CN220381365U - 散斑投射光学系统及摄像设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种散斑投射光学系统及摄像设备，其特征在于，包括点阵面光源和透镜系统，透镜系统包括沿点阵面光源的光线出射方向依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，光线从点阵面光源出射并依次穿过第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜和第三透镜具有负光焦度，第二透镜和第四透镜具有正光焦度，可实现投射出更为均匀的散斑，而且可实现大视场角、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散斑质量。

Description

散斑投射光学系统及摄像设备

技术领域

本申请属于光学设备技术领域，具体涉及一种散斑投射光学系统及摄像设备。

背景技术

现有的散斑光源如图1所示，是由垂直腔面发射激光器7(VCSEL)、准直镜8和光学衍射元件9(DOE)构成，图像散斑视场覆盖区域是由光学衍射元件(DOE)对中心散斑区块进行复制扩展得到，但由于光学衍射元件(DOE)受器件本身透过率和衍射效率的影响，能量损失很严重，同时会产生较大的畸变现象，导致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

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种散斑投射光学系统及摄像设备，能够提高深度图的均匀性。

为了解决上述问题，本申请提供了一种散斑投射光学系统，包括点阵面光源和透镜系统，所述透镜系统包括沿所述点阵面光源的光线出射方向依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，光线从所述点阵面光源出射并依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜；

其中，所述第一透镜和所述第三透镜具有负光焦度，所述第二透镜和所述第四透镜具有正光焦度。

可选的，f1为第一透镜的有效焦距；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；

则-10<f1<0；0<f2<5；-5<f3<0；0<f4<10。

可选的，f为所述透镜系统的有效焦距；Nd为透镜材料的折射率；Vd为透镜材料的阿贝数；TL为光轴上发光面至出光面中心的距离；

则1.50<Nd<1.90；20<Vd<65；0.1<f/TL<0.9。

可选的，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为非球面透镜。

可选的，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的入射面和出射面均为非球面。

可选的，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为塑料材质制成。

可选的，定义Z为透镜的矢高；h为以透镜表面顶点作为参考的位置值；c为透镜表面靠近光轴的曲率；R为透镜表面靠近光轴的曲率半径；h为透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数；A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为高阶非球面系数；

则

可选的，所述散斑投射光学系统的最大视场角为80°，最大成像圆尺寸为1.6～1.8mm，有效焦距为1.05～1.07mm，中心视场的孔径角大于32°，边缘视场的孔径角大于22°，相对照度大于58％，最大远心角小于1°。

可选的，所述第三透镜与所述第四透镜之间的光路上设置有光阑。

本申请的另一方面，提供了一种摄像设备，包括如上述的散斑投射光学系统。

有益效果

本实用新型的实施例中所提供的一种散斑投射光学系统及摄像设备，通过设置第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，并将第一透镜和第三透镜设置为具有负光焦度，且将第二透镜和第四透镜设置为具有正光焦度，能够使得点阵面光源出射的光线经由第一透镜发散入射第二透镜，并经由第二透镜会聚入射第三透镜，再经由第一透镜发散入射第四透镜，最后经由第四透镜会聚即可实现投射出更为均匀的散斑，而且可实现大视场角、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散斑质量。

附图说明

图1为现有技术中的散斑投射光学系统的结构示意图；

图2为本申请实施例的散斑投射光学系统的结构示意图；

图3为本申请实施例的散斑投射光学系统的光路示意图；

图4为本申请实施例的散斑投射光学系统的投射散斑示意图；

图5为本申请实施例的散斑投射光学系统的接收端示意图；

图6为本申请实施例的散斑投射光学系统的调制传递函数示意图；

图7为本申请实施例的散斑投射光学系统的场曲曲线示意图；

图8为本申请实施例的散斑投射光学系统的畸变曲线示意图；

图9为本申请实施例的散斑投射光学系统的畸变网格示意图；

图10为本申请实施例的散斑投射光学系统的相对照度曲线示意图。

附图标记表示为：

1、点阵面光源；2、第一透镜；3、第二透镜；4、第三透镜；5、第四透镜；6、光阑；7、现有技术中的垂直腔面发射激光器；8、现有技术中的准直镜；9、现有技术中的光学衍射元件。

具体实施方式

在本申请的描述中，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”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”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，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，或一体地连接；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。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。

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

结合参见图2至图10所示，根据本申请的实施例，提供了一种散斑投射光学系统，包括点阵面光源1和透镜系统，透镜系统包括沿点阵面光源1的光线出射方向依次排布的第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5，光线从点阵面光源1出射并依次穿过第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5，其中，第一透镜2和第三透镜4具有负光焦度，第二透镜3和第四透镜5具有正光焦度。通过设置第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5，并将第一透镜2和第三透镜4设置为具有负光焦度，且将第二透镜3和第四透镜5设置为具有正光焦度，能够使得点阵面光源1出射的光线经由第一透镜2发散入射第二透镜3，并经由第二透镜3会聚入射第三透镜4，再经由第一透镜2发散入射第四透镜5，最后经由第四透镜5会聚即可实现投射出更为均匀的散斑，而且可实现大视场角、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散斑质量。

如图2所示，阵面光源、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5从左向右依次排布。

其中，点阵面光源1可以为激光点阵面光源，点阵面光源1用于向第一透镜2所在侧出射光线。

f1为第一透镜2的有效焦距；f2为第二透镜3的有效焦距；f3为第三透镜4的有效焦距；f4为第四透镜5的有效焦距，则-10<f1<0；0<f2<5；-5<f3<0；0<f4<10。进一步保证了射出的散斑具有良好的均匀性，减小畸变，同时扩大了视场角。

f为透镜系统的有效焦距；Nd为透镜材料的折射率；Vd为透镜材料的阿贝数；TL为光轴上发光面至出光面中心的距离，则1.50<Nd<1.90；20<Vd<65；0.1<f/TL<0.9。进一步提高了射出的散斑具有良好的均匀性，减小畸变，同时扩大了视场角。

其中，Nd为透镜材料对于D光的折射率，D光指波长为589.3nm的光。第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5为非球面透镜，在保证散斑均匀性的同时，进一步扩大了视场角，提高了成像质量。

具体的，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5的入射面和出射面均为非球面。

其中，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5为塑料材质制成。

本实施例中，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5均为塑料材质制成的非球面透镜。

定义Z为透镜的矢高；h为以透镜表面顶点作为参考的位置值；c为透镜表面靠近光轴的曲率；R为透镜表面靠近光轴的曲率半径；h为透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数；A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为高阶非球面系数；

则

其中，透镜的矢高中的透镜包括第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5。

其中，光轴方向为Z，也即Z轴，矢高即为透镜表面上点向Z轴引垂线，垂线到镜片中心的距离。

其中，c为R的倒数，也即c＝1/R。

其中，散斑投射光学系统的最大视场角为80°，最大成像圆尺寸为1.6～1.8mm，有效焦距为1.05～1.07mm，中心视场的孔径角大于32°，边缘视场的孔径角大于22°，相对照度大于58％，最大远心角小于1°。

具体的，最大成像圆尺寸为1.7mm。有效焦距为1.06mm。

本实施例中，以散斑投射光学系统的最大视场角为80°，最大成像圆尺寸是1.7mm，有效焦距为1.06mm，光圈FNO为1.7，光学总长为TTL＝4.5mm，最大半物高为0.85mm，适用于930～950nm红外激光波段为例，基于上述公式，可计算得到具体表面系数如下表1所示：

表1

基于上述公式计算得到非球面系数如下表2所示：

表2

表1和表2中，S0为点阵面光源1表面，S1为第一透镜2靠近点阵面光源1的表面，S2为第一透镜2远离点阵面光源1的表面，S3为第二透镜3靠近点阵面光源1的表面，S4为第二透镜3远离点阵面光源1的表面，S5为第三透镜4靠近点阵面光源1的表面，S6为第三透镜4远离点阵面光源1的表面，S8为第四透镜5靠近点阵面光源1的表面，S9为第四透镜5远离点阵面光源1的表面，S10为目标物体，不限制距离。

第三透镜4与第四透镜5之间的光路上设置有光阑6，能够实现控制光线的传播和进入系统的数量，从而影响成像的亮度、景深和分辨率等参数。

本实施例的另一方面，提供了一种摄像设备，包括如上述的散斑投射光学系统。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种散斑投射光学系统，其特征在于，包括点阵面光源(1)和透镜系统，所述透镜系统包括沿所述点阵面光源(1)的光线出射方向依次排布的第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)和第四透镜(5)，光线从所述点阵面光源(1)出射并依次穿过所述第一透镜(2)、所述第二透镜(3)、所述第三透镜(4)和所述第四透镜(5)；

其中，所述第一透镜(2)和所述第三透镜(4)具有负光焦度，所述第二透镜(3)和所述第四透镜(5)具有正光焦度。

2.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，f1为第一透镜(2)的有效焦距；f2为第二透镜(3)的有效焦距；f3为第三透镜(4)的有效焦距；f4为第四透镜(5)的有效焦距；

则-10<f1<0；0<f2<5；-5<f3<0；0<f4<10。

3.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，f为所述透镜系统的有效焦距；Nd为透镜材料的折射率；Vd为透镜材料的阿贝数；TL为光轴上发光面至出光面中心的距离；

则1.50<Nd<1.90；20<Vd<65；0.1<f/TL<0.9。

4.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，所述第一透镜(2)、所述第二透镜(3)、所述第三透镜(4)和所述第四透镜(5)为非球面透镜。

5.根据权利要求4所述的散斑投射光学系统，其特征在于，所述第一透镜(2)、所述第二透镜(3)、所述第三透镜(4)和所述第四透镜(5)的入射面和出射面均为非球面。

6.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，所述第一透镜(2)、所述第二透镜(3)、所述第三透镜(4)和所述第四透镜(5)为塑料材质制成。

7.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，定义Z为透镜的矢高；h为以透镜表面顶点作为参考的位置值；c为透镜表面靠近光轴的曲率；R为透镜表面靠近光轴的曲率半径；h为透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数；A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为高阶非球面系数；

则

8.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，所述散斑投射光学系统的最大视场角为80°，最大成像圆尺寸为1.6～1.8mm，有效焦距为1.05～1.07mm，中心视场的孔径角大于32°，边缘视场的孔径角大于22°，相对照度大于58％，最大远心角小于1°。

9.根据权利要求1所述的散斑投射光学系统，其特征在于，所述第三透镜(4)与所述第四透镜(5)之间的光路上设置有光阑(6)。

10.一种摄像设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的散斑投射光学系统。