透镜系统、投影模组及深度相机
技术领域
本实用新型涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种透镜系统、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，特别对于消费级的电子设备如手机、电脑等，光学透镜往往即要体积小，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，光学透镜将会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，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、图案密度等都会受到透镜系统的影响，另外透镜系统的温度适应性将决定了随机散斑图案的质量稳定性，会直接决定该深度相机是否能输出稳定的深度图像。
已有技术中，投影模组中的透镜系统往往温度适应性差、成像或投影性能低，不利于量产及普及。
发明内容
本实用新型为了解决现有的问题，提供一种透镜系统、投影模组及深度相机。
为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：
一种透镜系统，沿光束出射的方向包括：第一透镜，具有负光焦度，所述第一透镜朝向所述投影侧的表面为凸面，所述第一透镜朝向所述光源的表面为凹面，所述第一透镜是塑料透镜或玻璃透镜；第二透镜，具有正光焦度，所述第二透镜朝向所述投影侧的表面为凸面，所述第二透镜朝向所述光源的表面为凹面，所述第二透镜是塑料透镜或玻璃透镜。
在本实用新型的一种实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜满足如下条件：0.42<r1/r2<0.62，-0.35<f1/f<-2.5，1.25<f2/f<1.45，4.0<f12<5.0，1.53<Nd<1.96，其中，f表示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；r1表示所述第一透镜沿光束出射方向的第一个面的曲率半径；r2表示所述第一透镜沿光束出射方向的第二个面的曲率半径；f12表示所述第一透镜、所述第二透镜的组合焦距；Nd表示所述第一透镜和所述第二透镜的材料在d-line的折射率。
在本实用新型的又一种实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜的表面参数如下：
其中，S1为所述第一透镜沿光束出射方向的第一个面，S2为所述第一透镜沿光束出射方向的第二个面，S3为所述第二透镜沿光束出射方向的第一个面，S4为所述第二透镜沿光束出射方向的第二个面。
在本实用新型的再一种实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜均为非球面透镜。所述第一透镜和所述第二透镜的非球面参数如下：
其中，S1为所述第一透镜沿光束出射方向的第一个面，S2为所述第一透镜沿光束出射方向的第二个面，S3为所述第二透镜沿光束出射方向的第一个面，S4为所述第二透镜沿光束出射方向的第二个面。
在本实用新型的又一种实施例中，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第二透镜沿光束出射方向的一侧。
本实用新型还提供一种投影模组，包括如上任一所述的透镜系统。
在本实用新型的一种实施例中，还包括光源，所述光源是可见光或不可见光。所述光源是边发射激光发射器或垂直腔面激光发射器。
本实用新型又提供一种深度相机，包括如上任一所述的投影模组。
本实用新型的有益效果为：提供一种透镜系统、投影模组及深度相机，通过设置第一透镜、第二透镜组成的透镜系统降低畸变和像散，从而良好的校正像差；第一透镜、第二透镜可以均采用塑胶透镜，由于塑胶透镜可以做到更小、更轻，有效减小透镜系统的体积和重量；第一透镜和第二透镜均采用塑胶透镜，尤其适用于温差变化不大的模组中，相对于玻璃透镜成本更低，可以进一步降低投影模组和深度相机的成本，利于量产；对于温差变化较大的模组，第一透镜和/或第二透镜采用受温度影响小的玻璃材质的透镜，提高热稳定性。
附图说明
图1是本实用新型实施例中结构光深度相机的示意图。
图2是本实用新型实施例中投影模组的结构示意图。
图3是本实用新型实施例中透镜系统的调制解调函数的示意图。
图4是本实用新型实施例中透镜系统的像散曲线示意图。
图5是本实用新型实施例中透镜系统的畸变示意图。
图6是本实用新型实施例中透镜系统的视场相对照度的示意图。
其中，10-投影模组，20-采集模组，30-处理器，101-光源，102-透镜系统，103-图案生成器，201-图像传感器，202-滤光片，203-透镜组，1021-第一透镜，1022-第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本实用新型提出一种透镜系统、投影模组以及深度相机，在后面的说明中将重点对透镜系统、结构光投影模组及其深度相机为例进行说明，但并不意味着这种透镜系统仅能应用在结构光投影模组及深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本实用新型的保护范围内。
图1根据本实用新型一个实施例的结构光深度相机的示意图。深度相机主要组成部件有投影模组10、采集模组20、以及处理器30，在一些深度相机中还配备了彩色相机模组。投影模组10、采集模组20一般以一定的基线距离安装在支架上。其中投影模组10用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组20采集到该结构光图案后通过处理器30的处理从而得到目标空间的深度图像。
在一个实施例中，结构光图像为红外激光散斑图案，图案具有颗粒分布相对均匀但局部不相关性很高的特征，这里的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，采集模组20为对应的红外相机。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进一步得到深度图像。
采集模组20包括图像传感器201(比如CCD、CMOS)、滤光片202(比如红外滤光片)以及透镜组203。这里的透镜组203与投影模组中10中的透镜系统类似，均由单个透镜或多个透镜组成。
投影模组10包括光源101、透镜系统102以及图案生成器103(比如衍射光学元件DOE)。其中光源20可以包括可见光、不可见光如红外、紫外等激光光源，光源的种类可以是边发射激光发射器也可以是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。VCSEL阵列光源是以二维图案排列的二维光源，VCSEL阵列整体大小仅在微米量级，比如5mmX5mm大小，上面排列了几十个甚至上百个光源，各个光源之间的距离处于微米量级，比如10μm。
当投影模组10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102。透镜系统102可以是单透镜也可以是透镜组合，甚至可以是微透镜阵列。一般地，由于投影模组10对透镜系统102有一定的设计要求，比如投影光束密度、投影图案对比度、畸变等多重要求，单透镜系统往往难以达到要求，此时则需要多个透镜共同组成透镜系统来实现设计要求。除了需要考虑透镜的基本设计要求之外，还需要考虑透镜在使用过程中会遇到的一些其他因素，其中温度对透镜的影响较大，常常有温漂现象出现，是在透镜设计中不得不考虑的因素。
一般地，对于一些温度变化不大的模组中，为了降低成本，透镜系统102普遍采用塑料材质，而对于一些温度变化较大的模组中，透镜系统102则采用受温度影响小的玻璃材质，玻璃材质可以帮忙提高热稳定性，但会带来成本提高的不利影响。
图2是根据本实用新型一个实施例的投影模组示意图。投影模组10包括光源101(图2中示例性给出由3个子光源组成的光源阵列)、透镜系统102以及衍射光学元件(DOE)103。光源101用于发射光束，透镜系统102用于接收并汇聚光源101发射出的光束，DOE103则将透镜系统102汇聚后的光束进行衍射以生成结构光图案化光束。该结构光图案化光束入射到物体上将形成结构光图案。
透镜系统102沿光束出射的方向包括第一透镜1021、第二透镜1022。其中第一透镜1021具有负光焦度，朝向投影侧的表面为凸面，朝向光源101的表面为凹面；第二透镜1022具有正光焦度，朝向投影侧的表面为凸面，朝向光源101的表面为凹面。
在一个实施例中，所有透镜均为塑料透镜。
在一个实施例中，第二透镜1022为玻璃透镜，从而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。
在一个实施例中，第一透镜1021可以是塑料透镜也可以是玻璃透镜。
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，玻璃材质的透镜耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特性，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。
根据实际需要，透镜系统102还可以包括孔径光阑(图中未示出)。孔径光阑设置于第二透镜1022沿光束出射方向的一侧，即第二透镜1022朝向衍射光学元件103一侧，不仅有利于增大视场角，而且可以限制光线中偏离理想位置的光线，降低彗差，从而改善投影透镜系统的成像质量。
应当理解的是，上述孔径光阑的大小可以根据需要设置，以最优化视场角的设置，本实用新型对此不做限制。
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，第一透镜1021、第二透镜1022要满足如下条件：
0.42<r1/r2<0.62-----------(1)
-0.35<f1/f<-2.5------------(2)
1.25<f2/f<1.45-------------(3)
4.0<f12<5.0--------------(5)
1.53<Nd<1.96--------------(6)
其中，f表示透镜系统的有效焦距；f1表示第一透镜1021的有效焦距；f2表示第二透镜1022的有效焦距；r1表示第一透镜1021沿光束出射方向的第一个面(S1)的曲率半径(单位：mm)；r2表示第一透镜1021沿光束出射方向的第二个面(S2)的曲率半径(单位：mm)；f12表示第一透镜1021、第二透镜1022的组合焦距(单位：mm)；Nd表示第一透镜和第二透镜透镜的材料在d-line(587nm)的折射率。
接下来将具体提供一种本实用新型的透镜系统的设计参数，可以理解的是，设计参数仅用于示意，基于本实用新型原理的其他设计在本领域人员阅读本实用新型之后是显而易见的，因此也属于本实用新型的范围内。
本例子中，透镜系统102能够在F/2.8处工作，且能够达到80°视场角，光学畸变不大于2％。
具体表面系数如下表所示：
表1透镜系统的具体表面系数
其中，S1为第一透镜沿光束出射方向的第一个面，S2为第一透镜沿光束出射方向的第二个面，S3为第二透镜沿光束出射方向的第一个面，S4为第二透镜沿光束出射方向的第二个面。
在本实用新型中，第一透镜1021、第二透镜1022的表面都由非球面构成，非球面的设置有利于获得更多的控制变量，以消减像差(包括畸变和像散等)，从而减少透镜的数目以及降低投影透镜系统的总长度，并且，非球面的制作难度和成本可以更低。
高阶非球面系数如下表所示:
表2非球面系数
其中，S1为第一透镜沿光束出射方向的第一个面，S2为第一透镜沿光束出射方向的第二个面，S3为第二透镜沿光束出射方向的第一个面，S4为第二透镜沿光束出射方向的第二个面。
如图3所示，在一种具体的实施例中，本实用新型的透镜系统的调制解调函数(Modulation Transfer Function,MTF)的示意图。
如图4所示，在一种具体的实施例中，本实用新型的透镜系统的像散曲线示意图。
如图5所示，在一种具体的实施例中，本实用新型的透镜系统的畸变示意图。
如图6所示，在一种具体的实施例中，本实用新型的透镜系统的视场相对照度的示意图。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
