一种透镜系统、结构光投影模组及深度相机的制作方法

本实用新型涉及光学及电子
技术领域：
，具体涉及一种透镜系统、结构光投影模组及深度相机。
背景技术：
：现有的光学透镜常被应用于相机、投影仪等电子设备中，特别是对于消费级的电子设备如手机、电脑等，光学透镜往往既要体积小，又要成本低、性能稳定，因此设计上有较高的难度。近年来，随着消费级3d成像电子设备，如结构光深度相机的发展，光学透镜越来越广泛地被应用。结构光深度相机的关键部件之一是结构光投影模组，该模组通过光源发出的光经透镜系统、衍射光学元件(doe)后向外发射出图案化的结构光，如随机散斑图案，随机散斑图案随后被用来生成深度图像。随机散斑图案的诸多特性，如对比度、图案密度、畸变等都会受到透镜系统的影响，另外透镜系统的温度适应性决定了随机散斑图案的质量稳定性，可直接决定该深度相机是否能输出稳定的深度图像。现有的结构光投影模组中的透镜系统在散斑图案的图案密度、畸变等方面尚有待提高，另一方面，温度适应性也较差。技术实现要素：本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种透镜系统、结构光投影模组和深度相机，该透镜系统不仅结构紧凑而且可以满足结构光图案的密度、畸变等方面的要求，达到良好的像差矫正以及像面照度。本实用新型为达上述目的提出以下技术方案：一种透镜系统，包括沿光线出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜，其中所述第一透镜、所述第三透镜和所述第四透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度；且所述第一至所述第四透镜满足如下条件：4<r1/r2<7；2.2<f1/f<3.2；-0.75<f2/f<-0.55；0.8<f3/f<1.2；5.2<f12<6.5；1.52<nd<1.95；其中，f表示所述透镜系统的有效焦距，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，r1表示所述第一透镜朝向物面的表面的曲率半径，r2表示所述第一透镜朝向像面的表面的曲率半径，f12表示所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距，nd表示透镜材料对于d光的折射率。在一些实施例中，所述第一透镜朝向所述物面的表面为凸面，所述第一透镜朝向所述像面的表面为凹面；所述第二透镜朝向所述物面的表面为凹面，所述第二透镜朝向所述像面的表面为凹面；所述第三透镜朝向所述物面的表面为凹面，所述第三透镜朝向所述像面的表面为凸面；所述第四透镜朝向所述物面的表面为凹面，所述第四透镜朝向所述像面的表面为凸面。在一些实施例中，所述第一至第四透镜均为塑料透镜。在一些实施例中，所述第一至第三透镜为塑料透镜或玻璃透镜，而所述第四透镜为玻璃透镜。在一些实施例中，还包括孔径光阑，设置于所述第一透镜与所述第二透镜之间、所述第二透镜与所述第三透镜之间或者所述第三透镜与所述第四透镜之间，或者设置于所述第四透镜朝向所述像面的一侧。在一些实施例中，各透镜表面系数如下：其中，s1表示所述第一透镜朝向物面的表面，s2表示所述第一透镜朝向像面的表面，s3表示所述第二透镜朝向物面的表面，s4表示所述第二透镜朝向像面的表面，s5表示所述第三透镜朝向物面的表面，s6表示所述第三透镜朝向像面的表面，s7表示所述第四透镜朝向物面的表面，s8表示所述第四透镜朝向像面的表面。在一些实施例中，各透镜的非球面系数如下：表面a4a6a8a10a12a14a16物面s10.0631-0.066400000s20.0458-0.029700000s30.009630.7254600000s40.9604-16.234400000s50.89420.6451s6-0.05640.0471s70.07630.519200000s80.12790.083600000stop像面其中，a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16分别表示4阶非球面系数、6阶非球面系数、8阶非球面系数、10阶非球面系数、12阶非球面系数、14阶非球面系数、16阶非球面系数。本实用新型的另一技术方案为：一种结构光投影模组，包括沿光的传播方向依次设置的光源、前述透镜系统以及衍射光学元件。本实用新型的又一技术方案为：一种深度相机，包括前述结构光投影模组。本实用新型技术方案的有益效果是：本实用新型的透镜系统具有紧凑的结构，有利于小型化；具备该透镜系统的结构光投影模组，可投射出更小的投射斑点，并且能够满足结构光图案的密度、畸变等方面的要求，从而保证深度相机获得较高质量的深度图像。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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是本实用新型实施例的深度相机的原理框图；图2是本实用新型实施例的结构光投影模组的原理框图；具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”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，以便这里描述的本实用新型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。此外，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。另需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”和“外”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。如图1所示的实施例为一种深度相机，该深度相机包括结构光投影模组1、采集模组2和处理器3，另还可包括彩色相机模组。结构光投影模组1和采集模组2两者一般以一定的基线距离安装在一支架上。其中，结构光投影模组1用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，结构光图案经由采集模组2采集后通过处理器3的处理得到目标空间的深度图像。采集模组2包括图像传感器21(比如ccd、cmos)、滤光片22(比如红外滤光片)以及透镜组23，该透镜组23可由单个透镜或多个透镜组成。在一实施例中，结构光投影模组1所投射的图案为红外激光散斑图案，该红外激光散斑图案具有颗粒分布相对均匀但局部不相关性很高的特征，所谓局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性。相应地，采集模组2为红外相机。利用处理器获取深度图像具体是指接收到由采集模组2采集到的散斑图案后，通过计算散斑图案与参考散斑图案之间的偏离值来得到深度图像。如图2所示为一种示例性的结构光投影模组1的结构示意图，该结构光投影模组1包括光源11、透镜系统12和图案生成器13(比如衍射光学元件)。其中，光源11可发出可见光或不可见光(譬如红外光、紫外光等)，其可采用边发射激光发射器或者垂直腔面激光发射器。为了使得整体的投影装置体积较小，优选的方案是选择垂直腔面激光发射器阵列(vcsel阵列)作为光源。当结构光投影模组1用于向空间中投影散斑图案时，vcsel阵列光源的排列二维图案为不规则图案，不规则排列的好处在于提高了散斑图案的不相关性。vcsel阵列光源中的每个光源都具有一定的发散角，因此需要用于准直或汇聚的透镜系统12。继续参考图2，透镜系统12包括沿光线出射方向依次设置的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4，其中第一透镜l1、第三透镜l3和第四透镜l4具有正光焦度，第二透镜l2具有负光焦度。为了达到良好的像差矫正以及像面照度，保证结构紧凑的同时获得最小的投射点斑，透镜系统需满足如下条件：4<r1/r2<7；2.2<f1/f<3.2；-0.75<f2/f<-0.55；0.8<f3/f<1.2；5.2<f12<6.5；1.52<nd<1.95；其中，f表示该透镜系统的有效焦距，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，r1表示所述第一透镜朝向物面的表面的曲率半径，r2表示所述第一透镜朝向像面的表面的曲率半径，f12表示第一透镜和第二透镜的组合焦距，nd表示透镜材料对于d光的折射率。此处d光可写作d-line，也称d线，波长在587nm。透镜系统具有物面和像面。在如图2所示的实施例中，第一透镜l1朝向所述物面的表面为凸面，第一透镜l1朝向所述像面的表面为凹面；第二透镜l2朝向所述物面的表面为凹面，第二透镜l2朝向所述像面的表面为凹面；第三透镜l3朝向所述物面的表面为凹面，第三透镜l3朝向所述像面的表面为凸面；第四透镜l4朝向所述物面的表面为凹面，第四透镜l4朝向所述像面的表面为凸面。在一些实施例中，如果应用于温度变化不大的投影模组中，为了降低成本，透镜系统12的四个透镜均为塑料透镜。而对于一些温度变化较大的投影模组中，透镜系统12则采用受温度影响小的玻璃材质，玻璃材质可以提高热稳定性，但会带来成本提高的不利影响。同时考虑成本和性能，则可以是第四透镜l4被设置成玻璃透镜以使得该透镜系统可以在不同温度下具有稳定的焦点位置以及焦距长度，而其它三个透镜则不作限制，可以采用玻璃也可以用塑料。塑料材质比如可以是pmma(即有机玻璃，俗称亚克力)、pc(polycarbonate，聚碳酸脂)、apel5014等，成本较低但温度稳定性相对较差。而玻璃材质虽成本稍高，但其耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特性，可以保护整个透镜系统在装配、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，从而延长了透镜系统的使用寿命。在一些实施例中，可以根据需要设置孔径光阑，比如可以设置在任意两个相邻的透镜之间，或者设置在第四透镜l4和衍射光学元件之间。为便于后续描述，我们把第一透镜朝向物面的表面称为第一面，记为s1；第一透镜朝向像面的表面称为第二面，记为s2；第二透镜朝向物面的表面称为第三面，记为s3；第二透镜朝向像面的表面称为第四面，记为s4；第三透镜朝向物面的表面称为第五面，记为s5；第三透镜朝向像面的表面称为第六面，记为s6；第四透镜朝向物面的表面称为第七面，记为s7；第四透镜朝向像面的表面称为第八面，记为s8。下面一个具体实施例给出了一组透镜系统的参数设计，应当理解的是，参数设计仅用于示意，并不限制本实用新型的保护范围。如下表1为一种示例性的透镜系统表面系数：表1透镜系统表面系数如下表2为一种示例性的透镜系统非球面系数设计：表2非球面系数表面a4a6a8a10a12a14a16物面s10.0631-0.066400000s20.0458-0.029700000s30.009630.7254600000s40.9604-16.234400000s50.89420.6451s6-0.05640.0471s70.07630.519200000s80.12790.083600000stop像面其中，a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16分别表示4阶非球面系数、6阶非球面系数、8阶非球面系数、10阶非球面系数、12阶非球面系数、14阶非球面系数、16阶非球面系数。在上述的参数设计例子中，透镜系统12能够在f/2.8处工作，且能够达到14°视场角，光学畸变不大于2％。在该示例性的参数设计下，该透镜系统能够具有较好的分辨率。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。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页12