一种用于3D成像的光学系统

一种用于 3D成像的光学系统

刘洪海 1

1.广东弘景光电科技股份有限公司 研发中心，广东 中山 528437；

摘 要：随着激光照明技术以及3D体感交互技术的发展，近红外光源及近红外镜头的需求及应用越来越广泛。为了适应社会发展和市场需求，利用Zemax光学设计软件设计一款大视场、大光圈、小畸变、消热差的3D成像近红外镜头。该镜头由8片全玻璃球面构成。镜头视场角2W为87度，光圈值为1.0，焦距为3.33mm，光学畸变小于-5%，后工作距大于1.1mm。采用Texas Instruments公司像素为QVGA的深度传感器，最大分辨率为320*240，单个像素大小为15um*15um。设计结果显示：中心视场的MTF值在30lp/mm时达到0.5以上，0.85视场以内的MTF值在30lp/mm时均达到0.3以上。

关键词：近红外镜头；3D成像技术，光学设计

An optical system for 3D imaging technology

LIU Honghai¹

（1. Guangdong Hongjing Optoelectronic Technology Inc., R&D Department, Zhongshan 528437, China; )

Abstract: Along with the development of laser illumination technology and the interaction between 3D, the requirement and application of near infrared light source and near infrared lens are becoming more and more popular. In order to adapt to the social development and market demands, the use of ZEMAX optical design software to design a large field of view, large aperture, small distortion, fire differential thermal 3D imaging near infrared camera lens. The lens consists of 8 pieces of all glass spheres. Field of view 2W is 87 degrees, the aperture is 1.0, the focal length is 3.33mm, the optical distortion is less than -5%, and the back working distance is greater than 1.1mm. The Instruments Texas company sensor is a QVGA depth sensor with a maximum resolution of 320*240, a single pixel size of 15um*15um. Design results show that the MTF value of the center of the field of view is more than 0.5, and the MTF value of the 0.85 field of view is more than 0.3 in 30lp/mm.

Key words: Near infrared lens; 3D imaging technology, optical design

引言

近年来，随着激光照明技术及3D体感交互技术的应用，近红外光源及近红外镜头的需求及应用越来越广泛。尤其在20世纪90年代，光电子学的两大热门领域（基于TOF技术的距离测量和具有特殊功能的深度传感器）首次结合到一起，诞生了第一代的TOF相机。随后PMD、MESA、Optrima和微软等各大厂家均推出了众多型号的3D相机。而3D相机均采用了大光圈小畸变近红外镜头。鉴于此，设计一款应用于3D成像技术的近红外镜头显得十分必要^[1-3]。

1 感光器件的选取

由于3D成像技术是基于带有特殊功能的CMOS传感器，即该传感器不同于以往的感光器件，它可以通过测量激光光源发出的脉冲光信号和物体反射回来的脉冲光信号之间的时间间隔，进而通过时间*光速而得到物体的深度（距离）信息，最终勾勒出一幅拍摄物体的3D信息图。而能生产这种传感芯片的只有PrimeSense、Texas Instruments、Infineon等几家国外厂商。本文采用的是Texas Instruments公司的OPT8141深度传感器，该款传感器可以感应850nm波长脉冲光信号，芯片大小为1/3”，像素为QVGA，最大分辨率为320*240，单个像素大小15um*15um，根据数字元取样原理，影像检测器所能显示的最大空间频率受Nyquist(奈奎斯特)采样频率的限制，即一个空间周期至少有2个像素，故该芯片所配镜头的极限频率为1/（2*15um)=33lp/mm。

2 设计指标

市场上主流的大视场近红外镜头基本为安防监控类的日夜型镜头，此类镜头的畸变普遍都很大（基本在25%左右），而且光圈一般也较小（基本2.0左右），能收集的光信号太弱，因此并不适合用于3D成像。本镜头的畸变设计小于5%，光圈更是达到1.0，完全满足大光圈小畸变的要求^[4-6]。具体参数见表1.

表1光学系统主要设计指标

Tab.1 Optical design parameters

3 光学系统设计

3.1 构型的选择

光学设计的初始选型一般有两种方式，一种是设计者通过高斯光学理论创造出一个原始结构，不过这种方法计算繁琐且对设计者的像差理论知识和设计经验要求非常高；另一种方法也设计者通常的做法，就是通过查阅手册或过期专利来筛选初始结构，这种方法较简单且能较快速地选出初始结构。本设计是通过后一种方法实现的。

光学材料一般有玻璃和塑料两种，光学玻璃具有高透明性、高折射率和低色散特性，同时光学玻璃对高低温的适应性较强，长久使用不易磨损；光学塑料则具有质量轻、成本低、可塑性强，但易于老化，在高低温环境下折射率变化较大，表面硬度低易划痕等特点。光学玻璃材料一般又有玻璃球面和玻璃非球面两种，球面冷加工成本相对较低、技术成熟，非球面则模压成本高昂，技术也掌握在少数几家日本等国外光学玻璃厂商手中。而光学塑料通常是非球面注塑成型，这种技术也非常成熟，只是前期模具费用较贵，制作周期较长。本设计为了节省成本同时保证镜头的环境适应性，因此采用了全玻璃球面结构设计^[7-8]。光学系统初始结构如图1所示。

图1 光学系统结构示意图

Fig.1 The structure of optical system

3.2 设计过程

本设计只针对850nm近红外光成像设计，因此可不用考虑可见复合光的色差问题。通过对初始结构进行简单优化，可得结构模型。由于深度传感器的有效像素是320*240，单个像素的大小是15um*15um，所以所配镜头的极限分辨率为1/（2*15um）=33lp/mm。

由于未采用非球面，系统的自由度较少，因此为了尽可能减小畸变，则需要增加镜片的数量，本设计采用了8片玻璃球面镜片组合。具体优化设计步骤可分为以下4步：

1. 把初始结构数据输入到Zemax镜头数据表中，然后输入视场（最大半视场43.5度）、光圈（像空间F/#=1.0）、波长（850nm）等参数^[9-10]。

2. 把所有透镜的半径、厚度、空气间隔设为可变量，然后在评价函数中加入焦距、后焦、光学总长、畸变、相对照度、主光线入射角及Zemax默认的优化函数（评价函数选择PTV-Wavefront-Chief Ray）等约束，进行初步优化。

3. 通过改变各约束的权重并加入其它像差约束可得到更好的像质，或者通过更换玻璃材料来优化。

4. 最后也可以在评价函数中加入MTFS和MTFT约束来进一步提升系统的MTF值^[11-13]。

图 2 初始系统的MTF曲线图

Fig. 2 MTF diagram before optimization

3.3 设计结果

优化设计后镜头的结构如图3所示。焦距3.33mm，光圈1.0，最大半视场角43.5度，光学总长22.70mm，光学后焦1.8mm，最大半像高3.15mm（略大于传感器的半对角线3.00mm），主光线出射角11度，满足CMOS芯片要求。

图3 优化后的系统结构

Fig.3 System structure after optimization

MTF（Modulation Transfer Function 调制传递函数）是评价镜头成像质量的方法之一，单位是“线对/毫米”（lp/mm,line-pairs/mm）。此镜头的极限分辨率要求是33lp/mm，对于成像镜头来说，0.85视场（半视场37度）以内的区域是主要成像区域，对于0.85视场（半视场37度）以外的视场区域像质可允许一定程度的下降。如图4所示，在30lp/mm处，0.85视场（半视场37度）以内的MTF值都大于0.3，中心视场更是高达0.5。完全满足成像质量的要求。

图4 优化后的MTF图

Fig.4 MTF diagram after optimization

畸变虽然对镜头的成像质量没有影响，但对用户的视觉效果产生影响，因此畸变矫正也是非常重要的。如下图5所示，畸变控制在5%以内，符合设计要求。

图5 畸变图

Fig.5 Distortion diagram

相对照度是镜头成像面边缘亮度相对于中心位置的归一化。一般相对照度越大越好，但对于大视场镜头而言，随着视场的增大，出射主光线的角度也越大，相对照度将会越低。对于成像系统的相对照度一般大于50% 即可。本设计中相对照度为47%，因为是大光圈系统，所以基本满足成像需要，如下图6所示。

图6 相对照度图

Fig.6 Relative Illumination

公差分析和热分析是光学设计中最后必不可少的一步。宽容的公差往往带来良好的组装良率，考虑现有的加工水平和结构工艺，镜片中心厚度公差可以做到±0.02mm，镜片外径公差可以做到±0.01mm。金属镜筒的同轴度也可以做到0.02mm。通过Zemax软件的公差分析可知该设计具有较好的公差宽容度，具有量产性。由于本设计采用的是全玻璃结构，整体对温度并不敏感，通过Zemax软件模拟可知，本设计镜头在-40℃到+85℃的环境中，成像质量并不会有明显变化，完全达到消热差要求。

4 结论

通过本设计优化镜头，得到一款具有大视场、大光圈、小畸变和消热差的近红外镜头。整体结构简单，加工难度低，具有的大视场可拍摄较宽的视野，具有的大光圈可大大提升镜头的通光量，减小摄像机对激光光源的要求，具有的小畸变很好的还原了拍摄物体原型，同时良好的温差控制大大提升了镜头的环境适应性，拥有更多的应用场所。总体来说，此款镜头满足了市场需要及生产要求，具有很大的市场前景。

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作者简介：刘洪海（1986—），男，本科，中级职称，主要从事光学设计及光学摄像模组制造的研究。