光学系统、取像装置、飞行时间深度相机及光学识别装置的制作方法

1.本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种光学系统、取像装置、飞行时间深度相机及光学识别装置。


背景技术：

2.近年来，随着科技的发展和电子设备的更新换代，具有三维人脸识别、物体还原、移动支付等功能的终端产品掀起一股热潮，这些功能均与3d成像技术息息相关。
3.传统手机镜头中的3d成像技术通常使用3d结构光进行成像。然而，3d结构光技术的摄像模组结构复杂、体积较大，造价也较为昂贵，不利于批量化生产。
4.tof(time of flight，tof)技术是近一两年才被应用到手机摄像头的3d成像技术，其通过向目标物发射连续的特性波长的红外光线脉冲，再由特定传感器接收目标物传回的光信号，计算光线往返的飞行时间或相位差，从而获取目标物体的深度信息。tof技术相比于成熟的3d结构光具有更远的距离优势，且tof的模组复杂性低，空间占比小，能辅助主摄像头，达到更好地景深拍摄效果，因此逐渐得到手机厂商的青睐。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对成熟的3d结构光技术模组复杂，体积较大的问题，提供一种基于tof技术的光学系统。
6.一种光学系统，所述光学系统用于红外光成像，其沿着光轴由物侧至像侧包括具有正光焦度的透镜，所述透镜的物侧面近轴区域为凸面。
7.上述光学系统，通过合理调整透镜的光焦度、面型及有效焦距，可以适用于红外波段成像并具备较大的光圈，以拍摄得到清晰的包含被摄物体深度信息的图像；同时上述光学系统可以仅具有一个透镜，从而能够显著减小光学系统的总长，实现镜头的小型化。
8.在其中一个实施例中，还包括光阑，所述光阑位于所述透镜的物侧或像侧。
9.通过设置光阑，可以有效控制入瞳直径的大小，从而可以使光学系统具备要求的光圈数，进一步提升成像品质。
10.在其中一个实施例中，还包括红外带通滤光片，所述红外带通滤光片位于所述透镜和所述光学系统的成像面之间。
11.通过设置红外带通滤光片，可以保证仅红外光线通过，而其他波段的光线均被拦截，从而实现红外光线成像。进一步的，可以保证只有与tof发射端发出的红外光线波长相同的光能通过上述光学系统成像。
12.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：1≤fno≤2；其中，fno为所述光学系统的光圈数。
13.通过控制光学系统的光圈数满足上述关系，可使光学系统具备较大的光圈，从而有利于提升画面的亮度，增强其暗光拍摄能力，获得优良的拍摄性能。
14.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：10
°
＜fov＜60
°
；其中，fov
为所述光学系统的视场角。
15.通过控制光学系统的视场角满足上述关系，有利于光学系统获取更广阔的的景物影像信息，扩大拍摄范围。
16.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：ttl＜2mm；其中，ttl为所述透镜的物侧面至所述光学系统的成像面在光轴上的距离。
17.通过控制透镜的物侧面至光学系统的成像面在光轴上的距离满足上述关系，有利于缩短光学系统的总长，实现小型化，以方便光学系统适配至如手机、平板等超薄型的便携式电子设备。
18.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：1＜ct1/et1＜2.3；其中，ct1为所述透镜在光轴上的厚度，et1为所述透镜最大有效口径处的厚度。
19.通过控制透镜在光轴上的厚度与透镜最大有效口径处(即最大有效通光口径处)的厚度满足上述关系，可以保证透镜具有均匀的厚薄比，从而有利于透镜的加工和成型。
20.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：1.4＜n1＜1.7；其中，n1为所述透镜的折射率。
21.通过控制透镜的折射率满足上述关系，有利于使光学系统具有较佳的光学性能，从而提升成像质量。
22.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：f/r1＜2.2；其中，f为所述光学系统的有效焦距，r1为所述透镜物侧面于光轴处的曲率半径。
23.通过控制光学系统的有效焦距与透镜物侧面于光轴处的曲率半径满足上述关系，可以合理配置透镜的光焦度大小，从而有利于光线汇聚成像，保证光学系统良好的成像分辨率。
24.在其中一个实施例中，所述光学系统满足下列关系式：sd1/imgh＞0.6；其中，sd1为所述透镜物侧面的最大有效半口径(即最大有效通光口径的一半)，imgh为所述光学系统成像面上有效像素区域对角线长的一半。
25.通过控制透镜物侧面的最大有效半口径与光学系统成像面上有效像素区域对角线长的一半满足上述关系，可以使光学系统具备较大的光圈，从而获得较大的通光量，有利于提升光学系统的成像品质。
26.本申请还提供一种取像装置。
27.一种取像装置，包括如前所述的光学系统；以及感光元件，所述感光元件位于所述光学系统的像侧。
28.上述取像装置，利用前述光学系统能够对被摄物体发出或反射的红外光线成像，从而得到画面明亮、视角广、像差小、分辨率较好的图像，同时该取像装置还具有小型化、组装简单的特点，方便适配至超薄型便携式电子设备等尺寸受限的装置。
29.本申请还提供一种飞行时间深度相机。
30.一种飞行时间深度相机，包括光发射装置，所述光发射装置用于向目标物投射光线；以及如前所述的取像装置，所述取像装置用于接收经目标物反射的所述光发射装置投射的光线，以获取目标物的深度图像。
31.上述飞行时间深度相机，利用如前所述的取像装置接收目标物反射的光发射装置发射的光线，可以拍摄得到明亮、清晰的目标物深度图像，并有利于测量图像中的景深数
据，以对图像中的物体进行不同程度的虚化，提升相机的拍摄效果。
32.本申请还提供一种光学识别装置。
33.一种光学识别装置，所述光学识别装置沿着光轴由物侧至像侧依序包括玻璃屏、以及如权利要求11所述的取像装置。
34.上述光学识别装置，具备厚度薄、体积小的结构特点，有利于适配至如手机、平板等终端设备以进行指纹识别和人脸识别；同时该光学识别装置还具备较大的视角和较大的光圈，有利于充分获取目标物体的细节深度信息，提升识别反应速度。
附图说明
35.图1示出了本申请实施例1的光学系统的结构示意图；
36.图2a至图2c分别为实施例1的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图以及畸变曲线图；
37.图3示出了本申请实施例2的光学系统的结构示意图；
38.图4a至图4c分别为实施例2的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图以及畸变曲线图；
39.图5示出了本申请实施例3的光学系统的结构示意图；
40.图6a至图6c分别为实施例3的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图以及畸变曲线图；
41.图7示出了本申请实施例4的光学系统的结构示意图；
42.图8a至图8c分别为实施例4的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图以及畸变曲线图；
43.图9示出了本申请实施例5的光学系统的结构示意图；
44.图10a至图10c分别为实施例5的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图以及畸变曲线图；
45.图11示出了本申请实施例6的光学系统的结构示意图；
46.图12a至图12c分别为实施例6的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图以及畸变曲线图；
47.图13示出了本申请实施例光学识别装置的结构示意图。
具体实施方式
48.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明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方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。
49.需要说明的是，当元件被称为“固定于”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”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
50.为了便于说明，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
51.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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。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。
52.传统的飞行时间(time of flight，tof)镜头为保证成像效果，通常采用多片式透镜组。然而，由于采用多片式透镜组，传统tof镜头的总长较长，较难满足电子设备超薄化的发展趋势；除此之外，传统tof镜头的光圈也较小，虚化效果较差，用户拍摄体验不佳。
53.针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得到的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本申请实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应是发明人在本申请过程中对本申请做出的贡献。
54.以下将对本申请的特征、原理和其他方面进行详细描述。
55.请一并参阅图1、图3、图5、图7、图9和图11，本申请实施例提供一种tof光学系统。该光学系统用于对红外光线进行成像，并可以在保证小型化的同时，具备较大的光圈。该光学系统具体包括一片具有光焦度的透镜，光学系统的成像面位于该透镜的像侧。
56.该透镜具有正光焦度，以使光线汇聚成像。透镜的物侧面近轴区域为凸面，有利于调整透镜的光焦度大小，从而平衡透镜两表面的曲率配置。
57.当上述光学系统用于成像时，被摄物体发出或反射的红外光线从物侧方向进入光学系统，并穿过透镜，最终汇聚到成像面上。
58.上述光学系统，通过合理分配透镜的光焦度、面型及有效焦距，可以适用于红外波段成像并具备较大的光圈，以拍摄得到清晰的包含被摄物体深度信息的图像；同时上述光学系统可以仅具有一个透镜，从而可以显著减小光学系统的总长，实现镜头的小型化。
59.在示例性实施方式中，光学系统中还设置有光阑，以有效抑制离轴视场的主光线入射角过度增大，使得光学系统更好地与传统规格的感光元件匹配。具体的，光阑包括孔径光阑和视场光阑，且可以设于透镜的物侧或像侧。优选的，光阑为孔径光阑。孔径光阑可位于透镜的表面上(例如物侧面和像侧面)，并与透镜形成作用关系，例如，通过在透镜的表面涂覆阻光涂层以在该表面形成孔径光阑；或通过夹持件固定夹持透镜的表面，位于该表面的夹持件结构能够限制轴上物点成像光束的宽度，从而在该表面上形成孔径光阑。
60.在示例性实施方式中，透镜和光学系统的成像面之间设置有红外带通滤光片。通过设置红外带通滤光片可以对入射至光学系统成像面的光线的波段进行选择，例如可仅使被摄物体反射的tof发射端发出的红外光线通过，从而保证光学系统能够满足tof技术的应用需求。在另一些实施方式中，还可以在透镜的物侧面或像侧面设置带通滤光膜，以实现相同的波段选择效果，本申请对此不做限制。
61.在示例性实施方式中，透镜的物侧面和像侧面均可以设置为非球面，从而可以提高透镜设计的灵活性，并有效地校正像差，提升光学系统的成像解析度。在另一些实施方式中，透镜的物侧面和像侧面也可以均为球面。需要注意的是，上述实施方式仅是对本申请的
一些实施方式的举例，在一些实施方式中，光学系统中透镜的表面可以是非球面或球面的任意组合。
62.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：1≤fno≤2；其中，fno为光学系统的光圈数。通过控制光学系统的光圈数满足上述关系，可使光学系统具备较大的光圈，从而有利于提升画面的亮度，增强其暗光拍摄能力，获得优良的拍摄性能。fno可以是1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2.0。进一步的，1≤fno≤1.2，以在可实行范围内尽可能增大光学系统的光圈数，从而保证成像质量。而当fno小于1容易导致透镜的有效通光口径过大，入射的光线变多，单片透镜难以平衡像差，进而导致光学系统的分辨率降低；而当fno大于2，则无法达到提升画面亮度、提高拍摄性能的效果。
63.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：10
°
＜fov＜60
°
；其中，fov为光学系统的视场角。具体的，fov为光学系统的成像面上有效像素区域的对角线方向视场角。fov可以是15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
、45
°
、50
°
或55
°
。通过控制光学系统的视场角满足上述关系，有利于光学系统获取更广阔的的景物影像信息，增强其广角拍摄能力。而当fov小于等于10
°
时，无法全面的获取被摄物体的信息，拍摄效果较差；而当fov大于等于60
°
时，则容易对透镜光焦度的配置以及面型的调整造成困难。
64.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：ttl＜2mm；其中，ttl为透镜的物侧面至光学系统的成像面在光轴上的距离。ttl可以是0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm或1.6mm。在满足上述关系的条件下，有利于缩短光学系统的总长，实现小型化，以方便光学系统适配至如手机、平板等超薄型的便携式电子设备。而当ttl大于等于2mm时，则会导致光学系统的总长较长，不利于小型化。
65.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：1＜ct1/et1＜2.3；其中，ct1为透镜在光轴上的厚度，et1为透镜最大有效口径处的厚度。ct1/et1可以是1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、2.0、2.1或2.2。在满足上述关系的条件下，可以保证透镜具有厚薄变化更为均匀，从而有利于透镜的加工和成型。而当ct1/et1小于等于1或大于等于2.3时，均会使透镜的厚薄变化起伏过大，不利于透镜的加工和成型，进而容易降低镜头的生产良率。
66.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：1.4＜n1＜1.7；其中，n1为透镜的折射率。n1可以是1.42、1.44、1.46、1.48、1.50、1.52、1.54、1.56、1.6、1.65或1.68。通过控制透镜的折射率满足上述关系，有利于使光学系统具有较佳的光学性能，从而提升成像质量。而当n1小于等于1.4或大于等于1.7时，会对光学系统的像差控制造成影响，无法保证成像质量。
67.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：f/r1＜2.2；其中，f为光学系统的有效焦距，r1为透镜物侧面于光轴处的曲率半径。f/r1可以是0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1或2.15。在满足上述关系的条件下，可以合理配置透镜的光焦度大小，从而有利于光线汇聚成像，保证光学系统良好的成像分辨率。而当f/r1大于等于2.2时，则较难对透镜的光焦度进行控制，不利于光线汇聚。
68.在示例性实施方式中，光学系统满足下列关系式：sd1/imgh＞0.6；其中，sd1为透镜物侧面的最大有效半口径，imgh为光学系统成像面上有效像素区域对角线长的一半。sd1/imgh可以是0.61、0.65、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3或1.4。在满足上述关系的条件
下，可以使光学系统具备较大的光圈，从而获得较大的通光量，有利于提升光学系统的成像品质。而当sd1/imgh小于等于0.6时，会使得透镜的最大有效通光口径变小而导致通光量不足，从而降低成像品质。
69.在示例性实施方式中，光学系统中透镜的材质可以为玻璃或塑料，塑料材质的透镜能够减少光学系统的重量并降低生产成本，而玻璃材质的透镜可使光学系统具备较好的温度耐受特性以及优良的光学性能。
70.在示例性实施方式中，光学系统还包括用于保护感光元件的保护玻璃，其中感光元件位于光学系统的成像面上。进一步的，该成像面可以为感光元件的感光表面。
71.根据本申请的上述实施方式的光学系统可采用一片镜片，以大大缩短光学系统的总长。通过合理分配透镜的焦距、光焦度、面型以及厚度等，可以在保证光学系统小型化的同时，还具备较大的光圈(fno可以为1.0)、较大的视场角以及较高的分辨率，从而更好地满足如手机、平板等超薄型电子设备对于红外光线成像的应用需求。
72.然而，本领域的技术人员应当理解，在未背离本申请要求保护的技术方案的情况下，可改变构成光学系统的透镜数量，来获得本说明书中描述的各个结果和优点。
73.下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的光学系统的具体实施例。在下述实施例中，若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。此处近轴区域是指光轴附近的区域。每个透镜中最靠近物体的表面称为物侧面，每个透镜中最靠近成像面的表面称为像侧面。
74.实施例1
75.以下参照图1至图2c描述本申请实施例1的光学系统。
76.图1示出了实施例1的光学系统的结构示意图。如图1所示，光学系统沿着光轴从物侧至像侧依序包括透镜l1和成像面s3。
77.透镜l1具有正光焦度，其物侧面s1和像侧面s2均为非球面，其中物侧面s1于光轴处为凸面，于圆周处为凸面，像侧面s2于光轴处为凹面，于圆周处为凸面。
78.透镜表面s1和s2均设置为非球面，有利于解决视界歪曲的问题，也能够使透镜在较小、较薄且较平的情况下实现优良的光学成像效果，进而使光学系统具备小型化特性。
79.透镜l1的材质为塑料，能够减少光学系统的重量并降低生产成本。透镜l1的像侧还设置有光阑sto，以进一步提升光学系统的成像质量。
80.透镜表面s1和s2均镀有红外增透膜，用以增强红外波段光线的透过率。来自物体obj的红外光线依序穿过透镜的物侧面s1和像侧面s2并最终成像在成像面s3上。
81.表1示出了实施例1的光学系统的透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材质、折射率、阿贝数(即色散系数)和透镜的有效焦距，其中，曲率半径、厚度、透镜的有效焦距的单位均为毫米(mm)。透镜中最靠近物体的表面称为物侧面，透镜中最靠近成像面的表面称为像侧面。另外，以透镜l1为例，透镜l1的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜在光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至像侧方向的后一透镜的物侧面在光轴上的距离。表1的参考波长为850nm。
82.表1
[0083][0084]
透镜中的非球面面型由以下公式限定：
[0085][0086]
其中，x为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/r(即，近轴曲率c为表1中曲率半径r的倒数)；k为圆锥系数；ai是非球面的第i阶系数。下表2给出了可用于实施例1中透镜非球面s1和s2的高次项系数a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16、a18和a20。
[0087]
表2
[0088][0089][0090]
本实施例光学系统的成像面s3上有效像素区域对角线长的一半为0.19mm。结合表1和表2中的数据可知，实施例1中的光学系统满足：
[0091]
fno＝1.246，其中，fno为光学系统的光圈数；
[0092]
fov＝39.2
°
，其中，fov为光学系统的视场角，具体的，fov为光学系统的成像面s3上有效像素区域的对角线方向视场角；
[0093]
ttl＝0.586mm，其中，ttl为透镜l1的物侧面s1至光学系统的成像面s3在光轴上的距离；
[0094]
ct1/et1＝1.757，其中，ct1为透镜l1在光轴上的厚度，et1为透镜l1最大有效口径处的厚度；
[0095]
n1＝1.516，其中，n1为透镜l1的折射率；
[0096]
f/r1＝1.975，其中，f为光学系统的有效焦距，r1为透镜l1的物侧面s1于光轴处的曲率半径；
[0097]
sd1/imgh＝1.121，其中，sd1为透镜l1物侧面s1的最大有效半口径，imgh为光学系统成像面s3上有效像素区域对角线长的一半。
[0098]
图2a示出了实施例1的光学系统的纵向球差曲线，其分别表示波长为840nm、850nm以及860nm的红外光线经由光学系统后的会聚焦点偏离；图2b示出了实施例1的光学系统的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图2c示出了实施例1的光学系统的畸变曲线，其表示不同像高情况下的畸变率。根据图2a至图2c可知，实施例1给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
[0099]
实施例2
[0100]
以下参照图3至图4c描述本申请实施例2的光学系统。在本实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图3示出了本申请实施例2的光学系统的结构示意图。
[0101]
如图3所示，光学系统沿着光轴从物侧至像侧依序包括透镜l1和成像面s3。
[0102]
透镜l1具有正光焦度，其物侧面s1和像侧面s2均为非球面，其中物侧面s1于光轴处为凸面，于圆周处为凸面，像侧面s2于光轴处为凸面，于圆周处为凸面。
[0103]
透镜表面s1和s2均设置为非球面，有利于解决视界歪曲的问题，也能够使透镜在较小、较薄且较平的情况下实现优良的光学成像效果，进而使光学系统具备小型化特性。
[0104]
透镜l1的材质为塑料，能够减少光学系统的重量并降低生产成本。透镜l1的像侧还设置有光阑sto，以进一步提升光学系统的成像质量。
[0105]
透镜表面s1和s2均镀有红外增透膜，用以增强红外波段光线的透过率。来自物体obj的红外光线依序穿过透镜的物侧面s1和像侧面s2并最终成像在成像面s3上。
[0106]
表3示出了实施例2的光学系统的透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材质、折射率、阿贝数(即色散系数)和透镜的有效焦距，其中，曲率半径、厚度、透镜的有效焦距的单位均为毫米(mm)。表3的参考波长为850nm。表4示出了可用于实施例2中透镜非球面s1-s2的高次项系数，其中非球面面型可由实施例1中给出的公式(1)限定；表5示出了实施例2的光学系统的相关参数数值。
[0107]
表3
[0108][0109][0110]
表4
[0111][0112]
表5
[0113]
f(mm)0.291ct1/et11.220fno1.2n11.516fov(度)38.0f/r10.858ttl(mm)0.662sd1/imgh0.937imgh(mm)0.19
ꢀꢀ
[0114]
图4a示出了实施例2的光学系统的纵向球差曲线，其分别表示波长为840nm、850nm以及860nm的红外光线经由光学系统后的会聚焦点偏离；图4b示出了实施例2的光学系统的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图4c示出了实施例1的光学系统的畸变曲线，其表示不同像高情况下的畸变率。根据图4a至图4c可知，实施例2给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
[0115]
实施例3
[0116]
以下参照图5至图6c描述本申请实施例3的光学系统。在本实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图5示出了本申请实施例3的光学系统的结构示意图。
[0117]
如图5所示，光学系统沿着光轴从物侧至像侧依序包括透镜l1和成像面s3。
[0118]
透镜l1具有正光焦度，其物侧面s1为非球面，像侧面s2为球面，其中物侧面s1于光轴处为凸面，于圆周处为凸面，像侧面s2于光轴处为平面，于圆周处为平面。
[0119]
透镜表面s1设置为非球面，有利于解决视界歪曲的问题，也能够使透镜在较小、较薄且较平的情况下实现优良的光学成像效果，进而使光学系统具备小型化特性；透镜表面s2设置为平面，有利于透镜l1的加工和成型，提升生产良率。
[0120]
透镜l1的材质为塑料，能够减少光学系统的重量并降低生产成本。透镜l1的像侧还设置有光阑sto，以进一步提升光学系统的成像质量。
[0121]
透镜表面s1和s2均镀有红外增透膜，用以增强红外波段光线的透过率。来自物体obj的红外光线依序穿过透镜的物侧面s1和像侧面s2并最终成像在成像面s3上。
[0122]
表6示出了实施例3的光学系统的透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材质、折射率、阿贝数(即色散系数)和透镜的有效焦距，其中，曲率半径、厚度、透镜的有效焦距的单位均
为毫米(mm)。表6的参考波长为850nm。表7示出了可用于实施例3中透镜非球面s1的高次项系数，其中非球面面型可由实施例1中给出的公式(1)限定；表8示出了实施例3的光学系统的相关参数数值。
[0123]
表6
[0124][0125][0126]
表7
[0127][0128]
表8
[0129]
f(mm)1.41ct1/et11.774fno1.5n11.516fov(度)40.8f/r11.975ttl(mm)1.543sd1/imgh0.966imgh(mm)0.53
ꢀꢀ
[0130]
图6a示出了实施例3的光学系统的纵向球差曲线，其分别表示波长为840nm、850nm以及860nm的红外光线经由光学系统后的会聚焦点偏离；图6b示出了实施例3的光学系统的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图6c示出了实施例3的光学系统的畸变曲线，其表示不同像高情况下的畸变率。根据图6a至图6c可知，实施例3给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
[0131]
实施例4
[0132]
以下参照图7至图8c描述本申请实施例4的光学系统。在本实施例中，为简洁起见，
将省略部分与实施例1相似的描述。图7示出了本申请实施例4的光学系统的结构示意图。
[0133]
如图7所示，光学系统沿着光轴从物侧至像侧依序包括透镜l1和成像面s3。
[0134]
透镜l1具有正光焦度，其物侧面s1和像侧面s2均设置为球面，其中物侧面s1于光轴处为凸面，于圆周处为凸面，像侧面s2于光轴处为平面，于圆周处为平面。
[0135]
透镜表面s1和s2均设置为球面，有利于透镜l1的加工和成型，提升生产良率。
[0136]
透镜l1的材质为玻璃，可使光学系统具备较好的温度耐受特性以及优良的光学性能。透镜l1的物侧还设置有光阑sto，以进一步提升光学系统的成像质量。
[0137]
透镜表面s1和s2均镀有红外增透膜，用以增强红外波段光线的透过率。来自物体obj的红外光线依序穿过透镜的物侧面s1和像侧面s2并最终成像在成像面s3上。
[0138]
表9示出了实施例4的光学系统的透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材质、折射率、阿贝数(即色散系数)和透镜的有效焦距，其中，曲率半径、厚度、透镜的有效焦距的单位均为毫米(mm)。表9的参考波长为940nm。表10示出了实施例4的光学系统的相关参数数值。
[0139]
表9
[0140][0141][0142]
表10
[0143]
f(mm)0.491ct1/et11.168fno2.0n11.517fov(度)48.4
°
f/r11.964ttl(mm)0.526sd1/imgh0.615imgh(mm)0.2
ꢀꢀ
[0144]
图8a示出了实施例4的光学系统的纵向球差曲线，其分别表示波长为930nm、940nm以及950nm的红外光线经由光学系统后的会聚焦点偏离；图8b示出了实施例4的光学系统的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图8c示出了实施例4的光学系统的畸变曲线，其表示不同像高情况下的畸变率。根据图8a至图8c可知，实施例4给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
[0145]
实施例5
[0146]
以下参照图9至图10c描述本申请实施例5的光学系统。在本实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图9示出了本申请实施例5的光学系统的结构示意图。
[0147]
如图9所示，光学系统沿着光轴从物侧至像侧依序包括透镜l1和成像面s5。
[0148]
透镜l1具有正光焦度，其物侧面s1和像侧面s2均设置为球面，其中物侧面s1于光轴处为凸面，于圆周处为凸面，像侧面s2于光轴处为凸面，于圆周处为凸面。
[0149]
透镜表面s1和s2均设置为球面，有利于透镜l1的加工和成型，提升生产良率。
[0150]
透镜l1的材质为玻璃，可使光学系统具备较好的温度耐受特性以及优良的光学性能。透镜l1的物侧还设置有光阑sto，以进一步提升光学系统的成像质量。
[0151]
透镜表面s1和s2均镀有红外增透膜，用以增强红外波段光线的透过率。光学系统还包括具有物侧面s3和像侧面s4的红外带通滤光片l2，用以滤除红外光以外的光线。具体的，红外带通滤光片l2设置在透镜l1与成像面s5之间，其材质为玻璃。来自物体obj的红外光线依序穿过各表面s1至s4并最终汇聚在成像面s5上成像。
[0152]
表11示出了实施例5的光学系统的透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材质、折射率、阿贝数(即色散系数)和透镜的有效焦距，其中，曲率半径、厚度、透镜的有效焦距的单位均为毫米(mm)。表11的参考波长为940nm。表12示出了实施例5的光学系统的相关参数数值。
[0153]
表11
[0154][0155]
表12
[0156][0157][0158]
图10a示出了实施例5的光学系统的纵向球差曲线，其分别表示波长为930nm、940nm以及950nm的红外光线经由光学系统后的会聚焦点偏离；图10b示出了实施例5的光学系统的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图10c示出了实施例5的光学系统的畸变曲线，其表示不同像高情况下的畸变率。根据图10a至图10c可知，实施例5给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
[0159]
实施例6
[0160]
以下参照图11至图12c描述本申请实施例6的光学系统。在本实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图11示出了本申请实施例6的光学系统的结构示意图。
[0161]
如图11所示，光学系统沿着光轴从物侧至像侧依序包括透镜l1和成像面s3。
[0162]
透镜l1具有正光焦度，其物侧面s1和像侧面s2均为非球面，其中物侧面s1于光轴处为凸面，于圆周处为凸面，像侧面s2于光轴处为凸面，于圆周处为凸面。
[0163]
透镜表面s1和s2均设置为非球面，有利于解决视界歪曲的问题，也能够使透镜在较小、较薄且较平的情况下实现优良的光学成像效果，进而使光学系统具备小型化特性。
[0164]
透镜l1的材质为塑料，能够减少光学系统的重量并降低生产成本。透镜l1的像侧还设置有光阑sto，以进一步提升光学系统的成像质量。
[0165]
透镜表面s1和s2均镀有红外增透膜，用以增强红外波段光线的透过率。来自物体obj的红外光线依序穿过透镜的物侧面s1和像侧面s2并最终成像在成像面s3上。
[0166]
表13示出了实施例6的光学系统的透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材质、折射率、阿贝数(即色散系数)和透镜的有效焦距，其中，曲率半径、厚度、透镜的有效焦距的单位均为毫米(mm)。表13的参考波长为940nm。表14示出了可用于实施例6中透镜非球面s1-s2的高次项系数，其中非球面面型可由实施例1中给出的公式(1)限定；表15示出了实施例6的光学系统的相关参数数值。
[0167]
表13
[0168][0169]
表14
[0170][0171]
表15
[0172][0173][0174]
图12a示出了实施例6的光学系统的纵向球差曲线，其分别表示波长为930nm、940nm以及950nm的红外光线经由光学系统后的会聚焦点偏离；图12b示出了实施例6的光学系统的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图12c示出了实施例6的光学系统的畸变曲线，其表示不同像高情况下的畸变率。根据图12a至图12c可知，实施例6给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
[0175]
本申请还提供一种取像装置，包括如前文所述的光学系统；以及感光元件，感光元件设于光学系统的像侧，以接收由光学系统投射的光线。具体的，感光元件可以采用互补金属氧化物半导体(cmos，complementary metal oxide semiconductor)图像传感器或者电荷耦合元件(ccd,charge-coupled device)图像传感器。
[0176]
上述取像装置，利用前述光学系统能够对被摄物体发出或反射的红外光线成像，从而得到画面明亮、视角广、分辨率高的图像，同时该取像装置还具有小型化的特点，方便适配至超薄型便携式电子设备等尺寸受限的装置。
[0177]
具体的，上述便携式电子设备包括但不限于被设置成经由有线线路连接和/或经由无线接口接收或发送通信信号的装置。被设置成通过无线接口通信的电子设备可以被称为“无线通信终端”、“无线终端”或“移动终端”。移动终端的示例包括，但不限于卫星或蜂窝电话；可以组合蜂窝无线电电话与数据处理、传真以及数据通信能力的个人通信系统(personal communication system，pcs)终端；可以包括无线电电话、寻呼机、因特网/内联网接入、web浏览器、记事簿、日历以及/或全球定位系统(global positioning system,gps)接收器的个人数字助理(personal digital assistant，pda)；以及常规膝上型和/或掌上型接收器或包括无线电电话收发器的其它电子设备。
[0178]
本申请还提供一种飞行时间深度相机，包括光发射装置，光发射装置用于向目标物投射光线；以及如前文所述的取像装置，取像装置用于接收经目标物反射的光发射装置投射的光线，以获取目标物的包含其深度信息的图像。
[0179]
上述飞行时间深度相机，利用如前文所述的取像装置接收目标物反射的光发射装置发射的光线，可以拍摄得到明亮、清晰的目标物深度图像，并有利于测量图像中的景深数据，以对图像中的物体进行不同程度的虚化，提升相机的拍摄效果。
[0180]
本申请还提供一种光学识别装置。如图13所示，该光学识别装置沿着光轴由物侧至像侧依序包括玻璃屏10以及如前文所述的取像装置，光学系统的成像面即为感光元件20的感光表面。
[0181]
上述光学识别装置，具备厚度薄、体积小的结构特点，有利于适配至如手机、平板
等终端设备以进行指纹识别和人脸识别；同时该光学识别装置还具备较大的视角和较大的光圈，有利于充分获取目标物体的细节深度信息，提升识别反应速度。
[0182]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0183]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统用于红外光成像，其沿着光轴由物侧至像侧包括：一具有正光焦度的透镜，所述透镜的物侧面近轴区域为凸面。2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括光阑，所述光阑位于所述透镜的物侧或像侧。3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括红外带通滤光片，所述红外带通滤光片位于所述透镜和所述光学系统的成像面之间。4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：1≤fno≤2；其中，fno为所述光学系统的光圈数。5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：10
°
＜fov＜60
°
；其中，fov为所述光学系统的视场角。6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：ttl＜2mm；其中，ttl为所述透镜的物侧面至所述光学系统的成像面在光轴上的距离。7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：1＜ct1/et1＜2.3；其中，ct1为所述透镜在光轴上的厚度，et1为所述透镜最大有效口径处的厚度。8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：1.4＜n1＜1.7；其中，n1为所述透镜的折射率。9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：f/r1＜2.2；其中，f为所述光学系统的有效焦距，r1为所述透镜物侧面于光轴处的曲率半径。10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足下列关系式：sd1/imgh＞0.6；其中，sd1为所述透镜物侧面的最大有效半口径，imgh为所述光学系统成像面上有效像素区域对角线长的一半。11.一种取像装置，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的光学系统；以及感光元件，所述感光元件位于所述光学系统的像侧。12.一种飞行时间深度相机，其特征在于，包括：光发射装置，所述光发射装置用于向目标物投射光线；以及，如权利要求11所述的取像装置，所述取像装置用于接收经目标物反射的所述光发射装置投射的光线，以获取目标物的深度图像。13.一种光学识别装置，其特征在于，所述光学识别装置沿着光轴由物侧至像侧依序包括玻璃屏、以及如权利要求11所述的取像装置。
技术总结
本申请涉及一种光学系统、取像装置、飞行时间深度相机及光学识别装置。光学系统用于红外光成像，其沿着光轴由物侧至像侧包括一具有正光焦度的透镜，该透镜的物侧面近轴区域为凸面。上述光学系统，通过合理调整透镜的光焦度、面型及其有效焦距，使其适用于红外波段成像并具备较大的光圈，以拍摄得到清晰的被摄物体深度图像；同时上述光学系统可以仅具有一个透镜，从而可以显著减小光学系统的总长，实现镜头的小型化。头的小型化。头的小型化。


技术研发人员：谢晗 刘彬彬 李明 邹海荣
受保护的技术使用者：江西晶超光学有限公司
技术研发日：2019.12.31
技术公布日：2021/7/15