CN208110175U - 透镜系统、结构光投影模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种透镜系统、结构光投影模组及深度相机，透镜系统包括沿着光源发射的光束方向依次设置第一透镜、第二透镜以及第三透镜；所述第一透镜与所述第二透镜为塑料透镜，所述第三透镜为玻璃透镜，其中，所述第一透镜的前后侧表面都为凸表面；所述第二透镜的前后侧表面都为凹表面；所述第三透镜的前侧表面为凹表面，后侧表面为凸表面，减少了透镜系统受到的温度变化的影响且降低了透镜系统的制作成本。

Description

透镜系统、结构光投影模组及深度相机

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种透镜系统、结构光投影模组及深度相机。

背景技术

现有的光学透镜常被应用于相机、投影仪等电子设备中，特别对于消费级的电子设备如手机、电脑等，光学透镜往往即要体积小，又要成本低、性能稳定，因此设计上有较高的难度。近年来，随着消费级3D成像电子设备，如结构光深度相机的发展，光学透镜将会越来越广泛地被应用。

结构光深度相机的关键部件之一是结构光投影模组，模组通过光源发出的光经透镜系统、衍射光学元件(DOE)后向外发射出图案化的结构光，如随机散斑图案，随机散斑图案随后被用来生成深度图像。随机散斑图案的诸多特性，如对比度、图案密度等都会受到透镜系统的影响。更为关键的是，透镜系统的温度适应性将决定了随机散斑图案的质量稳定性，会直接决定该深度相机是否能输出稳定的深度图像。

目前应用于投影模组中的透镜系统往往为了低成本而采用塑料材质，从而使得透镜系统容易受温度影响，或者为了追求温度稳定性而采集玻璃材质的透镜系统，从而使得投影模组的成本大大提升，不利于量产及普及。

实用新型内容

为了解决透镜系统容易受到温度影响且制作成本高的技术问题，本实用新型提出一种透镜系统。

本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决：本实用新型提出的透镜系统，沿着光源发射的光束方向依次设置第一透镜、第二透镜以及第三透镜；所述第一透镜与所述第二透镜为塑料透镜，所述第三透镜为玻璃透镜，其中，第一透镜的前后侧表面都为凸表面；第二透镜的前后侧表面都为凹表面；第三透镜的前侧表面为凹表面，后侧表面为凸表面。

在一实施例中，所述第一透镜，所述第二透镜、所述第三透镜均为非球面透镜。

此外，在另一实施例中，所述透镜系统还包括光阑，所述光阑设在所述第一透镜与所述第二透镜之间、或所述光阑设在所述第二透镜与所述第三透镜之间。其中，所述光阑包括孔径光阑。

在一实施例中，所述第一透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度，所述第三透镜具有正光焦度。

另外，所述透镜系统的参数至少满足以下条件中的一条：-0.66<r1/r2<-0.46；0.3<f1/f<0.4；-0.28<f2/f<-0.18；0.4<f3/f<0.5；5.7<f12<6.3；1.53<Nd<1.76；

其中，f表示所述透镜系统的有效焦距；f1表示所述第一透镜的有效焦距； f2表示所述第二透镜的有效焦距；f3表示所述第三透镜的有效焦距；r1表示所述第一透镜的前侧的凹表面的曲率半径；r2表示所述第一透镜的后侧的凹表面的曲率半径；f12表示所述第一透镜与所述第二透镜的组合焦距；Nd表示透镜材料在d-line(587nm)的折射率。

上述透镜系统的最大投射视场角≥18°；所述透镜系统的光学总长可以小于 5mm。

本实用新型还提出了一种结构光投影模组，包括光源、透镜系统以及衍射光学元件，所述光源发射的光束经所述透镜系统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，所述透镜系统包括上述任一所述的透镜系统。其中，光源可以包括边发射激光发射器或垂直腔面激光发射器。

同时，本实用新型还提出了一种深度相机，包括：上述任一所述的结构光投影模组，用于发射结构光图案；采集模组，用于采集被目标物体调制后的结构光图案；处理器，根据所述结构光图案进行深度计算后获取反映所述目标物体的深度图像。

本实用新型与现有技术对比的有益效果包括：光源发出的光束经过第一透镜前侧凸表面，第一透镜与第二透镜对光线的折射效应较小，第一透镜与第二透镜为塑料透镜，对光束没有影响，依次经过第一透镜与第二透镜的光束，通过第三透镜，虽然第三透镜设为塑料透镜可以让光束发生折射，但这样透镜系统容易受到温度的影响，将三透镜设为玻璃透镜，减少了透镜系统受到的温度变化的影响，并将第一透镜的前后侧表面都设为凸表面；第二透镜的前后侧表面都为凹表面；第三透镜的前侧表面为凹表面，后侧表面为凸表面进一步减小了温度漂移，而且透镜系统通过采用玻璃材质与塑料材质结合一定程度上降低了透镜系统的制作成本。

附图说明

图1是本实用新型中一个实施例的结构光深度相机系统的示意图。

图2是本实用新型中一个实施例的结构光投影模组的示意图。

图3是本实用新型中一个实施例的结构光投影模组的示意图。

图4是本实施例中一个实施例的结构光投影模组的示意图。

图5是一个实施例中的透镜系统的中心视场的温度漂移的测试结果图。

图6是一个实施例中的透镜系统的中心视场的温度漂移的测试结果图。

图7是一个实施例中的透镜系统的中心视场的温度漂移的测试结果图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提出一种透镜系统，在后面的说明中将对该透镜系统、结构光投影模组以及深度相机为例进行说明，但并不意味着这种透镜系统仅能应用在结构光投影模组中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本实用新型的保护范围内。

图1所示的基于结构光的深度相机的示意图。深度相机101主要组成部件有投影模组104、采集模组105、主板103以及处理器102，在一些深度相机中还配备了彩色相机模组107。投影模组104、采集模组105以及彩色相机模组107 一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口108。一般地，处理器102被集成在主板103上，而投影模组104、采集模组105通过接口106与主板连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。主板103一般指电路板，比如PCB，也可以是其他支架，用于连接及固定各模组以及提供电路连接。其中，投影模组104用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组105采集到该结构光图像后通过处理器102的处理从而得到目标空间的深度图像。在一个实施例中，结构光图像为红外激光散斑图案，图案具有颗粒分布相对均匀但局部不相关性很高的特征，这里的局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组105为与投影模组104对应的红外相机。利用处理器获取深度图像具体是指接收到由采集模组采集到的散斑图案后，通过计算散斑图案与参考散斑图案之间的偏离值来进一步得到深度图像。

图2是本实用新型投影模组104的一种实施例的示意图。投影模组104包括光源20、透镜系统21以及图案生成器22(如衍射光学元件DOE)。

其中光源20可以包括可见光、不可见光如红外、紫外等激光光源，光源的种类可以是边发射激光也可以垂直腔面激光，为了使得整体的投影装置体积较小，优选的方案是选择垂直腔面激光发射器阵列(VCSEL阵列)作为光源。VCSEL 阵列光源是以二维图案排列的二维光源，VCSEL阵列整体大小仅在微米量级，比如5mmX5mm大小，上面排列了几十个甚至上百个光源，各个光源之间的距离处于微米量级，比如10微米。

当投影模组104用于向空间中投影散斑图案时，VCSEL阵列光源的排列二维图案为不规则图案，不规则排列的好处在于提高了散斑图案的不相关性。VCSEL 阵列光源中的每个光源都具有一定的发散角，因此需要一个用于准直或汇聚的透镜系统21。透镜系统21可以是单透镜也可以是透镜组合，甚至可以是微透镜阵列。一般地，由于投影模组104对透镜系统21有一定的设计要求，比如投影光束密度、投影图案对比度、畸变等多重要求，单透镜系统往往难以达到要求，此时则需要多个透镜共同组成透镜系统来实现设计要求。除了需要考虑透镜的基本设计要求之外，还需要考虑透镜在使用过程中会遇到的一些其他因素，其中温度对透镜的影响较大，常常有温漂(温度漂移)现象出现，是在透镜设计中不得不考虑的因素。

一般地，对于一些温度变化不大的模组中，为了降低成本，透镜系统21普遍采用塑料材质，而对于一些温度变化较大的模组中，透镜系统21则采用受温度影响小的玻璃材质，玻璃材质可以帮忙提高热稳定性，但会带来成本提高的不利影响。

在图2所示的实施例中，透镜系统21包括第一透镜211、第二透镜212以及第三透镜213，其中针对于单个光源，第一透镜/第二透镜/第三透镜既可以采用单个透镜，也可以采用微透镜阵列；当采用单个透镜时，透镜需和光源一一对应；当采用微透镜阵列时，微透镜阵列整体需要覆盖到光源所发射的光束。针对于阵列光源，同样第一透镜/第二透镜/第三透镜既可以采用单个透镜，也可以采用微透镜阵列；当采用单个透镜时，透镜需覆盖到阵列光源整体所发射的光束；当采用微透镜阵列时，每一个微透镜需和光源一一对应。第一透镜211靠近光源20，对光线的折射效应较小，即对透镜系统的总光焦度贡献小，因此第一透镜211 采用塑料材质。第二透镜212以及第三透镜213中的一个或全部对透镜系统的总光焦度贡献大，因此二者之一或全部采用玻璃材质，在本实施例中，第二透镜采用塑料材质，第三透镜采用玻璃材质，在其他实施例中，也可以根据需要，两者都采用玻璃材质。第三透镜213与衍射光学元件22也可以被制作在同一个光学元件上。其中，塑料透镜的材质可以为PMMA(化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃，俗称亚克力)、PC(Polycarbonate，聚碳酸脂)、APEL5014等材料制作，玻璃材质的透镜耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特性，保护整个透镜系统在装配、运输、使用过程中不被划伤，在高温、低温、强光照、风沙等恶劣环境下不易被风解、破坏，从而延长了透镜系统的使用寿命。

图3是根据本实用新型又一个实施例的结构光投影模组的示意图。与图2所示实施例中透镜系统不同的是，本实施例中透镜系统31为4P透镜系统，包括第一透镜311、第二透镜312、第三透镜313以及第四透镜314，其中第一透镜311 为塑料材质，其他三个透镜中至少有一个为玻璃透镜，一般地将对总光焦度贡献大的透镜配置为玻璃透镜。

另外，透镜系统中的透镜有两个表面，所述表面一般包括凹表面和/或凸表面，也可以将透镜系统中的至少一个透镜的至少一个表面设计成非球面形式，以减少像差等引起的投影图案畸变。

进一步地，在图4所示的实施例中，我们将透镜系统41中的第一透镜411 与第二透镜412采用塑胶非球面透镜，第三透镜413采用玻璃非球面透镜，光阑 414(STOP)放置于第二透镜及第三透镜之间，在其他的实施方案中，光阑也可以位于别处，例如位于第一透镜与第二透镜之间，在本实施例中光阑的位置还便于缩短系统的线路全长。光阑包括孔径光阑，在本实施例中，采用孔径光阑。第一透镜411的前后侧表面(前侧为图的左侧，后侧为图的右侧)都为凸表面，具有正光焦度；第二透镜412的前后侧表面都为凹表面，光焦度为负；第三透镜 413的前侧为凹表面，后侧为凸表面，具有正的光焦度；光束依次经过第一透镜 411、第二透镜412及第三透镜413。孔径光阑414把整个透镜系统分为前后两组，前组由第一透镜411与第二透镜412构成，后组由第三透镜413单独构成。本实施例提供的透镜系统成本低、结构紧凑、温漂小、像差矫正良好，最大投射视场角为18°，也可以高于18°。图4的结构光投影模组的光学总长低至3.3mm，在其他实施例中，所述透镜系统的光学总长可以小于5mm，可方便内置在手机、笔记本、深度相机等移动便携装置中。在又其他实施例中，可以在所述第三透镜 413的后侧设置第四透镜，其中，所述第四透镜为玻璃透镜或塑料透镜，第四透镜还可以是非球面透镜。

在图4所示的实施例中，为了实现良好的像差矫正以及像面照度，保证结构紧凑的同时获得最小的投射点斑，可透镜系统的参数设置至少满足如下条件之一：

-0.66<r1/r2<-0.46 (1)

0.3<f1/f<0.4 (2)

-0.28<f2/f<-0.18 (3)

0.4<f3/f<0.5 (4)

5.7<f12<6.3 (5)

1.53<Nd<1.76 (6)

其中，f表示系统的有效焦距；f1表示第一透镜的有效焦距；f2表示第二透镜的有效焦距；f3表示第三透镜的有效焦距；r1表示第一透镜的前侧的凹表面的曲率半径(单位：mm)；r2表示第一透镜的后侧的凹表面的曲率半径(单位：mm)；f12表示第一透镜与第二透镜的组合焦距(单位：mm)； Nd表示透镜材料在d-line(587nm)的折射率。

当超过条件(1)的上限时，边缘厚度不足或S1面边缘斜率过大，不利于成型和面型检测；当超过条件(1)的下限时，镜头对于边缘光线的收敛不足。

当超过条件(2)的上限时，不利于压缩系统长度；当超过条件(2)的下限时，会造成L2中心边缘厚薄比过大，不利成型，且面形公差感度太高。

当超过条件(3)的上限时，前组光焦度太大，导致后组光焦度分配过紧；当超过条件(3)的下限时，L2厚薄比过大，不利成型且系统解像力低落。

当超过条件(4)的上限时，边缘视场的斜球差矫正不足；当超过条件 (4)的下限时，L3边缘容易过薄。

当超过条件(5)的上限时，不利于矫正系统彗差；当超过条件(5)的下限时，边远投射斑点难以汇聚。

在本具体实施方式中，所有透镜的表面都由非球面构成，设光轴方向为Z，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：

附录-透镜列表

以下列表示出了在图4所示的设计。“曲率半径”列给出了每个透镜表面的曲率半径，而“厚度”列表示设计中从给定表面到下一表面的距离。FOV表示系统的对角全视场。该设计的参考波长为940nm。相对于其折射率nd和阿贝数vd 来限定光学材料。

下面给出一个图4对应的实施例的具体设计，该透镜系统的最大投射角为 18.8°，EFL＝3.6mm，FNO＝2.4，TTL＝3.3mm，半物高为0.6毫米，适用于 925～955nm红外激光。第一透镜前侧的表面标为S1，后侧的表面标为S2；第二透镜前侧的表面标为S3，后侧的表面标为S4；第三透镜前侧的表面标为S5，后侧的表面标为S6。系统的具体表面系数如下表所示：

非球面系数如下表所示：

非球面系数(续)

图5-7分别是温度为20℃、40℃、60℃时图4所示实施例中透镜系统的中心视场的温度漂移的测试结果图，从图中可以看出每个图中的可见峰值几乎维持在离焦量为0的位置，说明温度漂移小。

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)

1.一种透镜系统，其特征在于，沿着光源发射的光束方向依次设置第一透镜、第二透镜以及第三透镜；所述第一透镜与所述第二透镜为塑料透镜，所述第三透镜为玻璃透镜，其中，所述第一透镜的前后侧表面都为凸表面；所述第二透镜的前后侧表面都为凹表面；所述第三透镜的前侧表面为凹表面，后侧表面为凸表面。

2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为非球面透镜。

3.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统还包括光阑，所述光阑设在所述第一透镜与所述第二透镜之间、或所述光阑设在所述第二透镜与所述第三透镜之间。

4.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度，所述第三透镜具有正光焦度。

5.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的参数至少满足以下条件中的一条：

-0.66<r1/r2<-0.46；0.3<f1/f<0.4；-0.28<f2/f<-0.18；0.4<f3/f<0.5；5.7<f12<6.3；1.53<Nd<1.76；

其中，f表示所述透镜系统的有效焦距；f1表示所述第一透镜的有效焦距；f2表示所述第二透镜的有效焦距；f3表示所述第三透镜的有效焦距；r1表示所述第一透镜的前侧的凹表面的曲率半径；r2表示所述第一透镜的后侧的凹表面的曲率半径；f12表示所述第一透镜与所述第二透镜的组合焦距；Nd表示透镜材料在587nm处的折射率。

6.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的最大投射视场角≥18°。

7.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的光学总长小于5mm。

8.一种结构光投影模组，包括光源、透镜系统以及衍射光学元件，所述光源发射的光束经所述透镜系统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，其特征在于，所述透镜系统包括如权利要求1-7任一所述的透镜系统。

9.如权利要求8所述的结构光投影模组，其特征在于，所述光源包括边发射激光发射器或垂直腔面激光发射器。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求8-9任一所述的结构光投影模组，用于发射结构光图案；

采集模组，用于采集被目标物体调制后的结构光图案；

处理器，根据所述结构光图案进行深度计算后获取反映所述目标物体的深度图像。