CN215121040U

CN215121040U - 一种高性能透镜系统、成像模组及深度相机

Info

Publication number: CN215121040U
Application number: CN202121036441.9U
Authority: CN
Inventors: 黄杰凡
Original assignee: Orbbec Inc
Current assignee: Orbbec Inc
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-14

Abstract

本实用新型公开一种高性能透镜系统、成像模组及深度相机，包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜和第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面，第一透镜和第四透镜的物侧面与像侧面至少有一面为非球面；第二透镜和第三透镜的物侧面在近光轴处为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；第一透镜和第三透镜具有正光焦度，第二透镜和第四透镜具有负光焦度。本实用新型高性能透镜系统、成像模组及深度相机具有低畸变、低温漂、以及大光圈与高相对照度的特点，在保证结构紧凑的同时可获得好的成像质量。

Description

一种高性能透镜系统、成像模组及深度相机

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，具体涉及一种高性能透镜系统、成像模组及深度相机。

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，特别是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：结构光相机、TOF相机等深度相机的发展，光学透镜越来越广泛地被应用。

深度相机一般是通过光源发出的光经投射模组向外投射出散斑图案，成像模组接收散斑图案随后被用来生成深度图像。其中，成像模组的透镜系统性能好坏将严重影响到成像的质量。

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，提出一种高性能透镜系统、成像模组及深度相机，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：

一种高性能透镜系统，包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，所述第一透镜和所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面，所述第一透镜和所述第四透镜的物侧面与像侧面至少有一面为非球面；所述第二透镜和所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜和所述第四透镜具有负光焦度。

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、以及所述第四透镜构成的透镜组的光圈值Fno满足：Fno<2.0。

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、以及所述第四透镜满足：

-0.16<f1/f2<-0.2；

0.4<f2/f3<0.6；

-04<f3/f4<-5；

0.6<f123/f4<0.8；

0.1<f1/f234<0.3；

1.52<Nd<1.85；

0.6<f/TL<0.9；

其中，f为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；f123为所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜的组合焦距；f234为所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的组合焦距；Nd为透镜材料相对于D光的折射率，TL为光轴上所述第一透镜的物侧面至像侧面的距离。

在一些实施例中，所述第一透镜为玻璃透镜，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜为塑料透镜。

在一些实施例中，还包括有孔径光阑，所述孔径光阑设置在透镜系统的物方表面与所述第一透镜的物侧面之间。

本实用新型实施例另一技术方案为：

一种成像模组，包括图像传感器、过滤单元以及接收光学元件；其中，所述接收光学元件包括前述任一实施例技术方案所述的高性能透镜系统，以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所述图像传感器上。

在一些实施例中，所述过滤单元为滤光片，以用于滤除背景光或杂散光。

本实用新型实施例另一技术方案为：

一种深度相机，包括前述任一实施例技术方案所述的成像模组、投影模组、支架以及处理器；其中，所述投影模组和所述成像模组以预设的基线距离安装在所述支架上。

在一些实施例中，所述投影模组包括由一个或多个激光器组成的投射光源，以用于向目标空间投射经编码的散斑图案。

在一些实施例中，所述投射光源为VCSEL光源。

本实用新型技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本实用新型高性能透镜系统、成像模组及深度相机具有低畸变、低温漂、以及大光圈和高相对照度的特点，在保证结构紧凑的同时可获得好的成像质量。

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深度相机的原理框图；

图2是本实用新型另一实施例高性能透镜系统的结构示意图；

图3是本实用新型另一实施例高性能透镜系统的光路结构示意图；

图4是图3实施例高性能透镜系统的畸变曲线示意图；

图5是图3实施例高性能透镜系统的相对照度曲线示意图；

图6A是图3实施例高性能透镜系统在温度为25℃时的MIT曲线图；

图6B是图3实施例高性能透镜系统在温度为60℃时的MIT曲线图；

图7是图3实施例高性能透镜系统在温度从20℃变化到60℃过程中焦距EFL随温度变化的关系图示。

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高性能透镜系统、成像模组以及深度相机，为便于理解，以下先对深度相机、成像模组进行描述，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100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；其中，投影模组10、成像模组20以预设的基线距离安装在支架(支架也可以是基底、电路基板等，并不限于侠义的支架)上；其中，投影模组10包括由一个或多个激光器组成的投射光源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，并通过处理器30进行处理计算以得到目标的深度信息。

具体的，投影模组10还包括有发射光学元件102以及驱动器(未图示)等。投射光源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。投射光源101所投射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。投射光源101在驱动器的控制下向外投射光束。在一个实施例中，投射光源101为红外激光光源，如940nm波段，散斑图案的散斑点可以按四边形或六边形图案排布；对应的，成像模组20为对应波段的红外相机。

发射光学元件102接收来自投射光源101发射的光束并整形后投射到目标区域。在一个实施例中，投射模组10还包括有衍射光学元件103，发射光学元件102接收来自投射光源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。在一个实施例中，发射光学元件102为透镜或透镜组。

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；在一个实施例中，过滤单元202为滤光片(比如红外滤光片)，接收光学元件203包括有透镜系统。

参照图2、图3所示，作为本实用新型一实施例高性能透镜系统200，包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、以及第四透镜L4；具体地，参照图3所示，透镜系统200具有物方表面和像方表面，在本实用新型实施例中定义光束入射面S0为物方表面，而光束出射面(即：滤光片一面)为像方表面，透镜朝向物方表面的一面为物侧面，而朝向像方表面的一面为像侧面；其中，第一透镜L1和第三透镜L3具有正光焦度，第二透镜L2和第四透镜L4具有负光焦度。第一透镜L1和第四透镜L4的物侧面S3，S9在近光轴处为凸面，像侧面S4，S10在近光轴处为凹面，第一透镜L1和第四透镜L4的物侧面与像侧面至少有一面为非球面；第二透镜L2和第三透镜L3的物侧面S5，S7在近光轴处为凹面，像侧面S6，S8在近光轴处为凸面。

作为本实用新型一实施例，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、以及第四透镜L4构成的透镜组的光圈值Fno满足：Fno<2.0。

作为本实用新型一实施例，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、以及第四透镜L4满足如下条件：

-0.16<f1/f2<-0.2；

0.4<f2/f3<0.6；

-04<f3/f4<-5；

0.6<f123/f4<0.8；

0.1<f1/f234<0.3；

1.52<Nd<1.85；

0.6<f/TL<0.9；

其中，f为系统的有效焦距；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；f123为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3的组合焦距(单位：mm)；f234为第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4的组合焦距(单位：mm)；Nd为透镜材料的在d-line(587nm)的折射率(即相对于D光的折射率)，TL为光轴上第一透镜L1的物侧面至像侧面的距离。

在一些实施例中，第一透镜L1为玻璃透镜，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4均为塑料透镜，通过优化透镜系统参数，可降低透镜组焦距受温度过冷或过热的影响；其中，第一透镜L1为玻璃材质，其可大大降低温度引起有效焦距EFL的变化以及焦点位置的变化，从而提高系统的成像质量。

可以理解的是，塑料材质的透镜便于降低成本，塑料透镜的材质可以为PMMA(化学名：聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃，俗称亚克力)、PC(Polycarbonate，聚碳酸脂)、EP5000等材料。而玻璃材质的透镜具有耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特性，可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，从而延长透镜系统的使用寿命。

在一些实施例中，高性能透镜系统200还包括有孔径光阑204，其中，孔径光阑204可以根据需要设置，在本实用新型实施例中，孔径光阑204设置在高性能透镜系统的物方表面与第一透镜L1的物侧面S3之间。需要说明的是，在其他实施例中，孔径光阑204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、表2将提供本实用新型实施例高性能透镜系统200的一种示例性设计参数，可以理解的是，该示例性设计参数仅用于示意，基于本实用新型原理的其他设计在本领域人员阅读本实用新型实施例之后是显而易见的，因此也属于本实用新型的范围内。

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		曲率半径(R)	圆锥系数(K)	厚度/距离	折射率(Nd)	阿贝数(Vd)
							S0	物面	无穷大	0.000	1000
S1		无穷大	0.000	0.200
							S2	光圈	无穷大	0.000	-0.200
S3	第一透镜	2.700	-5.621	0.750	1.69	53.2
							S4		8.772	-100.000	0.914
S5	第二透镜	-2.761	1.700	0.533	1.6354	23.97
							S6		-3.488	1.550	0.290
S7	第三透镜	-2.280	-15.332	0.685	1.6354	23.97
							S8		-2.725	-15.198	0.365
S9	第四透镜	1.683	-0.980	0.917	1.6354	23.97
							S10		1.743	-0.835	0.847
S11		无穷大	0.000	0.30	1.5168	64.2
							S12	滤光片	无穷大	0.000	1.0
像面		无穷大	0.000	0.000

上述各透镜的非球面曲线方程式表示如下：

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作为参考的位置值；c为透镜表面靠近光轴处的曲率，并为曲率半径(R)的倒数(即：c＝1/R)，R为透镜表面靠近光轴处的曲率半径，h为透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数(conic constant)，而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

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

S10

A4

2.89E-02

8.03E-04

-2.28E-02

1.16E-01

1.29E-01

-3.39E-02

-7.39E-02

-6.57E-02

A6

-9.78E-03

-1.36E-02

-4.25E-02

-1.17E-01

-1.05E-01

1.94E-02

1.32E-02

8.67E-03

A8

4.16E-03

-2.65E-03

2.43E-02

5.17E-02

4.44E-02

-7.80E-03

-2.41E-03

-9.93E-04

A10

-3.26E-03

-2.39E-03

2.53E-03

-1.01E-02

-1.52E-02

5.82E-04

3.26E-04

6.81E-05

A12

-5.72E-04

3.43E-03

1.08E-03

2.80E-03

3.76E-03

1.51E-04

-2.31E-05

-2.21E-06

A14

3.98E-04

-1.19E-03

-1.42E-03

-5.84E-04

-3.92E-04

-1.05E-05

6.46E-07

2.72E-08

在上述的参数设计示例中，透镜系统能够在F/2.0处工作，且能够达到70°视场角，光学畸变为0.6％，使得透镜系统具有大视场角且小的光学畸变。

图4所示为本实用新型实施例高性能透镜系统的畸变曲线，图4中，横坐标表示畸变，纵坐标表示像高，由图4可看出，透镜系统的光学畸变量在-0.4655％-0.6％范围内，畸变低。

图5所示为本实用新型实施例高性能透镜系统的相对照度曲线，相对照度(RI)是指成像面边缘照度和中心照度之比。图5中，坐标中心(0,0)为成像面中心，亮度最亮，相对照度为100％，随着向成像面的边缘移动，边缘的亮度逐渐变暗，直至在距离中心3.4mm处，亮度变为约50％，可见系统成像面具有足够的照度。

图6A、图6B所示分别为本实用新型实施例高性能透镜系统在温度为25℃_，60℃时MIT曲线图，图7所示为本实用新型实施例高性能透镜系统温度从20℃变化到60℃过程中焦距EFL随温度变化的关系图示。从图6A、图6B、图7中可看出，本实用新型实施例高性能透镜系统温漂低。

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

1.一种高性能透镜系统，其特征在于：包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，所述第一透镜和所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面，所述第一透镜和所述第四透镜的物侧面与像侧面至少有一面为非球面；所述第二透镜和所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜和所述第四透镜具有负光焦度。

2.如权利要求1所述的高性能透镜系统，其特征在于：所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、以及所述第四透镜构成的透镜组的光圈值Fno满足：Fno<2.0。

3.如权利要求1所述的高性能透镜系统，其特征在于：所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、以及所述第四透镜满足：

-0.16<f1/f2<-0.2；

0.4<f2/f3<0.6；

-04<f3/f4<-5；

0.6<f123/f4<0.8；

0.1<f1/f234<0.3；

1.52<Nd<1.85；

0.6<f/TL<0.9；

4.如权利要求1所述的高性能透镜系统，其特征在于：所述第一透镜为玻璃透镜，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜为塑料透镜。

5.如权利要求1所述的高性能透镜系统，其特征在于：还包括有孔径光阑，所述孔径光阑设置在透镜系统的物方表面与所述第一透镜的物侧面之间。

6.一种成像模组，其特征在于：包括图像传感器、过滤单元以及接收光学元件；其中，所述接收光学元件包括有权利要求1-5任一项所述的高性能透镜系统，以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所述图像传感器上。

7.如权利要求6所述的成像模组，其特征在于：所述过滤单元为滤光片，以用于滤除背景光或杂散光。

8.一种深度相机，其特征在于：包括权利要求6所述的成像模组、投影模组、支架以及处理器；其中，所述投影模组和所述成像模组以预设的基线距离安装在所述支架上。

9.如权利要求8所述的深度相机，其特征在于：所述投影模组包括由一个或多个激光器组成的投射光源，以用于向目标空间投射经编码的散斑图案。

10.如权利要求9所述的深度相机，其特征在于：所述投射光源为VCSEL光源。