CN215526245U - 一种透镜系统、投射模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种透镜系统、投射模组及深度相机，深度相机的投射模组包括透镜系统和投射光源，透镜系统沿光发射方向依序包括具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜；第一透镜位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面，第二透镜位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面，投射光源设置于第一透镜的光发射方向前侧，投射光源用于向第一透镜发射光束。采用上述配置的透镜系统投射光斑，可以减少光斑能量损失及减少光斑的畸变现象，能量利用率更高，而且光斑密度更加均匀。

Description

一种透镜系统、投射模组及深度相机

技术领域

本实用新型属于光学及电子技术领域，尤其涉及一种透镜系统、投射模组及深度相机。

背景技术

传统的散斑光源是由VCSEL（垂直腔面发射激光器）、准直镜和DOE（衍射光学器件）构成，图像散斑FOV（视场角）覆盖区域是由DOE对中心散斑区块进行复制扩展得到，由于DOE受器件本身透过率和衍射效率的影响，经过DOE的散斑能量损失很严重，同时会使形成的散斑产生较大的畸变现象，如说明书附图1所示，导致RX接收端中心的散斑密集，而边角的散斑稀疏，使深度图的均匀性较差。

实用新型内容

本实用新型提供一种透镜系统、投射模组及深度相机，旨在减少光斑能量损失以及减少光斑的畸变现象，使得投射的光斑密度更加均匀。

为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的，提供一种透镜系统，所述透镜系统沿光发射方向依序包括具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜；所述第一透镜位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面，所述第二透镜位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面。

进一步地，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距为f12，所述第一透镜具有位于光发射方向前侧的入光面，所述第三透镜具有位于光发射方向后侧的出光面，所述入光面和所述出光面沿光发射方向的距离为TL，所述透镜系统的焦距为f，所述透镜采用的透镜材料对D光的折射率为Nd，所述透镜材料的阿贝尔系数为Vd，且满足下列关系式：

-2<f2/f1<12；

-10<f3/f2<5；

-0.9<f12/f3<-0.05；

0.1<f/TL<0.9；

1.52<Nd<1.95；

20<Vd<45。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均采用塑料非球面透镜。

进一步地，各所述透镜的两面均为非球面。

进一步地，提供一种投射模组，包括如上任意一种所述的透镜系统和设置于所述第一透镜前侧的投射光源，所述投射光源用于向所述第一透镜发射光束。

进一步地，所述投射模组还包括设置于光发射方向上且排列于所述第二透镜和所述第三透镜之间的孔径光阑。

进一步地，所述投射光源采用激光点阵面光源。

进一步地，所述投射光源位于所述透镜系统的焦点处。

进一步地，所述投射模组还包括设置于光发射方向上且排列于所述第二透镜和所述第三透镜之间的反射件，所述反射件用于将自所述第二透镜朝向所述反射件的光路方向改变为朝向所述第三透镜。

进一步地，所述第一透镜的光轴和所述第二透镜的光轴重合，所述第三透镜的光轴和所述第二透镜的光轴相交于光轴交点。

进一步地，所述投射模组还包括驱动机构，所述驱动机构连接于所述反射件和/或所述第三透镜以形成转动模块，所述驱动机构用于带动所述反射件和所述第三透镜绕所述光轴交点转动。

进一步地，所述投射光源、所述第一透镜和所述第二透镜固定形成固定模块。

进一步地，所述反射件采用反射棱镜或反射镜。

进一步地，提供一种深度相机，包括如上任意一种所述的投射模组。

本实用新型中透镜系统、投射模组及深度相机与现有技术相比，有益效果在于：

投射光斑的透镜系统无须采用DOE（衍射光学元件），可以减少光斑能量损失及减少光斑的畸变现象，光斑投射的能量利用率更高，而且光斑密度更加均匀。

附图说明

图1是由VCSEL、准直镜和DOE构成的传统散斑光源形成的散斑效果示意图；

图2是本实用新型一个实施例中应用了透镜系统的投射模组的结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例中透镜系统的光路追迹图形示意图；

图4是本实用新型一个实施例中应用了透镜系统的投射模组的转动模块的偏转状态示意图；

图5是本实用新型一个实施例中投射模组的转动模块没有偏转时投射出的散斑图形示意图；

图6是本实用新型一个实施例中投射模组的转动模块偏转1°后形成的沿X方向偏移1/2光斑距离（pitch）的散斑图形示意图；

图7是图5和图6的散斑图形融合后的散斑图形效果示意图；

图8是本实用新型提供的一个具体实施例的透镜系统的调制传递函数（MTF）示意图；

图9是本实用新型提供的一个具体实施例的透镜系统的场曲（Field Curvature）和畸变（Distortion）示意图；

图10是本实用新型提供的一个具体实施例的透镜系统的视场相对照度的示意图。

附图标记：1、投射光源；2、反射件；3、孔径光阑；L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜。

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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例：

在本实施例中，结合图2和图3，提供一种透镜系统，具有光发射方向，透镜系统沿光发射方向依序包括具有正光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2和具有负光焦度的第三透镜L3；第一透镜L1位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面，第二透镜L2位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面。

采用上述配置的透镜系统投射光斑，无须采用DOE（衍射光学元件），可以减少光斑能量损失及减少光斑的畸变现象，光斑投射的能量利用率更高，而且光斑密度更加均匀。

进一步的，本实施例中，透镜系统满足下列关系式：

-2<f2/f1<12；

-10<f3/f2<5；

-0.9<f12/f3<-0.05；

0.1<f/TL<0.9；

1.52<Nd<1.95；

20<Vd<45。

其中，第一透镜L1的焦距为f1，第二透镜L2的焦距为f2，第三透镜L3的焦距为f3，第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距为f12，第一透镜L1具有位于光发射方向前侧（即沿着光发射方向排序靠前的位置）的入光面（即后面所说的S1），第三透镜L3具有位于光发射方向后侧（即沿着光发射方向排序靠后的位置）的出光面（即后面所说的S9），入光面和出光面沿光发射方向的距离为TL，透镜系统的焦距为f，透镜采用的透镜材料对D光的折射率为Nd，透镜材料的阿贝尔系数为Vd。

优选的，在本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3均采用塑料非球面透镜，并且，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的两面均为非球面，透镜采用的塑料材质可以是PMMA（即有机玻璃，俗称亚克力）、PC（Polycarbonate，聚碳酸酯）等，采用塑料材质的透镜可以降低成本，可以应用在温度变化不大的投影模组中；当然，在一些实施例中，在需要将透镜系统应用于一些温度变化较大的投影模组中时，可以选择性地将第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3中的一个或者多个配置为玻璃材质的透镜，以提高热稳定性，而且，玻璃材质的透镜还具有耐腐蚀、耐划伤等特性，以保护整个透镜系统在装配、运输和使用过程中不被划伤。

在本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3采用的透镜材料对D光（黄光，589.3nm）的折射率为Nd，透镜材料的阿贝尔系数为Vd，且满足下列关系式：

1.52<Nd<1.95；

20<Vd<45。

本方案的透镜系统中透镜全采用塑料材质，针对940nm波段具有近80°发射角，可投射圆形或矩形散斑图，光学畸变小于3.5%。本方案的透镜系统可以应用在散斑投影模组及深度相机中，但应当理解，任何其他装置中凡是直接或间接利用该透镜系统方案都应被包含在本实用新型的保护范围内。

进一步的，结合图2和3，提供一种投射模组，包括上述任意一种透镜系统和设置于第一透镜L1的光发射方向前侧的投射光源1，投射光源1用于向第一透镜L1发射光束。

投射光源1发射的光束依次经过第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，最终形成投射光斑，由于采用的透镜系统可以减少光斑能量损失及减少光斑的畸变现象，光斑投射的能量利用率更高，而且投射的光斑密度更加均匀。

在本实施例中，投射模组还包括设置于光发射方向上且排列于第二透镜L2和第三透镜L3之间的孔径光阑3（stop）。在一些实施例中，孔径光阑3可以设置在光发射方向上且位于第一透镜L1和第二透镜L2之间；在一些实施例中，孔径光阑3还可以设置在光发射方向上且位于投射光源1和第一透镜L1之间。

在本实施例中，投射光源1采用激光点阵面光源，并且投射光源1位于透镜系统的焦平面（即经过焦点且垂直于光轴的平面）附近。在本实施例中，投射光源1优选采用垂直腔面激光发射器阵列（VCSEL阵列），这样可以使得投射模组的整体体积较小，从而节约空间，VCSEL阵列光源是以二维图案排列的二维光源，VCSEL阵列整体大小仅在毫米量级，比如2mmX2mm大小，其上排列几十个甚至上百个光源，各个光源之间的距离处于微米级，例如10um，各个光源共同形成的阵列可以是规则排列的也可以是不规则排列的，在此不做限制。在一些实施例中，投射光源1也可以采用边发射激光器。

在本实施例中，为了进一步的减小投射模组的整体体积，从而节约空间，投射模组还包括设置于光发射方向上且排列于第二透镜L2和第三透镜L3之间的反射件2，反射件2用于将自第二透镜L2朝向反射件2的光路方向改变为朝向第三透镜L3；反射件2可以采用反射棱镜或反射镜。通过反射件2改变投射光束的传播方向，可以使得第三透镜L3的光轴和第二透镜L2的光轴具有夹角，因此，第三透镜L3可以不和第一透镜L1、第二透镜L2排列在一条直线上，而是可以位于第一透镜L1和第二透镜L2的光轴的一侧，这样可以使得投射模组的整体结构变换自由度更大，可以节约空间，使得投射模组更为紧凑，从而提高空间利用率。在本实施例中，孔径光阑3可以设置在反射件2的靠近第二透镜L2侧，孔径光阑3也可以设置在反射件2的靠近第三透镜L3侧。应当理解，本实施例示出的透镜系统和投射模组仅仅是一个示例，在一些实施例中，透镜系统和投射模组中可以不设置反射件2，在这种情况下，透镜系统的光发射方向为一直线方向，即第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3沿着光发射方向直线排列。

在本实施例中，第一透镜L1的光轴和第二透镜L2的光轴重合，第三透镜L3的光轴和第二透镜L2的光轴相交于光轴交点。优选的，光轴交点位于反射件2的反射面位置，第三透镜L3的光轴和第二透镜L2的光轴之间具有夹角，该夹角可以根据实际情况适应性设置，例如30°、45°、60°、90°、120°、135°等等。

在本实施例中，结合图4，为了实现可扩展视场角或者扩充散斑数，投射模组还包括驱动机构，驱动机构连接于反射件2和/或第三透镜L3以形成转动模块，驱动机构用于带动反射件2和第三透镜L3绕光轴交点转动。具体的，反射件2和第三透镜L3可以用转动支架固定，以保持反射件2和第三透镜L3的相对位置，驱动机构可以连接于转动支架，驱动机构带动转动支架转动，从而带动反射件2和第三透镜L3整体转动；或者，驱动机构连接于反射件2，驱动机构仅带动反射件2转动；或者，驱动机构连接于第三透镜L3，驱动机构仅带动第三透镜L3转动；或者，驱动机构既连接于反射件2也连接于第三透镜L3，驱动机构可以分别带动反射件2和第三透镜L3转动。驱动机构驱动相应的部件绕光轴交点转动，可以理解的是，相应转动的部件可以绕光轴交点朝任意方向转动，并且，转动中心可以和光轴交点重合也可以不和光轴交点重合。结合图5-7，通过偏转反射件2和第三透镜L3，可以偏转投射光束的角度，从而使投射的光斑偏移位置，将偏转前的光斑图形和偏转后的光斑图形进行融合，即可实现扩展视场角或者扩充散斑数的效果。

在本实施例中，投射光源1、第一透镜L1和第二透镜L2固定形成固定模块，具体的，投射光源1、第一透镜L1和第二透镜L2可以采用固定支架固定的方式来保持相对位置，以提高投射模组的结构稳定性。应当理解，在一些实施例中，投射光源1、第一透镜L1和第二透镜L2也可以设置为距离可变，从而形成变焦系统。

在本实施例中，反射件2和第三透镜L3相互固定并整体由驱动机构驱动转动，从而形成转动模块，第三透镜L3的光轴垂直于第二透镜L2的光轴，转动模块可以沿着X方向和/或Y方向偏转，并且偏转角度可以控制，例如偏转1°、2°、3°等等。根据实际要扩展的散斑数量，可以在X方向、Y方向、XY方向分别进行偏转从而形成偏转后的散斑图形，将所有偏转后的散斑图形与未偏转的散斑进行融合，即可实现散斑点数的扩充，这样，可以实现高散斑数模式。应当理解，在进行偏转时，在同一方向上可以偏转一次、两次、三次等等，以N表示在同一方向上的总偏转次数，J为同一方向上的当前偏转序次，当前偏转序次的散斑图形偏转距离可以为J/(N+1)*偏转方向上的初始散斑间距（即未偏转时形成的散斑图形中在偏转方向上相邻的散斑之间的距离），这样，相邻次的偏转散斑图形间距相等，从而使得融合扩充后的散斑图形更为均匀。采用这样的方式可以实现低散斑模式和高散斑模式，在低散斑模式下功耗更低且帧率更高，高散斑模式下可以实现更高的分辨率，在实际使用时可以根据应用场景对两种模式进行切换。

进一步的，提供一种深度相机，包括如上实施例中任意一种所述的投射模组。

本实用新型透镜系统、投射模组及深度相机可实现大视场角、低畸变、高信噪比的均匀散斑投射，在保证结构紧凑的同时可获得更好的成像质量。

下面给出一个采用了反射件2，并且反射件2采用反射棱镜的透镜系统的具体实施例参数设计，应当理解，本具体实施例的参数设计仅用于示意，并不用于限制本实用新型的保护范围。

为便于后续描述，将投射光源1的表面表示为S0，将第一透镜L1的靠近投射光源1的表面表示为S1,将第一透镜L1的远离投射光源1的表面表示为S2，将第二透镜L2靠近第一透镜L1的表面表示为S3，将第二透镜L2远离第一透镜L1的表面表示为S4，将反射件2靠近第二透镜L2的表面表示为S6，将反射件2靠近第三透镜L3的表面表示为S7，将第三透镜L3靠近反射件2的表面表示为S8，将第三透镜L3的远离反射件2的表面表示为S9，将散斑图形投射的表面表示为S10。

本具体实施例中，所有透镜的表面均由非球面构成，设光轴方向为Z，h的位置以表面顶点作为参考的位置值；c表示透镜表面靠近光轴的曲率，并为曲率半径（R）的倒数（c=1/R）；R为透镜表面靠近光轴的曲率半径；h是透镜表面沿光发射方向的距离，k为圆锥系数（conic constant）；而A2、A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、……为高阶非球面系数。

如下表1为本具体实施例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）
							S0	VCSEL	Infinity	2.646
S1	第一透镜	4.153	1.748	1.64	23.5	0.000
							S2		-11.192	0.455			0.199
S3	第二透镜	2.538	1.158	1.53	56.1	-2.714
							S4		-12.812	1.252			-150
Stop	光阑	Infinity	0.110
							S6		Infinity	2.504	1.52	64.2
S7		Infinity	0.649
							S8	第三透镜	4.177	0.470	1.53	56.1	-145.285
S9		1.227	0.000			-8.768
							S10		Infinity	-

如下表2为本具体实施例的透镜系统的非球面系数设计：

表2非球面系数

表面

4阶非球面系数（A4）

6阶非球面系数（A6）

8阶非球面系数（A8）

10阶非球面系数（A10）

12阶非球面系数（A12）

14阶非球面系数（A14）

16阶非球面系数（A16）

S1

-1.691E-6

-2.155E-6

-1.074E-6

1.548E-7

7.454E-7

6.540E-7

2.727E-7

S2

-1.949E-5

-1.206E-5

-7.575E-6

-4.538E-6

-5.199E-7

1.397E-6

1.768E-7

S3

4.948E-3

-4.837E-6

-3.603E-3

1.819E-3

-1.869E-3

1.125E-3

-2.548E-4

S4

-3.439E-3

-7.826E-3

2.884E-3

-2.223E-3

2.633E-3

-1.748E-3

3.525E-4

S8

-0.338

0.266

-0.350

0.230

4.661E-3

-0.082

0.027

S9

-0.126

0.047

-0.010

-6.160E-5

7.051E-4

-1.962E-4

1.958E-5

在上述参数设计的具体实施例中，该透镜系统的最大视场角FOV为80°, 焦距：EFL=1.50mm，光圈：FNO=2.3，光学总长为：TTL=11.0mm，最大半物高为1.2毫米，适用于930~950nm红外激光波段。

本实用新型上述具体实施例的透镜系统的调制传递函数（MTF）示意图如图8所示；本实用新型上述具体实施例的透镜系统的场曲（Field Curvature）和畸变（Distortion）示意图如图9所示；本实用新型上述具体实施例的透镜系统的视场相对照度示意图如图10所示。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上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 (14)

1.一种透镜系统，其特征在于，所述透镜系统沿光发射方向依序包括具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜；所述第一透镜位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面，所述第二透镜位于光发射方向前侧和后侧的表面均为凸面。

2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距为f12，所述第一透镜具有位于光发射方向前侧的入光面，所述第三透镜具有位于光发射方向后侧的出光面，所述入光面和所述出光面沿光发射方向的距离为TL，所述透镜系统的焦距为f，所述透镜采用的透镜材料对D光的折射率为Nd，所述透镜材料的阿贝尔系数为Vd，且满足下列关系式：

－2＜f2/f1＜12；

－10＜f3/f2＜5；

－0.9＜f12/f3＜－0.05；

0.1＜f/TL＜0.9；

1.52＜Nd＜1.95；

20＜Vd＜45。

3.根据权利要求2所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均采用塑料非球面透镜。

4.根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，各所述透镜的两面均为非球面。

5.一种投射模组，其特征在于，包括如权利要求1－4中任意一项所述的透镜系统和设置于所述第一透镜前侧的投射光源，所述投射光源用于向所述第一透镜发射光束。

6.根据权利要求5所述的投射模组，其特征在于，所述投射模组还包括设置于光发射方向上且排列于所述第二透镜和所述第三透镜之间的孔径光阑。

7.根据权利要求5所述的投射模组，其特征在于，所述投射光源采用激光点阵面光源。

8.根据权利要求5所述的投射模组，其特征在于，所述投射光源位于所述透镜系统的焦点处。

9.根据权利要求5－8中任意一项所述的投射模组，其特征在于，所述投射模组还包括设置于光发射方向上且排列于所述第二透镜和所述第三透镜之间的反射件，所述反射件用于将自所述第二透镜朝向所述反射件的光路方向改变为朝向所述第三透镜。

10.根据权利要求9所述的投射模组，其特征在于，所述第一透镜的光轴和所述第二透镜的光轴重合，所述第三透镜的光轴和所述第二透镜的光轴相交于光轴交点。

11.根据权利要求10所述的投射模组，其特征在于，所述投射模组还包括驱动机构，所述驱动机构连接于所述反射件和/或所述第三透镜以形成转动模块，所述驱动机构用于带动所述反射件和所述第三透镜绕所述光轴交点转动。

12.根据权利要求11所述的投射模组，其特征在于，所述投射光源、所述第一透镜和所述第二透镜固定形成固定模块。

13.根据权利要求9所述的投射模组，其特征在于，所述反射件采用反射棱镜或反射镜。

14.一种深度相机，其特征在于，包括如权利要求5－13中任意一项所述的投射模组。

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