CN219456618U - 一种成像镜头、成像模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学成像技术领域，公开了一种成像镜头、成像模组及深度相机。成像镜头包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜和第三透镜的光焦度为正，第二透镜和第四透镜的光焦度为负；第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的至少一个在X方向和Y方向上的有效焦距不同，以使成像镜头在X方向和Y方向上的有效焦距不同。本申请中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的至少一个在X方向和Y方向上的有效焦距不同，进而成像镜头在X方向和Y方向上的有效焦距不同，从而成像模组在X方向和Y方向上的视场角不同且具有较大的差异，可满足一些特定场景的应用需求。

Description

一种成像镜头、成像模组及深度相机

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，具体涉及一种成像镜头、成像模组及深度相机。

背景技术

近年来，随着3D传感的推广，很多行业都开始使用3D传感。除了手机和平板等终端行业以外，比较突出的是移动机器人行业，特别是在全球疫情蔓延期间，诸如清洁机器人、送餐机器人、送货机器人等应用非常迅速。

移动机器人所用的3D传感原理主要包括三种：结构光、飞行时间(time offlight，TOF)和双目立体视觉。这三种原理的3D传感器的成像模组都使用了同样或者类似的成像镜头，成像镜头在水平方向和垂直方向上的有效焦距相同，而成像模组使用的图像传感器的纵横像素比率一般为4：3或者16：9，这样决定了成像模组在水平方向和垂直方向上的视场角为4：3或者16：9。但是某些应用场景上，希望在水平方向有一个很大的视场角，在垂直方向上的视场角反而不需要那么大，更希望在垂直方向有比较高精度的表现，上述成像模组难以满足这些应用场景的需求。

实用新型内容

本申请提出一种成像镜头、成像模组及深度相机，可以解决相关技术中的成像模组成像镜头在水平方向和垂直方向上的有效焦距相同，无法满足特定场景的需求技术问题。

第一方面，本申请一实施例提供一种成像镜头，包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜。第一透镜和第三透镜的光焦度为正，第二透镜和第四透镜的光焦度为负；第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的至少一个在X方向和Y方向上的有效焦距不同，以使成像镜头在X方向和Y方向上的有效焦距不同。

在一些实施例中，第一透镜在X方向和Y方向上的有效焦距不同，第二透镜、第三透镜和第四透镜在X方向和Y方向上的有效焦距相同。在其中一些实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜满足以下条件：-5<f2/f3<-3；-3<f3/f4<-1；0.8<f1x/fx<1.5；3<f1y/fy<4.5；0.5<f1y/f1x<1.8；其中，fx为成像镜头在X方向上的有效焦距，fy为成像镜头在Y方向上的有效焦距，f1_x为第一透镜在X方向上的有效焦距，f1_y为第一透镜在Y方向上的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距。在其中一些实施例中，第一透镜为自由曲面透镜。

在一些实施例中，第一透镜的物侧面为凸面、像侧面为凸面；第二透镜的物侧面为凹面、像侧面为凸面；第三透镜的物侧面为凹面、像侧面在光轴处为凸面；第四透镜的物侧面在光轴处为凸面、像侧面在光轴处为凹面。在一些实施例中，成像镜头在X方向上的有效焦距小于Y方向上的有效焦距。在其中一些实施例中，成像镜头在X方向上的有效焦距fx＝2.85mm、Y方向上的有效焦距fy＝3.52mm。

在一些实施例中，成像镜头还包括光阑，设置在第一透镜的物侧或像侧。在一些实施例中，成像镜头还包括用于滤除背景光或杂散光的滤光片，设置在第四透镜的像侧。

第二方面，本申请一实施例提供一种成像模组，包括图像传感器和如第一方面所述的成像镜头，图像传感器设置在成像镜头的像侧。

第三方面，本申请一实施例提供一种深度相机，包括发射模组和如第二方面所述的成像模组，发射模组用于向目标发射光束，成像模组用于接收目标反射回的至少部分光束。

本申请提供的技术方案的有益效果：成像镜头中第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的至少一个在X方向和Y方向上的有效焦距不同，使得成像镜头在X方向和Y方向的有效焦距不同，进而成像模组在X方向和Y方向上的视场角的比例与图像传感器在X方向、Y方向上的比例不同，成像模组可不受图像传感器的限制，而能够实现在X方向与Y方向上的视场角存在较大的差异，可以满足一些特定场景的需求。

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是本申请一实施例提供的一种深度相机的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的一种成像镜头在X方向上的平面示意图；

图3是本申请一实施例提供的一种成像镜头在Y方向上的平面示意图。

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。

本申请实施例提供了一种深度相机，图1为本申请一实施例提供的一种深度相机的结构示意图，如图1所示，深度相机包括发射模组10、成像模组20及控制与处理器30。发射模组10和成像模组20沿基线设置，控制与处理器30与发射模组10和成像模组20均电连接。发射模组10用于向目标发射光束，成像模组20用于接收目标反射回的至少部分光束，控制与处理器30用于控制发射模组10及成像模组20，以及根据成像模组20采集到的数据计算目标区域的深度信息。例如，深度相机为结构光深度相机，发射模组10用于项目表发射结构光光束，成像模组20用于接收目标反射回的至少部分结构光光束生成结构光图像，控制与处理器30用于根据结构光图像与参考结构光图像之间的视差值，计算目标的深度信息。

发射模组10和成像模组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接收并根据成像模组20采集到的数据计算深度信息。

在一些实施例中，深度相机为结构光深度相机，继续参见图1所示，发射模组10投射结构光光束，发射模组10包括光源11、准直元件12及衍射光学元件13。光源11可以是发光二极管(light-emitting diode，LED)、激光二极管(laser diode，LD)、边发射激光器(edgeemitting laser，EEL)、垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emittinglaser,VCSEL)等。光源11所发射的光束可以是红外光。光源11可为点光源或光源阵列，例如，光源11是在单块半导体基底上生成多个VCSEL点光源形成的VCSEL光源阵列，VCSEL光源阵列中多个VCSEL点光源的排列方式可以是规则或不规则的。准直元件12设于光源11的发射路径上，用于将光源11发出的光束准直为平行光束，其中，准直元件12可以包括一个或多个透镜。衍射光学元件13设于准直元件12的远离光源11的一侧，用于接收经准直元件12准直后的光束，并对其进行复制及扩散，随后投射至目标区域。在一些实施例中，深度相机为飞行时间相机，发射模组10包括光源及扩散器，扩散器用于扩散光源发出的光束。

在一些实施例中，发射模组10还可以包括驱动电路，驱动电路与光源11连接，用于驱动光源11发光。

在一些实施例中，继续参见图1所示，成像模组20包括成像镜头21和图像传感器22，图像传感器22设置在成像镜头21的像侧。成像镜头21用于接收目标区域反射回的至少部分光束并将其会聚至图像传感器22，便于图像传感器22成像。成像镜头21X方向和Y方向上的有效焦距不同，在图像传感器22的X方向和Y方向比例为4：3或者16：9等常用比例的情况下，成像模组20在X方向和Y方向上的视场角不为4：3或者16：9等常用比例，即，成像模组在XY方向上的视场角与图像传感器在XY方向上的比例不同，可满足一些特定场景的需求。其中，成像模组20可以是红外成像模组。

图像传感器22包括至少一个像素，像素用于接收光信号并转换成电信号，像素采集经目标区域中目标物体反射的至少部分光束后，将采集的光信号转换为电信号，然后发送至控制与处理器30，控制与处理器30对电信号进行处理以得到目标物体的深度信息。

图2和图3所示为本申请一实施例提供的一种成像镜头21的结构示意图，图2所示为X方向上的成像镜头21的平面示意图，图3所示为Y方向上的成像镜头21的平面示意图。成像镜头21在X方向和Y方向的有效焦距不同，成像镜头21包括沿光入射方向(即从物侧至像侧)依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4。其中，第一透镜L1的光焦度为正，第二透镜L2的光焦度为负，第三透镜L3的光焦度为正，第四透镜L4的光焦度为负；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4中的至少一个在X方向和Y方向的有效焦距不同，以使成像镜头21在X方向和Y方向的有效焦距不同，具体可根据成像模组20的实际需求进行设计。

第一透镜L1包括物侧面S1及像侧面S2，第二透镜L2包括物侧面S3及像侧面S4，第三透镜L3包括物侧面S5及像侧面S6，第四透镜L4包括物侧面S7及像侧面S8。在一些实施例中，第一透镜L1的物侧面S1为凸面，像侧面S2为凸面；第二透镜L2的物侧面S3为凹面，像侧面S4为凸面；第三透镜L3的物侧面S5为凹面，像侧面S6在光轴处为凸面；第四透镜L4的物侧面S7在光轴处为凸面，像侧面S8在光轴处为凹面。

在一些实施例中，第一透镜L1在X方向和Y方向的有效焦距不同，第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4在X方向和Y方向的有效焦距相同。在一些实施例中，各个透镜的有效焦距满足以下条件：

-5<f2/f3<-3；

-3<f3/f4<-1；

0.8<f1_x/fx<1.5；

3<f1_y/fy<4.5；

0.5<f1_y/f1_x<1.8。

其中，f1_x和f1_y分别为第一透镜L1在X方向和Y方向的有效焦距，f2、f3和f4分别是第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4的有效焦距，fx为成像镜头21在X方向上的有效焦距，fy为成像镜头21在Y方向上的有效焦距。

继续参见图2和图3所示实施例，成像镜头21还包括光阑STO，光阑STO设置于第一透镜L1的物侧面S1。在其他一些实施例中，光阑STO可设置于第一透镜L1的像侧，例如第一透镜L1与第二透镜L2之间、或第二透镜L2与第三透镜L3之间、或第三透镜L3与第四透镜L4之间、或第四透镜L4与像平面S11之间。可以理解，本申请实施例对光阑STO的设置位置不做具体限制，光阑STO可以设置在成像镜头的物平面与像平面S11(即图像传感器22)之间的任一位置。光阑STO可以限制光线中偏离理想位置的光线，降低彗差，从而改善成像模组20的成像质量。另外，光阑STO的大小可以根据需要设置，以最优化光圈的设置。

继续参见图2和图3所示实施例，成像镜头还包括滤光片L5，滤光片L5设置于第四透镜L4的像侧，例如第四透镜L4与图像传感器22之间，用于滤除入射光束中的背景光或杂散光，提高成像精度。滤光片L5包括物侧面S9和像侧面S10。在其他一些实施例中，滤光片L5可以设置在成像镜头21的物平面与像平面S11之间的其它任一位置，在此不做限制。滤光片L5的中心波长与发射模组10发射的光束的波长相同，进而可以滤除入射光束中的背景光或杂散光，以使图像传感器22采集到的光束更加准确，有利于提升深度相机的精度。优选地，当发射模组10发射的光为红外光时，滤光片L5可以是红外滤光片，此处不作限制。

在一些实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4均为非球面透镜。其中，第一透镜L1可为自由曲面透镜。第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4的非球面曲线方程均满足以下公式：

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是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是透镜表面距离光轴的垂直距离，K为圆锥系数，A₄为第四阶非球面系数，A₆为第六阶非球面系数，A₈为第八阶非球面系数，A₁₀为第十阶非球面系数，A₁₂为第十二阶非球面系数，A₁₄为第十四阶非球面系数，A₁₆为第十六阶非球面系数。

在一些实施例中，成像镜头21的X方向的有效焦距小于和Y方向上的有效焦距，成像镜头21的光圈值为Fno，Fno≤2.4°，如此，成像镜头21具有足够且适当的照度。在其中一些实施例中，成像镜头21在X方向和Y方向的有效焦距分别为fx和fy，fx＝2.85mm，fy＝3.52mm，成像镜头的光圈值Fno＝2.4°，此时当图像传感器X方向和Y方向上的比例为3:4时，则成像模组20在X方向和Y方向上的比例为8.55:14.08；当当图像传感器X方向和Y方向上的比例为9:16时，则成像模组20在X方向和Y方向上的比例为25.65:56.32；由此可见，成像模组20在X方向上的视场角小于Y方向上视场角并且差异较大，则成像模组20在X方向上的精度大于Y方向上，可满足一些特定场景的需求。其中，成像镜头21中各个透镜的相关设计参数如下表1和表2所示。

表1.成像镜头中各个透镜的表面参数

表2.成像镜头中各个透镜的非球面系数

在上述所示实施例中，仅第一透镜L1在X方向和Y方向上的有效焦距不同，其它透镜在X方向和Y方向上的有效焦距相同为例进行说明。在其它一些实施例中，也可以仅第二透镜L2、第三透镜L3或第四透镜L4在X方向和Y方向上的有效焦距不同；或者，还可以是第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4中的两个、三个或者全部X方向和Y方向的有效焦距不同，只要能使成像镜头21在X方向和Y方向的有效焦距不同即可，在此不一一列举，可参照上述实施例的内容。

本申请实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4中的至少一个X方向和Y方向的有效焦距不同，使得成像镜头21的X方向上的有效焦距fx和Y方向上的有效焦距fy不同，进而实现成像模组20在X方向和Y方向上的视场角不同，并且两者差异较大，并不局限于图像传感器在X方向和Y方向上的比例。例如，如果应用上需要在X方向获得比较大的视场角，则fx需要比fy小；如果应用上需要在Y方向获得比较大的视场角，则fx需要比fy大。根据结构光和双目的原理，当fy比fx大时，成像模组20在Y方向上精度会表现得比X方向要高。其中，X方向可为水平方向，Y方向可为竖直方向。

在一些实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4可为塑料透镜、玻璃透镜、或者玻璃透镜与塑料透镜的组合。塑料材质的透镜可以降低成像镜头的成本，通过优化成像镜头参数，可降低透镜组焦距受温度过冷或过热的影响。具体的，塑料透镜的材质可以为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)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，可保护整个成像镜头在装配、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，从而延长成像镜头的使用寿命。

需要说明的是，成像镜头21除第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、光阑STO、滤光片L5外还可包括其它透镜，在此不做限制。

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)

1.一种成像镜头，其特征在于，包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

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

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜中的至少一个在X方向和Y方向上的有效焦距不同，以使所述成像镜头在X方向和Y方向上的有效焦距不同。

2.如权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜在X方向和Y方向上的有效焦距不同，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜在X方向和Y方向上的有效焦距相同。

3.如权利要求2所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜满足以下条件：

-5<f2/f3<-3；

-3<f3/f4<-1；

0.8<f1_x/fx<1.5；

3<f1_y/fy<4.5；

0.5<f1_y/f1_x<1.8；

其中，fx为所述成像镜头在X方向上的有效焦距，fy为所述成像镜头在Y方向上的有效焦距，f1_x为所述第一透镜在X方向上的有效焦距，f1_y为所述第一透镜在Y方向上的有效焦距，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，f4为所述第四透镜的有效焦距。

4.如权利要求2所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜为自由曲面透镜。

5.如权利要求1至4任一所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面为凸面、像侧面为凸面；所述第二透镜的物侧面为凹面、像侧面为凸面；所述第三透镜的物侧面为凹面、像侧面在光轴处为凸面；所述第四透镜的物侧面在光轴处为凸面、像侧面在光轴处为凹面。

6.如权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头在X方向上的有效焦距小于Y方向上的有效焦距。

7.如权利要求6所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头在X方向上的有效焦距fx＝2.85mm，Y方向上的有效焦距fy＝3.52mm。

8.如权利要求1至4任一所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头还包括光阑，设置在所述第一透镜的物侧或像侧；和/或

所述成像镜头还包括用于滤除背景光或杂散光的滤光片，设置在所述第四透镜的像侧。

9.一种成像模组，其特征在于，包括：

如权利要求1至8任一项所述的成像镜头；

图像传感器，设置于所述成像镜头的像侧。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

发射模组，用于向目标发射光束；

如权利要求9所述的成像模组，用于接收所述目标反射回的至少部分所述光束。