一种透镜系统、红外接收模组及深度相机的制作方法

1.本实用新型属于光学器件领域，尤其涉及一种透镜系统、红外接收模组及深度相机。


背景技术：

2.在相关技术中，结构光红外接收镜头技术通常应用在移动电子终端中，例如消费手机iphone x、oppo find x、face id等的红外接收模组的红外镜头，都是采用4片全塑料透镜，fov视场角普遍在70～85度。
3.然而，扫地机、机器人对红外接收镜头的视场角要求通常大于95度，相关技术中的红外接收镜头在拍摄角度过大的场景时，畸变严重，周边相对照度低，容易造成算法深度图失真，无法满足扫地机器人的应用需求。


技术实现要素：

4.本实用新型的技术目的在于提供一种透镜系统、红外接收模组及深度相机，fov视场角可以达到116度以上，可以满足红外接收镜头的大视场角需求，减小畸变，提高周边相对照度，从而提升算法深度图质量。
5.为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的，提供一种透镜系统，自物侧至像侧依次包括第一透射组件、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透射组件具有负光焦度；所述第二透镜为双凸面正透镜，凸面彼此相背；所述第三透镜为弯月形负透镜，凹面朝向物侧，凸面朝向像侧；所述第四透镜为波浪形正透镜，凸面朝向物侧，凹面朝向像侧。
6.进一步地，所述透镜系统还包括设置于所述第一透射组件和所述第二透镜之间的光阑。
7.进一步地，所述透镜系统还包括自物侧至像侧依次设置于所述第四透镜的像侧的滤光片和光电传感器。
8.进一步地，所述透镜系统的有效焦距为f，所述第一透射组件的有效焦距为f1，所述第二透镜的有效焦距为f2，所述第三透镜的有效焦距为f3，所述第四透镜的有效焦距为f4，所述第一透射组件和所述第二透镜的组合焦距为f12，所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距为f23，所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距为f34，所述第一透射组件、所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距为f123，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距为f234，且满足如下关系式：
[0009]-3《f1/f《-2；
[0010]
0.5《f2/f《1.5；
[0011]-3.5《f3/f《-1.5；
[0012]
1《f4/f《3.5；
[0013]
1《f12《2；
[0014]
2《f23《3；
[0015]
6《f34《32.5；
[0016]
2.5《f123《7；
[0017]
1《f234《2。
[0018]
进一步地，所述第一透射组件包括第一透镜，所述第一透镜为双凹型负透镜，凹面彼此相向；各所述透镜均采用塑料材料，各所述透镜的两面均为非球面；
[0019]
所述第一透镜物侧面的曲率半径为r1，像侧面的曲率半径为r2；所述第二透镜物侧面的曲率半径为r4，像侧面的曲率半径为r5；所述第三透镜物侧面的曲率半径为r6，像侧面的曲率半径为r7；所述第四透镜物侧面的曲率半径为r8，像侧面的曲率半径为r9；且满足下列关系式：
[0020]
－3＜r1/r2＜－2；
[0021]
－4＜r4/r5＜－3；
[0022]
0＜r6/r7＜1；
[0023]
0＜r8/r9＜1；
[0024]
－3＜f1/f＜－2；
[0025]
0.75＜f2/f＜1.5；
[0026]
－2.5＜f3/f＜－1.5；
[0027]
1＜f4/f＜2；
[0028]
6＜f34＜7；
[0029]
6＜f123＜7。
[0030]
进一步地，所述第一透镜的透镜材料在d光的折射率为nd1，阿贝数为vd1；所述第二透镜的透镜材料在d光的折射率为nd2，阿贝数为vd2；所述第三透镜的透镜材料在d光的折射率为nd3，阿贝数为vd3；所述第四透镜的透镜材料在d光的折射率为nd4，阿贝数为vd4；且满足如下关系式：
[0031]
1.6＜nd2，nd3＜1.7；
[0032]
20＜vd2，vd3＜25；
[0033]
1.5＜nd1，nd4＜1.6；
[0034]
50＜vd1，vd4＜60。
[0035]
进一步地，所述第一透射组件包括自物侧至像侧依次排布的第一子透镜和第二子透镜，所述第一子透镜为双凹弯月形负透镜，凹面彼此相背，所述第二子透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，凹面朝向像侧；各所述透镜均采用塑料材料，各所述透镜的两面均为非球面；
[0036]
所述第一子透镜物侧面的曲率半径为r1，像侧面的曲率半径为r2；所述第二子透镜物侧面的曲率半径为r3，像侧面的曲率半径为r4；所述第二透镜物侧面的曲率半径为r6，像侧面的曲率半径为r7；所述第三透镜物侧面的曲率半径为r8，像侧面的曲率半径为r9；所述第四透镜物侧面的曲率半径为r10，像侧面的曲率半径为r11；且满足下列关系式：
[0037]
－5.5＜r1/r2＜－4.5；
[0038]
0＜r3/r4＜1；
[0039]
－5.5＜r6/r7＜－4.5；
[0040]
0＜r8/r9＜1；
[0041]
0＜r10/r11＜1；
[0042]
－3＜f1/f＜－2；
[0043]
7.5＜f2/f＜8.5。
[0044]
进一步地，所述第一子透镜的有效焦距为f1’，所述第二子透镜的有效焦距为f1”；所述第一子透镜和所述第二子透镜的组合焦距为f1’1”；所述第二子透镜和所述第二透镜的组合焦距为f1”2；所述第二子透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距为f1”23；所述第一子透镜、所述第二子透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距为f1’1”23；所述第二子透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距为f1”234；所述第一子透镜的透镜材料在d光的折射率为nd1’，阿贝数为vd1’；所述第二子透镜的透镜材料在d光的折射率为nd1”，阿贝数为vd1”；所述第二透镜的透镜材料在d光的折射率为nd2，阿贝数为vd2；所述第三透镜的透镜材料在d光的折射率为nd3，阿贝数为vd3；
[0045]-3《f1’/f《-2；
[0046]
7.5《f1”/f《8.5；
[0047]
0.5《f2/f《1.5；
[0048]-3.5《f3/f《-2.5；
[0049]
2.5《f4/f《3.5；
[0050]-4.5《f1’1”《-3.5；
[0051]-7.5《f1”2《-6.5；
[0052]
31.5《f34《32.5；
[0053]
2《f1”23《3；
[0054]
2.5《f1’1”23《3.5；
[0055]
1《f1”234《2；
[0056]
1.6《nd2，nd3《1.7；
[0057]
20《vd2，vd3《25；
[0058]
1.5《nd1’，nd1”，nd3《1.6；
[0059]
50《vd1’，vd1”，vd3《60。
[0060]
进一步地，提供一种红外接收模组，包括如上任意一项所述的透镜系统。
[0061]
进一步地，提供一种深度相机，包括如上所述的红外接收模组。
[0062]
本实用新型中透镜系统、红外接收模组及深度相机与现有技术相比，有益效果在于：
[0063]
采用上述方案的透镜系统用于红外光接收，fov视场角可以达到116度以上，以满足红外接收镜头的大视场角需求，减小畸变，提高周边相对照度，从而提升算法深度图质量。更能够满足扫地机、机器人等的应用需求。
附图说明
[0064]
图1是本实用新型第一种实现方式的透镜系统的结构示意图；
[0065]
图2是本实用新型第一种实现方式具体实施示例的透镜系统在常温下的调制传递函数(mtf)示意图；
[0066]
图3(a)－图3(f)是本实用新型第一种实现方式具体实施示例的透镜系统在各温
board)封装工艺。有利于减小光学系统的体积，并且提高光学性能，容易制造。
[0081]
在本实施例中，为了达到116度以上的超大广角，低畸变效果，保证结构紧凑，同时获得大光圈图像，透镜系统满足如下条件：
[0082]-3《f1/f《-2；
[0083]
0.5《f2/f《1.5；
[0084]-3.5《f3/f《-1.5；
[0085]
1《f4/f《3.5；
[0086]
1《f12《2；
[0087]
2《f23《3；
[0088]
6《f34《32.5；
[0089]
2.5《f123《7；
[0090]
1《f234《2。
[0091]
其中，透镜系统的有效焦距为f，第一透射组件l1的有效焦距为f1，第二透镜l2的有效焦距为f2，第三透镜l3的有效焦距为f3，第四透镜l4的有效焦距为f4，第一透射组件l1和第二透镜l2的组合焦距为f12，第二透镜l2和第三透镜l3的组合焦距为f23，第三透镜l3和第四透镜l4的组合焦距为f34，第一透射组件l1、第二透镜l2和第三透镜l3的组合焦距为f123，第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4的组合焦距为f234。
[0092]
在本实施例中，提供两种实现方式的透镜系统，第一种实现方式的透镜系统包含四片透镜，第二种实现方式的透镜系统包含五片透镜，并且，两种实现方式的透镜系统中各透镜均采用塑料材料，各透镜的两面均为非球面，如此设置，可以降低透镜系统的材料成本，并且制造公差相对比较宽松，容易量产，更加适于应用和推广。
[0093]
下面对两种实现方式的透镜系统进行详细说明：
[0094]
在第一种实现方式中：
[0095]
结合图1，第一透射组件l1包括第一透镜，第一透镜为双凹型负透镜，凹面彼此相向，即在本实现方式中，透镜系统沿着光轴自物侧至像侧依次包括第一透镜、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4，并且四片透镜均采用全塑胶常规树脂镜片。
[0096]
优选的，在本实现方式中，透镜系统满足如下条件：
[0097]-3《r1/r2《-2；
[0098]-4《r4/r5《-3；
[0099]
0《r6/r7《1；
[0100]
0《r8/r9《1；
[0101]-3《f1/f《-2；
[0102]
0.75《f2/f《1.5；
[0103]-2.5《f3/f《-1.5；
[0104]
1《f4/f《2；
[0105]
6《f34《7；
[0106]
6《f123《7。
[0107]
其中，第一透镜物侧面的曲率半径为r1,像侧面的曲率半径为r2；第二透镜物侧面的曲率半径为r4,像侧面的曲率半径为r5；第三透镜物侧面的曲率半径为r6,像侧面的曲率
半径为r7；第四透镜物侧面的曲率半径为r8,像侧面的曲率半径为r9。
[0108]
更优选的，透镜系统还满足如下条件：
[0109]
1.6《nd2，nd3《1.7；
[0110]
20《vd2，vd3《25；
[0111]
1.5《nd1，nd4《1.6；
[0112]
50《vd1，vd4《60。
[0113]
其中，第一透镜的透镜材料在d光(黄光，587nm)的折射率为nd1，阿贝数为vd1；第二透镜l2的透镜材料在d光的折射率为nd2，阿贝数为vd2；第三透镜l3的透镜材料在d光的折射率为nd3，阿贝数为vd3；第四透镜l4的透镜材料在d光的折射率为nd4，阿贝数为vd4。
[0114]
在本实现方式中，第二透镜l2和第三透镜l3均采用高折射率材料，第一透镜和第四透镜l4均采用普通折射率材料。
[0115]
在本实现方式中，透镜系统具有超广角、低成本、零畸变、大光圈、结构简单紧凑、容易制造的特点，并且，最大视场角(fov)可以达到116
°
。
[0116]
本实现方式中，所有透镜的表面都由非球面构成，设光轴方向为z，表面曲率半径为r，表面与光轴正交的高度为y，圆锥系数为k，非球面系数为a4，a6，a8，a10，a12，a14，a16时，非球面通过下面的数学式表示：
[0117][0118]
下面给出一个透镜系统具体实施示例的参数设计示例，该系统的最大视场角fov为116
°
,焦距：efl＝1.42mm，光圈：fno＝1.9，光学总长为：ttl＝5.5mm，最大半像高为2.5毫米，最大光学畸变《1.5％,周边相对照度29％，适用于925～955nm红外接收光波段。
[0119]
如下表1为本实现方式中具体实施示例的透镜系统各透镜的参数：
[0120]
表1
[0121][0122]
其中，s0表示目标面，s1表示第一透镜的物侧面，s2表示第一透镜的像侧面，stop表示光阑所在面，s4表示第二透镜l2的物侧面，s5表示第二透镜l2的像侧面，s6表示第三透
镜l3的物侧面，s7表示第三透镜l3的像侧面，s8表示第四透镜l4的物侧面，s9表示第四透镜l4的像侧面，s10表示滤光片3(filter)的物侧面，s11表示滤光片3的像侧面，image表示光电传感器2的感光面；r表示对应面的曲率半径(mm)；t表示透镜在光轴方向的厚度以及面与面之间的光轴方向距离(mm)；nd表示透镜材料在d-line(587nm)的折射率，vd表示透镜材料的阿贝数；k为圆锥系数；焦距单位为mm。
[0123]
如下表2为本具体实施示例的透镜系统的非球面系数设计：
[0124]
表2
[0125][0126]
本实现方式上述具体实施示例的透镜系统在常温下的调制传递函数(mtf)示意图如图2所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统在各温度下的系统中心焦点离焦状况(through focus mtf)如图3(a)－图3(f)所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统常温下的场曲(field curvature)和畸变(distortion)示意图如图4所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统常温下的各视场主光线及上下光线角度曲线图如图5所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统常温下各视场及周边相对亮度ri(relative illumination)如图6所示。
[0127]
本实现方式的透镜系统采用全塑料四片常规树脂镜片，两片高折射率材料，两片普通折射率材料；光圈fno做到了1.9，fov视场角达到116度，达到超广角镜头的标准；光学畸变只有1.5％，做到了零畸变，周边相对照度全视场》29％；温度变化不敏感，在0～60℃范围内，后焦改变量不明显，抗温漂性能好。
[0128]
在第二种实现方式中：
[0129]
结合图7，第一透射组件l1包括自物侧至像侧依次排布的第一子透镜1’和第二子透镜1”，第一子透镜1’为双凹弯月形负透镜，凹面彼此相背，第二子透镜1”为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，凹面朝向像侧；各透镜均采用塑料材料，各透镜的两面均为非球面，即本实现方式中透镜系统总共包括五片透镜，并且五片透镜均采用全塑胶常规树脂镜片。
[0130]
优选的，在本实现方式中，透镜系统满足如下条件：
[0131]-5.5《r1/r2《-4.5；
[0132]
0《r3/r4《1；
[0133]-5.5《r6/r7《-4.5；
[0134]
0《r8/r9《1；
[0135]
0《r10/r11《1；
[0136]-3《f1/f《-2；
[0137]
7.5《f2/f《8.5。
[0138]
其中，第一子透镜物侧面的曲率半径为r1,像侧面的曲率半径为r2；第二子透镜物侧面的曲率半径为r3,像侧面的曲率半径为r4；第二透镜物侧面的曲率半径为r6,像侧面的曲率半径为r7；第三透镜物侧面的曲率半径为r8,像侧面的曲率半径为r9；第四透镜物侧面的曲率半径为r10,像侧面的曲率半径为r11。
[0139]
更优选的，透镜系统还满足如下条件：
[0140]-3《f1’/f《-2；
[0141]
7.5《f1”/f《8.5；
[0142]
0.5《f2/f《1.5；
[0143]-3.5《f3/f《-2.5；
[0144]
2.5《f4/f《3.5；
[0145]-4.5《f1’1”《-3.5；
[0146]-7.5《f1”2《-6.5；
[0147]
31.5《f34《32.5；
[0148]
2《f1”23《3；
[0149]
2.5《f1’1”23《3.5；
[0150]
1《f1”234《2；
[0151]
1.6《nd2，nd3《1.7；
[0152]
20《vd2，vd3《25；
[0153]
1.5《nd1’，nd1”，nd3《1.6；
[0154]
50《vd1’，vd1”，vd3《60。
[0155]
其中，第一子透镜l1’的有效焦距为f1’，第二子透镜l1”的有效焦距为f1”；第一子透镜l1’和第二子透镜l1”的组合焦距为f1’1”；第二子透镜l1”和第二透镜l2的组合焦距为f1”2；第二子透镜l1”、第二透镜l2和第三透镜l3的组合焦距为f1”23；第一子透镜l1’、第二子透镜l1”、第二透镜l2和第三透镜l3的组合焦距为f1’1”23；第二子透镜l1”、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4的组合焦距为f1”234；第一子透镜1’的透镜材料在d光的折射率为nd1’，阿贝数为vd1’；第二子透镜1”的透镜材料在d光的折射率为nd1”，阿贝数为vd1”；第二透镜l2的透镜材料在d光的折射率为nd2，阿贝数为vd2；第三透镜l3的透镜材料在d光的折射率为nd3，阿贝数为vd3。
[0156]
在本实现方式中，第二透镜l2和第三透镜l3均采用高折射率材料，第一子透镜l1’、第二子透镜l1”和第四透镜l4均采用普通折射率材料。
[0157]
在本实现方式中，透镜系统具有超广角、低成本、零畸变、大光圈、结构简单紧凑、容易制造的特点，并且，最大视场角(fov)可以达到118
°
。
[0158]
本实现方式中，所有透镜的表面都由非球面构成，设光轴方向为z，表面曲率半径为r，表面与光轴正交的高度为y，圆锥系数为k，非球面系数为a4，a6，a8，a10，a12，a14，a16时，非球面通过下面的数学式表示：
[0159][0160]
下面给出本实现方式透镜系统一个具体实施示例的参数设计示例，该系统的最大视场角fov为118
°
,焦距：efl＝1.42mm，光圈：fno＝1.95，光学总长为：ttl＝5.4mm，最大半像高为2.5毫米，最大光学畸变《1.6％,周边相对照度30％，适用于925～955nm红外接收光波段。
[0161]
如下表3为本实现方式中具体实施示例的透镜系统各透镜的参数：
[0162]
表3
[0163][0164]
其中，s0表示目标面，s1表示第一子透镜l1'的物侧面，s2表示第一子透镜l1'的像侧面，s3表示第二子透镜l1”的物侧面，s4表示第二子透镜l1”的像侧面，stop表示光阑所在面，s6表示第二透镜l2的物侧面，s5表示第二透镜l2的像侧面，s6表示第三透镜l3的物侧面，s7表示第三透镜l3的像侧面，s8表示第四透镜l4的物侧面，s9表示第四透镜l4的像侧面，s10表示滤光片3(filter)的物侧面，s11表示滤光片3的像侧面，image表示光电传感器2的感光面；r表示对应面的曲率半径(mm)；t表示透镜在光轴方向的厚度以及面与面之间的光轴方向距离(mm)；nd表示透镜材料在d-line(587nm)的折射率，vd表示透镜材料的阿贝数；k为圆锥系数；焦距单位为mm。
[0165]
如下表4为本具体实施示例的透镜系统的非球面系数设计：
[0166]
表4
[0167][0168]
本实现方式上述具体实施示例的透镜系统在常温下的调制传递函数(mtf)示意图如图8所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统在各温度下的系统中心焦点离焦状况(through focus mtf)如图9(a)－图9(f)所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统常温下的场曲(field curvature)和畸变(distortion)示意图如图10所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统常温下的各视场主光线及上下光线角度曲线图如图11所示；本实现方式上述具体实施示例的透镜系统常温下各视场及周边相对亮度ri(relative illumination)如图12所示。
[0169]
本实现方式的透镜系统采用全塑料五片常规树脂镜片，两片高折射率材料，三片普通折射率材料；优化了光学设计mtf(modulation transfer function)指标，fov视场角达到了118度，达到了超广角镜头的水平，光学畸变《1.5％，符合结构光零畸变的技术要求，周边相对照度达到30％，光圈fno.为1.95；温度变化不敏感，0～60℃内抗温漂性能好；周边与中心mtf差异小，性能有较大提升。
[0170]
应当理解，上述两种实现方式的具体实施示例的参数设置仅用于示意，并不用于限制本技术的保护范围。
[0171]
进一步地，提供一种红外接收模组，包括前述任意一种透镜系统。进一步地，提供一种深度相机，包括前述的红外接收模组。由于红外接收模组中包含前述的透镜系统，深度相机包含该红外接收模组，基于透镜系统的前述优势，可以使相机获得高达116度的视场角，光学畸变＜1.5％，周边相对照度全视场＞29％，抗温漂性能好的特点，可以应用于扫地机，机器人等超宽视角要求的电子设备中。
[0172]
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。