廣角深度成像透鏡構造的制作方法
【專利摘要】本文公開了涉及深度傳感器系統的各光學元件的構造的各實施例。一個所公開的實施例提供一種廣角透鏡構造，包括第一、負級以及沿著所述透鏡構造的光軸位于第一、負級之后的第二、正級。第二、正級還包括第一正透鏡子級、第二正透鏡子級、第三正透鏡子級，第二正透鏡子級位于第一正透鏡子級和第三正透鏡子級之間。
【專利說明】廣角深度成像透鏡構造
[0001]背景
[0002]基于圖像的深度傳感器可被用在各種不同的環境中。例如，基于圖像的深度傳感器可以與交互式娛樂系統一起使用，以允許玩家通過只使用身體姿勢而無需使用用于檢測姿勢的手持式運動傳感器等來與該娛樂系統進行交互。
[0003]基于圖像的深度傳感器可以利用各種技術，包括但不限于飛行時間和結構化光深度感測技術，來根據圖像數據確定深度。在任一情況下，在圖像到圖像傳感器的傳輸受諸如光學系統的熱膨脹之類的因素影響時，可發生深度感測誤差。
【發明內容】
[0004]本文公開了涉及用于紅外深度成像系統的廣角高速紅外成像透鏡組裝件的各實施例。例如，一個所公開的實施例提供一種包括透鏡構造的深度感測系統，所述透鏡構造包括第一、負級以及沿著所述透鏡構造的光軸位于第一、負級之后的第二、正級。第二、正級包括第一正透鏡子級、第二正透鏡子級以及第三正透鏡子級，其中第二正透鏡子級位于第一正透鏡子級和第三正透鏡子級之間。
[0005]提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下【具體實施方式】中進一步描述的概念選擇。本概述并不旨在標識所要求保護主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護主題的范圍。此外，所要求保護的主題不限于解決在本公開的任一部分中所提及的任何或所有缺點的實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1A示出了包括深度相機的計算機系統的示例性實施例，該深度相機跟蹤玩拳擊游戲的游戲玩家。
[0007]圖1B示出了圖1A的游戲玩家揮出重拳，該重拳被跟蹤并且被解釋成致使玩家化身在拳擊游戲的游戲空間中揮出重拳的游戲控制。
[0008]圖2示出深度相機的實施例的示意圖。
[0009]圖3示出與深度相機一起使用的透鏡構造的實施例的示意圖。
[0010]圖4是經由圖3的透鏡構造將圖像聚焦在圖像傳感器上的方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0011]公開了涉及以諸如便于光線不足、廣角應用中的圖像感測的方式的基于圖像的深度感測系統的光學元件的各實施例。簡言之，與常規的焦點后移透鏡構造相比，所公開的實施例可以提供相對較低的相對孔徑(f#)和較寬的視野。在一些實施例中，可達到小于或等于1.0的f數以及大于或等于90°的視野(FoV)。此外，一些實施例提供即使感測元件由于熱膨脹而移動也可幫助維持圖像的大小的遠心度(telecentricity)。
[0012]圖1A示出了深度感測相機系統10的一個非限制性示例。具體而言，圖1A示出了計算機游戲系統12，該計算機游戲系統12可以用于玩各種各樣不同的游戲、播放一個或多個不同的媒體類型、和/或控制或操縱非游戲應用。圖1A還示出了可以被用于向游戲玩家(如游戲玩家18)呈現游戲視覺的諸如高清電視機之類的顯示器14。此外，圖1A示出了深度相機20形式的捕捉設備，其可以用于在視覺上監視諸如游戲玩家18之類的一個或多個游戲玩家。例如，深度相機20可以是廣角高速紅外深度相機設備。圖1A中所示的示例是非限制性的。如下文描述的，可使用各種不同類型的深度感測系統而不背離本公開的范圍。
[0013]目標跟蹤系統可以用于識別、分析和/或跟蹤諸如游戲玩家18之類的一個或多個目標。圖1A示出了一種場景，其中使用深度相機20跟蹤游戲玩家18，使得游戲玩家18的移動可以被游戲系統12解釋成可以用于影響由游戲系統12執行的游戲的控制。換言之，游戲玩家18可以使用他的移動來控制游戲。游戲玩家18的移動可以被解釋成實際上任何類型的游戲控制。
[0014]圖1A中示出的示例場景示出了游戲玩家18正在玩正由游戲系統12執行的拳擊游戲。游戲系統使用顯示器14來在視覺上向游戲玩家18呈現拳擊對手22。此外，游戲系統使用顯示器14來在視覺上呈現游戲玩家18用其運動控制的玩家化身24。如圖1B中所示，游戲玩家18可以在物理/現實世界空間中揮出重拳來作為對玩家化身24在游戲/虛擬空間中揮出重拳的指令。游戲系統12和深度相機20可以用于識別和分析游戲玩家18在物理空間中的重拳，從而使得該重拳可以被解釋成使得游戲化身24在游戲空間中揮出重拳的游戲控制。例如，圖1B示出了顯示器14響應于游戲玩家18在物理空間中揮出重拳而在視覺上呈現游戲化身24揮出襲擊拳擊對手22的重拳。然而，多個移動可被檢測并解釋成多個不同的游戲或應用控制。
[0015]目標跟蹤系統可被用來將目標移動解釋成操作系統和/或應用控制。操作系統和/或諸如圖1A和IB中所示的拳擊游戲之類的應用的任何合適的可控制的方面都可以由諸如游戲玩家18之類的目標的移動來控制。所示出的拳擊場景是作為示例來提供的，但決不意味著以任何方式進行限制。相反，所示出的場景旨在展示可以在不背離本公開的范圍的情況下應用于各種各樣不同的應用的一般概念。
[0016]現在轉向圖2，深度相機20被示意性地示為包括配置成投影光28以照亮目標30的投影儀組裝件26和配置成將目標30發射的光聚焦在傳感器上的透鏡構造32。來自傳感器的圖像數據可被分析以確定與目標30有關的深度信息。深度相機20可以利用飛行時間、結構化光和/或任何其他合適的深度感測技術。盡管投影儀組裝件26和透鏡構造32被示為位于單個主體內，但將理解，這些組件也可以位于分開的主體內并且可具有與所示結構不同的任何其他合適的結構。
[0017]圖3示出了圖2的透鏡構造32的實施例。透鏡構造32包括外殼34，外殼34容納多個光學組件，這些光學組件沿光軸36安排并配置成將圖像聚焦在圖像傳感器38上以供深度分析。圖像傳感器38可包括任何合適類型的圖像傳感器，包括但不限于COMS傳感器，并且被配置成獲取在從目標30反射時所投影的光的圖像以確定目標30的深度簡檔。
[0018]在所示實施例中，透鏡構造32包括兩個透鏡級(在下文更詳細地描述)并且還包括部署在傳感器38與被成像的場景之間的用于降低到達圖像傳感器38的環境光的量的帶通濾波器40。在所示實施例中，帶通濾波器40被沿光軸36緊鄰圖像傳感器38放置，以在靠近圖像傳感器的位置處過濾環境光。在其他實施例中，帶通濾波器可具有任何其他合適的位置。
[0019]繼續圖3，第一、負透鏡級42被沿光軸36放置在透鏡構造的前方。如本文所使用的，術語“前方”描述沿光軸36的最接近被成像的場景的位置，而術語“后方”描述沿光軸36的最接近傳感器38的位置。此外，參考透鏡級和透鏡子級來使用的術語“負”和“正”指的是光功率。
[0020]所示第一、負透鏡級42包括第一負透鏡元件44。所示第一負透鏡元件44包括配置成彎曲傳入光線46并減小主光線與光軸36之間的角度的凸前部。術語“主光線”表示來自每一不同的現場位置的光束內的中心光線。第一負透鏡元件44還包括配置成發散光束48的凹后部。盡管在圖3中為每一透鏡元件描繪了單個透鏡，將理解，在其他實施例中，每一透鏡元件可包括多個透鏡，該多個透鏡在被組合時具有本文針對每一透鏡元件描述的相應光學特性并且本文中使用的術語“元件”也指的是這樣的多透鏡安排。
[0021]相對于被成像的場景，第二、正透鏡級50被置于第一、負透鏡級42之后。第二、正透鏡級50將發散光束48聚焦在傳感器平面38上。所示第二、正透鏡級50包括按沿光軸36的按次序的第一正透鏡子級50a、負透鏡子級50b、第二正透鏡子級50c以及第三正透鏡子級50d。所示第一正透鏡子級50a包括第一正透鏡元件52，第一正透鏡元件52具有用于聚焦發散光束48的凸前部和凸后部，由此會聚光束48。第一正透鏡元件52是比該透鏡構造的其余元件更強的正透鏡元件。
[0022]注意，透鏡構造32的孔徑光闌54被置于第一負透鏡元件44與第一正透鏡元件52之間，以控制在第二、正透鏡級處的光收集。將孔徑光闌54定位在這一位置可幫助降低進入第一負透鏡元件44的光線46的高度，以減小第一負透鏡元件44的大小。
[0023]負透鏡子級50b包括第二負透鏡元件56。第二負透鏡元件56包括彎曲來自第一正透鏡元件52的傳入光束48以使光束48較不會聚的凸前部。第二負透鏡元件56還包括另外地彎曲傳入主光線以提升在第二正透鏡元件58上的光線高度的凹后部。這可通過允許第一正透鏡元件52與第二正透鏡元件58之間的減少的間隔來幫助減少相機20的總長度，并且還可允許校正場相關像差。例如，作為透鏡構造中包括的其他透鏡元件的補充，第二負透鏡元件56可以是非球面的，以校正落在透鏡表面的外圍上的光線。這可幫助降低像差，從而幫助打開透鏡構造的孔徑大小。如上所述，第二負透鏡元件56比第一負透鏡元件44弱，使得第二負透鏡元件56對傳入光線和光束的彎曲程度比第一負透鏡元件44低。
[0024]第二正透鏡子級50c包括第二正透鏡元件58。第二正透鏡元件58包括凹前表面和凸后表面，用于漸進地減小主光線與光軸36之間的角度。第二正透鏡兀件58還將光束48向下聚焦到成像傳感器38上的緊要點。
[0025]第三正透鏡子級50d包括第三正透鏡元件60，第三正透鏡元件60包括凸前表面和稍微凹的后表面。與第二正透鏡元件58類似，第三正透鏡元件60繼續漸進地減小主光線與光軸36之間的角度并將光束48向下聚焦到傳感器38上的緊要點。在所示實施例中，濾光器40被置于第三正透鏡兀件60之后，并且傳感器38被置于濾光器40之后。然而,在其他實施例中，濾光器40可具有任何其他合適的位置。
[0026]在一些實施例中，第二和第三正透鏡元件58和60可校正主光線角度并使透鏡構造圖像一空間遠心，使得出射光瞳位于無限遠處。即使透鏡構造散焦或者透鏡或傳感器元件以任何方式移動(如在熱膨脹的情況下)，這也可允許圖像傳感器上的成像點的質心的位置保持在圖像傳感器上的同一位置上。將理解，在一些實施例中，第二負透鏡元件56可被省略。在這樣的實施例中，第一正透鏡元件52與第二正透鏡元件58之間的間隔可被增加。
[0027]圖3的實施例(它大約是按比例繪制的)表示可達到小于或等于1.0的f數以及大于或等于90度視野(FoV)的一個示例結構。迄今為止，即使使用諸如焦點后移和魚眼透鏡等透鏡設計，這樣的屬性組合也是難以達到的。將理解，這一示例旨在是說明性的而非限制性的，因為上述各級和子級的其他具體結構同樣可達到這樣范圍中的f數和FoV。
[0028]圖3的實施例的透鏡元件可按任何合適的方式來構造。例如，一個或多個透鏡可以用塑料和/或玻璃來形成。使用更多的塑料材料可幫助降低材料和制造成本，而使用更多玻璃材料可幫助提高熱穩定性。
[0029]圖4示出經由圖3的透鏡構造實施例將圖像聚焦在圖像傳感器上的方法400的實施例。方法400包括在402，經由第一、負透鏡級中的第一負透鏡元件來利用第一負透鏡元件來收集光。第一負透鏡元件從光源收集光線，將光線彎曲以減小光線與光軸之間的角度，并將光線定向成發散光束。
[0030]接著，方法400包括在404，利用第二、正透鏡級中的第一正透鏡元件收集發散光束，并將發散光束聚集成會聚光束。在406，方法400包括利用第二負透鏡元件降低會聚光束的會聚程度并彎曲主光線來加大主光線角度。隨后，在408，方法400包括利用第二正透鏡元件和第三正透鏡元件減小主光線與光軸之間的角度，以將光束聚焦到傳感器元件上的緊要點。如上所述，第二和第三正透鏡元件可使透鏡構造遠心，使得即使在發生散焦的情況下成像點的質心的位置也可保持大致不變。接著，在410，方法400包括利用濾光器元件來過濾來自第三正透鏡元件的光束以移除可見光，并使通帶內的紅外光穿過以到達傳感器元件。
[0031]應該理解，此處所述的配置和/或方法在本質上是示例性的，并且這些具體實施例或示例不應被認為是局限性的，因為多個變體是可能的。此處所述的具體例程或方法可表示任何數量的處理策略中的一個或多個。由此，所示出的各個動作可以按所示次序執行、按其他次序執行、并行地執行、或者在某些情況下被省略。同樣，可以改變上述過程的次序。
[0032]本公開的主題包括各種過程、系統和配置、此處所公開的其他特征、功能、動作、和/或特性、以及其任何和全部等效方案的所有新穎和非顯而易見的組合和子組合。
【權利要求】
1.一種廣角透鏡構造，包括: 第一、負級；以及 第二、正級，所述第二、正極沿著所述透鏡構造的光軸位于所述第一、負級之后，所述第二、正級包括: 第一正透鏡子級； 第二正透鏡子級； 第三正透鏡子級，所述第二正透鏡子級位于所述第一正透鏡子級與所述第三正透鏡子級之間。
2.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，所述第二、正級還包括位于所述第一正透鏡子級與所述第二正透鏡子級之間的負透鏡子級。
3.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，每一透鏡子級包括一個或多個透鏡元件，并且所述一個或多個透鏡元件包括具有非球面透鏡表面的透鏡元件。
4.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，還包括位于所述第三正透鏡子級之后的帶通濾光器，以及位于所述帶通濾光器之后的深度圖像傳感器。
5.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，所述第二正透鏡子級和所述第三正透鏡子級被構造成使得所述透鏡構造圖像一空間遠心。
6.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，孔徑光闌被定位在所述第一、負級與所述第二、正級之間。
7.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，所述第一正透鏡子級包括比所述透鏡構造的每一其余透鏡元件更強的正透鏡元件。
8.如權利要求1所述的廣角透鏡構造，其特征在于，所述透鏡構造包括等于或小于1.0的f數以及等于或大于90度的視野。
9.一種用紅外相機設備收集光的方法，所述紅外相機設備包括第一、負透鏡級和第二、正透鏡級，所述第一、負透鏡級包括第一負透鏡元件，所述第二、正透鏡級包括第一正透鏡元件、第二負透鏡元件、第二正透鏡元件、以及第三正透鏡元件，所述方法包括: 經由所述第一、負透鏡級從光源收集光線，將所述光線彎曲以減小所述光線與光軸之間的角度，以及將所述光線定向成發散光束；以及 經由所述第二、正透鏡級， 經由所述第一正透鏡元件收集所述發散光束并將所述發散光束聚焦成會聚光束， 經由所述第二負透鏡元件降低所述會聚光束的會聚度并彎曲主光線以加大主光線角度，以及 經由所述第二正透鏡元件和所述第三正透鏡元件減小所述主光線與所述光軸之間的角度并將所述光束聚焦到傳感器元件上的緊要點。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括用濾光器元件過濾來自所述第三正透鏡元件的光束以移除可見光，并使紅外光穿過以到達所述傳感器元件。
【文檔編號】G06F3/01GK104204891SQ201380015336
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月6日 優先權日:2012年3月20日
【發明者】Z·劉 申請人:微軟公司