CN219916060U - 一种透镜系统、成像模组及tof深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种透镜系统、成像模组及TOF深度相机，透镜系统从物侧至像侧依次包括：第一透镜，具有正光焦度，第一透镜朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凹面；第二透镜，具有负光焦度，第二透镜朝向物侧的表面为凸面，朝向像侧的表面为凹面；以及，第三透镜，具有正光焦度，第三透镜朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凸面；其中，第一透镜、第二透镜以及第三透镜均为塑料透镜。采用本设计配置的透镜系统，结构简单，优化了光学设计MTF指标，FOV视场角达到了85°，达到了广角镜头的水平；且对温度变化不敏感，在‑40℃‑85℃的温度范围内后焦改变量不明显，抗温漂性能好，成本较低，可以满足AR及国产手机市场应用要求的红外接收镜头。

Description

一种透镜系统、成像模组及TOF深度相机

技术领域

本实用新型涉及深度相机技术领域，尤其涉及一种透镜系统、成像模组及TOF深度相机。

背景技术

在相关技术中，TOF红外接收模组的红外镜头，例如IPhone 12后摄的D-TOF接收镜头和P50后摄I-TOF接收镜头等，都是采用四片全塑料透镜，模具开发费较高，镜头材料成本也较高，工作环境温度范围较窄；且其FOV(field angle of view，视场角)普遍较小，不能满足AR及国产手机市场应用等大视角要求(FOV>80°)。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种透镜系统、成像模组及TOF深度相机，旨在解决相关技术中红外镜头的镜头材料成本较高、视场角较小的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型第一方面提供了一种透镜系统，透镜系统从物侧至像侧依次包括：第一透镜，具有正光焦度，第一透镜朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凹面；第二透镜，具有负光焦度，第二透镜朝向物侧的表面为凸面，朝向像侧的表面为凹面；以及，第三透镜，具有正光焦度，第三透镜朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凸面；其中，第一透镜、第二透镜以及第三透镜均为塑料透镜。

在一些实施例中，第一透镜、第二透镜以及第三透镜的透镜材料折射率满足如下条件：1.6<Nd1，Nd2，Nd3<1.7；其中，Nd1表示第一透镜的透镜材料折射率，Nd2表示第二透镜的透镜材料折射率，Nd3表示第三透镜的透镜材料折射率。第一透镜、第二透镜以及第三透镜的曲率半径满足如下条件：1<r1/r2<2；7<r4/r5<8；-2<r6/r7<-1；其中，在沿物侧至像侧方向上，r1和r2分别表示第一透镜的第一个面和第二个面的曲率半径，r4和r5分别表示第二透镜的第一个面和第二个面的曲率半径，r6和r7分别表示第三透镜的第一个面和第二个面的曲率半径。第一透镜、第二透镜以及第三透镜的焦距满足如下条件：5<f1/f<6；-3<f2/f<-2；0.5<f3/f<1.5；-4<f12<-3；0.5<f23<1.5；1<f<2；其中，f表示系统的有效焦距，f1、f2和f3分别表示第一透镜、第二透镜和第三透镜的有效焦距；f12表示第一透镜和第二透镜的组合焦距，f23表示第二透镜和第三透镜的组合焦距。第一透镜、第二透镜以及第三透镜的阿贝数满足如下条件：20<Vd1，Vd2，Vd3<30；其中，Vd1、Vd2和Vd3分别表示第一透镜、第二透镜和第三透镜的透镜材料的阿贝数。透镜系统的光学总长满足如下条件：TTL<2.4mm；其中，TTL表示透镜系统在光轴上的总长度。

在一些实施例中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的两侧面均为非球面。

在一些实施例中，透镜系统还包括设置在第一透镜和第二透镜之间的光阑，且光阑与第一透镜的距离大于光阑与第二透镜的距离。

本实用新型第二方面提供了一种成像模组，包括图像传感器、滤光片以及如上述的透镜系统，滤光片位于第三透镜背离第二透镜的一侧，滤光片用于滤除背景光或杂散光；图像传感器位于滤光片背离第三透镜的一侧，图像传感器用于接收由目标对象反射回的散斑图案。

本实用新型第二方面提供了一种TOF深度相机，包括投影模组、处理器以及如上述的成像模组，处理器电连接于投影模组和成像模组，投影模组包括由一个或多个激光器组成的投射光源，投影模组用于向目标对象投射经编码的散斑图像，处理器用于计算光束从发射到接收的飞行时间。

本实用新型中一种透镜系统、成像模组及TOF深度相机与相关技术相比，有益效果在于：采用本设计配置的透镜系统，结构简单，优化了光学设计MTF指标，FOV视场角达到了85°，达到了广角镜头的水平；且对温度变化不敏感，在-40℃-85℃的温度范围内后焦改变量不明显，抗温漂性能好；且由于第一透镜、第二透镜以及第三透镜均为塑料透镜，成本较低，制造公差相对比较宽松，容易实现量产，可以满足AR及国产手机市场应用要求的红外接收镜头。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例TOF深度相机的原理框图；

图2是本实用新型实施例透镜系统的光路系统示意图；

图3是本实用新型实施例透镜系统的调制传递函数(MTF)在常温下的示意图；

图4a是本实用新型实施例透镜系统在-40℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4b是本实用新型实施例透镜系统在-20℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4c是本实用新型实施例透镜系统在0℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4d是本实用新型实施例透镜系统在25℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4e是本实用新型实施例透镜系统在40℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4f是本实用新型实施例透镜系统在60℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4g是本实用新型实施例透镜系统在70℃下中心焦点离焦状况示意图；

图4h是本实用新型实施例透镜系统在85℃下中心焦点离焦状况示意图；

图5是本实用新型实施例透镜系统在常温下的畸变(Distortion)与场曲(FieldCurvature)示意图；

图6是本实用新型实施例透镜系统在常温下各视场主光线(Chief)及上光线(Upper)下光线(Lower)角度示意图；

图7是本实用新型实施例透镜系统在常温下各视场及周边相对照度RI示意图。

在附图中，各附图标记表示：10、投影模组；101、投射光源；102、发射光学元件；103、衍射光学元件；20、处理器；30、成像模组；301、图像传感器；302、滤光片；303、接收光学元件；40、光阑；L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“周向”、“径向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：

请参阅图1，本实用新型实施例提供了一种TOF深度相机，包括投影模组10、处理器20以及成像模组30。其中，投影模组10和成像模组30一般以一定的基线距离安装在支架上；投影模组10包括由一个或多个激光器组成的投射光源101，以用于向目标对象投射经编码的散斑图像，经目标空间中的目标对象反射回成像模组30；成像模组30用于采集反射回的散斑图案中的光束并形成电信号；处理器20电连接于投影模组10和成像模组30，处理器20用于根据电信号计算光束从发射到接收的飞行时间，以获取目标对象的距离。

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30可以为与投射光源101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，投影模组10还包括有衍射光学元件103，衍射光学元件103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。

请参阅图1，成像模组30包括图像传感器301、滤光片302以及接收光学元件303。接收光学元件303用于接收由目标对象反射回的至少部分散斑图案并将至少部分散斑图案引导至图像传感器301上，图像传感器301用于接收由目标对象反射回的散斑图案；滤光片302用于滤除背景光或杂散光。在一个实施例中，接收光学元件303包括有透镜系统。

请参阅图2，本实用新型实施例提供了一种透镜系统，透镜系统从物侧至像侧依次包括第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3。第一透镜L1具有正光焦度，第一透镜L1朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凹面；第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜L2朝向物侧的表面为凸面，朝向像侧的表面为凹面；第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜L3朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凸面；其中，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3均为塑料透镜。

采用本设计配置的透镜系统，结构简单，优化了光学设计MTF(ModulationTransfer Function)指标，FOV视场角达到了85°，达到了广角镜头的水平；且对温度变化不敏感，在-40℃-85℃的温度范围内后焦改变量不明显，抗温漂性能好；且由于第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3均为塑料透镜，成本较低，制造公差相对比较宽松，容易实现量产，可以满足AR及国产手机市场应用要求的红外接收镜头。

需要说明的是，塑料透镜的材质可以是PMMA(PolymethylMethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃，俗称：亚克力)、PC(Polycarbonate，聚碳酸脂)、APEL5014(环烯烃共聚物)等材料。滤光片302位于第三透镜L3背离第二透镜L2的一侧，图像传感器301位于滤光片302背离第三透镜L3的一侧。

在一个实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3的透镜材料折射率满足如下条件：

1.6<Nd1，Nd2，Nd3<1.7；

其中，Nd表示透镜材料的在d-line(587nm)的折射率，Nd1表示第一透镜L1的透镜材料折射率，Nd2表示第二透镜L2的透镜材料折射率，Nd3表示第三透镜L3的透镜材料折射率。当第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3满足如上条件时，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3均由高折射率材料制成，使得透镜系统的折射率较高。

在一个实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3的曲率半径满足如下条件：

1<r1/r2<2；

7<r4/r5<8；

-2<r6/r7<-1；

其中，在沿物侧至像侧方向上，r1和r2分别表示第一透镜L1的第一个面和第二个面的曲率半径(单位：mm)，r4和r5分别表示第二透镜L2的第一个面和第二个面的曲率半径(单位：mm)，r6和r7分别表示第三透镜L3的第一个面和第二个面的曲率半径(单位：mm)。

在一个实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3的焦距满足如下条件：

5<f1/f<6；

-3<f2/f<-2；

0.5<f3/f<1.5；

-4<f12<-3；

0.5<f23<1.5；

1<f<2；

其中，f表示系统的有效焦距，f1、f2和f3分别表示第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的有效焦距；f12表示第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距，f23表示第二透镜L2和第三透镜L3的组合焦距。

在一个实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3的阿贝数满足如下条件：

20<Vd1，Vd2，Vd3<30；

其中，Vd1、Vd2和Vd3分别表示第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的透镜材料的阿贝数。

应当理解的是，当透镜系统中各透镜的曲率半径、焦距及阿贝数满足上述条件时，可以达到广角与低畸变、低温飘、低杂光干扰效果，结构紧凑，同时可以获得大光圈图像。如图3至图7所示，FOV视场角达到了85度，达到了广角镜头的水平，光学畸变小于10％，符合TOF接收镜头的技术要求，相对照度达到52％，光圈FNO为1.4，有效焦距(EFL)为0.75mm；温度变化不敏感，抗温漂结构；最大CRA(Chief Ray Angle)为15度，周边相对照度全视场大于70％，MTF性能有较大提升。

透镜系统的光学总长满足如下条件：

TTL<2.4mm；

其中，TTL表示透镜系统在光轴上的总长度。当透镜系统满足如上条件时，可以使得在一定的焦距范围内，透镜系统具有足够的视野，从而保证其成像范围；同时使得采集模组既不会太长也不会太短，有利于降低设计难度和制造难度。

第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的两侧面均为非球面。具体的，第一透镜L1和第二透镜L2均为弯月形正透镜，第三透镜L3为双凸面正透镜；非球面通过如下的数学式表示：

其中，Z为光轴方向，R为表面曲率半径，Y为表面与光轴正交的高度，K为圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为非球面系数。

透镜系统还包括设置在第一透镜L1和第二透镜L2之间的光阑40，且光阑40与第一透镜L1的距离大于光阑40与第二透镜L2的距离，即光阑40更靠近第二透镜L2，光阑40可以提高透镜系统的FOV，同时，有利于进一步实现温漂平衡，且便于加工。

接下来将具体提供一种本实用新型的透镜系统的设计参数，可以理解的是，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之后是显而易见的，因此也属于本实用新型的范围内。为了便于后续描述，将投射光源101的表面表示为S0，图案生成器的表面表示为S9。

表1示出一种示例性的透镜系统表面系数：

【表1】

表2示出一种示例性的透镜系统非球面系数：

【表2】

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85°，焦距EFL为0.735mm，光圈FNO为1.4，光学总长TTL为2.4mm，最大半像高为0.8mm，最大光学畸变小于10％,周边相对照度52％，适用于925-955nm红外接收光波段。

如图4a-图4h所示，图中各坐标X轴是焦点偏离量mm，Y轴为光学传递函数，峰值偏离X轴中心越小抗温漂越好，从图中可以看出，本透镜系统在-40°到85°抗温漂特性均比较好。

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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透镜系统，其特征在于，所述透镜系统从物侧至像侧依次包括：

第一透镜，具有正光焦度，所述第一透镜朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凹面；

第二透镜，具有负光焦度，所述第二透镜朝向物侧的表面为凸面，朝向像侧的表面为凹面；以及，

第三透镜，具有正光焦度，所述第三透镜朝向物侧的表面和朝向像侧的表面均为凸面；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为塑料透镜。

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、所述第二透镜以及所述第三透镜的透镜材料折射率满足如下条件：

1.6<Nd1，Nd2，Nd3<1.7；

其中，Nd1表示第一透镜的透镜材料折射率，Nd2表示第二透镜的透镜材料折射率，Nd3表示第三透镜的透镜材料折射率。

3.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、所述第二透镜以及所述第三透镜的曲率半径满足如下条件：

1<r1/r2<2；

7<r4/r5<8；

-2<r6/r7<-1；

其中，在沿物侧至像侧方向上，r1和r2分别表示所述第一透镜的第一个面和第二个面的曲率半径，r4和r5分别表示所述第二透镜的第一个面和第二个面的曲率半径，r6和r7分别表示所述第三透镜的第一个面和第二个面的曲率半径。

4.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、所述第二透镜以及所述第三透镜的焦距满足如下条件：

5<f1/f<6；

-3<f2/f<-2；

0.5<f3/f<1.5；

-4<f12<-3；

0.5<f23<1.5；

1<f<2；

其中，f表示系统的有效焦距，f1、f2和f3分别表示所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的有效焦距；f12表示所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距，f23表示所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距。

5.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、所述第二透镜以及所述第三透镜的阿贝数满足如下条件：

20<Vd1，Vd2，Vd3<30；

其中，Vd1、Vd2和Vd3分别表示所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的透镜材料的阿贝数。

6.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的光学总长满足如下条件：

TTL<2.4mm；

其中，TTL表示所述透镜系统在光轴上的总长度。

7.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、所述第二透镜和所述第三透镜的两侧面均为非球面。

8.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统还包括设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间的光阑，且所述光阑与所述第一透镜的距离大于所述光阑与所述第二透镜的距离。

9.一种成像模组，其特征在于，包括图像传感器、滤光片以及如权利要求1-8中任一项所述的透镜系统，所述滤光片位于所述第三透镜背离所述第二透镜的一侧，所述滤光片用于滤除背景光或杂散光；所述图像传感器位于所述滤光片背离所述第三透镜的一侧，所述图像传感器用于接收由目标对象反射回的散斑图案。

10.一种TOF深度相机，其特征在于，包括投影模组、处理器以及如权利要求9所述的成像模组，所述处理器电连接于所述投影模组和所述成像模组，所述投影模组包括由一个或多个激光器组成的投射光源，所述投影模组用于向目标对象投射经编码的散斑图像，所述处理器用于计算光束从发射到接收的飞行时间。