一种镜头、相机模组以及眼球追踪模组的制作方法

1.本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种镜头、相机模组以及眼球追踪模组。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉
3.眼球追踪技术作为虚拟现实设备中非常重要的一种交互手段，随着科学技术的发展，目前实现眼球追踪的技术有很多种方法，包括瞳孔
‑
角膜反射法、视网膜影像法、眼睛建模后计算视觉中心法、视网膜反射强度法、角膜反射强度法等，为了避免与虚拟现实设备中屏幕发出的可见光发生干扰，大部分眼球追踪技术采用了红外光源对眼睛进行照明，供镜头拍摄眼部图像。
4.现有技术当中的镜头存在体积大、视场角不合理、畸变大、像差大等问题，导致拍摄到的眼部图像不清晰。


技术实现要素：

5.基于此，本实用新型的目的是提供一种镜头、相机模组以及眼球追踪模组，旨在解决现有技术中镜头体积大、视场角不合理、畸变大、像差大等问题，导致拍摄到的眼部图像不清晰的技术问题。
6.所述第一透镜为负透镜，所述第一透镜的物侧面和像侧面在近光轴处均为凹面；
7.所述第二透镜为正透镜，所述第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第二透镜的像侧面在近光轴处为凹面；
8.所述第三透镜为正透镜，所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第三透镜的像侧面为凸面；
9.所述第四透镜为负透镜，所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面。
10.根据上述技术方案的一方面，所述第一透镜的焦距f1与所述镜头的焦距f之间满足：
‑
1≤f1/f≤
‑
0.5。
11.根据上述技术方案的一方面，所述第二透镜的焦距f2与所述镜头的焦距f之间满足：1.1≤f2/f≤1.8。
12.根据上述技术方案的一方面，所述第三透镜的焦距f3与所述镜头的焦距f之间满足：0.5≤f3/f≤1。
13.根据上述技术方案的一方面，所述第四透镜的焦距f4与所述镜头的焦距f之间满足：
‑
1.5≤f4/f≤
‑
1。
14.根据上述技术方案的一方面，所述第一透镜，第二透镜，第三透镜和第四透镜均采用非球面塑料透镜。
15.根据上述技术方案的一方面，所述镜头还包括一红外窄带滤波片，所述红外窄带滤波片设于所述第四透镜和成像面之间。
16.根据上述技术方案的一方面，所述镜头还包括光阑，所述光阑设于所述第一透镜和所摄物体之间。
17.本实用新型的相机模组，包括上述技术方案中的镜头及图像传感器和底座，所述图像传感器设于所述底座上，所述图像传感器设于所述红外窄带滤波片的像侧，使红外光经过所述镜头后能够到达所述图像传感器进行成像，所述底座与所述镜头活动连接。
18.本实用新型的一种眼球追踪模组，包括上述技术方案中的相机模组以及镜框和红外照明灯，所述镜框上分布有多个安装槽，所述安装槽内设有所述红外照明灯和一个所述相机模组，所述底座固定于所述安装槽内。
19.本实用新型所示的一种镜头、相机模组以及眼球追踪模组，其有益效果为：通过正负透镜的搭配可以有效地降低光学系统的像差，提高镜头的成像质量，降低镜头的透视畸变，同时有较小的f数，使得镜头在低亮度下也能清晰成像，同时通过调节镜头与图像传感器的距离可以实现物距的调节，能够应用于不同拍摄距离要求下的虚拟现实设备，提高眼球追踪的精度及速度。
附图说明
20.图1为本实用新型一实施例中镜头的透镜结构示意图；
21.图2为本实用新型一实施例中相机模组结构剖视图；
22.图3为本实用新型一实施例中镜头场曲和光学畸变示意图；
23.图4为本实用新型一实施例中镜头mtf值示意图；
24.图5为本实用新型一实施例中镜头光斑示意图；
25.图6为本实用新型一实施例中眼球追踪模组示意图；
26.主要元件符号说明：
27.相机模组1镜框2安装槽3led灯4第一透镜11第二透镜12第三透镜13第四透镜14红外窄带滤波片15光阑16成像面17底座20图像传感器21
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28.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。
具体实施方式
29.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
30.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上
或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.请参阅图1至图2，本实用新型第一实施例中的镜头，从物侧至像侧依次包括第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14。
33.第一透镜11为负透镜，第一透镜11的物侧面和像侧面在近光轴处均为凹面。
34.第二透镜12为正透镜，第二透镜12的物侧面在近光轴处为凸面，第二透镜12的像侧面在近光轴处为凹面。
35.第三透镜13为正透镜，第三透镜13的物侧面在近光轴处为凸面，第三透镜13的像侧面为凸面。
36.第四透镜14为负透镜，第四透镜14的物侧面在近光轴处为凸面，第四透镜14的像侧面在近光轴处为凹面。
37.示例而非限定，上述第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14均采用非球面塑料透镜，采用这样的非球面镜片对于校正像差有很好的帮助。
38.应理解，透镜的“近光轴”或者“近光轴处”可以是指，与光轴之间夹角为θ的近轴光线的区域，其中θ满足：θ≈sinθ。例如，θ可以小于5
°
。
39.上述负透镜是指镜片的中间薄，边缘厚，呈凹形对光有发散作用的镜片；
40.上述正透镜是指镜片的中间厚、边缘薄，呈凸形对光有聚合作用的镜片。
41.本实施例当中，通过正负透镜的搭配可以有效地降低光学系统的像差。在一些实施例当中，为了降低加工难度，各透镜的厚度应该大于0.25mm。
42.在本实施例中，该镜头还包括光阑16，光阑16固定于第一透镜11和所摄物之间，用于控制进光量，限制成像范围。
43.此外，镜头还包括一红外窄带滤波片15，红外窄带滤波片15固定于第四透镜14和成像面17之间，使可见光穿过镜头内的四块透镜后通过红外窄带滤波片15过滤可见光，使特定的红外光能够穿过红外窄带滤波片15至成像面17进行成像。
44.由于使用在虚拟现实设备中，需要近距离拍摄，镜头焦距必须要小，所以整个相机模组的厚度控制在4mm以内。
45.本实施例中，将整个光学系统的总焦距设为f，第一透镜11的焦距为f1，第二透镜12的焦距为f2，第三透镜13的焦距为f3，第四透镜14的焦距为f4，各透镜焦距与整个镜头的焦距有以下关系：
46.第一透镜11的焦距f1与镜头的焦距f之间满足：
‑
1≤f1/f≤
‑
0.5；
47.第二透镜12的焦距f2与镜头的焦距f之间满足：1.1≤f2/f≤1.8；
48.第三透镜13的焦距f3与镜头的焦距f之间满足：0.5≤f3/f≤1；
49.第四透镜14的焦距f4与镜头的焦距f之间满足：
‑
1.5≤f4/f≤
‑
1。
50.进一步地，通过设置镜头中各个透镜的焦距、曲率半径、厚度、材料和圆锥系数中
的至少一项，以及镜头中的非球面透镜的非球面高次项系数，以使镜头的fov、f数、相对照度、尺寸等满足要求。
51.便于理解地，上述“fov”指视场角，表示镜头的视野采集范围，镜头的fov越大，表示该镜头能获得更大区域的信息。
52.上述“f数”为镜头相对口径的倒数，f值越小光圈越大，光圈越大进光亮越多。
53.上述“相对照度”指成像面上的不同坐标点的照度和中心点的照度之比相对照度越小，成像面的照度越不均匀，容易产生某些位置曝光不足或中心过曝光的问题，影响成像质量；相对照度越大，成像质量越高。
54.本实用新型中各镜片的曲率半径、厚度、材料、折射率、色散系数和焦距等参数如表1所示，本实用新型中四个非球面透镜的非球面系数如表2所示。
[0055][0056]
表1
[0057][0058]
表2本实用新型中的透镜均采用非球面塑料透镜，该非球面的面型方程如下：
[0059][0060]
其中，z为非球面的矢高，c为非球面近轴的曲率，及曲率半径的倒数，k为圆锥系数，a1为非球面2阶系数，a2为非球面4阶系数，a3为非球面6阶系数，a4为非球面8阶系数，a5为非球面10阶系数，a6为非球面12阶系数，a7为非球面14阶系数，a8为非球面16阶系数，具体参数如上述表2所示。
[0061]
如图2所示，本实用新型的第二实施例提供了一种相机模组，该相机模组1包括上述第一实施例中的镜头及图像传感器21和底座20，图像传感器21设于底座20上，图像传感器21设于红外窄带滤波片15的像侧，使红外光经过镜头后能够到达图像传感器21进行成
像，镜头连接于底座20上。
[0062]
具体地，底座20采用螺纹结构与镜头连接，底座20的内表面设有内螺纹，镜头的外表面设有外螺纹，通过螺纹的调节来控制镜头与图像传感器21的距离，保证对物距的调节，使相机模组1可以对不同物距的物体清晰成像，图像传感器21采用1/7.5寸芯片。
[0063]
更具体地，本实施例中的光学系统的技术指标如下：镜头的总长ttl为3.502mm，焦距为1.7，f数为2.0，视场角为72
°
，畸变为
‑
8％，图像传感器21的像素大小为3μm，工作光谱范围为920nm
‑
980nm，通过调节镜头与图像传感器21的距离，物距为15mm，镜头距离图像传感器21的距离为0.556mm，本实用新型的镜头场曲和光学畸变如图3所示，mtf值随空间频率变化如图4所示，光斑大小示意图如图5所示。
[0064]
方便理解地，图4中s代表弧矢方向，t代表子午方向，其中ts0.00就是镜头中心位置的mtf(调制传递函数)值。
[0065]
目前，虚拟现实设备的出瞳距要求大于10mm，不同的设备出瞳距不一样，本相机模组可以满足拍摄物距10mm
‑
30mm范围内的物体清晰成像，通过控制镜头与图像传感器21的距离实现。
[0066]
如表3所示为拍摄时物距和11面厚度关系表，其中红外窄带滤波片15的像侧至成像面的距离为“11面”，如上述表1中“表面序号”为“11”中的“厚度”所示。
[0067]
拍摄物距(mm)101520253011面的厚度(mm)6.61e
‑
015.56e
‑
015.06e
‑
014.79e
‑
014.67e
‑
01
[0068]
表3
[0069]
如图6所示，本实用新型的第三实施例提供了一种眼球追踪模组，该眼球追踪模组包括上述第二实施例的相机模组1以及镜框2和红外照明灯，镜框2上分布有多个安装槽3，所示安装槽3内设有红外照明灯和一个相机模组1，相机模组1中的底座20固定于安装槽3内。
[0070]
具体地，镜框2上分布有七个安装槽3，其中均匀分布的六个安装槽3内分别设有用于照明的led灯4，用于对眼球的均匀照亮，另一个安装槽3内设有相机模组1，相机模组1位于拍摄时眼球的下方，或者还可为眼球的左方或者右方等可清晰获取眼部图像、不被睫毛等遮挡的方位。
[0071]
综上，本实用新型上述实施例当中的眼球追踪模组，采用四片非球面塑料透镜，可以提高镜头的成像质量，降低畸变，同时有较小的f数，使得镜头在低亮度下也能清晰成像，该相机模组1的总长低于4mm，有利于眼球追踪模组的小型化，通过调节镜头与图像传感器21的距离可以实现物距的调节，保证物距在10
‑
30mm之间能够清晰成像，可以适用于多种虚拟现实设备。
[0072]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0073]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通
技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。