CN207380333U - 折反式透镜及使用该折反式透镜的光学模组 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种折反式透镜及使用该折反式透镜的光学模组。折反式透镜，用于折反激光光源发出的激光光束，包括：第一非球面，面向所述激光光源，所述激光光束经由该第一非球面折射入所述透镜；平面反射面，用于对经过所述第一非球面的激光光束进行偏折；第二非球面，连接所述第一非球面和所述平面反射面，经由所述平面反射面偏折的激光光束经过该第二非球面折射出所述透镜。本实用新型还提出一种使用该折返式透镜的光学模组。本实用新型的折反式透镜及光学模组，用于投射激光光斑的投影透镜采用折反式光路设计，更有利于整体模组尺寸小型化，厚度薄型化，并且降低了采用单独分离45°反射镜方案的组装难度。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种折反式透镜及使用该折反式透镜的光学模组。
背景技术
3D成像技术可用于智能设备以实现3D人脸识别、扫描、解锁等功能，相比于指纹识别，3D人脸识别不仅精准度高，并且适用场景更广，基于红外结构光技术的3D成像技术对光照不敏感，并且可以实现肤色检测、立体检测，具备极高的人脸识别安全性。
然而现有技术中结构光3D传感器所使用的透镜系统往往由多个透镜或其他光学元件组成，具有较大的厚度，占用体积较大，无法应用到例如智能手机、平板等微型设备中。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中的结构光3D传感器所使用的透镜系统占用体积大的问题，提出一种折反式透镜及使用该折反式透镜的光学模组。
本实用新型折反式透镜，用于折反激光光源发出的激光光束，包括：第一非球面，面向所述激光光源，所述激光光束经由该第一非球面折射入所述透镜；平面反射面，用于对经过所述第一非球面的激光光束进行偏折；第二非球面，连接所述第一非球面和所述平面反射面，经由所述平面反射面偏折的激光光束经过该第二非球面折射出所述透镜。
在优选的实施方式中，所述平面反射面的反射角范围为43.5°-46.5°。
在优选的实施方式中，所述第一非球面和所述第二非球面均为凸的非球面。优选地，所述第一非球面的曲率半径范围为0-7.5mm，更优选地，所述第一非球面的曲率半径范围为-7.5mm-0。
在优选的实施方式中，所述透镜的有效焦距范围为3mm-5mm。更优选地，所述第一非球面、平面反射面和第二非球面光轴上的折合距离范围为3.5mm-5mm。
在优选的实施方式中，所述透镜的材料对波长为587nm的D光折射率范围为1.5-1.75。更优选的，所述透镜的材料的阿贝色散系数范围为20-65。
本实用新型还提出一种光学模组，包括激光光源、上面任一所述的透镜和衍射光学元件，所述激光光源发出的激光光束经过上面任一所述的透镜折反后，进入衍射光学元件进行衍射，形成衍射光斑投射到对应目标空间。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果有：
本实用新型的折返式透镜及光学模组，用于投射激光光斑的投影透镜采用折反式光路设计，更有利于整体模组尺寸小型化，厚度薄型化，降低了采用单独分离45°反射镜方案的组装难度。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例中折返式透镜及光学模组的结构示意图。
图2是本实用新型一个实施例中光学模组反向变成逆向摄像模组后的光路追迹图形示意图。
图3是本实用新型一个实施例中光学模组反向变成逆向摄像模组后各个像方视场光学传递函数图形示意图。
图4是本实用新型一个实施例中光学模组反向变成逆向摄像模组后像方全视场像面弯场曲、畸变图形示意图。
图5是本实用新型一个实施例中光学模组反向变成逆向摄像模组后各个像方视场光线像差图形示意图。
图6是本实用新型一个实施例中光学模组反向变成逆向摄像模组后各个像方视场的点列图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型做进一步详细说明。其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
图1是本实用新型的一个实施例，提供了一种结构紧凑、具有折反光线功能的折反式透镜，以及使用该折反式透镜的光学模组。如图1所示，透镜2即为折反式透镜，光学模组从物方到像方(由左至右)依次是，激光光源1，透镜2的非球面S21和45°反射面S22，光线在45°反射面S22处发生偏折；偏折后的光线经透镜2的非球面S23、光阑3形成的STOP面，几乎平行的投射到衍射光学元件(DOE)4的表面，DOE4的表面由二维衍射Pattern构成，光线在此处发生衍射，形成数十万个衍射光斑投射到对应目标空间。为了达到良好的像差矫正，以及保证结构紧凑的同时获得最小的投射点斑，该折反式透镜要满足如下条件：
条件(1)：0<r1<7.5；
条件(2)：-7.5<r2<0；
条件(3)：3.0<f<5.0；
条件(4)：3.5<d(S21～S22～S23)<5
条件(5)：1.5<Nd<1.75
条件(6)：20<Vd<65
条件(7)：Slop_Angle_S22＝45±1.5°
其中，参数r1表示透镜2的非球面S21面的曲率半径(单位：mm)；参数r2表示透镜2的非球面S23面的曲率半径(单位：mm)；参数f表示透镜2的有效焦距(单位：mm)；参数d(S21～S22～S23)表示透镜2的非球面S21面、45°反射面S22面和非球面S23面光轴上的折合距离(单位：mm)；参数Nd表示透镜材料的在d-line(587nm)的折射率，Vd表示透镜材料的阿贝色散系数。
条件(1)、条件(2)限制了透镜2的非球面S21面和S23面的弯曲的程度和形状。在本实施例中，透镜2前后S21面和S23面为双凸的非球面，当超过条件(1)或条件(2)的范围上下限时，透镜形状不符合现有双凸+45度反射的加工要求，难以制作和成型。
条件(3)限制了当激光光源采用边射型激光器时透镜2比较实用的焦距范围。条件(4)规定了可以使用这种折反架构的必要尺寸，超过条件(4)的上限时，透镜2尺寸较大，不利于薄型化手机等电子产品使用，超过条件(4)的下限时，透镜2难以制作和成型。
超过条件(5)、条件(6)的范围上下限时，材料较贵，不易低温射出成型，加工难。
条件(7)规定了透镜2的S22面的Slop_angle(反射面角度)为45度，允许有正负1.5°的偏差，否则难以实现对称的结构和组装要求，投出去的光路也不是垂直的。
在本实施例中，整个投影模组(不含衍射光学元件DOE)的最大投射视场角为2°，并且采用光阑的作用是用于调节通过的光束的强弱。在其他实施例中，使用上述折反式透镜的光学模组也可以不含光阑。
本实用新型中，透镜2的S21面和S23面都由非球面构成，设透镜2的光轴方向为Z，非球面S21面和S23面的表面曲率半径为R，表面与光轴正交的高度为Y，圆锥系数为K，非球面系数为A4，A6，A8，A10，A12，A14，A16时，非球面通过下面的数学式表示：
下面给出一个具体的设计实施例，在本实施例中，使用折反式透镜的光学模组(不含衍射光学元件DOE)的最大透射视场角为2°，EFL为4.586mm，FNO为1.53，TTL为6.76mm，半物高为0.1mm，适用于820-740nm、925-955nm的红外激光。
本实施例光学模组具体的表面系数，如下表1和表2所示，其中，表1为整个光学模组的基本光学参数，表2为透镜2的非球面S21面和S23面高阶非球面系数，表1中的物面是指激光光源发光面，像面(Image-Plane)是指空间目标位置，即是指激光斑投射射到的物体表面。
表1光学模组的基本光学参数
| 表面 | 曲率半径(R) | 厚度/距离 | 折射率(Nd) | 阿贝数(Vd) | 圆锥系数(K) |
| 物面 | 无穷大 | 2.795 | -- | -- | 0.000 |
| S21 | 6.386 | 1.8 | 1.6355 | 23.97 | -12.843 |
| S22 | 无穷大 | 2.2 | MIRROR(45度) | -- | 0 |
| S23 | 3.827 | 0 | -- | -- | -15.994 |
| Stop面 | 无穷大 | 700 | -- | -- | 0.000 |
| 像面 | 无穷大 | 0.000 | -- | -- | 0.000 |
表2透镜表面的高阶非球面系数
本实施例的光学模组反向变成逆向摄像模组后，逆向摄像模组光路追迹图形--Optical Tracing如图2所示，在图2中可以看到，光线10从发光面S0发出后，经过透镜2的非球面S21和45°反射面S22，光线在45°反射面S22处发生偏折；偏折后的光线再经过透镜2的非球面S23和光阑3。
本实施例的逆向摄像模组各个像方视场光学传递函数Module TransmitFunction如图3所示；本实施例的逆向摄像模组像方全视场像面弯场曲、畸变--FieldCurve&Distortion如图4所示；本实施例的逆向摄像模组各个像方视场光线像差—OpticalPath Difference Fan如图5所示；本实施例的逆向摄像模组各个像方视场的点列图—SPOT性能如图6所示。
本实用新型的折返式透镜及光学模组，用于投射激光光斑的投影透镜采用折反式光路设计，更有利于整体模组尺寸小型化，厚度薄型化，降低了采用单独分离45°反射镜方案的组装难度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种透镜，其特征在于，用于折反激光光源发出的激光光束，包括：
第一非球面，面向所述激光光源，所述激光光束经由该第一非球面折射入所述透镜；
平面反射面，用于对经过所述第一非球面的激光光束进行偏折；
第二非球面，连接所述第一非球面和所述平面反射面，经由所述平面反射面偏折的激光光束经过该第二非球面折射出所述透镜。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述平面反射面的反射角范围为43.5°-46.5°。
3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一非球面和所述第二非球面均为凸的非球面。
4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一非球面的曲率半径范围为0-7.5mm。
5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一非球面的曲率半径范围为-7.5mm-0。
6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的有效焦距范围为3mm-5mm。
7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一非球面、平面反射面和第二非球面光轴上的折合距离范围为3.5mm-5mm。
8.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的材料对波长为587nm的D光折射率范围为1.5-1.75。
9.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的材料的阿贝色散系数范围为20-65。
10.一种光学模组，包括激光光源、权利要求1-9任一所述的透镜和衍射光学元件，所述激光光源发出的激光光束经过权利要求1-9任一所述的透镜折反后，进入所述衍射光学元件进行衍射，形成衍射光斑投射到对应目标空间。
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