TW202305447A - 光學鏡頭 - Google Patents

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TW202305447A TW111125942A TW111125942A TW202305447A TW 202305447 A TW202305447 A TW 202305447A TW 111125942 A TW111125942 A TW 111125942A TW 111125942 A TW111125942 A TW 111125942A TW 202305447 A TW202305447 A TW 202305447A
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Abstract

本揭露的實施例提供一種光學鏡頭，其沿光線傳輸方向依次包括：透鏡，被配置為對入射到其入光面的入射光線進行折射，所述入射光線被折射為折射光線，所述透鏡的入光面位於所述透鏡的第一側，其中，所述入射光線為長波長的不可見光；以及介質，佈置在所述透鏡的第二側，並且被配置為在所述透鏡和所述介質的界面處對所述折射光線進行折射，其中，所述透鏡的折射率大於等於所述介質的折射率，並且所述介質的折射率大於空氣的折射率。

Description

光學鏡頭
本揭露涉及光學感測技術領域，更具體地，涉及光學鏡頭和光學感測系統。
飛行時間（Time Of Flight，TOF）探測技術是指透過探測紅外光脈衝的飛行（往返）時間實現目標物體定位的一種技術，由於該技術具備抗干擾性強、每秒傳輸幀數刷新率高等特性，在人臉識別、立體成像、體感交互等方面具有獨特的優勢。
隨著TOF探測技術的飛速發展，TOF光學鏡頭在智慧手機、平板電腦、電子閱讀器等電子設備中的應用也越來越廣泛，業界對TOF光學鏡頭的要求也越來越高。一方面，隨著電子產品的超高清以及輕薄短小化趨勢，要求配置在電子產品上的TOF光學鏡頭具有體積小的特點；另一方面，由於TOF探測技術最象徵性的功能是測量景深等數據資訊，因此要求TOF光學鏡頭具有廣視角等特點，以滿足對更大的場景範圍進行探測的需求。
然而，現有的TOF光學鏡頭大多採用玻璃透鏡，玻璃的折射率較低，導致TOF光學鏡頭的視場角較小，光學感測器經由光學鏡頭接收的光線範圍小，捕獲場景資訊少。且目前針對擴大光學鏡頭視場角的研究，大多集中在如何設計玻璃透鏡組以擴大光學鏡頭的視場角，但採用複雜的玻璃透鏡組將導致光學鏡頭體積、重量增大。因此，需要一種能夠接收特定波段光，結構簡單並且具有較大的視場角的光學鏡頭，以捕獲更大角度的場景資訊，滿足對更大的場景範圍進行探測的需求。
為了解決上述問題，本揭露透過在光學鏡頭中設置透鏡，並在透鏡後填充或形成折射率小於等於透鏡的介質，從而擴大了接收特定波段光的光學鏡頭的視場角，能夠捕獲更大角度的場景資訊，滿足對更大的場景範圍進行探測的需求。
本揭露的實施例提供了一種光學鏡頭，其沿光線傳輸方向依次包括：透鏡，被配置為對入射到其入光面的入射光線進行折射，所述入射光線被折射為折射光線，所述透鏡的入光面位於所述透鏡的第一側，其中，所述入射光線為長波長的不可見光；以及介質，佈置在所述透鏡的第二側，並且被配置為在所述透鏡和所述介質的界面處對所述折射光線進行折射，其中，所述透鏡的折射率大於等於所述介質的折射率，並且所述介質的折射率大於空氣的折射率。
根據本揭露實施例，所述透鏡為正透鏡，所述正透鏡為菲涅爾透鏡。
根據本揭露實施例，所述透鏡的第一側為凸面和/或具有臺階結構，且所述透鏡的第二側為平面且與所述介質的第一側貼合。
根據本揭露實施例，所述透鏡的折射率大於第一值。
根據本揭露實施例，所述不可見光為波長大於1微米的光，所述透鏡對所述不可見光的穿透率高於第二值。
根據本揭露實施例，所述光學鏡頭的視場角大於第三值。
根據本揭露實施例，所述第一值為3.5，所述第二值為55%，所述第三值為60度。
根據本揭露實施例，所述透鏡為以下任一種：矽透鏡、鍺透鏡、磷化鎵透鏡、磷化銦透鏡、硫化鉛透鏡。
根據本揭露實施例，所述介質包括：第一介質和第二介質；所述第一介質位於所述透鏡和所述第二介質之間，被配置為在所述透鏡和所述第一介質的界面處對所述折射光線進行折射，所述折射光線被折射為第一透射光線並傳播至所述第一介質和所述第二介質的界面處；以及所述第二介質位於所述第一介質遠離所述透鏡一側，被配置為在所述第一介質和所述第二介質的界面處對所述第一透射光線進行折射，所述第一透射光線被折射為第二透射光線。
根據本揭露實施例，所述第一介質的折射率大於所述第二介質的折射率，且所述第二介質的折射率大於等於空氣的折射率。
根據本揭露實施例，所述第一介質為固體介質，所述第二介質為固體、液體或氣體介質。
根據本揭露實施例，所述介質為固體、液體或氣體介質。
根據本揭露實施例，所述介質為油或水。
根據本揭露實施例，所述光學鏡頭還包括：至少一個濾光層，其中，每個濾光層位於所述透鏡和所述介質之間、或位於所述介質遠離所述透鏡的一側、或位於所述透鏡遠離所述介質的一側。
本揭露的實施例還提供了一種光學感測系統，沿光線傳輸方向依次包括透鏡、介質、以及光學感測器：所述透鏡，被配置為對入射到其入光面的入射光線進行折射，所述入射光線被折射為折射光線，所述透鏡的入光面位於所述透鏡的第一側，其中，所述入射光線為長波長的不可見光；所述介質，佈置在所述透鏡的第二側，並且被配置為在所述透鏡和所述介質的界面處對所述折射光線進行折射，折射後的光線在所述介質中傳播，並在所述介質和所述光學感測器的界面處被折射為出射光線，所述透鏡位於所述介質的第一側；以及所述光學感測器，佈置在所述介質的第二側，被配置為接收所述出射光線，並且基於所述出射光線產生光學感測信號。
根據本揭露實施例，所述透鏡的折射率大於等於所述介質的折射率，並且所述介質的折射率大於空氣的折射率。
根據本揭露實施例，所述光學感測系統還包括：至少一個濾光層，其中，每個濾光層位於所述透鏡和所述介質之間、或位於所述介質遠離所述透鏡的一側、或位於所述透鏡遠離所述介質的一側。
根據本揭露實施例，在所述光學感測系統中，所述透鏡與所述光學感測器共軸。
透過本揭露的光學鏡頭和光學感測系統，能夠擴大接收特定波段光的光學鏡頭的視場角，捕獲更大角度的場景資訊，滿足對更大的場景範圍進行探測的需求。
為了使得本揭露的目的、技術方案和優點更為明顯，下面將參照圖式詳細描述根據本揭露的示例實施例。顯然，所描述的實施例僅僅是本揭露的一部分實施例，而不是本揭露的全部實施例，應理解，本揭露不受這裡描述的示例實施例的限制。
一般說來，術語“包括”與“包含”僅提示包括已明確指出的元件，而這些元件不構成一個排他性的列舉，設備也可能包含其他的元件。
在本說明書和圖式中，具有基本上相同或相似元件用相同或相似的圖式符號來表示，且對這些元件的重複描述將被省略。同時，在本揭露的描述中，術語“第一”、“第二”等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性或排序。
此外，在在本說明書和圖式中，所使用的“上”、“下”、“垂直”、“水平”等涉及方位或位置關係的術語僅用於方便描述根據本揭露的實施例，而無意將本揭露限制於此。因此不應理解為對本揭露的限制。
此外，在本說明書和圖式中，除非另有明確說明，“連接”或者“相連”等類似的詞語並非限定於直接連接，也可以是間接連接；“界面”等類似的詞語並非限定於直接形成界面，也可以是透過另一媒介形成界面。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本揭露的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的術語只是為了描述本發明實施例的目的，不是旨在限制本發明。
為便於描述本揭露，以下介紹與本揭露有關的概念。
飛行時間（Time Of Flight，TOF）探測技術採用主動光探測方式，向被測物體發射探測光波，光波遇到物體後反射回來，經光學鏡頭被光學感測器收集，光學感測器接收反射回的光波，並將接收的光波轉換為光學感測信號，光學感測系統透過計算發射和接收光波的脈衝差或時間差，從而計算被測物體與光學感測器間的距離。光學感測信號可以用於生成場景的圖像以支援多種應用，例如時差測距、深度感測、位置跟蹤等。
根據本揭露實施例，在光學感測系統中，以光學鏡頭的成像平面為頂點，以被測目標可透過光學鏡頭的最大範圍的兩條邊緣構成的夾角，稱為光學鏡頭的視場角（Field of view，FOV），其決定了光學感測器能夠成像的場景的角度範圍，光學鏡頭的視場角越大，光學感測系統的視場角就越大，光學感測器能夠接收更大範圍內被物體反射回來的光線，成像的場景的角度範圍更大，可以捕獲到更多的場景資訊。
綜上所述，本揭露的實施例提供的方案涉及飛行時間探測技術及視場角，下面將結合圖式對本揭露的實施例進行進一步地描述。
第1A圖和第1B圖示出了根據本揭露實施例的光學鏡頭100結構的示意圖。
如第1A圖所示，本揭露的實施例提供了一種光學鏡頭100，沿光線傳輸方向依次包括透鏡101和介質102。
所述透鏡101被配置為對入射到其入光面的入射光線103進行折射，所述入射光線在所述入光面上的入射點A處發生折射並被折射為折射光線104，所述透鏡的入光面位於所述透鏡的第一側，其中，所述入射光線103為長波長的不可見光，即，所述入射光線為波長長於可見光波長的不可見光。如第1A圖所示，所述透鏡的第一側為遠離所述介質102的一側，所述透鏡的第二側為靠近所述介質102的一側。
所述介質102佈置在所述透鏡101的第二側，並且被配置為在所述透鏡101和所述介質102的界面（下文中稱為第一界面）處對所述折射光線104進行折射。如第1A圖所示，所述介質102的第一側靠近所述透鏡101且作為所述介質102的入光面，所述透鏡101的第二側作為所述透鏡101的出光面，所述介質102的第二側遠離所述透鏡101且作為所述介質102的出光面。
應瞭解，所述折射光線104在所述第一界面上的點B處發生折射，折射後的光線在所述介質102中傳播，並在所述介質102的出光面處的點C再次發生折射，並被折射為出射光線106。
根據本揭露實施例，所述折射光線104在第一界面處被折射之後，折射後的光線在所述介質102中傳播，在此傳播期間，所述折射後的光線還可以被再次折射。例如，所述介質202可以由多層介質構成，那麼折射後的光線在所述介質202中傳播期間，可以在多層介質的界面處多次發生折射。
根據本揭露實施例，所述介質102可以為單層介質結構，或者可以包括第一介質和第二介質。在所述介質102為單層介質結構的情況下，如第1A圖所示，所述折射光線104在所述第一界面上的點B處發生折射並被折射為第一透射光線105，並且所述第一透射光線105在所述介質102的出光面處的點C被折射為出射光線106。
根據本揭露實施例，所述透鏡101的折射率大於等於所述介質102的折射率，並且所述介質102的折射率大於空氣的折射率。應瞭解，所述介質102的折射率可以為等效折射率，例如在所述介質102為單層介質結構的情況下，所述介質102的折射率為所述單層介質的折射率；在所述介質102包括第一介質和第二介質的情況下，所述介質102的折射率為雙層介質結構的等效折射率。所述等效折射率可以由第一介質的折射率和厚度、以及第二介質的折射率和厚度確定。
根據本揭露實施例，所述透鏡101的折射率大於第一值，所述第一值可以為2.5、3、3.5、4等，較佳地所述第一值為3.5。根據本揭露實施例，所述透鏡可以是包含矽材料的矽透鏡、包含鍺材料的鍺透鏡、包含磷化鎵材料的磷化鎵透鏡、包含磷化銦材料的磷化銦透鏡、包含硫化鉛材料的硫化鉛透鏡等。較佳地，所述透鏡是由矽材料製成的矽透鏡。
根據本揭露實施例，所述不可見光為波長大於1微米的光，所述透鏡對所述不可見光的穿透率高於第二值。例如，所述不可見光的波長可以為1微米到6微米，並且所述第二值可以為50%-60%。較佳地，所述第二值為55%。
根據本揭露實施例，所述透鏡101的折射率大於等於所述介質102的折射率，所述介質102的折射率大於空氣的折射率，並且所述光學鏡頭100的視場角大於第三值。例如，所述第三值為60度到120度之間。較佳地，所述第三值為60度。
例如，作為一個具體示例，在所述透鏡101的折射率大於所述介質102的情況下，所述透鏡101為矽透鏡，入射光線103為紅外光，其波長大於1微米，矽透鏡在波長大於1微米的光波段具有很好的透光性能，矽透鏡對於紅外光的穿透率大於55%且對於可見光的穿透率很低，由此可以高效地透過紅外光且同時有效地遮罩可見光。例如，矽透鏡的折射率約3.5，大於玻璃的折射率（約1.5），採用玻璃透鏡的光學鏡頭的視場角約為60度上的點B處再次發生折射，並被折射為第一透射光線105，根據折射定律，利用如下方程式計算第一透射光線105的折射角：
Figure 02_image001
（1） 其中，θ s為折射光線104與第一界面上的點B處的法線的夾角，即，相當於所述折射光線104向介質102的入光面入射的入射角，θ c為第一透射光線105與第一界面上的點B處的法線的夾角，即第一透射光線105在點B處的折射角，n s為透鏡101的折射率，n c為介質102的折射率。如第2A圖所示，所述第一界面上的點B處的法線由通過點B的虛線示出。
根據畢氏定理，利用如下方程式計算所述第一界面上的點B至出射光線106在介質102的出光面上的出射位置（即點C）的橫向距離H c：
Figure 02_image003
（2） 其中，d為介質102的厚度，θ s為折射光線104在點B處向介質102的入光面入射的入射角，θ c為第一透射光線105在點B處的折射角，n s為透鏡101的折射率，n c為介質102的折射率。
根據本揭露實施例，所述介質102為固體、液體或氣體介質。可選地，所述介質的厚度d大於所述透鏡的厚度。
根據本揭露實施例，介質102可以為玻璃、塑膠、樹脂、玻璃鋼、氣凝膠、水、油、醇、二氧化碳等材質，不同類型的介質102具有不同的折射率n c，且折射率n c均小於透鏡101的折射率n s。
例如，當介質102為玻璃時，折射率n c約為1.5，透鏡101折射率n s為3.5，介質厚度為d，可以計算第2A圖中所示的點B到點C之間的橫向距離H c為
Figure 02_image005
（3） 如前所述，第2A圖中的出射光線106可以是進入另一介質進行傳播，或可以直接照射到光學感測器上並由光學感測器進行感測。在該出射光線106直接照射到光學感測器上並由光學感測器進行感測的情況下，該出射光線106的傳輸長度非常短，甚至可以忽略。
根據本揭露實施例，在透鏡101的折射率等於所述介質102的折射率的情況下，θ_c的大小與θ_s相同，依照上述方程式亦可計算出第一界面上的點B至出射光線106在介質102的出光面上的出射位置（即點C）的橫向距離，且所述橫向距離更小於圖2A所示橫向距離H c。
在第2B圖中示出了在介質102的出光面處直接佈置光學感測器的情況下的成像位置的示意性圖示。
如第2B圖所示，如第2A圖中所示的點C可以近似為入射光線103在光學感測器上的成像點，並且可以將所述介質102與所述光學感測器之間的界面稱為第二界面，並且點C可以稱為第二界面上的點C。此時該成像點C與入射光線103的入射點A之間的距離可以被表示為點A到點B之間的橫向距離以及點B到點C之間的橫向距離之和。可以理解，在透鏡101的參數固定的情況下，點A到點B之間的橫向距離也是固定的，那麼成像點C與入射點A之間的距離則直接由點B到點C之間的橫向距離決定。
根據本揭露實施例，透過在透鏡101的下方佈置介質102且該介質102的折射率大於空氣的折射率，可以使得：與不佈置介質102的光學鏡頭相比，點B到點C之間的橫向距離減小，由此也減小了成像點C與入射點A之間的距離，由此在光學感測器尺寸固定的情況下，可以增大光學鏡頭100的視場角。
為了更清楚地展示本揭露實施例的方案的效果，在第2C圖中示出了不佈置介質102且與透鏡101的出光面相距d的位置處佈置光學感測器的情況下的成像位置的示意性圖示。
如第2C圖所示，折射光線104在所述第一界面上的點B發生折射並被折射為第一透射光線105，第一透射光線105透過空氣傳播，並且在第二界面上的點C處照射到光學感測器上。類似地，利用上述公式也可以計算第2C圖中的點B到點C之間的橫向距離H a為
Figure 02_image007
（4） 透過比較第2B圖和第2C圖、以及透過比較公式（3）和（4），可以看出：在填充介質102且介質102的折射率大於空氣折射率的情況下，點B至點C之間的橫向距離H c小於不填充介質時的橫向距離H a。
由此可見，在介質102的折射率n c大於空氣的折射率1的情況下，隨著n c的增大，橫向距離H c逐漸減小。因此，當光學感測器的尺寸固定（例如1cm*1cm的方形或半徑為1cm的圓形）、且透鏡的參數不變以及透鏡的出光面與光學感測器之間的距離（即d）不變時，在不填充介質102而直接提供空氣層的情況下，假設光學鏡頭的視場角為60°，在填充介質102之後，由於介質102的折射率n c大於空氣的折射率1，那麼橫向距離H c減小，即使得同一目標所形成的像減小，進而使得光學感測器可以對更大範圍內的目標進行成像，即使得光學鏡頭的視場角大於60°。換言之，在光學感測器的尺寸固定的情況下，隨著介質102的折射率n c的增大，光學鏡頭的視場角也增大。而且，在光學感測器的尺寸固定的情況下，透過適當設置透鏡101的參數以及介質102的折射率n c，還可以減小介質102的厚度d，從而更有助於降低電子產品的厚度。
具體地，在透鏡101的直徑固定的情況下，介質102的折射率n c越大，第一界面上的點B至第二界面上的點C的橫向距離H c越小，入射光線103經過光學鏡頭100後所成的像越小。那麼，在光學感測器的尺寸固定的情況下，則光學鏡頭100能夠接收的光線的角度範圍越大，即入射光線103的入射角度可以更大。因此，透過在透鏡101後填充介質102，可以增大光學鏡頭100的視場角。
返回第1B圖，對於第1B圖所示的透鏡的第一側具有臺階結構的情況，在介質102的出光面處直接佈置光學感測器的情況下，也可以類似計算第一界面上的點B至第二界面上的點C的橫向距離H c，並且同樣地，在光學感測器的尺寸固定的情況下，隨著介質102的折射率n c的增大，光學鏡頭的視場角也增大。而且，在光學感測器的尺寸固定的情況下，透過適當設置透鏡101的參數以及介質102的折射率n c，還可以減小介質102的厚度d，從而更有助於降低電子產品的厚度。
應瞭解，在第1A圖-第2B圖所示的光學鏡頭與光學感測器一起佈置的情況下，可以在介質的出光面處直接佈置光學感測器，也可以與介質間隔地佈置光學感測器（即，在介質與光學感測器之間存在空氣間隙）。在介質102與光學感測器之間存在空氣間隙的情況下，由於空氣的折射率小於介質102的折射率，在所述介質102的出光面處出射光線106會沿空氣間隙傳播，並使得在光學感測器上的成像位置相對於第2B圖的點C向左偏移一些，如第2C圖所示，從而使得所述光學鏡頭的視場角相較於不存在空氣間隙的情況略為減小。因此，為保持光學鏡頭的視場角盡可能大，所述空氣間隙的厚度（即介質102與光學感測器之間的距離）應較小。
第3圖示出了根據本揭露實施例的光學鏡頭100結構的另一示意圖。
如第3圖所示，根據本揭露實施例，所述介質102包括第一介質1021和第二介質1022；所述第一介質1021位於所述透鏡101和所述第二介質1022之間，被配置為在所述透鏡101和所述第一介質1021的界面處對所述折射光線104進行折射，所述折射光線104被折射為所述第一透射光線105，並且所述第一透射光線105傳播至所述第一介質1021和所述第二介質1022的界面（下文中稱為第三界面）處；以及所述第二介質1022位於所述第一介質1021遠離所述透鏡101的一側，被配置為在所述第三界面處對所述第一透射光線105進行折射，所述第一透射光線105被折射為第二折射光線107。
根據本揭露實施例，所述第一介質1021的折射率大於所述第二介質1022的折射率，並且所述第二介質1022的折射率大於等於空氣的折射率。
根據折射定律和畢氏定理，第3圖中的第一界面上的點B（第一透射光線105從第一介質1021的入光面開始傳播的點）到第三界面上的點D（第一透射光線105到達第一介質1021的出光面的點）之間的橫向距離H c1為
Figure 02_image009
（5） 其中，d 1為第一介質1021的厚度，θ s為折射光線104向第一介質1021的入光面入射的入射角，n s為透鏡101的折射率，n c1為第一介質1021的折射率。
根據折射定律和畢氏定理，第3圖中的第三界面上的點D（第二透射光線107從第二介質1022的入光面開始傳播的點）到第二界面上的點C（第二透射光線107到達第二介質1022的出光面的點）之間的橫向距離H c2為
Figure 02_image011
（6） 其中，d 2為第二介質1022的厚度，θ s為折射光線104向第一介質1021的入光面入射的入射角，n s為透鏡101的折射率，n c1為第一介質1021的折射率，n c2為第二介質1022的折射率。
則，第一界面上的點B至第二界面上的點C的橫向距離H c為
Figure 02_image013
（7）
根據本揭露實施例，所述第一介質1021為固體介質，所述第二介質1022為固體、液體或氣體介質。
具體地，第一介質1021可以為玻璃、塑膠、樹脂、玻璃鋼、氣凝膠等材質，第二介質1022可以為玻璃、塑膠、樹脂、玻璃鋼、氣凝膠、水、油、醇、二氧化碳等材質。
可選地，可以透過調整第一介質1021的厚度d 1、第一介質1021的材質、第二介質1022的厚度d 2、第二介質1022的材質來改變如第3圖中所示的第一界面上的點B到第二界面上的點C的橫向距離H c。在介質102的厚度d固定時，第一介質1021的厚度d 1越大，橫向距離H c越小。
此外，如參照第2A圖和第2B圖所描述的，出射光線106可以是進入另一介質進行傳播，或可以直接照射到光學感測器上並由光學感測器進行感測。在該出射光線106直接照射到光學感測器上並由光學感測器進行感測的情況下，該出射光線106的傳輸長度非常短，甚至可以忽略。儘管在第3圖中未明確示出光學感測器，應瞭解，在第二介質1022的下方可以佈置有光學感測器，在第二介質1022與光學感測器之間形成了第二界面，如第3圖中所示的第二界面上的點C可以近似為入射光線103在光學感測器上的成像點。此外，可選地，還可以與第二介質1022間隔地佈置光學感測器（即，在第二介質與光學感測器之間存在小的空氣間隙）。
基於上述，本揭露中，透過將介質分為第一介質和第二介質，可以透過調整第一介質和第二介質的厚度，調整光學鏡頭的視場角。
此外，根據本揭露實施例，所述光學鏡頭還可以包括至少一個濾光層，每個濾光層可以被設置來濾除特定波長的光，使得光學感測器對紅外光的檢測更為準確。所述至少一個濾光層可以一起佈置，或者可以分離地佈置。每個濾光層可以位於所述透鏡和所述介質之間、或可以位於所述介質遠離所述透鏡的一側、或可以位於所述透鏡遠離所述介質的一側。
應瞭解，在本揭露實施例中描述的入射光線、折射光線、第一透射光線、第二透射光線和出射光線用於指代同一光線的不同傳輸階段，以上術語僅用於對光線的不同傳輸階段進行區分，並不意圖指示不同的光線。
第4A圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統200的結構示意圖。
如第4A圖所示，本揭露的實施例提供了一種光學感測系統200，沿光線傳輸方向依次包括透鏡201、介質202、以及光學感測器203。
所述透鏡201被配置為對入射到其入光面的入射光線204進行折射，所述入射光線204在所述入光面上的入射點A處發生折射並被折射為折射光線205，所述透鏡的入光面位於所述透鏡201的第一側，其中，所述入射光線204為長波長的不可見光，即，所述入射光線為波長長於可見光波長的不可見光。如第4A圖所示，所述透鏡201的第一側為遠離所述介質202的一側，所述透鏡201的第二側為靠近所述介質202的一側。
所述介質202佈置在所述透鏡201的第二側，並且被配置為在所述透鏡201和所述介質202的界面（下文中稱為第一界面）處對所述折射光線205進行折射，折射後的光線在所述介質202中傳播，並在所述介質202和所述光學感測器203的界面（下文中稱為第二界面）處被折射為出射光線207。如第4A圖所示，所述介質202的第一側靠近所述透鏡201且作為所述介質202的入光面，所述透鏡201的第二側作為所述透鏡201的出光面，所述介質202的第二側遠離所述透鏡201且作為所述介質202的出光面。
根據本揭露實施例，所述折射光線205在第一界面處被折射之後，折射後的光線在所述介質202中傳播，在此傳播期間，所述折射後的光線還可以被再次折射。例如，所述介質202可以由多層介質構成，那麼折射後的光線在所述介質202中傳播期間，可以在多層介質的界面處多次發生折射。
根據本揭露實施例，所述介質202可以為單層介質結構，或者可以包括第一介質和第二介質。在所述介質202為單層介質結構的情況下，如第4A圖所示，所述折射光線205在所述第一界面上的點B處發生折射並被折射為第一透射光線206，並且所述第一透射光線206在所述介質202和所述光學感測器203的界面（下文中稱為第二界面）處被折射為出射光線207。
所述光學感測器203佈置在所述介質202的第二側，被配置為接收所述出射光線207，並且基於所述出射光線207產生光學感測信號。
根據本揭露實施例，所述透鏡201的折射率大於等於所述介質202的折射率，並且所述介質202的折射率大於空氣的折射率。應瞭解，所述介質202的折射率為等效折射率，例如在所述介質202可以為單層介質結構的情況下，所述介質202的折射率為所述單層介質的折射率；在所述介質202包括第一介質和第二介質的情況下，所述介質202的折射率為雙層介質結構的等效折射率。所述等效折射率可以由第一介質的折射率和厚度、以及第二介質的折射率和厚度確定。
根據本揭露實施例，所述透鏡201的折射率大於第一值，所述第一值可以為2.5、3、3.5、4等，較佳地所述第一值為3.5。根據本揭露實施例，所述透鏡201可以是包含矽材料的矽透鏡、包含鍺材料的鍺透鏡、包含磷化鎵材料的磷化鎵透鏡、包含磷化銦材料的磷化銦透鏡、包含硫化鉛材料的硫化鉛透鏡等。較佳地，所述透鏡是由矽材料製成的矽透鏡。
根據本揭露實施例，所述不可見光為波長大於1微米的光，所述透鏡201對所述不可見光的穿透率高於第二值。例如，所述不可見光的波長可以為1微米到6微米，並且所述第二值可以為50%-60%。較佳地，所述第二值為55%。
根據本揭露實施例，所述光學感測系統200的視場角大於第三值。例如，所述第三值為60度到120度之間。較佳地，所述第三值為60度。
根據本揭露實施例，所述透鏡201為正透鏡。可選地，所述透鏡201可以是雙凸正透鏡、平凸正透鏡或凹凸正透鏡，且對光線有匯聚能力。較佳地，所述透鏡201的第一側為凸面，第二側為凸面、平面或凹面。
根據本揭露實施例，所述透鏡201可以為菲涅爾透鏡，沿光線傳輸方向依次為菲涅爾透鏡的紋理面和平面，即所述菲涅爾透鏡的第一側為紋理面，第二側為平面。由於菲涅爾透鏡更輕薄，因此可以避免出現光線邊角變暗、模糊的現象。
根據本揭露實施例，所述透鏡201的第一側為凸面和/或具有臺階結構，且所述透鏡201的第二側為平面且與所述介質202的第一側貼合。例如，所述透鏡201的第二側與所述介質202的第一側之間的貼合可以是直接貼合，或者透過粘接劑貼合。如第4B圖所示，其示出的光學感測系統中的透鏡201’具有臺階結構。應瞭解，臺階結構的透鏡201’相較於凸面的透鏡201的生產工藝更為簡單，更易製作，有利於降低生產成本。
根據本揭露實施例，透過設置所述透鏡和所述介質的折射率和厚度，使得所述光學感測系統200的視場角大於所述第三值。
根據本揭露實施例，可選地，在所述透鏡201、201’的入光面可鍍有單層或多層增透膜，減少入射光線204的反射，增大所述透鏡201、201’的透光率。
根據本揭露實施例，所述透鏡201與所述光學感測器203共軸，從透鏡201入射的光線經過透射，可以在光學感測器203上成像。
基於上述，根據本揭露實施例，透過在光學感測系統中沿著光線的傳播方向依序包括具有大折射率的透鏡和具有相對於透鏡較小折射率的介質，長波長的入射光入射到所述透鏡的入光面，沿著光線的傳播方向，所述長波長的入射光依序被所述透鏡的入光面、所述透鏡與所述介質之間的界面、所述介質的出光面折射，最終被折射為出射光線，由此擴大了光學鏡頭對於所述長波光的入射光線的視場角。
應瞭解，可以參照第3圖所示地設置第4A圖和第4B圖中的介質202，即所述介質202可以包括第一介質和第二介質，其中所述第一介質位於所述透鏡和所述第二介質之間，所述第二介質位於所述第一介質遠離所述透鏡一側，所述第一介質的折射率大於所述第二介質的折射率，並且所述第二介質的折射率大於等於空氣的折射率。
第5A圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統200中的成像位置的示意圖。第5B圖示出了光學感測系統200中不填充介質且與透鏡的出光面相距d的位置處佈置光學感測器的情況下的成像位置的示意性圖示。在第5A圖和第5B圖中省略了出射光線207。
如第5A圖所示，入射光線204在透鏡201的入光面上的點A處發生折射，並被折射為折射光線205，折射光線205在透鏡201與介質202的界面（第一界面）處再次發生折射，並被折射為第一透射光線206，根據折射定律，可以類似地利用上述方程式（1）計算第一透射光線206的折射角，並相應地利用上述方程式（2）計算從第5A圖的點B到點C的橫向距離。在介質202的下方直接佈置光學感測器203的情況下，透過上述方程式（2）可以直接計算出光學感測器203上的成像位置（即點C）與第一界面上的點B之間的距離H c，相應地可以確定出入射光線204的入射點A與成像位置點C之間的距離，由此可以確定光學感測系統200的視場角。
如第5B圖所示，在光學感測系統200中不填充介質的情況下，亦可類似地利用前文所述的各方程式計算第5B圖的點B到點C的橫向距離H a。透過比較第5A圖的距離H c和第5B圖的距離H a可理解到，在填充介質102且介質102的折射率大於空氣折射率的情況下，點B至點C之間的橫向距離小於不填充介質時的橫向距離，使得同一目標所形成的像減小，進而使得光學感測系統200可以對更大範圍內的目標進行成像，即使得光學感測系統200具有較大的視場角。
根據本揭露實施例，所述介質202為固體、液體或氣體介質。可選地，所述介質的厚度大於所述透鏡的厚度。
根據本揭露實施例，介質202可以為玻璃、塑膠、樹脂、玻璃鋼、氣凝膠、水、油、醇、二氧化碳等材質，不同類型的介質202具有不同的折射率n c，且折射率n c均小於透鏡201的折射率n s。
如前文參照第2A圖和第2B圖所說明的，在介質202的折射率n c大於空氣的折射率1且小於透鏡的折射率n s的情況下，隨著n c的增大，橫向距離H c逐漸減小。換言之，在光學感測器的尺寸固定的情況下（例如1cm*1cm的方形或半徑為1cm的圓形），隨著介質202的折射率n c的增大，光學感測系統的視場角也增大。而且，在光學感測器的尺寸固定的情況下，透過適當設置透鏡201的參數以及介質202的折射率n c，還可以減小介質202的厚度d，從而更有助於降低光學感測系統200的厚度，乃至電子產品的厚度。
具體地，在透鏡201的直徑和光學感測器203的面積固定的情況下，介質202的折射率n c越大，折射光線205的入射位置（點B）至出射光線207的出射位置（點C）的橫向距離H c越小，在光學感測器203上生成的圖像越小。那麼，在光學感測器的尺寸固定的情況下，光學感測系統200能夠成像的場景角度範圍越大。因此，透過在透鏡201和光學感測器203之間填充介質202，可以增大光學感測系統200的視場角。
可選地，在保持光學感測系統200原有視場角不變的情況下，透過增大介質202的厚度d或減小介質202的折射率n c可以減小光學感測器203上成像的大小，從而減小光學感測器203的面積。
第6圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統200的另一結構示意圖。
如第6圖所示，根據本揭露實施例，所述光學感測系統200包括透鏡201、介質202和光學感測器203，所述介質202包括第一介質2021和第二介質2022。
如第6圖所示，根據本揭露實施例，所述第一介質2021位於所述透鏡201和所述第二介質2022之間，被配置為在所述透鏡201和所述第一介質2021的界面處對所述折射光線205進行折射，所述折射光線205被折射為所述第一透射光線206，並且所述第一透射光線206傳播至所述第一介質2021和所述第二介質2022的界面（下文中稱為第三界面）處；以及所述第二介質2022位於所述第一介質2021遠離所述透鏡201的一側，被配置為在所述第三界面處對所述第一透射光線206進行折射，所述第一透射光線206被折射為第二透射光線208，並且所述第二透射光線208傳播至所述第二介質2022和所述光學感測器203的界面（下文中稱為第二界面）處。應瞭解，所述第二透射光線208在所述第二界面上的點C處發生折射，並被折射為出射光線207，所述出射光線207照射到所述光學感測器203上。在第6圖中省略了出射光線207，。
根據本揭露實施例，所述第一介質2021的折射率大於所述第二介質2022的折射率，並且所述第二介質2022的折射率大於等於空氣的折射率。
在第6圖中還示出了第一界面上的點B（第一透射光線206從第一介質2021的入光面開始傳播的點）到第三界面上的點D（第一透射光線206到達第一介質2021的出光面的點）的橫向距離H c1。在第6圖中，d 1為第一介質2021的厚度，θ s為折射光線205向第一介質2021的入光面入射的入射角，n s為透鏡201的折射率，n c1為第一介質2021的折射率。
此外，在第6圖中還示出了第三界面上的點D（第二透射光線208從第二介質2022的入光面開始傳播的點）到第二界面上的點C（第二透射光線208到達第二介質2022的出光面的點）的橫向距離H c2。在第6圖中，d 2為第二介質2022的厚度，n c2為第二介質2022的折射率。
類似地，可以利用上述方程式（5）-（7）計算第一界面上的點B到第二界面上的點C的橫向距離H c。根據本揭露實施例，所述第一介質2021為固體介質，所述第二介質2022為固體、液體或氣體介質。
具體地，第一介質2021可以為玻璃、塑膠、樹脂、玻璃鋼、氣凝膠等材質，第二介質2022可以為玻璃、塑膠、樹脂、玻璃鋼、氣凝膠、水、油、醇、二氧化碳等材質。
可選地，可以透過調整第一介質2021的厚度d 1、第一介質2021的材質、第二介質2022的厚度d 2、第二介質2022的材質來改變如第6圖所示的第一界面上的點B到第三界面上的點C的橫向距離H c。在介質202的厚度d固定時，第一介質2021的厚度d 1越大，橫向距離H c越小。
基於上述，本揭露中，透過將介質分為第一介質和第二介質，可以透過調整第一介質和第二介質的厚度，調整光學感測系統的視場角。
應瞭解，可以在第6圖所示的第二介質下直接佈置光學感測器，還可以與第二介質間隔地佈置光學感測器（即，在第二介質與光學感測器之間存在小的空氣間隙）。
此外，根據本揭露實施例，所述光學感測系統還可以包括至少一個濾光層，每個濾光層可以被設置來濾除特定波長的光，使得光學感測器對紅外光的檢測更為準確。所述至少一個濾光層可以一起佈置，或者可以分離地佈置。每個濾光層可以位於所述透鏡和所述介質之間、或可以位於所述介質遠離所述透鏡的一側、或可以位於所述透鏡遠離所述介質的一側。
應瞭解，在本揭露實施例中描述的入射光線、折射光線、第一透射光線、第二透射光線和出射光線用於指代同一光線的不同傳輸階段，以上術語僅用於對光線的不同傳輸階段進行區分，並不意圖指示不同的光線。
第7圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統的視場角相對於無介質填充的光學感測系統的視場角的擴大效果的示意圖。
為了對比明顯，在第7圖中採用實線示出了根據本揭露實施例的光學感測系統的光線傳輸情況的示意圖，第7圖中採用虛線示出了無介質填充的光學感測系統的光線傳輸情況的示意圖。儘管在第7圖中示出了介質202，應瞭解對於虛線所示的無介質填充的光學感測系統而言，並不存在介質202，而介質202所在區域被空氣填充。
如第7圖所示，虛線示出的入射光線經過透鏡201的入光面進行折射，產生虛線示出的折射光線205，並經過透鏡201的出光面再次折射，並在空氣中產生虛線示出的第一透射光線206。其中，虛線示出的入射光線的入射角為α。
如第7圖所示，實線示出的入射光線204經過透鏡201的入光面折射，產生實線示出的折射光線205，並經過透鏡201的出光面再次折射，並在介質202中產生實線示出的第一透射光線206。其中，實線示出的入射光線的入射角為β，且β大於α。如第7圖所示，對於實線示出的入射光線的入射角為β的情況，此時的視場角為2γ。
因此，根據本揭露的方案，光學感測系統透過採用透鏡201和折射率大於空氣的介質202，相對於傳統的光學感測系統而言，增大了鏡頭系統的視場角。
透過本揭露的光學鏡頭和光學感測系統，能夠擴大接收特定波段光的光學鏡頭和光學感測系統的視場角，從而捕獲更大角度的場景資訊，滿足對更大的場景範圍進行探測的需求。
在上面詳細描述的本揭露的示例實施例僅僅是說明性的，而不是限制性的。本領域技術人員應該理解，在不脫離本揭露的原理和精神的情況下，可對這些實施例或其特徵進行各種修改和組合，這樣的修改應落入本揭露的範圍內。
100:光學鏡頭 101,101’,201,201’:透鏡 102,202:介質 103,204:入射光線 104,205:折射光線 105,206:第一透射光線 106,207:出射光線 107,208:第二透射光線 200:光學感測系統 203:光學感測器 1021,2021:第一介質 1022,2022:第二介質 A:入射點 B,C,D:點 d,d 1,d 2:厚度 H a,H c,H c1,H c2:橫向距離 α,β,γ:入射角 θ c,θ c1,θ c2,θ s:夾角
為了更清楚地說明本揭露的實施例的技術方案，下面將對實施例的描述中所需要使用的圖式作簡單的介紹。明顯地，下面描述中的圖式僅僅是本揭露的一些示例性實施例，對於本技術領域中具有通常知識者來說，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其它的圖式。以下圖式並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製，重點在於示出本發明的主旨。 第1A圖和第1B圖示出了根據本揭露實施例的光學鏡頭結構的示意圖； 第2A圖示出了根據本揭露實施例的光學鏡頭中出射光線的出射位置的示意圖； 第2B圖示出了根據本揭露實施例的在光學鏡頭的介質的出光面處直接佈置光學感測器時的成像位置的示意圖； 第2C圖示出了光學鏡頭中不填充介質時成像位置的示意圖； 第3圖示出了根據本揭露實施例的光學鏡頭結構的另一示意圖； 第4A圖和第4B圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統的結構示意圖； 第5A圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統中成像位置的示意圖； 第5B圖示出了光學感測系統中不填充介質時的成像位置的示意圖； 第6圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統的另一結構示意圖； 第7圖示出了根據本揭露實施例的光學感測系統的視場角擴大效果的示意圖。
無
100:光學鏡頭
101:透鏡
102:介質
103:入射光線
104:折射光線
105:第一透射光線
106:出射光線
A:入射點
B,C:點

Claims (15)

  1. 一種光學鏡頭，沿光線傳輸方向依次包括： 透鏡，被配置為對入射到其入光面的入射光線進行折射，所述入射光線被折射為折射光線，所述透鏡的入光面位於所述透鏡的第一側，其中，所述入射光線為長波長的不可見光；以及 介質，佈置在所述透鏡的第二側，並且被配置為在所述透鏡和所述介質的界面處對所述折射光線進行折射， 其中，所述透鏡的折射率大於等於所述介質的折射率，並且所述介質的折射率大於空氣的折射率。
  2. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中，所述透鏡為正透鏡。
  3. 如請求項2所述的光學鏡頭，其中，所述正透鏡為菲涅爾透鏡。
  4. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中，所述透鏡的第一側為凸面和/或具有臺階結構，且所述透鏡的第二側為平面且與所述介質的第一側貼合。
  5. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中，所述透鏡的折射率大於第一值。
  6. 如請求項5所述的光學鏡頭，其中，所述不可見光為波長大於1微米的光，所述透鏡對所述不可見光的穿透率高於第二值。
  7. 如請求項6所述的光學鏡頭，其中，所述光學鏡頭的視場角大於第三值。
  8. 如請求項7所述的光學鏡頭，其中，所述第一值為3.5，所述第二值為55%，所述第三值為60度。
  9. 如請求項5所述的光學鏡頭，其中，所述透鏡為以下任一種：矽透鏡、鍺透鏡、磷化鎵透鏡、磷化銦透鏡、硫化鉛透鏡。
  10. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中，所述介質包括：第一介質和第二介質； 所述第一介質位於所述透鏡和所述第二介質之間，被配置為在所述透鏡和所述第一介質的界面處對所述折射光線進行折射，所述折射光線被折射為第一透射光線並傳播至所述第一介質和所述第二介質的界面處；以及 所述第二介質位於所述第一介質遠離所述透鏡一側，被配置為在所述第一介質和所述第二介質的界面處對所述第一透射光線進行折射，所述第一透射光線被折射為第二透射光線。
  11. 如請求項12所述的光學鏡頭，其中，所述第一介質的折射率大於所述第二介質的折射率，且所述第二介質的折射率大於等於空氣的折射率。
  12. 如請求項11所述的光學鏡頭，其中，所述第一介質為固體介質，所述第二介質為固體、液體或氣體介質。
  13. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中，所述介質為固體、液體或氣體介質。
  14. 如請求項13所述的光學鏡頭，其中，所述介質為油或水。
  15. 如請求項1所述的光學鏡頭，還包括：至少一個濾光層， 其中，每個濾光層位於所述透鏡和所述介質之間、或位於所述介質遠離所述透鏡的一側、或位於所述透鏡遠離所述介質的一側。
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