTL满足：G34/TTL≤0.37；镜头的光学总长TTL与镜头的焦距EFL满足：1.2≤TTL/EFL≤1.5。合理设置透镜之间的空气间隔与光学总长的比值，利于在保证合理的光线走势、提高成像质量的基础上保持光学系统的小型化；合理设置镜头的光学总长TTL与镜头的焦距EFL的比值，能在保持光学系统小型化的同时保证成像质量。

在一些实施方式中，镜头的光学总长TTL与镜头成像面上有效感光区域对角线的一半ImgH满足：TTL/ImgH≤0.56。合理设置光学总长与像高的比值，利于保持光学系统的小型化。

在一些实施方式中，镜头的最大视场角FOV与镜头的焦距EFL满足：FOV/EFL≤20deg/mm。合理设置最大视场角与焦距的比值，利于控制光线的入射角度、校正像差、提高解像力，保证成像质量。

在一些实施方式中，镜头的光圈Fno满足：1.2≤Fno≤1.5。设置大光圈能提升进光量，保证成像质量。

在一些实施方式中，第二透镜L2和第三透镜L3之间设置有孔径光兰ST。合理设置孔径光兰的位置，有利于在得到适当通光量的同时矫正像差，从而保证成像质量。

在一些实施方式中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4均为塑胶偶次非球面透镜，第一透镜L1包括朝物面S1和朝像面S2，第二透镜L2包括朝物面S3和朝像面S4，第三透镜L3包括朝物面S5和朝像面S6，第四透镜L4包括朝物面S7和朝像面S8，各非球面的面型参数可采用如下方程式表示：

其中，x为非球面上点的横坐标，y为非球面上点的纵坐标，k为圆锥常数，r为非球面顶点处的曲率，A、B、C、D、E表示各阶非球面系数。塑胶透镜质量轻，能保证镜头的轻薄化，同时加工成本低；采用偶次非球面能将透镜边缘的像差降到最低从而提高成像质量，同时比奇次非球面更容易加工。

在一些实施方式中，第一透镜L1为具有负屈光度的双凹形，在物侧与光轴相交处的凹形较平坦，镜头的焦距EFL与第一透镜物面的曲率半径R1满足：0<EFL/R1<1.2。合理设置焦距与曲率半径的比值，能提供充足的视角，利于收集更多的成像光线，从而提高成像质量。

在一些实施方式中，第二透镜L2为具有负屈光度的弯月形，镜在物侧与光轴相交处为凸形，在像侧与光轴相交处为凹形，第二透镜L2的轴上厚度T2与镜头的光学总长TTL满足：T2/TTL≤2.2。合理设置透镜的轴上厚度与镜头光学总长的比值，利于实现镜头的轻薄化。

在一些实施方式中，第三透镜L3为具有正屈光度的双凸形，在物侧与光轴相交处为微凸形，第三透镜L3物面S5的曲率半径R5与第三透镜的轴上厚度T3满足：2.5≤R5/T3≤7.5。

在一些实施方式中，第四透镜为具有负屈光度的双凹形，在物侧与光轴相交处为半球形的凹面，在像侧至少具有一个凹陷形的反曲点，物面S7的曲率半径R7和像面S8的曲率半径R8满足：-0.6<(R7-R8)/(R7+R8)<0.6。在透镜像面设置反曲点，利于实现较小的畸变，同时实现边缘较高的照度，提高成像质量；合理设置透镜的曲率半径，有利于修正镜头的球差，提高成像质量。

以下为具体实施例:

如图1提供一种镜头100，从物面O至像面I依次设置光学结构件有第一透镜L1，第二透镜L2，孔径光兰ST，第三透镜L3，第四透镜L4，以及像面IMA。第一透镜L1具有负屈光度，第二透镜L2具有负屈光度，第三透镜L3具有正屈光度，第四透镜L4具有负屈光度。第一透镜L1为双凹型；可包括在朝物侧具有较平坦的偶次非球面S1，在朝像面侧具有较大弧度的偶次非球面S2。第二透镜L2为弯月型，可包括在朝物侧具有凸出的偶次非球面S3；在光轴OA周围的区域朝像面侧具有接近平面的凹陷形状且较远处为弧度较大一些的偶次非球面S4。第三透镜L3为双凸型，可包括在朝物侧具有微凸出的偶次非球面S5，在朝像面侧具有凸出的偶次非球面S6。第四透镜L4为双凹型，包括在朝物侧具有较大弧度的偶次非球面S7，可包括在光轴OA周围区域中朝物侧接近无限大的球面形状，在距离光轴OA较远的区域中具有较大弧度的球面形状，形成一个深度约为0.7mm的碗状；在朝像面侧至少具有一个反曲点，可包括在光轴OA周围区域中朝像面侧的区域为凹陷形状且在距离光轴OA较远的区域中具有凸出形状。

在镜头100中，可包括至少一个孔径光兰ST。光兰ST是为了调整光通量的直径，可配置在第二镜透镜L2和第三镜透镜L3之间。

优选地，镜头100的各光学结构件从左至右的间距如下：第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间隔G12为0.091mm，第二透镜L2与第三透镜L3的空气间隔G23为0.417mm,第三透镜L3与第四透镜L4的空气间隔G34为1.85mm。镜头系统结构至少包括四片塑料的透镜构成，从而有利于减轻光学镜头的整体重量，便于其轻薄化设计。镜头100满足G12/TTL＝0.0179275，G23/TTL＝0.0821513,G34/TTL＝0.3644602。其中TTL为第一透镜L1的物侧面到成像面于光轴上的距离，该TTL取值为5.076。

优选地，镜头100满足TTL/ImgH＝0.54798。其中TTL为第一透镜L1的物侧面到成像面于光轴上的距离，该TTL取值为5.076；ImgH为镜头系统成像面上的有效感光区域的对角线的一半，该ImgH取值为2.781549。通过TTL的减少，可压缩光学镜头的整体长度，使得光学镜头的整体结构更加紧凑。进而，通过合理配置第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度和尺寸，即可满足像素和成像质量的条件下，实现光学镜头的小型化、轻薄化。

优选地，镜头100满足FOV/EFL＝18.21deg/mm。其中，FOV为镜头系统的最大视场角，该FOV取值71deg；EFL为镜头系统的有效焦距，该EFL取值为3.8996mm。

优选地，镜头100的光圈数Fno＝1.39。采用这个取值，可以满足光学系统的小型化设计要求的前提下，实现光学镜头的大光圈特征，提高镜头系统的整体通光量，使得在暗环境下的有足够的光量进入到感光器件上。

优选地，镜头100中各透镜均采用偶次非球面，具体定义如下：假设光轴方向x轴，与光轴方向垂直的方向为y轴，且光束的行进方向被设定为正的，则可通过以下等式来表达非球面形状:

其中，x为非球面上点的横坐标，y为非球面上点的纵坐标，k为圆锥常数，r为非球面顶点处的曲率，A、B、C、D、E表示各阶非球面系数。

具体的镜头100性能参数为：

焦距：EFL＝3.8996；

光圈：Fno＝1.39；

成像圆直径：ImgC＝5.563；

成像高度：ImgH＝2.782

视场角：FOV＝71

相对照度：RI>0.44；

畸变：TVD<5％；

后焦距：BFL＝1.035；

光学总长:TTL＝5.076；

适配光谱：940nm。

在本实施例中，镜头可根据各种设计通过数值如表1和表2如下。在各数值实施例的表中，从物侧O到像侧I次序且连接地赋予透镜表面编号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。“OA”可表示光轴，“IMA”可表示像面，“ST”可表示光兰，“R”可以曲率半径，

“T”可表示透镜厚度，“Nd”可表示折射率，“Vd”可表示阿贝数。

表1：实施例中的透镜数据设计表

透镜表面	K	A	B	C	D	E
							S1	0	0.027	-0.056	0.017	0.007994	-0.00379
S2	0.99	0.129	0.238	-0.248	-0.154	0.138
							S3	0.816	0.128	0.192	0.016	-0.291	0.218
S4	0	0.04	0.408	-0.66	0.837	0.116
							S5	0	0.084	-0.234	0.824	-1.088	0.62
S6	-0.024	-0.028	0.067	-0.186	0.357	-0.15
							S7	0	-0.256	-0.998	1.141	-0.472	0.05
S8	0	-0.436	0.028	0.081	-0.03	0.003122

表2：实施例中的非球面系数

图2是镜头100的像散场曲和畸变的曲线图。针对波长为950纳米的红外光线，获得像散场曲线，可包括切向场曲率T和弧矢场曲率S。针对波长为950纳米的红外光线，获得畸变。

图3是镜头100的相关照度图。针对波长为950纳米的红外光线，获得相关照度。

图4是镜头100的网格畸变图。针对波长为950纳米的红外光线，获得网格畸变。

另一方面，参照图5，本发明实施例还提供一种TOF成像设备200，包括发射端202和接收端203，发射端202包括：红外发射器，用于向目标物201发射波长为940nm的光信号；参照图6，接收端203包括：镜头100，所述镜头为权利要求1-10中任一项所述镜头，用于汇聚目标物反射的光信号；窄带滤波片NB，包括朝物面S9和朝像面S10，窄带滤波片NB设置在镜头100的第四透镜L4和成像面IMA之间，用于选取与所述红外发射器所发射波长一致波长的光，滤除干扰光；图像传感器IMA，图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器，设置于镜头的成像面I，用于测量目标物201与接收端203之间的距离，并生成深度图像或3D图像。

应理解，本申请具体实施例只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种镜头，沿光轴方向从物侧至像侧依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和一个成像面，其特征在于，所述镜头满足：

第一透镜与第二透镜之间的空气间隔G12与镜头的光学总长TTL满足：G12/TTL≤0.02；

第二透镜与第三透镜之间的空气间隔G23与镜头的光学总长TTL满足：G23/TTL≤0.09；

第三透镜与第四透镜之间的空气间隔G34与镜头的光学总长TTL满足：G34/TTL≤0.37。

2.根据权利要求1所述镜头，其特征在于，所述镜头的光学总长TTL与镜头成像面上有效感光区域对角线的一半ImgH满足：TTL/ImgH≤0.56。

3.根据权利要求2所述镜头，其特征在于，所述镜头的最大视场角FOV与镜头的焦距EFL满足：FOV/EFL≤20deg/mm。

4.根据权利要求3所述镜头，其特征在于，所述镜头的光圈Fno满足：1.2≤Fno≤1.5。

5.根据权利要求4所述镜头，其特征在于，所述第二透镜和第三透镜之间设置有孔径光兰。

6.根据权利要求4所述镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为塑胶偶次非球面透镜，各非球面的面型参数可采用如下方程式表示：

其中，x为非球面上点的横坐标，y为非球面上点的纵坐标，k为圆锥常数，r为非球面顶点处的曲率，A、B、C、D、E表示各阶非球面系数。

7.根据权利要求1-6中任一项所述镜头，其特征在于，所述第一透镜为具有负屈光度的双凹形，该第一透镜在物侧与光轴相交处的凹形较平坦，所述镜头的焦距EFL与第一透镜物面的曲率半径R1满足：0<EFL/R1<1.2。

8.根据权利要求1-6中任一项所述镜头，其特征在于，所述第二透镜为具有负屈光度的弯月形，该第二透镜在物侧与光轴相交处为凸形，在像侧与光轴相交处为凹形，所述第二透镜的轴上厚度T2与镜头的光学总长TTL满足：T2/TTL≤2.2。

9.根据权利要求1-6中任一项所述镜头，其特征在于，所述第三透镜为具有正屈光度的双凸形，该第三透镜在物侧与光轴相交处为微凸形，所述第三透镜物面的曲率半径R5与第三透镜的轴上厚度T3满足：2.5≤R5/T3≤7.5。

10.根据权利要求1-6中任一项所述镜头，其特征在于，所述第四透镜为具有负屈光度的双凹形，该第四透镜在物侧与光轴相交处为半球形的凹面，在像侧至少具有一个凹陷形的反曲点，所述第四透镜物面的曲率半径R7和第四透镜像面的曲率半径R8满足：-0.6<(R7-R8)/(R7+R8)<0.6。

11.一种TOF成像设备，包括发射端和接收端，其特征在于，

所述发射端包括：

红外发射器，用于向目标物发射波长为940nm的光信号；

所述接收端包括：

镜头，所述镜头为权利要求1-10中任一项所述镜头，用于汇聚目标物反射的光信号；

窄带滤波片，设置在镜头的第四透镜和成像面之间，用于选取与所述红外发射器所发射波长一致波长的光，滤除干扰光；

图像传感器，所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器，设置于所述镜头的成像面，用于测量物体与镜头之间的距离，并生成深度图像或3D图像。

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