CN214122555U - 一种透镜系统、投影模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种透镜系统、投影模组及深度相机，包括沿光线出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜的物侧面在光轴处为凸面，像侧面在光轴处为凹面；所述第二透镜的物侧面和像侧面在光轴处均为凹面；所述第三透镜的物侧面在光轴处为凹面，像侧面在光轴处为凸面；所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。本实用新型仅使用第一透镜、第二透镜和第三透镜三片玻塑混合透镜进行设计，实现性能好、厚度薄、温漂小、结构简单、制造成本低的准直投射方案，提升了透镜系统的抗温度变化能力。

Description

一种透镜系统、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，具体涉及一种透镜系统、投影模组及深度相机。

背景技术

近年来，随着新零售刷脸支付、手机面部解锁(Face ID)等刷脸认证的兴起，消费级3D成像电子设备，如：结构光、TOF深度相机得到极大发展，随之而来的是光学透镜越来越广泛地被应用，其不仅被应用于红外接收成像系统，还应用于主动式光源激光点阵投射器的准直系统。

现有技术中，为降低成本，投影模组准直镜大部分采用全塑料透镜系统，然而，全塑料透镜系统的温度适应范围仅为10℃～40℃，存在温漂过大，性能和焦距参数发生变化明显的问题，容易导致散斑图案模糊，影响算法和深度信息的精度，最终造成整机性能受到温度变化的影响较大。另外的方案是采用玻塑混合镜片，然而因手机类消费电子产品应用要求体积小、厚度薄、以及性能好，玻塑混合镜片方案往往需要采用四片或甚至超过四片以上的透镜组合才能设计出符合性能要求的透镜系统，其开发成本较高，且开发周期长。因此，如何设计低温漂、低成本、小体积、高性能、同时兼备结构简单，容易制造的准直投射镜头，以便为算法提供性能稳定的高质量、高精度散斑图案，成为亟需解决的问题。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种透镜系统、投影模组及深度相机，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。

本实用新型为达上述目的提出以下技术方案：

一种透镜系统，包括沿光线出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜的物侧面在光轴处为凸面，像侧面在光轴处为凹面；所述第二透镜的物侧面和像侧面在光轴处均为凹面；所述第三透镜的物侧面在光轴处为凹面，像侧面在光轴处为凸面；所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。

在一些实施例中，所述第一透镜为厚弯月型正透镜，所述第一透镜的物侧面和像侧面均为非球面。

在一些实施例中，所述第二透镜为双面凹型负透镜，其两个凹面均为非球面且被设置成相互呈背向。

在一些实施例中，所述第三透镜为薄弯月型正透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为非球面。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜满足：

0.15<r1/r2<0.25；

-1.5<r3/r4<-1.0；

-4.5<r5/r6<-3.0；

其中，r1为所述第一透镜的物侧面的曲率半径，r2为所述第一透镜的像侧面的曲率半径；r3为所述第二透镜的物侧面的曲率半径，r4为所述第二透镜的像侧面的曲率半径；r5为所述第三透镜的物侧面的曲率半径，r6为所述第三透镜的像侧面的曲率半径。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜满足：

0.25<f1/f<0.5；

-0.35<f2/f<-0.15；

0.25<f3/f<0.5；

0.7<f1/f3<1.0；

2<f12<3；

5.5<f23<6.5；

其中，f为所述透镜系统的有效焦距；f1为所述第一透镜的有效焦距；f2为所述第二透镜的有效焦距；f3为所述第三透镜的有效焦距；f12为所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距；f23为所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距。

在一些实施例中，还包括有孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第三透镜像侧面与衍射光学器件之间。

在一些实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜为塑料透镜，所述第三透镜为玻璃透镜。

本实用新型另一实施例技术方案为：

一种投影模组，包括光源、发射光学元件以及驱动器；其中，所述光源用于在所述驱动器的控制下向外发射光束；所述发射光学元件用于接收所述光源发射的所述光束并整形后投射至目标区域，其包括有衍射光学器件以及前述任一实施例技术方案所述的透镜系统。

本实用新型又一实施例技术方案为：

一种深度相机，其特征在于：包括前述实施例技术方案所述的投影模组、成像模组、处理器以及支架；其中，所述投影模组、所述成像模组以预设的基线距离安装在所述支架上。

本实用新型技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本实用新型透镜系统、投影模组及深度相机仅使用第一透镜、第二透镜和第三透镜三片玻塑混合透镜进行设计，实现性能好、厚度薄、温漂小、结构简单、制造成本低的准直投射方案，提升了系统的抗温度变化能力。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例的深度相机的原理框图；

图2是本实用新型另一实施例透镜系统的结构示意图；

图3是本实用新型另一实施例透镜系统的光路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”和“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。

本实用新型提供一种透镜系统、投影模组以及深度相机，为便于理解，以下先对深度相机、投影模组进行描述，最后再进一步对透镜系统进行说明。

参照图1所示，图1为本实用新型实施例深度相机的示意图，深度相机100包括投影模组10、成像模组20以及处理器30；投影模组10、成像模组20以预设的基线距离安装在支架上；其中，投影模组10包括由一个或多个激光器组成的光源101，以用于向目标空间中投射经编码的散斑图案，经目标空间中的目标物体40反射回成像模组20；成像模组20包括有图像传感器201，以用于采集反射回的散斑图案中的光子并输出光子信号；处理器30与投影模组10、成像模组20连接，用于同步投影模组10与成像模组20的触发信号以计算光子从发射到反射回被接收所需要的飞行时间，从而得到目标物体的深度信息。

具体的，投影模组10包括光源101、发射光学元件102以及驱动器103等。光源101可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，也可以是由多个光源组成的一维或二维光源阵列。光源111所投射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源101在驱动器103的控制下向外投射光束。在一个实施例中，光源为红外激光光源，如940nm波段，散斑点可以按四边形或六边形图案排布，对应的，成像模组为对应波段的红外相机。

发射光学元件102接收来自光源101发射的光束并整形后投射到目标区域。在一个实施例中，发射光学元件102接收来自光源101的脉冲光束，并将脉冲光束进行编码调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中投射经编码的散斑图案，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。其中，发射光学元件102包括有透镜系统、以及衍射光学器件。

成像模组20包括图像传感器201、过滤单元202和接收光学元件203；其中，接收光学元件203用于接收由目标物体反射回的至少部分散斑图案并将所述至少部分散斑图案引导至图像传感器201上；过滤单元202用于滤除背景光或杂散光。

图1实施例以TOF相机为例进行说明，需要说明的是，本实用新型实施例中的投影模组也可用于结构光方案的深度相机，当应用于结构光方案时，所述深度相机为结构光相机。

在一些实施例中，为了使得整体的投影装置体积较小，优选垂直腔面激光发射器阵列(VCSEL阵列)作为光源，当投影模组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，通过不规则排列以提高散斑图案的不相关性。其中，VCSEL阵列光源中的每个光源都具有一定的发散角，因此需要用准直或汇聚的透镜系统。

参照图2、图3所示，作为本实用新型一实施例透镜系统200，包括沿光线出射方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3；具体地，参照图3所示，透镜系统200具有物面和像面，在本实用新型实施例中定义光源面S0为物面，而投射面S7(即：衍射光学器件面)为像面，透镜朝向光源201的一面为物侧面，而朝向衍射光学器件202的一面为像侧面；其中，第一透镜L1的物侧面S1在光轴处为凸面，像侧面S2在光轴处为凹面；第二透镜L2的物侧面S3与像侧面S4在光轴处均为凹面；第三透镜L3的物侧面S5在光轴处为凹面，像侧面S6在光轴处为凸面；第一透镜L1和第三透镜L3具有正光焦度，第二透镜L2具有负光焦度。

作为本实用新型一实施例，透镜系统满足如下条件：

0.15<r1/r2<0.25；

-1.5<r3/r4<-1.0；

-4.5<r5/r6<-3.0；

其中，r1为第一透镜L1的物侧面S1的曲率半径，r2为第一透镜L1的像侧面S2的曲率半径；r3为第二透镜L2的物侧面S3的曲率半径，r4为第二透镜L2的像侧面S4的曲率半径；r5为第三透镜L3的物侧面S5的曲率半径，r6为第三透镜L3的像侧面S6的曲率半径。

作为本实用新型一实施例，透镜系统满足如下条件：

0.25<f1/f<0.5；

-0.35<f2/f<-0.15；

0.25<f3/f<0.5；

0.7<f1/f3<1.0；

2<f12<3；

5.5<f23<6.5；

其中，f为透镜系统的有效焦距；f1为第一透镜L1的有效焦距；f2为第二透镜L2的有效焦距；f3为第三透镜L3的有效焦距；f12为第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距；f23为第二透镜L2和第三透镜L3的组合焦距。

作为本实用新型一实施例，透镜系统的各透净材料满足如下条件：

1.60<Nd1，Nd2<1.70；

18<Vd1，Vd2<25；

1.75<Nd3<1.95；

35<Vd3<45；

其中，Nd为透镜材料对于D光的折射率(Nd1、Nd2、Nd3分别为第一、第二、第三透镜的透镜材料对于D光的折射率)。其中，D光可写作D-line，也称D线，波长在587nm，Vd为透镜材料的阿贝数(Vd1、Vd2、Vd3分别为第一、第二、第三透镜的透镜材料的阿贝数)。

在一些实施例中，第一透镜L1为厚弯月型正透镜，第一透镜L1的物侧面S1和像侧面S2均为非球面；第二透镜L2为双面凹型负透镜，其两个凹面均为非球面且被设置成相互呈背向；第三透镜L3为薄弯月型正透镜，第三透镜L3的物侧面S5和像侧面S6均为非球面。

在一些实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2为塑料透镜，其材质为塑料材质，第三透镜L3为玻璃透镜，其材质为模造玻璃材质。具体的，第一透镜L1和第二透镜L2为高折射率、高透过率的光学树脂材质，如此有利于透镜系统的热变形温漂平衡补偿，温度变化可从-40℃～85℃。

在一些实施例中，透镜系统200还包括有孔径光阑203，其中，孔径光阑203可以根据需要设置，在本实用新型实施例中，孔径光阑203设置在第三透镜L3像侧面S6与衍射光学器件202之间。需要说明的是，在其他实施例中，孔径光阑203也可以设置在其他位置，在本实用新型实施例中不作特别限定。

如下表1为一种示例性的透镜系统表面系数：

表1透镜系统表面系数

表面

元件

曲率半径(R)

厚度/距离(T)

折射率(Nd)

阿贝数(Vd)

圆锥系数(K)

焦距

S0

VCSEL

Infinity

4.99E-001

S1

L1

7.833E-001

5.325E-001

1.642

22.4

-2.205E-001

1.5

S2

3.708E+000

7.018E-001

0.000E+000

S3

L2

-1.124E+000

2.371E-001

1.642

22.4

-8.636E+001

-0.79

S4

9.397E-001

1.024E+000

0.000E+000

S5

L3

-4.175E+000

4.062E-001

1.806

40.7

0.000E+000

1.92

S6

-1.156E+000

-2.94E-001

-3.076E-001

Stop

光阑

Infinity

4.00E-001

S7

DOE

Infinitv

3.996E+002

上述各透镜的非球面曲线方程式表示如下：

其中，z为光轴方向；R为透镜表面靠近光轴的曲率半径；Y为表面与光轴正交的高度，k为圆锥系数(conic constant)；A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为高阶非球面系数。

如下表2为一种示例性的透镜系统非球面系数设计：

表2非球面系数

表面

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

S1

-3.1467E-001

1.3695E+000

-4.2322E+000

7.8255E+000

-1.3443E+001

0

0

S2

-4.5423E-001

4.2944E+000

-2.4583E+001

7.7947E+001

-1.4790E+002

0

0

S3

-8.3551E+000

8.2672E+001

-6.7239E+002

2.4356E+003

-6.2894E+002

0

0

S4

-1.5649E+000

5.8370E+000

4.4382E+001

-3.6496E+002

3.3882E+002

0

0

S5

-1.5923E-002

9.7446E-002

-1.4165E-001

-1.7514E-001

1.0746E+000

0

0

S6

-6.8951E-003

-1.1793E-002

7.9989E-002

-1.4208E-001

-9.0372E-002

0

0

在上述的参数设计示例中，透镜系统的最大视场角FOV为22°，焦距EFL＝4.5mm，光圈FNO＝2.8，光学总长为TTL＝3.4mm，最大半物高为0.6毫米，畸变小于1.0％，最大远心角小于0.5度，实现了透镜系统低温漂、低成本、小体积、高性能、同时兼备结构简单的特点。

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、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明创作的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种透镜系统，其特征在于：包括沿光线出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜的物侧面在光轴处为凸面，像侧面在光轴处为凹面；所述第二透镜的物侧面和像侧面在光轴处均为凹面；所述第三透镜的物侧面在光轴处为凹面，像侧面在光轴处为凸面；所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。

2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：所述第一透镜为厚弯月型正透镜，所述第一透镜的物侧面和像侧面均为非球面。

3.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：所述第二透镜为双面凹型负透镜，其两个凹面均为非球面且被设置成相互呈背向。

4.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：所述第三透镜为薄弯月型正透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为非球面。

5.如权利要求1-4任一项所述的透镜系统，其特征在于：所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜满足：

0.15<r1/r2<0.25；

-1.5<r3/r4<-1.0；

-4.5<r5/r6<-3.0；

其中，r1为所述第一透镜的物侧面的曲率半径，r2为所述第一透镜的像侧面的曲率半径；r3为所述第二透镜的物侧面的曲率半径，r4为所述第二透镜的像侧面的曲率半径；r5为所述第三透镜的物侧面的曲率半径，r6为所述第三透镜的像侧面的曲率半径。

6.如权利要求1-4任一项所述的透镜系统，其特征在于：所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜满足：

0.25<f1/f<0.5；

-0.35<f2/f<-0.15；

0.25<f3/f<0.5；

0.7<f1/f3<1.0；

2<f12<3；

5.5<f23<6.5；

其中，f为所述透镜系统的有效焦距；f1为所述第一透镜的有效焦距；f2为所述第二透镜的有效焦距；f3为所述第三透镜的有效焦距；f12为所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距；f23为所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距。

7.如权利要求1-4任一项所述的透镜系统，其特征在于：还包括有孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第三透镜像侧面与衍射光学器件之间。

8.如权利要求1-4任一项所述的透镜系统，其特征在于：所述第一透镜和所述第二透镜为塑料透镜，所述第三透镜为玻璃透镜。

9.一种投影模组，其特征在于：包括光源、发射光学元件以及驱动器；其中，所述光源用于在所述驱动器的控制下向外发射光束；所述发射光学元件用于接收所述光源发射的所述光束并整形后投射至目标区域，其包括有衍射光学器件以及权利要求1-4任一项所述的透镜系统。

10.一种深度相机，其特征在于：包括权利要求9所述的投影模组、成像模组、处理器以及支架；其中，所述投影模组、所述成像模组以预设的基线距离安装在所述支架上。

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