一种透镜系统、投影模组以及3D相机的制作方法

一种透镜系统、投影模组以及3d相机
技术领域
1.本实用新型涉及3d相机技术领域，尤其涉及一种透镜系统、投影模组以及 3d相机。


背景技术：

2.近年来，随着新零售刷脸支付设备，手机面部解锁(face id)，如结构光，tof 深度相机等发展，光学透镜不仅被应用于红外接收成像系统，还应用于主动投射光源激光点阵投射器准直系统。
3.现有技术中，手机前置解锁3d投影模组准直镜大部分采用了玻塑混合镜片，而手机类消费电子应用要求体积小，厚度薄，又要性能好，往往需要采用三片或四片、甚至超过四片以上透镜组合才能设计出符合性能要求的透镜系统，保证透镜系统的温度适应范围为-10℃～70℃，使得透镜系统的成本较高，开发周期长。如苹果公司使用的准直镜头方案，虽然耐温范围比较广(-40
°
～120℃ )，但由于使用了半导体工艺(wlo晶圆级光学元件)，并有45
°
棱镜折反射光路共同构成投射系统，所有元件整体组装精度及工艺水平要求高，封装设备昂贵，生产良率不高，制造成本远远高于普通直光路透镜系统。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种透镜系统、投影模组以及3d 相机，旨在解决相关技术中透镜系统的成本较高和开发周期长的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型第一方面提供了一种透镜系统，所述透镜系统从物侧至像侧依次包括：
6.第一透镜，具有正折射力，所述第一透镜朝向物侧的表面为凸面，所述第一透镜朝向像侧的表面为凹面，所述第一透镜为塑料透镜；
7.第二透镜，具有正折射力，所述第二透镜朝向物侧的表面为凹面，所述第二透镜朝向像侧的表面为凸面，所述第二透镜为塑料透镜。
8.优选地，所述第一透镜和所述第二透镜满足如下条件：
9.0.3＜r1/r2＜0.5；
10.1＜r3/r4＜1.4；
11.0.65＜f1/f＜0.85；
12.1.2＜f2/f＜1.4；
13.2＜f12＜3.5；
14.1.60＜nd1＜1.70；
15.1.50＜nd2＜1.60；
16.18＜vd1＜30；
17.45＜vd2＜65；
18.其中，r1表示所述第一透镜沿物侧至像侧方向的第一个面的曲率半径，r2 表示所
述第一透镜沿物侧至像侧方向的第二个面的曲率半径，r3表示所述第二透镜沿物侧至像侧方向的第一个面的曲率半径，r4表示所述第二透镜沿物侧至像侧方向的第二个面的曲率半径；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；f12表示第一透镜和第二透镜的组合焦距；nd1表示第一透镜的材料在d-line的折射率，nd2表示第二透镜的材料在d-line的折射率；vd1表示第一透镜的材料的阿贝数，vd2表示第二透镜的材料的阿贝数。
19.优选地，所述第一透镜和所述第二透镜的两面均为非球面。
20.优选地，所述第一透镜的非球面和所述第二透镜的非球面均满足如下公式：
[0021][0022]
其中，z表示光轴方向，r表示第一透镜或第二透镜的表面曲率半径；y表示第一透镜或第二透镜的表面与光轴正交的高度；k为圆锥系数； a4,a6,a8,a
10
,a
12
,a
14
,a
16
为非球面系数。
[0023]
优选地，所述透镜系统的视场角fov和光学总长ttl满足如下条件：
[0024]
fov＜25
°
；
[0025]
ttl＜2.8mm。
[0026]
优选地，所述透镜系统还包括孔径光阑，所述孔径光阑设于所述第二透镜朝向所述像侧的一侧。
[0027]
本实用新型第二方面提供了一种投影模组，所述投影模组包括如上述的透镜系统。
[0028]
优选地，所述投影模组还包括投射光源，所述投射光源设于所述第一透镜朝向所述物侧的一侧，所述投射光源用于产生点阵激光。
[0029]
优选地，所述投影模组还包括图案生成器，所述图案生成器设于所述第二透镜朝向所述像侧的一侧。
[0030]
本实用新型第三方面提供了一种3d相机，包括如上述的投影模组。
[0031]
本实用新型中一种透镜系统、投影模组以及3d相机与现有技术相比，有益效果在于：透镜系统包括从物侧至像侧依次设置的第一透镜和第二透镜，仅使用两片塑料透镜，将温度适应范围提升为-20℃～70℃，使得透镜系统性能好、厚度薄、温漂小、结构简单、制造容易以及具有准直投射功能。
附图说明
[0032]
图1是本实用新型实施例中一种3d相机的结构示意图；
[0033]
图2是本实用新型实施例中一种透镜系统的光路系统示意图；
[0034]
图3是本实用新型实施例中一种透镜系统的场曲及畸变示意图；
[0035]
图4是本实用新型实施例中一种透镜系统的各视场主光线及上下光线角度示意图；
[0036]
图5a是本实用新型实施例中一种透镜系统的调制传递函数在-20℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0037]
图5b是本实用新型实施例中一种透镜系统的系统离焦状况在-20℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0038]
图6a是本实用新型实施例中一种透镜系统的调制传递函数在0℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0039]
图6b是本实用新型实施例中一种透镜系统的系统离焦状况在0℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0040]
图7a是本实用新型实施例中一种透镜系统的调制传递函数在20℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0041]
图7b是本实用新型实施例中一种透镜系统的系统离焦状况在20℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0042]
图8a是本实用新型实施例中一种透镜系统的调制传递函数在40℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0043]
图8b是本实用新型实施例中一种透镜系统的系统离焦状况在40℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0044]
图9a是本实用新型实施例中一种透镜系统的调制传递函数在70℃和1.0 mpa大气压下的示意图；
[0045]
图9b是本实用新型实施例中一种透镜系统的系统离焦状况在70℃和1.0 mpa大气压下的示意图。
[0046]
在附图中，各附图标记表示：10、投影模组；20、采集模组；30、处理器； 101、投射光源；102、透镜系统；103、图案生成器；104、孔径光阑；201、图像传感器；202、滤光片；203、透镜组；l1、第一透镜；l2、第二透镜。
具体实施方式
[0047]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0048]
实施例：
[0049]
请参阅图1，本实用新型提供了一种3d相机，3d相机的主要组成部件有投影模组10、采集模组20以及处理器30。投影模组10和采集模组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。
[0050]
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30获取深度图像具体是指接收到由采集模组20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。
[0051]
请参阅图1，采集模组20包括图像传感器201(比如ccd相机和cmos传感器)、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10中的透镜系统102类似，均由单个透镜或多个透镜组成。
[0052]
请参阅图2，投影模组10包括投射光源101、透镜系统102以及图案生成器103。在一
个实施例中，图案生成器103可以为衍射光学元件doe，投射光源 101可以采用激光点阵面投射光源，并且投射光源101位于透镜系统102的焦平面(即经过焦点且垂直于光轴的平面)附近。投射光源101优选采用垂直腔面激光发射器阵列(vcsel阵列)，这样可以使得投射模组的整体体积较小，从而节约空间，vcsel阵列投射光源101是以二维图案排列的二维投射光源101， vcsel阵列整体大小仅在毫米量级，其上排列几十个甚至上百个投射光源101，各个投射光源101之间的距离处于微米级，例如10um，各个投射光源101共同形成的阵列可以是规则排列的也可以是不规则排列的，在此不做限制。优选地，vcsel阵列投射光源101的发光区域的尺寸为0.6mmx0.6mm，发光孔径大小为 6.0um，发散角为
±
10
°
，可以增大视场范围或提高光场均匀性。投影模组10 具有低温漂、低成本、小体积、高性能、结构简单和容易制造的特点，有利于为算法提供质量稳定的高精度散斑图案。
[0053]
请参阅图2，本实用新型提供了一种透镜系统102，该透镜系统102包括从物侧至像侧依次设置的第一透镜l1和第二透镜l2。其中，第一透镜l1具有正折射力，第一透镜l1朝向物侧的表面为第一表面s1，第一透镜l1朝向像侧的表面为第二表面s2，第一表面s1为凸面，第二表面s2为凹面，第一透镜l1 为塑料透镜；第二透镜l2具有正折射力，第二透镜l2朝向物侧的表面为第三表面s3，第二透镜l2朝向像侧的表面为第四表面s4，第三表面s3为凸面，第四表面s4为凹面，第二透镜l2为塑料透镜。优选地，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)和apel5014等材料制作，塑料材质的透镜耐高温、耐腐蚀以及耐划伤等特性，保护整个透镜系统102在装配、运输以及使用过程中不被划伤，在高温、低温、强光照以及风沙等恶劣环境下不易被风解和破坏，从而延长了透镜系统102的使用寿命。第一透镜l1为薄弯月型正透镜，第二透镜l2为厚弯月型正透镜。
[0054]
采用上述配置的透镜系统102，结构简单，仅使用两片塑料透镜，将温度适应范围提升为-20℃-70℃，使得透镜系统102的性能好、厚度薄、温漂小、结构简单、制造容易以及具有准直投射功能。本实用新型的透镜系统102比三片、四片透镜节省了1-2片透镜，性能得到较大提升，而且整个镜头的抗温度变化范围广，应用广泛，成本低廉。同时，第一透镜l1和第二透镜l2均采用高折射率、高透过率的光学树脂材料，有利于热变形温漂平衡补偿，温度在-20℃
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70℃内变化时焦点位置改变小于15um，可以使得光学设计mtf(modulationtransfer function)指标变化不大，焦距efl及后焦bfl变化平衡。该透镜系统102的最大高发光区域为0.55x0.55mm，有效焦距efl为2.2mm，光圈fno 为2.8，畸变小于0.3％，最大远心角小于0.35度。
[0055]
请参阅图2，根据实际需要，透镜系统102还可以包括孔径光阑104，孔径光阑104设于所述第二透镜l2朝向所述像侧的一侧，即第二透镜l2朝向图像生成器的一侧，孔径光阑104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，从而改善透镜系统102的成像质量。应当理解的是，上述孔径光阑104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。
[0056]
本实施例中，透镜系统102的视场角fov满足fov＜25
°
，可以使得在一定的焦距范围内，透镜系统102具有足够的视野，从而保证其成像范围；光学总长ttl满足ttl＜2.8mm，使得投影模组10既不会太长也不会太短，有利于降低设计难度和制造难度。
[0057]
本实施例中，第一透镜l1和第二透镜l2满足如下条件：
[0058]
0.3＜r1/r2＜0.5；
[0059]
1＜r3/r4＜1.4；
[0060]
0.65＜f1/f＜0.85；
[0061]
1.2＜f2/f＜1.4；
[0062]
2＜f12＜3.5；
[0063]
1.60＜nd1＜1.70；
[0064]
1.50＜nd2＜1.60；
[0065]
18＜vd1＜30；
[0066]
45＜vd2＜65；
[0067]
其中，r1表示所述第一透镜l1沿物侧至像侧方向的第一个面的曲率半径， r2表示所述第一透镜l1沿物侧至像侧方向的第二个面的曲率半径，r3表示所述第二透镜l2沿物侧至像侧方向的第一个面的曲率半径，r4表示所述第二透镜l2沿物侧至像侧方向的第二个面的曲率半径；f表示透镜系统102的有效焦距，f1表示所述第一透镜l1的有效焦距，f2表示所述第二透镜l2的有效焦距；f12表示第一透镜l1和第二透镜l2的组合焦距；nd1表示第一透镜l1的材料在d-line的折射率，nd2表示第二透镜l2的材料在d-line的折射率；vd1表示第一透镜l1的材料的阿贝数，vd2表示第二透镜l2的材料的阿贝数。
[0068]
当透镜系统102满足上述条件时，可以实现达到良好的像差矫正以及投射准直效果，保证结构紧凑，同时获得稳定的准直光斑。
[0069]
进一步的，第一透镜l1和第二透镜l2的两面均为非球面，非球面可以通过如下公式表示：
[0070][0071]
其中，z表示光轴方向，r表示第一透镜l1或第二透镜l2的表面曲率半径； y表示第一透镜l1或第二透镜l2的表面与光轴正交的高度；k为圆锥系数； a4,a6,a8,a
10
,a
12
,a
14
,a
16
……
为非球面系数。
[0072]
接下来将具体提供一种本实用新型的透镜系统102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。
[0073]
为了便于后续描述，将投射光源101的表面表示为s0，图案生成器的表面表示为s6。
[0074]
表1示出一种示例性的透镜系统102表面系数：
[0075]
【表1】
[0076][0077]
表2示出一种示例性的透镜系统102表面系数：
[0078]
【表2】
[0079][0080]
在上述参数设计的具体实施例中，该透镜系统102最大视场角fov为25
°
，焦距efl为2.2mm，光圈fno为2.8，光学总长ttl为2.8mm，最大半物高为0.55 毫米，适用于925-955nm红外激光波段。
[0081]
本实用新型上述具体实施例的透镜系统102的场曲(field curvature)和畸变(distortion)示意图如图3所示；本实用新型上述具体实施例的透镜系统102的各视场主光线及上下光线角度(chief、upper、lower ray angle)示意图如图4所示；本实用新型上述具体实施例的透镜系统102的各温度(-20℃、 0℃、20℃、40℃和70℃)状态下和1.0mpa大气压下，调制传递函数 (modulationtransferfunction，简称mtf)与系统离焦状况(through focusmtf)的示意图如图5a、图5b、图6a、图6b、图7a、图7b、图8a、图8b、图 9a以及图9b所示。
[0082]
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。