CN208847938U - 一种投影透镜系统及投影模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供了一种投影透镜系统及投影模组，投影透镜系统用于将光源发出的光束投射至投影侧，包括由投影侧至光源依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜具有正折射力，第一透镜朝向投影侧的表面为凸面，第一透镜朝向光源的表面为凹面；第二透镜具有负折射力，第二透镜朝向投影侧的表面为凹面，第二透镜朝向光源的表面为凹面；第三透镜具有正折射力，第三透镜朝向投影侧的表面为凹面，第三透镜朝向光源的表面为凸面，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑胶透镜，能减少透镜的数量和投影透镜系统的长度，降低投影透镜系统的重量、体积和成本，同时兼顾成像质量，校正投影透镜系统的像散和畸变，减小像差。

Description

一种投影透镜系统及投影模组

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，特别涉及一种投影透镜系统及投影模组。

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，光学透镜往往既要体积小，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投影透镜系统、衍射光学元件(DOE，Diffractive Optical Elements)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投影透镜系统的影响，另外投影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。

已有技术中，投影模组中的投影透镜系统往往需要设置玻璃材质的镜片以提升透镜系统的成像质量，由此带来的是成本的增加，不利于量产及普及。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的投影透镜系统成本较高的技术问题提供一种投影透镜系统，用于将光源发出的光束投射至投影侧，包括由投影侧至光源依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜具有正折射力，所述第一透镜朝向所述投影侧的表面为凸面，所述第一透镜朝向所述光源的表面为凹面；第二透镜具有负折射力，所述第二透镜朝向所述投影侧的表面为凹面，所述第二透镜朝向所述光源的表面为凹面；第三透镜具有正折射力，所述第三透镜朝向所述投影侧的表面为凹面，所述第三透镜朝向所述光源的表面为凸面；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑胶透镜。

在一实施例中，所述投影透镜系统还包括：

孔径光阑，设于所述第一透镜朝向所述投影侧的一侧。

在一实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜满足如下条件：

0.25<f1/f<0.5；

-0.2<f2/f<-0.08；

0.25<f3/f<0.5；

其中，f表示所述投影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。

在一实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的表面参数如下：

表面	结构	曲率	厚度
				S1	第一透镜	1.17	0.66
S2	第一透镜	0.18	0.62
				S3	第二透镜	-1.05	0.23
S4	第二透镜	1.65	0.53
				S5	第三透镜	-0.57	0.64
S6	第三透镜	-1.49	0.49

其中，S1为所述第一透镜朝向所述投影侧的表面，S2为所述第一透镜朝向所述光源的表面，S3为所述第二透镜朝向所述投影侧的表面，S4为所述第二透镜朝向所述光源的表面，S5为所述第三透镜朝向所述投影侧的表面，S6 为所述第三透镜朝向所述光源的表面。

在一实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为非球面透镜。

在一实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的表面满足如下公式：

其中，Z表示透镜表面各点的Z坐标值，Z方向为光轴方向；Y表示透镜表面上各点的Y坐标值，Y方向与光轴方向正交；R表示透镜表面曲率半径；K 为圆锥系数。

其中，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆表示高阶非球面系数。

在一实施例中，所述投影透镜系统的有效焦距为4.5mm，光圈为2.87，光学总长为3.16mm。

本发明还提供一种投影模组，包括上述各实施例所说的投影透镜系统。

在一实施例中，所述投影模组为结构光投影模组，包括：

光源，包括布置成二维阵列的多个子光源，用于发射与所述二维阵列对应的二维图案化光束；所述二维图案化光束由所述投影透镜系统接收并汇聚；

衍射光学元件，接收经所述投影透镜系统汇聚后出射的所述二维图案化光束，并投射出斑点图案化光束。

在一实施例中，所述光源包括垂直腔面发射激光器VCSEL阵列光源。

本实用新型提供的投影透镜系统相对于现有技术的有益效果在于，兼顾成像质量的同时降低了生产成本，具体为：

(1)通过第一透镜、第二透镜和第三透镜的表面设置，可以降低畸变和像散，从而良好地校正像差。

(2)第一透镜、第二透镜第三透镜均采用塑胶透镜，由于塑胶透镜可以做到更小、更轻，可以有效减小投影透镜系统的体积和重量，进一步应用于投影模组中，可显著降低投影模组的体积和重量。

(3)第一透镜、第二透镜第三透镜均采用塑胶透镜，塑胶透镜相对于玻璃透镜的成本更低，可以进一步降低投影透镜系统的成本以及所应用的投影模组的成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的投影透镜系统的一种结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的投影透镜系统的另一结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的投影透镜系统的各视场的MTF曲线图。

图中标记的含义为：

10-第一透镜，20-第二透镜，30-第三透镜，40-光源，60-孔径光阑，S1-第一表面，S2-第二表面，S3-第三表面，S4-第四表面，S5-第五表面，S6-第六表面。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本实用新型所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参阅图1和图2，本实用新型提供一种投影透镜系统，包括从投影侧至光源40方向依次设置的第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30。图1中光源 40位于最右端，投影侧位于最左端，第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30 依次靠近光源40设置，来自光源40的光线经第三透镜30、第二透镜20和第一透镜10的准直或会聚后向投影侧出射。

第一透镜10为塑胶非球面透镜，具有正折射力，定义第一透镜10朝向投影侧的表面为第一表面S1，该第一表面S1为凸面，第一透镜10朝向光源40 的表面为第二表面S2，第二表面S2为凹面，从而第一透镜10为新月形透镜，有利于校正本实用新型的投影透镜系统的像散。

第二透镜20为塑胶非球面透镜，具有负折射力，第二透镜20朝向投影侧的表面为第三表面S3，第三表面S3为凹面，第二透镜20朝向光源40的表面为第四表面S4，第四表面S4为凹面，从而第二透镜20为双凹透镜。

第三透镜30为塑胶非球面透镜，具有正折射力，第三透镜30朝向投影侧的表面为第五表面S5，第五表面S5为凹面，第三透镜30朝向光源40的表面为第六表面S6，第六表面S6为凸面，从而第一透镜10为新月形透镜，有利于进一步校正本实用新型的投影透镜系统的像散。

本实施例提供的投影透镜系统的有益效果在于兼顾成像质量的同时降低了生产成本，具体为：

(1)通过第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30的表面设置，可以降低畸变和像散，从而良好地校正像差。

(2)第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为塑胶透镜，由于塑胶透镜可以做到更小、更轻，可以有效减小投影透镜系统的体积和重量，进一步应用于投影模组中，可显著降低投影模组的体积和重量。

(3)第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为塑胶透镜，塑胶透镜相对于玻璃透镜的成本更低，可以进一步降低投影透镜系统的成本以及所应用的投影模组的成本。

请参阅图2，进一步地，本实用新型的投影透镜系统还包括孔径光阑60，孔径光阑60设于第一透镜10的第一表面S1的光束出射一侧，即第一透镜10 朝向投影侧，不仅有利于增大视场角，而且可以限制光线中偏离理想位置的光线，降低彗差，从而改善投影透镜系统的成像质量。

应当理解的是，上述孔径光阑60的大小可以根据需要进行设置，以最优化视场角的设置，本实用新型对此不做限制。

为了达到良好的像差矫正以及投影侧的像面照度，保证投影透镜系统的结构紧凑的同时获得良好的投射画质，第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30 需满足如下条件：

0.25<f1/f<0.5；

-0.2<f2/f<-0.08；

0.25<f3/f<0.5；

其中，f表示投影透镜系统的有效焦距；f1表示第一透镜10的有效焦距； f2表示第二透镜20的有效焦距；f3表示第三透镜30的有效焦距。

投影透镜系统的各个表面的具体参数可参考如下：

表面	结构	曲率	厚度	焦距
						投影侧	0	∞
	孔径光阑	0	-0.43
					S1	第一透镜	1.17	0.66	3.200
S2	第一透镜	0.18	0.62
					S3	第二透镜	-1.05	0.23	124.000
S4	第二透镜	1.65	0.53
					S5	第三透镜	-0.57	0.64	2.900
S6	第三透镜	-1.49	0.49
						光源	0	0

本实用新型中，第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30的表面都由非球面构成，非球面的设置有利于获得更多的控制变量，以消减像差(包括畸变和像散等)，从而减少透镜的数目以及降低投影透镜系统的总长度，并且，非球面的制作难度和成本可以更低。

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(I)表示：

高阶非球面系数如下表所示。

在一具体实施例中，该投影透镜系统的有效焦距EFL＝4.5mm，光圈 FNO＝2.87，光学总长TTL＝3.16mm。

在一个具体实施例中，本实施例的投影透镜系统的调制解调函数 (ModulationTransfer Function，MTF)如图3所示。由图可知，该投影透镜系统具有良好的分辨率。

本实用新型还提供一种投影模组，包括上述的投影透镜系统。该投影模组可以是任何包含上述投影透镜系统的装置。

例如，在一实施例中，投影模组可以用于投影仪等投影装置。

在一实施例中，投影模组为结构光投影模组，包括：光源40、上述所说的投影透镜系统以及衍射光学元件。光源包括布置成二维阵列的多个子光源，如为垂直腔面发射激光器VCSEL阵列光源，用于发射与所述二维阵列对应的二维图案化光束；二维图案化光束经投影透镜系统接收并汇聚，衍射光学元件接收经投影透镜系统汇聚后出射的二维图案化光束，并投射出斑点图案化光束。

本实用新型提供的投影模组的有益效果在于，兼顾成像质量的同时降低了生产成本，具体为：

(1)投影模组的投影透镜系统中第一透镜10的折射力为正，第一透镜10朝向投影侧的一侧表面为凸面，第一透镜10朝向光源40的一侧表面为凹面，第二透镜20的折射力为负，且第二透镜20为双凹透镜，第三透镜30的折射力为正，且第三透镜30朝向投影侧的表面为凹面，第三透镜30朝向光源40的一侧表面为凸面，该设置可以降低畸变和像散，从而良好地矫正像差。

(2)第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为塑胶透镜，由于塑胶透镜可以做到更小、更轻，可以有效减小投影透镜系统的体积和重量，进一步应用于投影模组中，可显著降低投影模组的重量和体积。

(3)第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为塑胶透镜，塑胶透镜相对于玻璃透镜的成本更低，可以进一步降低投影模组的成本。

(4)通过设置孔径光阑60，可以限制光线中偏离理想位置的光线，遮挡多余的光线而降低彗差，从而改善投影模组的投影质量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投影透镜系统，用于将光源发出的光束投射至投影侧，其特征在于，包括由投影侧至光源依次设置的：

第一透镜，具有正折射力，所述第一透镜朝向所述投影侧的表面为凸面，所述第一透镜朝向所述光源的表面为凹面；

第二透镜，具有负折射力，所述第二透镜朝向所述投影侧的表面为凹面，所述第二透镜朝向所述光源的表面为凹面；

第三透镜，具有正折射力，所述第三透镜朝向所述投影侧的表面为凹面，所述第三透镜朝向所述光源的表面为凸面；

所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑胶透镜。

2.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，所述投影透镜系统还包括：

孔径光阑，设于所述第一透镜朝向所述投影侧的一侧。

3.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜满足如下条件：

0.25<f1/f<0.5；

-0.2<f2/f<-0.08；

0.25<f3/f<0.5；

其中，f表示所述投影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。

4.如权利要求1至3中任一项所述的投影透镜系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的表面参数如下：

其中，S1为所述第一透镜朝向所述投影侧的表面，S2为所述第一透镜朝向所述光源的表面，S3为所述第二透镜朝向所述投影侧的表面，S4为所述第二透镜朝向所述光源的表面，S5为所述第三透镜朝向所述投影侧的表面，S6为所述第三透镜朝向所述光源的表面。

5.如权利要求4所述的投影透镜系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为非球面透镜。

6.如权利要求5所述的投影透镜系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的表面满足如下公式：

其中，Z表示透镜表面各点的Z坐标值，Z方向为光轴方向；Y表示透镜表面上各点的Y坐标值，Y方向与光轴方向正交；R表示透镜表面曲率半径；K为圆锥系数；

其中，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆表示高阶非球面系数。

7.如权利要求1所述的投影透镜系统，其特征在于，所述投影透镜系统的有效焦距为4.5mm，光圈为2.87，光学总长为3.16mm。

8.一种投影模组，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的投影透镜系统。

9.如权利要求8所述的投影模组，其特征在于，所述投影模组为结构光投影模组，还包括：

光源，包括布置成二维阵列的多个子光源，用于发射与所述二维阵列对应的二维图案化光束；所述二维图案化光束由所述投影透镜系统接收并汇聚；

衍射光学元件，接收经所述投影透镜系统汇聚后出射的所述二维图案化光束，并投射出斑点图案化光束。

10.如权利要求9所述的投影模组，其特征在于，所述光源包括垂直腔面发射激光器VCSEL阵列光源。