CN213987007U - 带有远心镜头的光投射器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种带有远心镜头的光投射器，包括沿光路顺次设置的光源模组和远心镜头；远心镜头包括第一透镜组件和第二透镜组件；光源模组，用于发射多束离散准直光束；第一透镜组件包括第一透镜；第一透镜的像侧面布置有第二透镜组件；所述第一透镜组件，用于接收离散准直光束，对离散准直光束进行会聚，以使离散准直光束会聚于第二透镜组件的光阑位置；所述第二透镜组件，用于接收所述离散准直光束，且能够通过沿光轴方向移动以改变对焦平面，实现投射的离散准直光束由点光阵到面光阵之间的切换。本实用新型能够通过单一光源实现两个光的投射，能够有效降低3D摄像头成本，便于实现3D摄像头的小型化。

Description

带有远心镜头的光投射器
技术领域
本实用新型涉及3D深度视觉，具体地，涉及一种带有远心镜头的光投射器。
背景技术
3D深度视觉作为一个崭新的技术，已经出现在手机、体感游戏、支付等消费级产品中，并且逐步渗透到安防、自动驾驶等新的领域。随着硬件端技术的不断进步，算法与软件层面的不断优化，3D深度视觉的精度和实用性得到大幅提升。
3D深度感知目前主要使用的方案有双目立体视觉，3D结构光和TOF方案。其中，双目立体视觉一般采用双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。3D结构光的原理是发射衍射光斑到物体上，传感器接收发生形变的光斑，从而根据光斑形变的量来判断深度信息。3D结构光具有较高的精度，适用于近距离的信息采集，如人脸识别、人脸支付等功能。TOF方案则是通过向被测目标连续发送光信号，然后传感器接收返回的光信号，再通过计算一系列光信号的飞行时间来得到被测目标的距离。
此外，现有技术中3D结构光和TOF方案中的发射端仅能够投射结构光或泛光，需要装配泛光光源和结构光光源，不仅增加了整个3D摄像头的成本以及功耗，不利于3D摄像头的小型化。
因此，如何降低3D摄像头的成本并实现小型化，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种带有远心镜头的光投射器。
根据本实用新型提供的带有远心镜头的光投射器，包括沿光路顺次设置的光源模组和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件和第二透镜组件；
所述光源模组，用于发射多束离散准直光束；
所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜组件；
所述第一透镜组件，用于接收离散准直光束，对所述离散准直光束进行会聚，以使所述离散准直光束会聚于第二透镜组件的光阑位置；
所述第二透镜组件，用于接收所述离散准直光束，且能够通过沿光轴方向移动以改变对焦平面，实现投射的离散准直光束由点光阵到面光阵之间的切换。
优选地，所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的像侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的像侧面布置有第四透镜。
优选地，所述第一透镜具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构。
优选地，所述远心镜头的物面不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜的光轴。
优选地，所述第二透镜具有正的光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
所述第三透镜具有正的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
所述第四透镜具有负的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面。
优选地，所述第二透镜与第三透镜之间设置有光阑，使的所述远心镜头满足以下条件式：
63°<FOV<102°
其中，FOV为所述远心镜头的视场角；
0.74<VP<1
其中，VP为所述远心镜头的视点深度；
∣Distortion∣<8％
其中，Distortion为光学系统的光学畸变。
优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜采用非球面塑料镜片；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的折射率nd满足以下公式：
1.62<nd<1.67
其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。
优选地，所述第二透镜组件能够沿光轴方向移动，改变第一透镜组件与第二透镜组件的光学距离来改变所述远心镜头的物方焦距，实现对不同像面位置的对焦。
优选地，所述光源模组、所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的光轴在同一直线上。
优选地，所述光源模组包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；
所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；
所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
本实用新型中通过移动第二透镜组件进行远心镜头对焦平面的调节，使所述光源模组的离散准直光束进行失焦，也就是说，每个点光阵中的每点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成泛光输出，就可以实现点阵光和泛光输出之间的来回切换，从而能够通过单一光源实现两个光的投射，能够有效降低3D摄像头成本，便于实现3D摄像头的小型化；
本实用新型中当光源模组与第一透镜组件的相对位置发生变化时，则可以对应移动第二透镜组件，实现分组调焦，从而便于对应用远心镜头的光投射器进行调焦，从而能够匹配不同的光源模组位置，而无需调整光源模组与第一透镜之间的位置关系。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器的结构示意图；
图2(a)为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器装配于手机中的一侧面位置示意图；
图2(b)为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器装配于手机中的另一侧面位置示意图；
图3为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器装配于手机中的尺寸示意图；
图4为本实用新型实施例中第一透镜组件、第二透镜组件的调焦原理示意图。
图中：
1为光源模组；2为第一透镜；3为第二透镜；4光阑；5为第三透镜；6为第四透镜；7为镜头组件；8为镜头开孔；9为第一透镜组件；10为第二透镜组件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，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实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型实施例中，本实用新型提供的带有远心镜头的光投射器，包括沿光路顺次设置的光源模组和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件和第二透镜组件；
所述光源模组，用于发射多束离散准直光束；
所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜组件；
所述第一透镜组件，用于接收离散准直光束，对所述离散准直光束进行会聚，以使所述离散准直光束会聚于第二透镜组件的光阑位置；
所述第二透镜组件，用于接收反射后的所述离散准直光束，且能够通过沿光轴方向移动以改变对焦平面，实现投射的离散准直光束由点光阵到面光阵之间的切换。
本实用新型实施例中通过移动第二透镜组件进行远心镜头对焦平面的调节，使所述光源模组的离散准直光束进行失焦，也就是说，每个点光阵中的每点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成泛光输出，就可以实现点阵光和泛光输出之间的来回切换，从而能够通过单一光源实现两个光的投射，能够有效降低3D摄像头成本，便于实现3D摄像头的小型化。
以上是本实用新型的核心思想，为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器的一种结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的带有远心镜头的光投射器，包括沿光路顺次设置的远心镜头，所述远心镜头包括第一透镜组件9和第二透镜组件10；
所述光源模组，用于发射多束离散准直光束；
所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜组件；
所述第一透镜组件，用于接收离散准直光束，对所述离散准直光束进行会聚，以使所述离散准直光束会聚于第二透镜组件的光阑位置；
所述第二透镜组件，用于接收反射后的所述离散准直光束，且能够通过沿光轴方向移动以改变对焦平面，实现投射的离散准直光束由点光阵到面光阵之间的切换。
所述第一透镜组件9包括第一透镜2；所述第二透镜组件10包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜5以及第四透镜6；
所述第一透镜2的像侧面布置有所述第二透镜3，所述第二透镜3的像侧面布置有所述第三透镜5，所述第三透镜5的像侧面布置有第四透镜6；
所述带有远心镜头的光投射器的光路组成包括：光源模组1、第一透镜2、第二透镜3、光阑4、第三透镜5、第四透镜6；
所述光源模组1，用于提供投射图案，所述光源模组1可以为任意的光投射器，如结构光投射器、激光器以投射图案。
在本实用新型实施例中，第一透镜2，用于将来自光源模组1的远心光束会聚，其焦平面在光阑4处；
所述第二透镜3采用弯月凸透镜，用于将远心光束会聚到光阑4处；
所述光阑4，为一虚拟平面，所述远心光束在光阑4处收至最窄；
所述第三透镜5采用弯月凸透镜，用于将通过所述光阑4入射的远心光束发散投射；
所述第四透镜6采用弯月凹透镜，用于将通过所述第三透镜5入射的远心光束进一步发散投射出；
在本实用新型实施例中，所述第一透镜2具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构，所述远心镜头的物面不同像高处的主光线，均平行于所述第一透镜2的光轴。
所述第二透镜3具有正的光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
所述第三透镜5具有正的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
所述第四透镜6具有负的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面。
在本实用新型实施例中，所述第二透镜3与第三透镜5之间设置有光阑4，使的所述远心镜头满足以下条件式：
63°<FOV<102°
其中，FOV为所述远心镜头的视场角；FOV用于限制镜头视场角的范围，实现大角度投射。
0.74<VP<1
其中，VP为所述远心镜头的视点深度；VP用于约束镜头的视点深度，减小镜头的开孔大小，同时减小渐晕，有利于提高像面的照度均匀性。
∣Distortion∣<8％
其中，Distortion为光学系统的光学畸变。Distortion用于约束广角镜头的畸变，对于广角镜头，畸变越小成图像轮廓越真实。
在本实用新型一实施例中，所述远心镜头的物面不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜2的光轴。
在本实用新型一实施例中，所述光源模组1包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；
所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；
所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。
由于所述分束投射器的内表面加工了微纳结构的光芯片并配合光学透镜组成。所述分束投射器能够实现将来自于边发射激光器的入射光分成任意多束准直光束的功能。所述边发射激光器201的发射方向和所述分束投射器的投射方向即可以相同，也可以成90 度或者为光学系统设计所需的任意角度。所述分束投射器可以采用衍射芯片。
在本实用新型一实施例中，所述光源模组1包括设置在一光路上的激光器阵列、准直镜头和分束器件；
所述激光器阵列，用于向所述准直镜头投射第一数量级的激光；
所述准直镜头，用于将入射的所述多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；
所述分束器件，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；
所述第二数量级大于所述第一数量级。
在本实用新型一实施例中，所述第二数量级是所述第一数量级的一至两倍。
在本实用新型实施例中，所述激光器阵列可以采用多个垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)或者多个边发光激光器(EdgeEmitting Laser，EEL)组成。多束激光经过准直镜头后可以成为高度平行的准直光束。根据实际应用中可以根据离散光束数量的需求，可以采用分束器件实现更多的准直光束。所述分束器件可以采用衍射光栅(DOE)、空间光调制器(SLM)等。
在本实用新型一实施例中，所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述第三透镜5、所述第四透镜6为非球面塑料镜片。所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述第三透镜5、所述第四透镜6的镜片折射率nd满足以下公式：
1.62<nd<1.67
其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。
所述的光源模组1的中心与第一透镜2的光轴在同一直线上；
所述的第二透镜3、第三透镜5、第四透镜6的光轴在同一直线上；
所述的第一透镜2的光轴与所述第二透镜3、第三透镜5、第四透镜6的光轴垂直。
图2(a)为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器装配于手机中的一侧面位置示意图,图2(b)为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器装配于手机中的一侧面位置示意图，如图2(a)和图2(b)中，在手机等紧凑型设备中，对所述远心镜头的高度及开孔尺寸均具有限制要求，因此，所述远心镜头的开孔尺寸越小越好，所述远心镜头的高度需要小于手机的厚度。
图3为本实用新型实施例中带有远心镜头的光投射器装配于手机中的尺寸示意图，如图3所示，光源模组1、第一透镜2、第二透镜3、光阑4、第三透镜5、第四透镜6光轴都在同一直线上，本实用新型实施例带有远心镜头的光投射器具有较低的光学高度、较短的长度以及较小的开孔口径，能够在紧凑型设备中具有更好的兼容性。
图4为本实用新型实施例中第一透镜组件、第二透镜组件的调焦原理示意图，如图4所示，所述第二透镜组件11能够沿光轴方向移动，从而能够进行焦距调整；
如当光源模组1位于虚线处时，第一透镜组件10与光源模组1之间发生相对位移失去对焦，即产生如图4中示出的水平方向位移，则可通过图4中示出的竖直方向移动调整第二透镜组件11的位置来补偿，进行重新对焦。
具体的调焦方向为，当光源模组1相对于第一透镜组件10的距离减小时，则将第二透镜组件11向相对于第一透镜组件10靠近的方向移动；当光源模组1相对于第一透镜组件10距离增大时，则将第二透镜组件11向相对于第一透镜组件10远离的方向移动。
在本实用新型实施例中，光源模组1、第一透镜2、反射镜器件3、第二透镜3、光阑4、第三透镜5、第四透镜6的表面类型、曲率半径、厚度以及材料的折射率nd、色散系数vd，如表1所示。
表1
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 材料(nd,vd)
1 非球面 3.260 0.289 1.65,25.48
2 非球面 0.661 0.537
3 非球面 0.866 0.377 1.64,27.56
4 非球面 0.780 0.135
光阑 平面 无限大 0.119
6 非球面 -9.956 0.604 1.65,25.48
7 非球面 -0.800 2.100
8 非球面 2.954 0.447 1.62,33.24
9 非球面 -3.102 0.260
物面 平面 无限大
在表1中，表面序号1为第四透镜6的出光面，表面序号2为第四透镜6的入光面；表面序号3为第三透镜5的出光面，表面序号3为第第三透镜5的入光面；表面序号5 为第二透镜3的出光面，表面序号6为第二透镜3的入光面；表面序号7为第一透镜2 的出光面，表面序号9为第一透镜2的入光面。
本实用新型实施例中通过移动第二透镜组件进行远心镜头对焦平面的调节，使所述光源模组的离散准直光束进行失焦，也就是说，每个点光阵中的每点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成泛光输出，就可以实现点阵光和泛光输出之间的来回切换，从而能够通过单一光源实现两个光的投射，能够有效降低3D摄像头成本，便于实现3D摄像头的小型化；本实用新型实施例中当光源模组与第一透镜组件的相对位置发生变化时，则可以对应移动第二透镜组件，实现分组调焦，从而便于对应用远心镜头的光投射器进行调焦，从而能够匹配不同的光源模组位置，而无需调整光源模组与第一透镜之间的位置关系。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种带有远心镜头的光投射器，其特征在于，包括沿光路顺次设置的光源模组和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件和第二透镜组件；
所述光源模组，用于发射多束离散准直光束；
所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜组件；
所述第一透镜组件，用于接收离散准直光束，对所述离散准直光束进行会聚，以使所述离散准直光束会聚于第二透镜组件的光阑位置；
所述第二透镜组件，用于接收所述离散准直光束，且能够通过沿光轴方向移动以改变对焦平面，实现投射的离散准直光束由点光阵到面光阵之间的切换。
2.根据权利要求1所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的像侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的像侧面布置有第四透镜。
3.根据权利要求2所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述第一透镜具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构。
4.根据权利要求1所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述远心镜头的物面不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜的光轴。
5.根据权利要求2所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述第二透镜具有正的光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
所述第三透镜具有正的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
所述第四透镜具有负的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面。
6.根据权利要求2所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述第二透镜与第三透镜之间设置有光阑，使的所述远心镜头满足以下条件式：
63°<FOV<102°
其中，FOV为所述远心镜头的视场角；
0.74<VP<1
其中，VP为所述远心镜头的视点深度；
∣Distortion∣<8％
其中，Distortion为光学系统的光学畸变。
7.根据权利要求2所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜采用非球面塑料镜片；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的折射率nd满足以下公式：
1.62<nd<1.67
其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。
8.根据权利要求1所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述第二透镜组件能够沿光轴方向移动，改变第一透镜组件与第二透镜组件的光学距离来改变所述远心镜头的物方焦距，实现对不同像面位置的对焦。
9.根据权利要求2所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述光源模组、所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的光轴在同一直线上。
10.根据权利要求1所述的带有远心镜头的光投射器，其特征在于，所述光源模组包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；
所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；
所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。
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