CN218824931U - 一种透镜系统、投影模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及三维视觉技术领域，公开了一种透镜系统、投影模组及深度相机，透镜系统包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；第二透镜、第四透镜和第五透镜的光焦度为正，第一透镜和第三透镜的光焦度为负；透镜系统满足以下关系式：0.10<f/TTL<0.2；其中，f为透镜系统的有效焦距，TTL为透镜系统在光轴上的总长度。本申请的透镜系统具有较大的视场角，应用于投影模组及深度相机时，投射的散斑单点功率以及能量利用率较高，使得深度相机在远距离测量和户外使用时具有较好的性能。

Description

一种透镜系统、投影模组及深度相机

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，具体涉及一种透镜系统、投影模组及深度相机。

背景技术

目前，结构光深度相机包括结构光投影模组及采集模组，结构光投影模组主要由垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)、准直镜及衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)构成。VCSEL发出的光束通过准直镜准直以后投射到DOE，由DOE复制若干份，投射到前方空间中。由于VCSEL的单点功率相对固定，被DOE复制了若干份后，单点能量会降低很多倍，信噪比随之会下降很多倍，导致深度相机的远距离测量能力和户外性能下降。此外，由于DOE的衍射效率较低并且受到水汽污垢等污染后，衍射性能会急剧下降，出射的光束大部分会直线透过DOE，容易引起人眼安全问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提出一种透镜系统、投影模组及深度相机，可以解决相关技术中的一个或多个技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种透镜系统包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；其中，第二透镜、第四透镜和第五透镜的光焦度为正，第一透镜和第三透镜的光焦度为负；透镜系统满足以下关系式：0.10<f/TTL<0.2；其中，f为透镜系统的有效焦距，TTL为透镜系统在光轴上的总长度。

在一些实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜满足以下条件：-1.2<f1/f2<-0.8；-0.7<f2/f3<-0.3；-1.0<f3/f4<-0.1；2.0<f4/f5<4；其中，f表示透镜系统的有效焦距；f1表示第一透镜的有效焦距；f2表示第二透镜的有效焦距；f3表示第三透镜的有效焦距；f4表示第四透镜的有效焦距；f5表示第五透镜的有效焦距。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜满足以下条件：0.5<f1234/f5<0.8；-1.2<f1/f2345<-0.8；1.52<Nd<1.65；其中，f1234表示第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的组合焦距；f2345表示第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜的组合焦距；Nd表示第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的折射率。

在一些实施例中，透镜系统还包括光阑，光阑设置在第一透镜与第二透镜之间。在一些实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为非球面透镜。在一些实施例中，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；第四透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；第五透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面。在其中一些实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为塑料透镜。

第二方面，本申请实施例提供一种投影模组，包括如第一方面的透镜系统和光源阵列，其中，光源阵列设置在透镜系统的像平面，用于产生第一散斑图案；透镜系统用于将第一散斑图案准直后，产生第二散斑图案。

在一些实施例中，光源阵列包括独立供电的第一子光源阵列、第二子光源阵列及第三子光源阵列，第二子光源阵列位于第一子光源阵列外侧，第三子光源阵列位于第二子光源的外侧，第三子光源阵列的供电电流大于第二子光源的供电电流，第二子光源的供电电流大于第一子光源阵列的供电电流。

第三方面，本申请一实施例提供一种深度相机，包括如第二方面的投影模组和采集模组，其中，投影模组，用于向目标区域发射第二散斑图案；采集模组，用于接收由目标区域中的目标物体反射回的至少部分第二散斑图案。

本申请提供的技术方案的有益效果：透镜系统包括沿物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；第二透镜、第四透镜和第五透镜的光焦度为正，第一透镜和第三透镜的光焦度为负；透镜系统的焦距f和在光轴上的总长度TTL满足以下关系式：0.10<f/TTL<0.20；由此，透镜系统能够具有较大的视场角，应用至投影模组中时，投影模组可投影出较大视场角的散斑图案，散斑图案的单点功率较高，相较于采用DOE的投影模组，本申请的投影模组能量利用率及散斑单点功率更高，使得深度相机在远距离测量和户外使用过程中具有较好的性能，并且受到了污染也不易引起人眼安全问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的深度相机的结构示意图；

图2为本申请提供的投影模组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的光源阵列的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的投影模组的结构示意图；

图5为本申请提供的透镜系统的调制传递函数示意图；

图6为本申请提供的透镜系统的场曲示意图；

图7为本申请提供的透镜系统的畸变示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”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，以便这里描述的本申请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。

另需要理解的是，术语“水平”、“垂直”、“内”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申请和简化描述，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申请的限制。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的深度相机的结构示意图。深度相机包括投影模组10、采集模组20及控制与处理器30。其中，投影模组10和采集模组20沿基线设置，控制与处理器30分别与投影模组10和采集模组20连接。投影模组10用于向目标物体40发射第二散斑图案，采集模组20用于采集目标物体40反射回的至少部分第二散斑图案生成散斑图像；控制与处理器30用于根据采集模组20得到的散斑图像与预存的参考散斑图像进行匹配，计算偏离值进而得到目标物体的深度信息，生成深度图像。

深度相机可包括支架，投影模组10和采集模组20以一定的基线距离安装在支架上，支架包括但不限于电路板、光电支架等。在一些实施例中，深度相机也可不包括控制与处理器30，而由外部的处理器或设备根据采集模组20得到的散斑图像与预存的参考散斑图像进行匹配，计算偏离值进而得到目标物体的深度信息，生成深度图像。

参见图2所示，图2为本申请提供的投影模组的结构示意图。投影模组10包括光源阵列11及透镜系统12。其中，光源阵列11设置在透镜系统12的像侧，用于产生第一散斑图案光束。光源阵列11可以是由多个发光二极管(light-emitting diode，LED)组成的阵列、多个激光二极管(laser diode，LD)组成的阵列、多个边发射激光器(edge emitting laser，EEL)组成的阵列或多个垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emittinglaser,VCSEL)组成的阵列等。例如，光源阵列11是在单块半导体基底上设置多个VCSEL形成的VCSEL点阵光源。其中，光源阵列11中各个子光源的分布具有一定随机性且满足3D算法。

如图3所示，图3为本申请实施例提供的光源阵列的结构示意图。光源阵列11包括多个子光源(图3中以黑点表示)，多个子光源的分布具备深度计算算法所需的随机性与均匀性。在一些实施例中，光源阵列11包括多个子光源阵列，多个子光源阵列可分别分布于多个区域并单独供电，每个子光源阵列包括多个子光源。例如图3中所示，光源阵列11包括第一子光源阵列111、第二子光源阵列112及第三子光源阵列113，第一子光源阵111列位于A区域、第二子光源阵列112位于B区域、第三子光源阵列113位于C区域，B区域位于A区域的外侧，C区域位于B区域的外侧。第一子光源阵列111、第二子光源阵列112及第三子光源阵列113独立供电，通过调控第一子光源阵列111、第二子光源阵列112及第三子光源阵列113的供电电流大小，可以调控第一子光源阵列111、第二子光源阵列112及第三子光源阵列113的亮度。

由于采集模组20对应镜头的视场角与光圈往往都设计比较大，镜头的相对照度会随视场角与光圈增大而急剧下降，导致采集模组20接收到的散斑图像中边缘的散斑点相对较暗。在其中一些实施例中，第三子光源阵列113的供电电流大于第二子光源阵列112的供电电流，第二子光源阵列112的供电电流大于第一子光源阵列111的供电电流，进而第三子光源阵列113的发光亮度大于第二子光源阵列112的发光亮度，第二子光源阵列112的发光亮度大于第一子光源阵列111的发光亮度。通过提高第二子光源阵列112和第三子光源阵列113的发光亮度，进而能够有效补偿采集模组20由于镜头的相对照度不足而导致的散斑图像边缘的散斑图案相对较暗的问题，提高生成的散斑图像边缘区域的散斑点的亮度，进而提高深度计算的精度。在其它实施例中，光源阵列11还可包括更多子光源阵列对应分布于更多区域内，并且沿中心至两侧的方向，多个子光源阵列的供电电流逐渐增大。

如图4所示，图4为本申请实施例提供的投影模组的结构示意图。透镜系统12用于准直光源阵列11产生的第一散斑图案光束并投影出第二散斑图案光束后，形成第二散斑图案。在不考虑透镜系统12内反射的情况下，投影模组10可以做到100％的能量利用率，相较于采用衍射光学元件的投影模组而言，本申请的投影模组10的能量利用率较高。

如图4所示，透镜系统12沿光束出射方向的反方向，即由物侧至像侧方向，依次包括第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124和第五透镜125。其中，第二透镜122、第四透镜124和第五透镜125的光焦度为正，第一透镜121和第三透镜123的光焦度为负；透镜系统12满足以下关系式：0.10<f/TTL<0.2；其中，f为透镜系统12的有效焦距，TTL为透镜系统12在光轴上的总长度，由此，透镜系统12具有较大的投影视场角。

其中，第一透镜121的有效焦距为f1、第二透镜122的有效焦距为f2、第三透镜123的有效焦距为f3、第四透镜124的有效焦距为f4和第五透镜125的有效焦距为f5，透镜系统12满足以下条件：-1.2<f1/f2<-0.8；-0.7<f2/f3<-0.3；-1.0<f3/f4<-0.1；2.0<f4/f5<4。由此，透镜系统12能够具有较大的视场角，例如大于90°，使得透镜系统12无需DOE就能投射满足要求的散斑图案，使得投影模组10投射的第二散斑图案具有单点功率高、能量利用率高的优点，进而实现了较高的信噪比，深度相机能够在远距离测量和户外使用中保持较好的性能，并且即使受到了污染也不易引起人眼安全问题。

此外，为了获得较大光圈和视场角，保证结构紧凑的同时获得最好的成像效果，透镜系统12还满足以下条件：0.5<f1234/f5<0.8；-1.2<f1/f2345<-0.8；1.52<Nd<1.65；其中，f1234表示第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123及第四透镜124的组合焦距；f2345表示第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124及第五透镜125的组合焦距；Nd表示第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124和第五透镜125的折射率。

第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124和第五透镜125均为非球面透镜，并且均为塑料透镜，如此，透镜系统12的成本较低；可通过优化系统参数，降低温度对透镜系统12的焦距的影响。其中，塑料透镜的材质可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA，俗称亚克力)、聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)、环氧树脂等材质。

在一实施例中，透镜系统12的光圈值小于1.55，以使透镜系统12尽可能把光源阵列11发出的光全部投射出去。每个视场对应的上光线和下光线与法线的夹角均大于或等于光源阵列11的单边发散角。例如，光源阵列11的全发散角为22度，则单边发散角为11度，则每个透镜对应的上光线和下光线与法线的夹角均大于或等于11度。在一个实施例中，透镜系统12的光圈值Fno等于1.5，并且每个视场的上下光线与法线夹角都大于光源阵列11的单边发散角(例如11度)，透镜系统12在满足上述预设条件下的视场角大于或等于90度，光学畸变为6％，透镜系统12具有较好的光学性能。

在一实施例中，如图4所述，透镜系统12还包括光阑126，光阑126设置在第一透镜121与第二透镜122之间，用于调节光圈大小，改变出光量。当然，光阑126也可以设于其它位置，例如第二透镜122与第三透镜123之间，第三透镜123与第四透镜124之间，在此不一一列举。

其中，如图4所示，S1表示第一透镜121具有物侧面S1和像侧面S2，物侧面S1为凸面，像侧面S2为凹面；光阑126具有光圈S3；第二透镜122具有物侧面S4和像侧面S5，物侧面S4为凸面，像侧面S5为凹面；第三透镜123具有物侧面S6和像侧面S7，物侧面S6为凸面，像侧面S7为凹面；第四透镜124具有物侧面S8和像侧面S9，物侧面S8为凹面，像侧面S9为凸面；第五透镜125具有物侧面S10和像侧面S11，物侧面S10为凸面，像侧面S11为凸面。

其中，在一个实施例中，各个透镜的表面系数如下表所示：(单位mm)

上述像面可以理解为光源阵列11所在的平面，物面可以理解为目标物所在的平面。

上述各透镜的非球面曲线方程式表示如下：

其中，z为透镜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是透镜表面靠近光轴的曲率，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是透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数(conic constant)，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16分别为对应阶非球面系数。其中，上述非球面系数如下表所示：

续表

在一实施例中，如图5和图7所示，图5为本申请提供的透镜系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)示意图。图中，横坐标表示空间频率，纵坐标表示调制传递函数比值。从图5可以看出，在奈奎斯特频率时，调制传递函数比值仍可大于50％，且调制传递函数比值无明显衰退，则透镜系统12具有良好的影像品质，可以投射出较清晰的散斑图像。

图6为本申请提供的透镜系统的场曲(Field Curvature)示意图。图6中横坐标为焦点偏移量，纵坐标为视场高度。从图6中可以看出，透镜系统12的焦点偏移量较小，具有较好的投影性能。图7为本申请提供的透镜系统的畸变(Distortion)示意图。图7中，的横坐标表示畸变，纵坐标表示视场高度。从图7中可以看出透镜系统12具有比较低的畸变，进而具有较好的光学性能。

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。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透镜系统，其特征在于，包括沿物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；

所述第二透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的光焦度为正，所述第一透镜和所述第三透镜的光焦度为负；

所述透镜系统满足以下关系式：0.10<f/TTL<0.2；其中，f为所述透镜系统的有效焦距，TTL为所述透镜系统在光轴上的总长度。

2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统还满足以下条件：

-1.2<f1/f2<-0.8；

-0.7<f2/f3<-0.3；

-1.0<f3/f4<-0.1；

2.0<f4/f5<4；

其中，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；f4表示所述第四透镜的有效焦距；f5表示所述第五透镜的有效焦距。

3.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统还满足以下条件：

0.5<f1234/f5<0.8；

-1.2<f1/f2345<-0.8；

1.52<Nd<1.65；

其中，f1234表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的组合焦距；f2345表示所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜及所述第五透镜的组合焦距；Nd表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的折射率。

4.如权利要求1至3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、所述第四透镜和所述第五透镜均为非球面透镜。

5.如权利要求4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、所述第四透镜和所述第五透镜均为塑料透镜。

6.如权利要求1至3任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第四透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第五透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面。

7.如权利要求1至3任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统还包括光阑，所述光阑设置在所述第一透镜与第二透镜之间。

8.一种投影模组，其特征在于，包括：

如权利要求1至7任一项所述的透镜系统；

光源阵列，设置在所述透镜系统的像侧，用于产生第一散斑图案；

其中，所述透镜系统用于投影所述第一散斑图案，产生第二散斑图案。

9.如权利要求8所述的投影模组，其特征在于，所述光源阵列包括独立供电的第一子光源阵列、第二子光源阵列及第三子光源阵列，所述第二子光源阵列位于所述第一子光源阵列外侧，所述第三子光源阵列位于所述第二子光源的外侧，所述第三子光源阵列的供电电流大于所述第二子光源的供电电流，所述第二子光源的供电电流大于所述第一子光源阵列的供电电流。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求8或9所述的投影模组，用于发射第二散斑图案；

采集模组，用于采集所述第二散斑图案。

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