一种发射光学组件、投影模组、成像装置和电子设备的制作方法

1.本技术涉及光学及电子技术领域，具体涉及一种发射光学组件、投影模组、成像装置和电子设备。


背景技术：

2.近年来，光学透镜被广泛地应用于诸如手机、相机、投影仪、游戏机等电子设备中。其中，结构光深度相机的关键部件之一是投影模组，该投影模组的光源发出的光经透镜、衍射光学元件(diffractive optical element，doe)等后向外发射出图案化的结构光，例如散斑图像，随机散斑图案随后被用来生成深度图像。
3.目前，光源发出来的光束经过准直透镜准直以后，入射到doe，doe将光束复制若干份后投射到目标空间上形成散斑场。在实际应用中，需要散斑场的视场角越大越好。但是，随着视场角的扩大，散斑密度会变疏。如图1所示为视场角与散斑密度比的关系图，散斑密度比是散斑数量除以散斑面积。图1中横坐标是视场角，单位为度(
°
)，纵坐标是散斑密度比。从图1可以看出，视场角增大到60
°
以上，散斑密度比已经在10％以下了。一般来说，散斑越疏，散斑的随机性就越差，散斑疏到一定程度，其随机性就不能满足实际成像需求。这样，基于散斑图案的结构光或主动双目技术等，其瓶颈就日益突显出来。


技术实现要素：

4.本技术提出一种发射光学组件、投影模组和电子设备，可以解决相关技术中的一个或多个技术问题。
5.第一方面，本技术一实施例提供一种发射光学组件，由物侧至像侧依次包括：第一透镜组、衍射光学元件和第二透镜组，所述第一透镜组的像方焦平面与所述第二透镜组的物方焦平面重合，入射光束经所述第一透镜组和所述衍射光学元件后形成第一散斑图案光束，所述第一散斑图案光束经所述第二透镜组后形成第二散斑图案光束，所述第一散斑图案光束的视场角小于所述第二散斑图案光束的视场角，所述第一散斑图案光束和所述第二散斑图案光束的散斑密度比相等。
6.在一些实施例中，所述第一透镜组用于汇聚所述入射光束以出射汇聚光束；所述衍射光学元件用于复制并扩展所述汇聚光束以出射所述第一散斑图案光束。
7.在一些实施例中，所述第一透镜组的有效焦距为9至11mm。
8.在一些实施例中，所述第一透镜组包括第一一透镜和第一二透镜，所述第一一透镜和所述第一二透镜均具有正屈光度，所述第一一透镜和所述第一二透镜满足：0.7《f11/f12《1.3，其中，f11表示所述第一一透镜的有效焦距，f12表示所述第一二透镜的有效焦距。
9.在一些实施例中，所述第一一透镜的有效焦距f11满足：4.5mm《f11《10mm。
10.在一些实施例中，所述第一二透镜的有效焦距f12满足：4.5mm《f12《10mm。
11.在一些实施例中，所述第二透镜组包括第二一透镜、第二二透镜、第二三透镜、第二四透镜和第二五透镜，所述第二一透镜和所述第二三透镜均具有负屈光度，所述第二二
透镜、所述第二四透镜和所述第二五透镜均具有正屈光度，所述第二一透镜、所述第二二透镜、所述第二三透镜、所述第二四透镜和所述第二五透镜满足：-1.4《f21/f22《-1.0；-0.7《f23/f24《-0.3；3《f24/f25《4.5；-1.3《f21/f25《-0.7；其中，f21表示所述第二一透镜的有效焦距，f22表示所述第二二透镜的有效焦距，f23表示所述第二三透镜的有效焦距，f24表示所述第二四透镜的有效焦距，f25表示所述第二五透镜的有效焦距。
12.在一些实施例中，所述第二一透镜的有效焦距f21满足：-5mm《f21《-12mm。
13.在一些实施例中，所述第二二透镜的有效焦距f22满足：3.5mm《f22《10mm。
14.在一些实施例中，所述第二三透镜的有效焦距f23满足：-8mm《f23《-15mm。
15.在一些实施例中，所述第二四透镜的有效焦距f24满足：20mm《f24《35mm。
16.在一些实施例中，所述第二五透镜的有效焦距f25满足：5mm《f25《12mm。
17.第二方面，本技术一实施例提供一种投影模组，包括光源和前述任一实施例所述的发射光学组件，所述光源发射所述入射光束至所述发射光学组件。
18.第三方面，本技术一实施例提供一种成像装置，包括采集模组和前述任一实施例所述的投影模组，所述投影模组用于向目标空间发射所述第二散斑图案光束，所述采集模组用于采集被所述目标空间中的目标物反射回的至少部分所述第二散斑图案光束。
19.在一些实施例中，所述成像装置包括深度相机。
20.第四方面，本技术一实施例提供一种电子设备，包括前述实施例所述的成像模组。
21.在一些实施例中，所述电子设备包括手机、笔记本、平板电脑、游戏终端。
22.本技术提供的技术方案的有益效果是：通过第一透镜组、衍射光学元件和第二透镜组的设计，避免了投射场的散斑密度比随着视场角的增大而明显下降。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
24.图1是本技术一实施例提供的一种视场角与散斑密度比的关系示意图；
25.图2是本技术一实施例提供的一种投影模组的结构示意图；
26.图3是本技术一实施例提供的一种第一透镜组的结构示意图；
27.图4是本技术一实施例提供的一种第二透镜组的结构示意图；
28.图5是本技术一实施例提供的一种成像装置的结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
30.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”、“第一一”、“第二一”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，以便这里描述的本技术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”、“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技术中的具体含义。
31.另需要理解的是，术语“右”和“左”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技术和简化描述，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技术的限制。
32.随着结构光和主动双目技术的应用越来越多，为了适配大视场角的应用场景需求，结构光和主动双目技术在大视场角的开发变得越发迫切。但是，当让投影模组(或称发射模组)的发射光束的视场角变大时，投影模组投射出的光束边缘的散斑会非常稀疏，中心的散斑会较为密集，不利于进行深度测量。为了解决散斑密度比随着视场角的增大明显下降的技术问题，本技术实施例提供一种发射光学组件、投影模组、成像装置和电子设备，发射光学组件投射的散斑密度比不会随着视场角的增大而明显下降。
33.如图2所示为本技术一实施例提供的一种投影模组的结构示意图，如图2所示，投影模组包括光源和发射光学组件，光源发射入射光束至发射光学组件。发射光源组件由物侧至像侧依次包括第一透镜组11、doe13和第二透镜组12。第一透镜组11的像方焦平面与第二透镜组12的物方焦平面重合，入射光束经第一透镜组11和doe13后形成第一散斑图案光束，第一散斑图案光束经第二透镜组12后形成第二散斑图案光束。第一散斑图案光束的视场角小于第二散斑图案光束的视场角，第一散斑图案光束和第二散斑图案光束的散斑密度比相等。
34.在一些实施例中，光源可以发出可见光或不可见光(譬如红外光、紫外光等)，光源可以采用边发射激光发射器或者垂直腔面激光发射器(vcsel)，可包括一个光源或多个光源。为了使得整体的投影模组的体积较小，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。阵列光源的排列可以为规则排列，也可以为不规则排列，不规则排列的好处在于可以提高散斑的不相关性。
35.第一透镜组11用于汇聚光源发射的入射光束以出射汇聚光束；doe13用于复制并扩展汇聚光束以出射第一散斑图案光束。在一个实施例中，第一透镜组11将vcsel发出来的入射光束汇聚在其右方，物像比为1:2至2:1。
36.以vcsel阵列光源作为光源的示例进行说明，结合图2所示，vcsel发射的入射光束经过第一透镜组11成像于其右方空间上。在第一透镜组11的右方汇聚点(或像方焦平面)的左方放置了复制和扩展光束用的doe，复制出来的激光光束就会在doe右侧形成实像。第一透镜组11的像方焦平面和第二透镜组12的物方焦平面重合，入射光束经第一透镜组11和doe13成实像发出来的光束再经过第二透镜组12后投射出来，在目标空间上形成散斑场，散斑场的散斑密度比，与第一透镜组11和doe成实像发出了的光束的散斑密度比保持一致。
37.相比于常规结构光投影模组，本技术实施例中的第一透镜组11不再采用准直透镜，而是采用对入射光束起到汇聚作用的透镜，且第一透镜组11的焦距的设置大于常规结
构光投影模组中准直镜的焦距。例如，常规结构光投影模组中准直透镜的焦距为2.5至5mm，在一些实施例中，第一透镜组11的有效焦距采用9至11mm。在一个实施例中，第一透镜组11的有效焦距优选为10mm，导致经过第一透镜组11后的光束成汇聚状态，经过doe复制和扩展后的光束的视场角可达到约20
°
左右，根据前述图1的散斑密度比和视场角的关系图可以看出此时的散斑密度比约为80％。而经过第二透镜组12后整体呈等比例放大状态的投射场，即不仅光束的视场角变大，单个散斑的面积也变大，此时投射场的散斑密比与入射第二透镜组12的光束保持不变。
38.图3所示为本技术一实施例提供的一种第一透镜组11的结构示意图，如图3所示，第一透镜组11包括第一一透镜l11和第一二透镜l12。其中，第一一透镜l11和第一二透镜l12均具有正屈光度(即正屈折力或正光焦度)；第一一透镜l11和第一二透镜l12满足如下条件：
39.0.7《f11/f12《1.3，
40.其中，f11表示第一一透镜l11的有效焦距，f12表示第一二透镜l12的有效焦距。
41.在一些实施例中，第一一透镜l11的有效焦距f11满足如下条件：
42.4.5mm《f11《10mm。
43.在一些实施例中，第一二透镜l12的有效焦距f12满足如下条件：
44.4.5mm《f12《10mm。
45.发射光学组件具有物面和像面，透镜朝向物面的表面称为物侧面，透镜朝向像面的表面称为像侧面。在如图3所示的实施例中，第一一透镜l11的物侧面为凸面，第一一透镜l11的像侧面为凸面；第一二透镜l12的物侧面为凸面，第二透镜l2的像侧面为凸面。
46.在一些实施例中，第一透镜组11还可以包括孔径光阑。在如图3所示的实施例中，将孔径光阑s1设置在两个透镜之间，即孔径光阑s1设置在第一一透镜l11和第一二透镜l12之间。需要说明的是，在其他实施例中，第一透镜组11的孔径光阑s1还可以设置在光源与第一一透镜l11之间，也可以设置在第一二透镜l12与doe13之间。
47.作为一可能的实现方式，如下表1示出了图3实施例的第一透镜组11的具体表面系数，如下表2示出了图3实施例的第一透镜组11的非球面系数。应当理解的是，此处仅为示例性描述，并能解释为对本技术的具体限制。在表1和表2所示示例中，第一一透镜l11的物侧面记为s111，其像侧面记为s112；第一二透镜l12的物侧面记为s121；其像侧面记为s122。在本示例中，第一透镜组11的有效焦距f1为10.0mm，孔径光阑s1在数值孔径fno为2.0处工作，能够将视场角控制在10
°
以下，光学畸变不大于1％。
48.表1第一透镜组11的具体表面系数
[0049][0050]
表2第一透镜组11的非球面系数
[0051][0052][0053]
图4所示为本技术一实施例提供的一种第二透镜组12的结构示意图，如图4所示，第二透镜组12包括第二一透镜l21、第二二透镜l22、第二三透镜l23、第二四透镜l24和第二五透镜l25。其中，第二一透镜l21和第二三透镜l23均具有负屈光度，第二二透镜l22、第二四透镜l24和第二五透镜l25均具有正屈光度；第二一透镜l21、第二二透镜l22、第二三透镜l23、第二四透镜l24和第二五透镜l25满足如下条件：
[0054]-1.4《f21/f22《-1.0；
[0055]-0.7《f23/f24《-0.3；
[0056]
3《f24/f25《4.5；
[0057]-1.3《f21/f25《-0.7；
[0058]
其中，f21表示第二一透镜l21的有效焦距，f22表示第二二透镜l22的有效焦距，f23表示第二三透镜l23的有效焦距，f24表示第二四透镜l24的有效焦距，f25表示第二五透镜l25的有效焦距。
[0059]
在一些实施例中，第二一透镜l21的有效焦距f21满足如下条件：
[0060]-5mm《f21《-12mm。
[0061]
在一些实施例中，第二二透镜l22的有效焦距f22满足如下条件：
[0062]
3.5mm《f22《10mm。
[0063]
在一些实施例中，第二三透镜l23的有效焦距f23满足如下条件：
[0064]-8mm《f23《-15mm。
[0065]
在一些实施例中，第二四透镜l24的有效焦距f24满足如下条件：
[0066]
20mm《f24《35mm。
[0067]
在一些实施例中，第二五透镜l25的有效焦距f25满足如下条件：
[0068]
5mm《f25《12mm。
[0069]
在如图4所示的实施例中，第二一透镜l21的物侧面为凸面，其像侧面为凸面；第二二透镜l22的物侧面为凸面，其像侧面为凹面；第二三透镜l23的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；第二四透镜l24的物侧面为凸面，其像侧面为凸面；第二五透镜l25的物侧面为凹面，其像侧面为凸面。
[0070]
在一些实施例中，第二透镜组12还可以包括孔径光阑。在如图4所示的实施例中，将孔径光阑s2设置在两个透镜之间，即孔径光阑s2设置在第二四透镜l24和第二五透镜l25之间。需要说明的是，在其他实施例中，第二透镜组12的孔径光阑s2可以设置在第二透镜组12中任意两个相邻透镜之间，也可以设置在doe13与第二一透镜l21之间。
[0071]
作为一可能的实现方式，如下表3示出了图4实施例的第二透镜组12的具体表面系数，如下表4示出了图4实施例的第二透镜组12的非球面系数。应当理解的是，此处仅为示例性描述，并能解释为对本技术的具体限制。在表3和表4所示示例中，第二一透镜l21的物侧面记为s211，其像侧面记为s212；第二二透镜l22的物侧面记为s221，其像侧面记为s222；第二三透镜l23的物侧面记为s231，其像侧面记为s232；第二四透镜l24的物侧面记为s241，其像侧面记为s242；第二五透镜l25的物侧面记为s251，其像侧面记为s252。在本示例中，第二透镜组12的孔径光阑s2在数值孔径fno为1.1处工作，能够至少达到110o的视场角(fov)，光学畸变不大于8％。
[0072]
表3第二透镜组12的具体表面系数
[0073][0074]
表4第二透镜组12的非球面系数
[0075][0076]
在一些实施例中，如果应用于温度变化不大的投影模组中，为了降低成本，第一透镜组和第二透镜组中的透镜可以均采用塑料透镜。而对于一些温度变化较大的投影模组中，则可以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，但会带来成本提高的不利影响。同时考虑成本和性能，则可以部分透镜被设置成玻璃透镜以使得该发射光学组件可以在不同温度下具有稳定的焦点位置以及焦距长度，而其它透镜则不作限制，可以采用玻璃也可以用塑料。塑料比如可以是有机玻璃(pmma)、聚碳酸脂(polycarbonate，pc)、apel5014等，成本较低但温度稳定性相对较差。
[0077]
本技术实施例还提供一种成像装置。如图5所示实施例为本技术一实施例提供的一种成像装置，该成像装置包括前述任一实施例所述的投影模组1、采集模组2和处理器3。其中，投影模组1用于向目标空间投射结构光图案，即第二散斑图案光束，采集模组2用于采集被目标空间中的目标物反射回的至少部分第二散斑图案光束。经采集模组2采集的至少部分第二散斑图案光束可以通过处理器3的处理后得到目标空间的深度图像等。
[0078]
在一些实施例中，采集模组2至少包括图像传感器21(比如ccd、cmos等)。在其他一些实施例中，采集模组2还可以包括滤光片22(比如红外滤光片)和/或接收光学元件23，接收光学元件23可以包括可由单个透镜或多个透镜组成。
[0079]
在一些实施例中，投影模组1和采集模组2两者以一定的基线距离安装在一支架上。
[0080]
在一个实施例中，投影模组1所投射的图案为红外激光散斑图案。相应地，采集模组2为红外相机。利用处理器3获取深度图像具体是指接收到由采集模组2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得到深度图像。
[0081]
在一个实施例中，成像装置可以包括深度相机等。在一个实施例中，深度相机还可以包括彩色相机模组等。
[0082]
本技术实施例还提供一种电子设备，电子设备包括前述任一实施例所述的成像装置。
[0083]
作为一非限制性示例，电子设备可以包括手机、笔记本、平板电脑、游戏终端等。
[0084]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0085]
以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。