廣角深度成像透鏡構(gòu)造的制作方法
【專利摘要】本文公開了涉及深度傳感器系統(tǒng)的各光學(xué)元件的構(gòu)造的各實(shí)施例。一個(gè)所公開的實(shí)施例提供一種廣角透鏡構(gòu)造，包括第一、負(fù)級以及沿著所述透鏡構(gòu)造的光軸位于第一、負(fù)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(gòu)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(huán)境中。例如，基于圖像的深度傳感器可以與交互式娛樂系統(tǒng)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(yùn)動傳感器等來與該娛樂系統(tǒng)進(jìn)行交互。
[0003]基于圖像的深度傳感器可以利用各種技術(shù)，包括但不限于飛行時(shí)間和結(jié)構(gòu)化光深度感測技術(shù)，來根據(jù)圖像數(shù)據(jù)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(xué)系統(tǒng)的熱膨脹之類的因素影響時(shí)，可發(fā)生深度感測誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文公開了涉及用于紅外深度成像系統(tǒng)的廣角高速紅外成像透鏡組裝件的各實(shí)施例。例如，一個(gè)所公開的實(shí)施例提供一種包括透鏡構(gòu)造的深度感測系統(tǒng)，所述透鏡構(gòu)造包括第一、負(fù)級以及沿著所述透鏡構(gòu)造的光軸位于第一、負(fù)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(shí)施方式】中進(jìn)一步描述的概念選擇。本概述并不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護(hù)主題的范圍。此外，所要求保護(hù)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(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1A示出了包括深度相機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示例性實(shí)施例，該深度相機(jī)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(jī)的實(shí)施例的示意圖。
[0009]圖3示出與深度相機(jī)一起使用的透鏡構(gòu)造的實(shí)施例的示意圖。
[0010]圖4是經(jīng)由圖3的透鏡構(gòu)造將圖像聚焦在圖像傳感器上的方法的實(shí)施例的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]公開了涉及以諸如便于光線不足、廣角應(yīng)用中的圖像感測的方式的基于圖像的深度感測系統(tǒng)的光學(xué)元件的各實(shí)施例。簡言之，與常規(guī)的焦點(diǎn)后移透鏡構(gòu)造相比，所公開的實(shí)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(shí)施例中，可達(dá)到小于或等于1.0的f數(shù)以及大于或等于90°的視野(FoV)。此外，一些實(shí)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(yuǎn)心度(telecentricity)。
[0012]圖1A示出了深度感測相機(jī)系統(tǒng)10的一個(gè)非限制性示例。具體而言，圖1A示出了計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)12，該計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)12可以用于玩各種各樣不同的游戲、播放一個(gè)或多個(gè)不同的媒體類型、和/或控制或操縱非游戲應(yīng)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(xiàn)游戲視覺的諸如高清電視機(jī)之類的顯示器14。此外，圖1A示出了深度相機(jī)20形式的捕捉設(shè)備，其可以用于在視覺上監(jiān)視諸如游戲玩家18之類的一個(gè)或多個(gè)游戲玩家。例如，深度相機(jī)20可以是廣角高速紅外深度相機(jī)設(shè)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(tǒng)而不背離本公開的范圍。
[0013]目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)可以用于識別、分析和/或跟蹤諸如游戲玩家18之類的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)。圖1A示出了一種場景，其中使用深度相機(jī)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(tǒng)12解釋成可以用于影響由游戲系統(tǒng)12執(zhí)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(shí)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(tǒng)12執(zhí)行的拳擊游戲。游戲系統(tǒng)使用顯示器14來在視覺上向游戲玩家18呈現(xiàn)拳擊對手22。此外，游戲系統(tǒng)使用顯示器14來在視覺上呈現(xiàn)游戲玩家18用其運(yùn)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(xiàn)實(shí)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(tǒng)12和深度相機(jī)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(yīng)于游戲玩家18在物理空間中揮出重拳而在視覺上呈現(xiàn)游戲化身24揮出襲擊拳擊對手22的重拳。然而，多個(gè)移動可被檢測并解釋成多個(gè)不同的游戲或應(yīng)用控制。
[0015]目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)可被用來將目標(biāo)移動解釋成操作系統(tǒng)和/或應(yīng)用控制。操作系統(tǒng)和/或諸如圖1A和IB中所示的拳擊游戲之類的應(yīng)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(biāo)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(jìn)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(yīng)用于各種各樣不同的應(yīng)用的一般概念。
[0016]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，深度相機(jī)20被示意性地示為包括配置成投影光28以照亮目標(biāo)30的投影儀組裝件26和配置成將目標(biāo)30發(fā)射的光聚焦在傳感器上的透鏡構(gòu)造32。來自傳感器的圖像數(shù)據(jù)可被分析以確定與目標(biāo)30有關(guān)的深度信息。深度相機(jī)20可以利用飛行時(shí)間、結(jié)構(gòu)化光和/或任何其他合適的深度感測技術(shù)。盡管投影儀組裝件26和透鏡構(gòu)造32被示為位于單個(gè)主體內(nèi)，但將理解，這些組件也可以位于分開的主體內(nèi)并且可具有與所示結(jié)構(gòu)不同的任何其他合適的結(jié)構(gòu)。
[0017]圖3示出了圖2的透鏡構(gòu)造32的實(shí)施例。透鏡構(gòu)造32包括外殼34，外殼34容納多個(gè)光學(xué)組件，這些光學(xué)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(biāo)30反射時(shí)所投影的光的圖像以確定目標(biāo)30的深度簡檔。
[0018]在所示實(shí)施例中，透鏡構(gòu)造32包括兩個(gè)透鏡級(在下文更詳細(xì)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(dá)圖像傳感器38的環(huán)境光的量的帶通濾波器40。在所示實(shí)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(huán)境光。在其他實(shí)施例中，帶通濾波器可具有任何其他合適的位置。
[0019]繼續(xù)圖3，第一、負(fù)透鏡級42被沿光軸36放置在透鏡構(gòu)造的前方。如本文所使用的，術(shù)語“前方”描述沿光軸36的最接近被成像的場景的位置，而術(shù)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(shù)語“負(fù)”和“正”指的是光功率。
[0020]所示第一、負(fù)透鏡級42包括第一負(fù)透鏡元件44。所示第一負(fù)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(shù)語“主光線”表示來自每一不同的現(xiàn)場位置的光束內(nèi)的中心光線。第一負(fù)透鏡元件44還包括配置成發(fā)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(gè)透鏡，將理解，在其他實(shí)施例中，每一透鏡元件可包括多個(gè)透鏡，該多個(gè)透鏡在被組合時(shí)具有本文針對每一透鏡元件描述的相應(yīng)光學(xué)特性并且本文中使用的術(shù)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(fù)透鏡級42之后。第二、正透鏡級50將發(fā)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(fù)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(fā)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(gòu)造的其余元件更強(qiáng)的正透鏡元件。
[0022]注意，透鏡構(gòu)造32的孔徑光闌54被置于第一負(fù)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(jìn)入第一負(fù)透鏡元件44的光線46的高度，以減小第一負(fù)透鏡元件44的大小。
[0023]負(fù)透鏡子級50b包括第二負(fù)透鏡元件56。第二負(fù)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(fù)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(jī)20的總長度，并且還可允許校正場相關(guān)像差。例如，作為透鏡構(gòu)造中包括的其他透鏡元件的補(bǔ)充，第二負(fù)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(gòu)造的孔徑大小。如上所述，第二負(fù)透鏡元件56比第一負(fù)透鏡元件44弱，使得第二負(fù)透鏡元件56對傳入光線和光束的彎曲程度比第一負(fù)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(jìn)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(diǎn)。
[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(xù)漸進(jìn)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(diǎn)。在所示實(shí)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(shí)施例中，濾光器40可具有任何其他合適的位置。
[0026]在一些實(shí)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(gòu)造圖像一空間遠(yuǎn)心，使得出射光瞳位于無限遠(yuǎn)處。即使透鏡構(gòu)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(diǎn)的質(zhì)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(shí)施例中，第二負(fù)透鏡元件56可被省略。在這樣的實(shí)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(shí)施例(它大約是按比例繪制的)表示可達(dá)到小于或等于1.0的f數(shù)以及大于或等于90度視野(FoV)的一個(gè)示例結(jié)構(gòu)。迄今為止，即使使用諸如焦點(diǎn)后移和魚眼透鏡等透鏡設(shè)計(jì)，這樣的屬性組合也是難以達(dá)到的。將理解，這一示例旨在是說明性的而非限制性的，因?yàn)樯鲜龈骷壓妥蛹壍钠渌唧w結(jié)構(gòu)同樣可達(dá)到這樣范圍中的f數(shù)和FoV。
[0028]圖3的實(shí)施例的透鏡元件可按任何合適的方式來構(gòu)造。例如，一個(gè)或多個(gè)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(wěn)定性。
[0029]圖4示出經(jīng)由圖3的透鏡構(gòu)造實(shí)施例將圖像聚焦在圖像傳感器上的方法400的實(shí)施例。方法400包括在402，經(jīng)由第一、負(fù)透鏡級中的第一負(fù)透鏡元件來利用第一負(fù)透鏡元件來收集光。第一負(fù)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(fā)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(fā)散光束，并將發(fā)散光束聚集成會聚光束。在406，方法400包括利用第二負(fù)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(diǎn)。如上所述，第二和第三正透鏡元件可使透鏡構(gòu)造遠(yuǎn)心，使得即使在發(fā)生散焦的情況下成像點(diǎn)的質(zhì)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(nèi)的紅外光穿過以到達(dá)傳感器元件。
[0031]應(yīng)該理解，此處所述的配置和/或方法在本質(zhì)上是示例性的，并且這些具體實(shí)施例或示例不應(yīng)被認(rèn)為是局限性的，因?yàn)槎鄠€(gè)變體是可能的。此處所述的具體例程或方法可表示任何數(shù)量的處理策略中的一個(gè)或多個(gè)。由此，所示出的各個(gè)動作可以按所示次序執(zhí)行、按其他次序執(zhí)行、并行地執(zhí)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(tǒng)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(quán)利要求】
1.一種廣角透鏡構(gòu)造，包括: 第一、負(fù)級；以及 第二、正級，所述第二、正極沿著所述透鏡構(gòu)造的光軸位于所述第一、負(fù)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(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)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(fù)透鏡子級。
3.如權(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)造，其特征在于，每一透鏡子級包括一個(gè)或多個(gè)透鏡元件，并且所述一個(gè)或多個(gè)透鏡元件包括具有非球面透鏡表面的透鏡元件。
4.如權(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)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(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)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(gòu)造成使得所述透鏡構(gòu)造圖像一空間遠(yuǎn)心。
6.如權(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)造，其特征在于，孔徑光闌被定位在所述第一、負(fù)級與所述第二、正級之間。
7.如權(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)造，其特征在于，所述第一正透鏡子級包括比所述透鏡構(gòu)造的每一其余透鏡元件更強(qiáng)的正透鏡元件。
8.如權(quán)利要求1所述的廣角透鏡構(gòu)造，其特征在于，所述透鏡構(gòu)造包括等于或小于1.0的f數(shù)以及等于或大于90度的視野。
9.一種用紅外相機(jī)設(shè)備收集光的方法，所述紅外相機(jī)設(shè)備包括第一、負(fù)透鏡級和第二、正透鏡級，所述第一、負(fù)透鏡級包括第一負(fù)透鏡元件，所述第二、正透鏡級包括第一正透鏡元件、第二負(fù)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(jīng)由所述第一、負(fù)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(fā)散光束；以及 經(jīng)由所述第二、正透鏡級， 經(jīng)由所述第一正透鏡元件收集所述發(fā)散光束并將所述發(fā)散光束聚焦成會聚光束， 經(jīng)由所述第二負(fù)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(jīng)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(diǎn)。
10.如權(quán)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(dá)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(yōu)先權(quán)日:2012年3月20日
【發(fā)明者】Z·劉 申請人:微軟公司