一种透镜系统、成像模组及深度相机的制作方法

1.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、成像模组及深度相机。


背景技术：

2.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tof深度相机的发展，光学透镜越来越广泛地被应用。
3.tof深度相机一般是通过光源发出的光经透镜系统、衍射光学元件(doe)后向外投射出散斑图案，成像模组接收散斑图案随后被用来生成深度图像。对于散斑光源，由于图像散斑视场角(fov)覆盖区域是由doe对中心散斑区块进行复制扩展，当散斑区域视场角增大时，会产生很严重的畸变现象，导致成像模组接收端中心的散斑密集，而边角的散斑稀疏，最终影响深度图的均匀性，深度图的均匀性较差。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

5.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、成像模组及深度相机，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。
6.本实用新型为达上述目的提出以下技术方案：
7.一种透镜系统，包括有沿光束入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜具有正光焦度，所述第四透镜具有负光焦度，且所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜满足如下条件：
8.‑
20<f1/f2<9；
9.0.3<f2/f3<16；
10.‑
1.7<f3/f4<
‑
0.1；
11.‑
0.9<f
123
/f4<
‑
0.05；
12.‑
75<f1/f
234
<15；
13.1.52<n
d
<1.95；
14.0.5<f/tl<0.9；
15.其中，f为透镜系统的有效焦距；f1为所述第一透镜的有效焦距；f2为所述第二透镜的有效焦距；f3为所述第三透镜的有效焦距；f
123
为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距；f
234
为所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距；nd为透镜材料对于d光的折射率；tl为光轴上第一透镜的物面至成像面的距离。
16.在一些实施例中，所述第四透镜的物面和像面于近光轴处均为凹面，所述第四透镜的物面与像面之间至少有一面为非球面。
17.在一些实施例中，还包括有孔径光阑，所述孔径光阑设置在任意两个相邻的透镜之间。
18.在一些实施例中，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构成的透镜组的光圈值满足：fno<1.2。
19.在一些实施例中，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透镜。
20.在一些实施例中，所述第四透镜为玻璃透镜。
21.本实用新型的另一技术方案为：
22.一种成像模组，包括图像传感器、过滤单元以及接收光学元件；其中，所述接收光学元件用于接收由目标物体反射回的至少部分散斑图案并将所述至少部分散斑图案引导至所述图像传感器上；所述接收光学元件包括有前述任一实施例方案所述的透镜系统。
23.在一些实施例中，所述过滤单元为红外滤光片，以用于滤除背景光或杂散光。
24.本实用新型的又一技术方案为：
25.一种深度相机，包括有前述实施例方案所述的成像模组、投影模组、处理电器以及支架；其中，所述投影模组、所述成像模组以预设的基线距离安装在所述支架上。
26.在一些实施例中，所述投影模组包括由一个或多个激光器组成的光源，以用于向目标空间中投射经编码的散斑图案；所述成像模组采集经目标物体反射回的所述散斑图案中的光子并输出光子信号；所述处理器同步所述投影模组与所述成像模组的触发信号以计算光子从发射到反射回被接收所需要的飞行时间，从而得到所述目标物体的深度信息。
27.本实用新型技术方案的有益效果是：
28.相较于现有技术，本实用新型透镜系统、成像模组及深度相机可实现大光圈的畸变补偿，解决了散斑密度不均匀的问题，在保证结构紧凑的同时可获得好的成像质量。
附图说明
29.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。
30.图1是本实用新型实施例的深度相机的原理框图；
31.图2是本实用新型另一实施例成像模组的结构示意图；
32.图3是本实用新型另一实施例成像模组的光路结构示意图。
具体实施方式
33.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。
34.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。
35.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。
36.本发明提供一种透镜系统、成像模组以及深度相机，为便于理解，以下先对深度相机、成像模组进行描述，最后再进一步对透镜系统进行说明。
37.参照图1所示，图1为本发明实施例深度相机的示意图，深度相机100包括投影模组10、成像模组20以及处理电器13；投影模组10、成像模组20以预设的基线距离安装在支架上；其中，投影模组10包括由一个或多个激光器组成的光源101，以用于向目标空间中投射经编码的散斑图案，经目标空间中的目标物体40反射回成像模组20；成像模组20包括有图像传感器201，以用于采集反射回的散斑图案中的光子并输出光子信号；处理器30与投影模组10、成像模组20连接，用于同步投影模组10与成像模组20的触发信号以计算光子从发射到反射回被接收所需要的飞行时间，从而得到目标物体的深度信息。
38.具体的，投影模组10包括光源101、发射光学元件102以及驱动器103等。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。光源111所投射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源101在驱动器103的控制下向外投射光束。在一个实施例中，光源为红外激光光源，如940nm波段，散斑点可以按四边形或六边形图案排布，对应的，成像模组为对应波段的红外相机。
39.发射光学元件102接收来自光源101发射的光束并整形后投射到目标区域。在一个实施例中，发射光学元件102接收来自光源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。
40.成像模组20包括图像传感器201、过滤单元202和接收光学元件203；其中，接收光学元件203用于接收由目标物体反射回的至少部分散斑图案并将所述至少部分散斑图案引导至图像传感器201上；过滤单元202用于滤除背景光或杂散光；在一个实施例中，图像传感器201为tof传感器，过滤单元202为滤光片(比如红外滤光片)，接收光学元件203包括有透镜系统。
41.参照图2、图3所示，作为本实用新型一实施例透镜系统，包括沿光束205入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、第二透
镜l2以及第三透镜l3具有正光焦度，第四透镜l4具有负光焦度。为了获得较大的负畸变补偿，保证结构紧凑的同时获得最好的成像质量，透镜系统满足如下条件：
42.‑
20<f1/f2<9；
43.0.3<f2/f3<16；
44.‑
1.7<f3/f4<
‑
0.1；
45.‑
0.9<f
123
/f4<
‑
0.05；
46.‑
75<f1/f
234
<15；
47.1.52<n
d
<1.95；
48.0.5<f/tl<0.9；
49.其中，f表示透镜系统的有效焦距；f1表示第一透镜l1的有效焦距；f2表示第二透镜l2的有效焦距；f3表示第三透镜l3的有效焦距；f
123
表示第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3的组合焦距(单位：mm)；f
234
表示第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4的组合焦距(单位：mm)；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；tl表示光轴上第一透镜l1的物面至成像面的距离。
50.在如图2所示的实施例中，第一透镜l1的物面在近光轴处为凸面，第一透镜l1的像面在近光轴处为凹面；第四透镜l4的物面和像面在近光轴处均为凹面，且第四透镜l4的物面与像面之间至少有一面为非球面。
51.在一些实施例中，透镜系统还包括有孔径光阑，孔径光阑可以根据需要设置，比如可以设置在任意两个相邻的透镜之间。
52.在一些实施例中，透镜系统的四片透镜组的光圈值为fno，并满足fno<1.2，使得成像面具有足够且适当的照度。
53.在一个实施例中，透镜系统的所有透镜均为塑料透镜，通过优化系统参数，降低透镜组焦距受温度过冷或过热的影响。其中，塑料透镜的材质可以pmma(化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃，俗称亚克力)、pc(polycarbonate，聚碳酸脂)、apel5014等材料制作。在一些实施例中，对于一些温度变化较大的成像模组中，透镜系统的透镜可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，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。但采用玻璃材质会导致成本提升，为了考虑成本和性能，在一些实施例中，可以将第四透镜l4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。
54.为便于后续描述，把第一透镜l1的物侧面记为s3；第一透镜l1的像侧面记为s4；第二透镜l2的物侧面记为s5；第二透镜l2像侧面记为s6；第三透镜l3物侧面记为s7；第三透镜l3像侧面记为s8；第四透镜l4物侧面记为s9；第四透镜的像侧面记为s10。
55.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。
56.如下表1为一种示例性的透镜系统表面系数：
57.表1透镜系统表面系数
[0058][0059][0060]
上述各透镜的非球面曲线方程式表示如下：
[0061][0062]
其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作为参考的位置值；c表示透镜表面靠近光轴的曲率，并为曲率半径(r)的倒数(c＝1/r)；r为透镜表面靠近光轴的曲率半径；h是透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数(conic constant)；而a2、a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16、
……
为高阶非球面系数。
[0063]
如下表2为一种示例性的透镜系统非球面系数设计：
[0064]
表2非球面系数
[0065][0066]
在上述的参数设计例子中，透镜系统能够在f/1.2处工作，且能够达到72
°
视场角，光学畸变为
‑
25.6％。在该示例性的参数设计下，该透镜系统对于大光圈成像镜头具有较好畸变补偿，可解决散斑密度不均匀的问题。
[0067]
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、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
[0068]
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明创作的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以
在本文中进行各种改变、替换和变更。