CN112462487B - 光学系统、摄像镜头、摄像模组和激光投射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器。所述光学系统由物侧至像侧依序包括：一第一透镜，其中，所述第一透镜具有正光焦度，且所述第一透镜朝向像侧的表面为凹面；一第二透镜，其中，所述第二透镜具有负光焦度，且所述第二透镜的两侧表面均为凹面；一第三透镜，其中，所述第三透镜具有正光焦度，且所述第三透镜的两侧面均是凸面，且两侧表面的曲率半径相同；以及一第四透镜，其中，所述第四透镜具有正光焦度，且所述第四透镜的两侧表面均是凸面，且两侧表面的曲率半径相同。本发明所提供的所述光学系统能够满足大范围、高密度探测的需求。

Description

光学系统、摄像镜头、摄像模组和激光投射器

技术领域

本发明涉及光学系统领域，更进一步地涉及一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，特别是涉及一种应用于移动平台上的能够实现大范围主动探测并获取面阵深度信息的光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器。

背景技术

传统视觉系统是将三维环境转换成二维图像，对二维图像进行分析，以获得环境信息，但是由于二维图像缺少深度信息，通过分析二维图像无法获取完整的环境认知。随着智能化的全球化发展，传统二维图像包含的信息已经不能够满足智能发展的需求，而深度信息作为环境认知不可或缺的信息之一，已经成为智能发展的迫切需求。

近年来，在AR/VR以及自动驾驶、无人机、机器人等人工领域，对深度信息的需求十分突出。作为深度信息获取的前端装置，光学镜头是承载光信息传播和探测的关键部件，其结构和性能特点将直接决定只能设备/技术的使用范围和应用领域。

目前，具备获取深度信息功能的图像获取装置大致分为被动式和主动式。被动式图像获取装置通过深度镜头能够接收可见光，通过立体视觉技术，能够从二维图像提取图像范围内的深度信息。但是存在显著的缺点，比如，立体视觉技术不成熟，对硬件的要求非常高，成本高昂。外界环境的光照条件非常影响探测范围和精度，且探测距离较近，一般小于10米。相比于被动式，主动式图像获取装置通过深度镜头配合激光光源可削弱环境光照条件的影响，但是探测距离小于100米，所以探测范围太小，难以满足高速发展的智能化需求。

综上所述，需要对能够获取深度信息的光学镜头进行改进。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，其能够实现大范围探测，具有较高的探测范围。

本发明的另一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，所述光学系统能够满足高密度探测的需求。

本发明的另一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，其中所述光学系统能够为光源或接收器端的远心性能提供保证，从而为大尺寸的光源或接收器阵列提供条件。

本发明的另一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，其中所述光学镜头具有相对较小的尺寸。

本发明的另一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，所述光学系统能够对光束进行扩束，使光线更加平滑，为镜头提供反向像差校正，提升光学镜头的光学性能。

本发明的另一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，所述光学系统具有更多的像差校正的自由度，提升深度镜头的光学性能的同时扩展了深度镜头的使用范围，能够满足不同尺寸的光源或接收器阵列、不同探测视场以及不同探测距离的光学性能需求。

本发明的另一个目的在于提供一种光学系统、光学镜头、摄像模组和激光投射器，所述光学系统的光学透镜可加工性高，加工方便，加工成本低。

相应的，为了实现以上至少一个发明目的，本发明提供一光学系统，由物侧至像侧依序包括：

一第一透镜，其中，所述第一透镜具有正光焦度，且所述第一透镜朝向像侧的表面为凹面；

一第二透镜，其中，所述第二透镜具有负光焦度，且所述第二透镜的两侧表面均为凹面；

一第三透镜，其中，所述第三透镜具有正光焦度，且所述第三透镜的两侧面均是凸面，且两侧表面的曲率半径相同；以及

一第四透镜，其中，所述第四透镜具有正光焦度，且所述第四透镜的两侧表面均是凸面，且两侧表面的曲率半径相同，其中，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设定形成光轴

在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜的焦距f1，所述第二透镜的焦距f2、所述第三透镜的焦距f3、所述第四透镜的焦距f4和所述光学系统的等效焦距f之间，满足：f1/f>0.45、f2<0、f/|f2|>2.2和(f3+f4)/f>1.9。

在本发明的一些优选实施例中，2.3<(f1+f2+f3+f4)/f<3.8。

在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜于所述光轴方向上的厚度CT1和所述第二透镜于所述光轴方向上的厚度CT2，满足：CT1/CT2>1.1。

在本发明的一些优选实施例中，所述光学系统进一步包括被设于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光阑。

在本发明的一些优选实施例中，所述光阑与所述第二透镜在光轴方向上的距离AT2和所述第二透镜与所述第三透镜在所述光轴方向上的距离AT3，满足：2.3<|AT2-AT3|/CT2<7.7。

在本发明的一些优选实施例中，所述第三透镜的两侧表面的曲率半径R6和R7，满足：R6/R7＝-1。

在本发明的一些优选实施例中，所述第四透镜的两侧表面的曲率半径R8和R9，满足：R8/R9＝-1。

在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜中任意相邻两透镜之间具有一定间距。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种摄像镜头，其包括：

一壳体；以及

被收容于所述壳体内的如上所述的光学系统。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种摄像模组，其包括：

壳体；

被收容于所述壳体内的如上所述的光学系统，以形成光学镜头；以及

感光芯片，其中，所述光学镜头被保持于所述感光元件的感光路径。

根据本申请的另一方面，本发明进一步提供一种激光投射器，其包括：

壳体；

被收容于所述壳体内的如上所述的光学系统，以形成光学镜头；以及

光源，其中，所述光学镜头被保持于所述光源的投射路径。

通过对随后的描述和附图的理解，本申请进一步的目的和优势将得以充分体现。

本申请的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的光学系统的第一种具体实施的结构示意图。

图2是根据本发明优选实施例的光学系统的第一种具体实施的点阵列图。

图3是根据本发明优选实施例的光学系统的第一种具体实施的ENC曲线。

图4是根据本发明优选实施例的光学系统的第一种具体实施的CRA曲线。

图5是根据本发明优选实施例的光学系统的第二种具体实施的结构示意图。

图6是根据本发明优选实施例的光学系统的第二种具体实施的点阵列图。

图7是根据本发明优选实施例的光学系统的第二种具体实施的ENC曲线。

图8是根据本发明优选实施例的光学系统的第二种具体实施的CRA曲线。

图9是根据本发明优选实施例的光学系统的第三种具体实施的结构示意图。

图10是根据本发明优选实施例的光学系统的第三种具体实施的点阵列图。

图11是根据本发明优选实施例的光学系统的第三种具体实施的ENC曲线。

图12是根据本发明优选实施例的光学系统的第三种具体实施的CRA曲线。

图13是根据本发明优选实施例的光学系统的第四种具体实施的结构示意图。

图14是根据本发明优选实施例的光学系统的第四种具体实施的点阵列图。

图15是根据本发明优选实施例的光学系统的第四种具体实施的ENC曲线。

图16是根据本发明优选实施例的光学系统的第四种具体实施的CRA曲线。

图17是根据本发明优选实施例的光学系统的第五种具体实施的结构示意图。

图18是根据本发明优选实施例的光学系统的第五种具体实施的点阵列图。

图19是根据本发明优选实施例的光学系统的第五种具体实施的ENC曲线。

图20是根据本发明优选实施例的光学系统的第五种具体实施的CRA曲线。

图21是根据本发明优选实施例的光学系统的第六种具体实施的结构示意图。

图22是根据本发明优选实施例的光学系统的第六种具体实施的点阵列图。

图23是根据本发明优选实施例的光学系统的第六种具体实施的ENC曲线。

图24是根据本发明优选实施例的光学系统的第六种具体实施的CRA曲线。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参考说明书1至图24，依据本发明优选实施例的光学系统被阐明，其中所述光学系统能够实现对外界环境大范围探测以获取面阵列深度信息，从而获取完整的环境认知。通过本发明提供的所述光学系统能够有效地提高探测范围，并有效地保证探测精度，探测范围最远能够达到两百米。

具体来说，在本发明优选实施例中，所述光学系统包括一第一透镜11、一第二透镜12、一第三透镜13以及一第四透镜14，所述第一透镜11、所述第二透镜12、所述第三透镜13以及所述第四透镜14被由探测物侧(即物侧)向光源或接收器侧(即像侧)依次排列放置，其中所述第一透镜11靠近探测物侧，所述第四透镜14靠近光源或接收器侧。优选地，其中所述第一透镜11、所述第二透镜12、所述第三透镜13以及所述第四透镜14分别具有相应的屈光度，并且分别是非粘合球面透镜，也就是说，所述第一透镜11、所述第二透镜12、所述第三透镜13以及所述第四透镜14中任意相邻两透镜之间具有一定间距，从而能够有效地避免粘合透镜所产生的问题。

本领域的技术人员可以理解的是，当所述光学系统的像侧是接收器时，比如感光芯片，所述光学系统能够与所述接收器及其他必要元件形成摄像模组。当所述光学系统的像侧是光源时，比如激光光源，所述光学系统和所述光源及其他必要元件形成激光投射器。

相应地，所述第一透镜11具有正光焦度，所述第一透镜11朝向探测物的一侧表面于光轴处为凹面，能够为光学系统提供主要的屈光度。所述第二透镜12具有负光焦度，所所述第二透镜12的两侧表面于光轴处均为凹面，所述第二透镜12能够将具有正屈光度的所述第一透镜11汇聚的光束进行扩束，以使得光线过度更加平滑，同时为镜头提供反向像差用于像差校正，以供提升深度镜头的光学性能。所述第三透镜13和所述第四透镜14分别是具有正光焦度的透镜，能够为光学系统提供较弱的屈光度，以扩大视场，并为光源或接收器端的远心性能提供保证，同时为大尺寸的光源或接收器阵列提供条件，以供扩大探测范围、提升探测密度。

所述第三透镜13和所述第四透镜14的两侧表面于光轴处均为凸面，以供为深度镜头提供更多像差校正自由度，提升深度镜头光学性能，同时扩展深度镜头的使用范围，满足不同尺寸的光源或接收器阵列、不同探测视场、不同探测距离的光学性能需求。并且所述第三透镜13的前后两侧面的曲率半径相同，所述第四透镜的前后两侧面的曲率半径也相同，极大地降低了透镜加工的要求，有效地提升了深度镜头的可加工性，降低加工成本。

所述光学系统进一步包括被设于所述第一透镜11和所述第二透镜12之间的一光阑15，所述光阑15能够平衡各个透镜的尺寸直径，以缩小深度镜头的尺寸。

具体的，本发明所提供的所述光学系统的焦距是f，其中所述第一透镜的焦距是f1，所述第二透镜的焦距是f2，所述第三透镜的焦距是f3，所述第四透镜的焦距是f4，其中f1/f>0.45、f2<0、f/|f2|>2.2、(f3+f4)/f>1.9。优选地，2.3<(f1+f2+f3+f4)/f<3.8。

所述第一透镜11于光轴上的厚度是CT1，所述第二透镜12于光轴上的厚度是CT2，所述光阑15与所述第二透镜12于光轴上的间隔距离是AT2，所述第二透镜12和所述第三透镜13于光轴上的间隔距离是AT3，其中CT1/CT2>1.1。优选地，2.3<|AT2-AT3|/CT2<7.7。

所述第三透镜13的前后两侧面的曲率半径分别是R6和R7，所述第四透镜14的前后两侧面的曲率半径分别是R8和R9，其中R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

参考说明书附图1至图4，本发明所提供的所述光学系统的一第一优选实施例被阐述，在所述第一优选实施例中，所述光学系统的焦距是f，所述光学系统的光圈值(f-number)为Fno，所述光学系统的最大视角的一般为HFOF，其数值如下，f＝90mm；Fno＝2.57；以及HFOV＝13度。

在所述第一优选实施例中，f1/f＝0.79，f2＝-31.79，f/|f2|＝2.83，(f3+f4)/f＝1.91，(f1+f2+f3+f4)/f＝2.34，CT1/CT2＝2.07，|AT2-AT3|/CT2＝3.6，R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

以上，基于本发明优选实施例的光学系统被阐明。本领域的技术人员应当理解的是，所述光学系统能够与一个或多个壳体以及其他必要元件的配合形成光学镜头。并且，所述光学镜头能够与感光组件相配合(所述感光组件包括感光芯片和电路板以及其他必要元件，图中未示意)形成摄像模组，以便于本发明所提供的所述光学系统在电子设备和智能终端上得以应用。并且，所述光学镜头能够与光源(尤其是激光光源)相配合形成激光投射器，以便于本发明提供的所述光学系统在电子设备和智能终端上得以应用。

以下为基于本发明优选实施例的所述光学系统的6种具体实施，本领域技术人员应可以知晓，虽然一下列举的6种具体实施仅为示例，并不代表所述光学系统仅能配置为以下6种实施方式。具体来说，参考下表1，其显示有本发明优选实施例的所述光学系统的第一种具体实施的详细结构数据，其中曲率半径、厚度以及焦距的单位是mm，且表面0-10依序表示由探测物侧至光源或接收器侧的表面。需要指出的是，在本发明的接下来的描述中，各个实施例的表格对应的各个实施例的示意图与相差曲线图，表格数据中的定义皆与本优选实施例中的表1相同，在接下来的描述中不再赘述。

表1

参考说明书附图5至图8，本发明优选实施例的所述光学系统的第二种具体实施被阐述，在所述第二优选实施例中，所述光学系统的焦距是f，所述光学系统的光圈值(f-number)为Fno，所述光学系统的最大视角的一般是HFOV，其数值如下：f＝80mm；Fno＝2.29；以及HFOV＝12.2度。

在所述第二优选实施例中，f1/f＝0.84，f2＝-35.34，f/|f2|＝2.26，(f3+f4)/f＝2.25，(f1+f2+f3+f4)/f＝2.65，CT1/CT2＝2.56，|AT2-AT3|/CT2＝4.59，R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

参考下表2，其显示有本发明优选实施例的所述光学系统的第二种具体实施的详细结构数据。

表2

参考说明书附图9至图12，本发明优选实施例的所述光学系统的第三种具体实施被阐述，在所述第三优选实施例中，所述光学系统的焦距是f，所述光学系统的光圈值(f-number)为Fno，所述光学系统的最大视角的一般是HFOV，其数值如下：f＝90mm；Fno＝3.75；以及HFOV＝15.2度。

在所述第三优选实施例中，f1/f＝0.55，f2＝-32.62，f/|f2|＝2.76，(f3+f4)/f＝3.54，(f1+f2+f3+f4)/f＝3.73，CT1/CT2＝1.62，|AT2-AT3|/CT2＝6.46，R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

参考下表3，其显示有本发明优选实施例的所述光学系统的第三种具体实施的详细结构数据。

表3

参考说明书附图13至图16，本发明优选实施例的所述光学系统的第四种具体实施阐述，在所述第四优选实施例中，所述光学系统的焦距是f，所述光学系统的光圈值(f-number)为Fno，所述光学系统的最大视角的一般是HFOV，其数值如下：f＝80mm；Fno＝3.33；以及HFOV＝16.7度。

在所述第四优选实施例中，f1/f＝0.64，f2＝-34.06，f/|f2|＝2.35，(f3+f4)/f＝2.56，(f1+f2+f3+f4)/f＝2.77，CT1/CT2＝1.6，|AT2-AT3|/CT2＝5.79，R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

参考下表4，其显示有本发明优选实施例的所述光学系统的第四种具体实施的详细结构数据。

表4

参考说明书附图17至图20，本发明优选实施例的所述光学系统的第五种具体实施被阐述，在本优选实施例中，所述光学系统的焦距是f，所述光学系统的光圈值(f-number)为Fno，所述光学系统的最大视角的一半是HFOV，其数值如下：f＝90mm；Fno＝7.5；以及HFOV＝15.8度。

在所述第五优选实施例中，f1/f＝0.46，f2＝-25.37，f/|f2|＝3.55，(f3+f4)/f＝2.44，(f1+f2+f3+f4)/f＝2.62，CT1/CT2＝1.2，|AT2-AT3|/CT2＝7.62，R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

参考下表5，其显示有本发明优选实施例的所述光学系统的第五种具体实施的详细结构数据。

表5

参考说明书附图21至图24，本发明优选实施例的所述光学系统的第六种具体实施被阐述，在所述第六优选实施例中，所述光学系统的焦距是f，所述光学系统的光圈值(f-number)为Fno，所述光学系统的最大视角的一半是HFOV，其数值如下f＝80mm；Fno＝6.67；以及HFOV＝15.5度。

在所述第六优选实施例中，f1/f＝0.68，f2＝-31.26，f/|f2|＝2.56，(f3+f4)/f＝2.3，(f1+f2+f3+f4)/f＝2.58，CT1/CT2＝1.15，|AT2-AT3|/CT2＝2.33，R6/R7＝-1，R8/R9＝-1。

参考下表6，其显示有本发明优选实施例的所述光学系统的第六种具体实施的详细结构数据。

表6

参考下表7，其显示有本发明优选实施例所提供的所述光学系统的上述6个具体实施方案的具体数值表。

表7

条件式	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							f1/f>0.45	0.79	0.84	0.55	0.64	0.46	0.68
f2<0	-31.79	-35.34	-32.62	-34.06	-25.37	-31.26
							f/|f2|>2.2	2.83	2.26	2.76	2.35	3.55	2.56
(f3+f4)/f>1.9	1.91	2.25	3.54	2.56	2.44	2.3
							2.3<(f1+f2+f3+f4)/f<3.8	2.34	2.65	3.73	2.77	2.62	2.58
CT1/CT2>1.1	2.07	2.56	1.62	1.6	1.2	1.15
							2.3<|AT2-AT3|/CT2<7.7	3.6	4.59	6.46	5.79	7.62	2.33
R6/R7＝-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1
							R8/R9＝-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1

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发明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。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括光学透镜，且所述光学透镜数量仅为四片，四片所述光学透镜由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，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由物侧至像侧依序排布：

所述第一透镜具有正光焦度，且所述第一透镜朝向像侧的表面为凹面；

所述第二透镜具有负光焦度，且所述第二透镜的两侧表面均为凹面；

所述第三透镜具有正光焦度，且所述第三透镜的两侧面均是凸面，且两侧表面的曲率半径相同；以及

所述第四透镜具有正光焦度，且所述第四透镜的两侧表面均是凸面，且两侧表面的曲率半径相同，其中，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设定形成光轴；

所述第一透镜的焦距f1，所述第二透镜的焦距f2、所述第三透镜的焦距f3、所述第四透镜的焦距f4和所述光学系统的等效焦距f之间，满足：2.58<(f1+f2+f3+f4)/f<3.8。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

f1/f>0.45；

f2<0；

f/|f2|>2.2；以及

(f3+f4)/f>1.9。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述第一透镜于所述光轴方向上的厚度CT1和所述第二透镜于所述光轴方向上的厚度CT2，满足：

CT1/CT2>1.1。

4.根据权利要求1所述的光学系统，进一步包括被设于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光阑。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述光阑与所述第二透镜在光轴方向上的距离AT2和所述第二透镜与所述第三透镜在所述光轴方向上的距离AT3，满足：

2.3<|AT2-AT3|/CT2<7.7。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第三透镜的两侧表面的曲率半径R6和R7，满足：

R6/R7＝-1。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第四透镜的两侧表面的曲率半径R8和R9，满足：

R8/R9＝-1。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜中任意相邻两透镜之间具有一定间距。

9.一种光学镜头，其特征在于，包括：

一壳体；以及

被收容于所述壳体内的如权利要求1至8任一所述的光学系统。

10.一种摄像模组，其特征在于，包括：

壳体；

被收容于所述壳体内的如权利要求1-8任一所述的光学系统，以形成光学镜头；以及

感光芯片，其中，所述光学镜头被保持于所述感光芯片的感光路径。

11.一种激光投射器，其特征在于，包括：

壳体；

被收容于所述壳体内的如权利要求1-8任一所述的光学系统，以形成光学镜头；以及

光源，其中，所述光学系统被保持于所述光源的投射路径。