CN105093802A - 一种转光三维成像装置及其投射装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，该转光三维成像装置包括投射装置，接收装置和处理器，该投射装置包括光源，光栅，聚光透镜组，光转向元件，以及射出透镜，其中光源发射的投射光经光栅的调制作用，聚光透镜组的汇聚作用，以及光转向元件的转向作用后，穿过射出透镜从投射装置的侧面射出。通过提供该光转向元件以改变从光源发出的光的投射路径，从而改变该投射装置的安装方式，以使其厚度得以显著地减小，从而便于安装于轻薄化的电子移动设备如手机、笔记本电脑、平板电脑等设备中。

Description

一种转光三维成像装置及其投射装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像设备及其光投射设备，尤其涉及一种通过提供光转向元件从而改变从光源发出的光的投射路径，以减小其厚度并且便于安装的转光三维成像装置及其投射装置。

背景技术

在先进的电子设备领域，尤其是类似于手机等设备上集成了更多的功能，而电子设备上典型的输入、输出设备，也日渐从键盘、鼠标等单独设备集成到一体，从而更加多样化、立体化的设备也能集合到一个设备上。

正在日趋流行，也代表了未来趋势的一个做法，就是将原来的只是作为输入设备的摄像头成为一个更加具有广度和深度功能的设备。经过近十年的发展，基本上大多数的常见电子设备，尤其是手机、电视、电脑等，都已经配备了摄像头，而通过传统摄像头的功能能够实现一些摄像、捕捉简单动作等功能，也已经大大的方便了人们的生活。而未来的趋势则是，摄像头不仅仅是从一个平面上收集信号，而是实现三维立体成像，并进一步实现测量、制图等深度拓展功能。

市面上已经有一种相对成熟的立体成像技术——结构光技术。结构光技术是一种主动式光学测量方法。其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角测量法计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有计算简单、体积相对较小、价格低、大盆程、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用。

其常见的一种方式是通过投射装置作为光源投射出光线，光线透过特定的光栅图样，再经由一组镜头，投射装置发出的光线会投射到被测物体表面，而因为透过光栅图样标记的栅像会产生折射，栅像的相位和振幅受到物面高度的调制使栅像发生变形，而接收装置可以观察到由于受物体高度的调制而变形的栅像，这种栅像变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。这种变形的栅像被采集并通过处理器对其进行解调，得出相位信息，并根据三角测量法等算法被准确的算出特定的高度、深度信息。

具体的说明，首先，常见的投射装置的光源，主要为垂直腔面发射激光器、激光二极管、发光二极管等，这种光源发射器的主要特征集中在发射光线均匀、光功率足够强。

所述投射装置的光源发射出去的光线首先要经过一个光栅，光栅是一种可以使射入的光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制的光学元件。光栅每单位长度内的刻痕多少，主要取决于所分光的波长范围(两刻痕距离应与该波长数量级相近)，单位长度内的刻痕多，色散度越大。光栅的分辨性能取决于刻痕多少。通常所用的光栅，是采用了衍射效应对光进行调制的衍射光栅。光栅的设计与该三维成像装置后台算法相关联。

然后，经过光栅调制的光线投射到一组透镜上，该组透镜可以使经受光栅调制的光产生折射。常见的透镜是通过复式镜头的形式，将若干不同形式和功能的凸凹透镜组成一个会聚的透镜。但是由于透镜自身需要采用多个凸凹透镜组合的方式，空间体积，尤其是堆叠出来的厚度较大，对于现有的镜头模组来说，是整个镜头模组的厚度的重要部分。而光源、光栅以及透镜，三者总和形成的厚度较大，导致现有的三维成像装置无法向更加薄型化的方向发展，从而难于应用在追求轻薄化的手机、笔记本电脑和平板电脑等电子移动设备上。

经过该透镜汇聚后的经光栅调制的光线发射到外部，照射到目标物体表面产生反射，同时有一接收装置能够收集到该种产生了相位和振幅变化的经光栅调制的光信号，再经过一后台处理器的处理、解调等步骤，依据三角测量法等运算原理，能够测算出目标物体表现的多个点甚至运动的点的距离、高度信息，从而形成一个具有三维立体感的图像信息，并且可以将这些点的信息汇集到一张图像上，形成一个具有深度、高度等信息的立体的图像。

更具体地，参考图1和图2中所示是现在技术中的一种三维成像装置的投射装置10’。如图1所示，所述投射装置10’包括依次排列的一光源11’，一光栅12’，一组透镜组13’和一射出透镜14’。而这个现有的三维成像装置中，尤其是投射装置10’中的光学总长主要呈现为所述射出透镜14’到所述光源11’之间的距离。那么，不同于一般的镜头，这种投射装置10’的光学结构分为多层，各层结构都相对不可缺少，那么该三维成像装置会比一般情况下由至少一透镜、一接收装置为主构成的普通镜头而言，会占用更大的体积。如图2中所示，当现有技术中的三维成像装置的投射装置10’安装于电子移动设备40’如手机中时，所述光源11’，所述光栅12’，所述一组透镜13’和所述射出透镜14’沿着线性排列，其厚度T’会增大手机的厚度t’。也就是说，按照传统的三维成像装置的投射装置10’的结构，其只能沿着手机的厚度t’方向排列，从而增大了手机的厚度t’，这样这种三维成像装置的投射装置10’不适合于安装于轻薄化的手机中。

另外，因为电子移动设备，如图2所示的用于安装这种三维成像装置的手机，其内部空间有限，从而不容易为所述光源11’配置散热机制。也就是说，传统三维成像装置的投射装置10’针对其散热问题的解决方案，只会进一步的增加该三维成像装置的投射装置10’的体积以及厚度。

而该种立体图像具有广泛的应用前景，可以简化测量的步骤，节省测量时间，并且测量的精密程度和效果都有提升，再经过进一步的处理，还可以衍生出多种崭新的应用方式。而该种立体成像设备，在目前为止，仍受限于体积等因素，往往是应用在单独设备上，而不适合应用于追求轻薄化的手机、笔记本电脑和平板电脑等电子设备上，从而影响了三维成像的进一步的普及与应用。所以，如何将该种立体三维成像装置进一步的薄型化，并且在进一步减小厚度从而薄型化的过程中克服应运而生的各种问题，也就成为了本发明所要致力于解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其通过提供光转向元件从而改变从光源发出的光的投射路径，以减小所述投射装置的厚度并且便于安装。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，因为其厚度有效地降低，其适合安装于追求轻薄化的手机、笔记本电脑和平板电子设备如平板电脑等电子移动设备。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中从所述光源发出的光线经过光栅和聚光透镜组后，再到达所述光转向元件后产生转向，最后从射出透镜投射出去，这样，所述投射装置的有效厚度对应于所述光转向元件以及所述射出透镜的总厚度，从而相对于现有技术中由各层叠加的光源、光栅、聚光透镜组和射出透镜所决定的投射装置的厚度显著地得到减少。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中所述投射装置的所述光转向元件和所述射出透镜沿着电子移动设备的厚度方向配置，而所述光源，所述光栅和所述透镜组可以沿着电子移动设备的长度方向(高度方向)或宽度方向配置，这样所述转光三维成像装置的所述投射装置更适合于安装于轻薄化的电子移动设备中。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中所述光转向元件可以反射和/或折射来自所述光源的光，从而使来自所述光源的光产生偏转，最终从所述射出透镜投射出去。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中所述射出透镜可以不与所述聚光透镜组，所述光栅和所述光源呈线性地排列。也就是说，本发明的所述投射装置不是层层累积叠加而形成的规则直线形状，而是具有转折部，所述转折部的厚度决定了所述投射装置的厚度，从而使所述转光三维成像装置的所述投射装置的厚度有效地减小。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中因为所述投射装置的所述光源不沿着厚度方向配置，这样所述投射装置可以被提供更多的利用空间，这样所述投射装置的投射光源发热问题可以得到有效解决，所述投射装置可以安装在利于散热的金属底架上并通过一后台处理器辅助光学矫正因光源发热导致的波长漂移等偏差。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中所述转光三维成像装置的各个装置包括所述投射装置，其厚度减少到6mm以下，从而完全可以整体地安装于电子移动设备的内部。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中所述转光三维成像装置的所述投射装置和接收装置的朝向能够与电子移动设备的显示设备同向或者反向，从而大大的增强所述三维成像装置的应用范围并且优化使用感受。

本发明的另一目的在于提供一种转光三维成像装置及其投射装置和方法，其中所述转光三维成像装置结构简单紧凑，成本低廉，适合大规模生产应用。

为达到以上目的，本发明提供一种转光投射装置，以用于在三维成像装置中产生投射光，其包括：

一光源，以用于发射所述投射光；

一光栅，以用于对所述投射光进行振幅和/或相位的调制；

一聚光透镜组，以用于折射并汇聚所述投射光；

一射出透镜，以用于向外投射所述投射光，以及

一光转向元件，以用于使所述投射光产生转向，其中经过所述光转向元件的转向作用后，所述光源发射的所述投射光穿过所述射出透镜从所述转光投射装置的侧面投射到所述转光投射装置的外部。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件设于所述聚光透镜组与所述射出透镜的光路之间，从而所述光源发射的所述投射光经过所述光栅，并经所述聚光透镜组折射并汇聚后，到达所述光转向元件，然后经所述光转向元件的转向作用，最后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件具有一反射面，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经反射后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件包括一折光透镜，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经折射后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件包括一折光透镜，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经折射后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述折光透镜是三棱镜。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件的所述反射面相对于所述光源的投射方向倾斜地设置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件的所述折光透镜相对于所述光源的投射方向倾斜地设置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述聚光透镜组包括一个或多个透镜，所述透镜选自玻璃透镜和塑料透镜中的一种或几种。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述转光投射装置的厚度在6mm以下。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光源还设有至少一散热元件。

本发明还提供一种转光三维成像装置，其包括：

至少一投射装置，所述投射装置包括一光源，一光栅，一聚光透镜组，一光转向元件，以及一射出透镜，其中所述光源发射的投射光经所述光栅的调制作用，所述聚光透镜组的汇聚作用，以及所述光转向元件的转向作用后，穿过所述射出透镜从所述投射装置的侧面射出所述投射装置；

至少一接收装置；以及

一处理器，其中从所述投射装置射出的所述投射光到达一目标物体表面后被反射，所述接收装置接收被所述目标物体表面反射的所述投射光，然后将所述投射光的信息传送给所述处理器，所述处理器处理所述信息得到三维图像信息。

根据本发明的一个实施例，在所述转光三维成像装置中，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经反射和/或折射后从所述射出透镜射出所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，在所述转光三维成像装置中，所述光转向元件相对于所述光源的投射方向倾斜地设置。

根据本发明的一个实施例，所述转光三维成像装置包括互相间隔地设置的两个或多个所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，所述转光三维成像装置安装于具有一显示屏的一电子移动设备中，所述投射装置和所述接收装置位于所述电子移动设备的正面或背面，所述显示屏用于显示所述三维图像信息。

本发明还提供一种转光投射装置，所述转光投射装置安装于一电子移动设备，以用于在三维成像操作中产生投射光，所述转光投射装置包括：

沿着纵向方向地，在所述转光投射装置的一端设置的一光源；以及在所述转光投射装置相反的另一端设置的一光转向元件和一射出透镜，其中所述光源产生沿着纵向方向投射的所述投射光，经所述光转向元件的转向作用后，至少一部分所述投射光沿着横向方向从所述射出透镜射出。

根据本发明的一个实施例，在所述转光投射装置中，所述光转向元件用于反射和/或折射所述投射光。

根据本发明的一个实施例，所述转光投射装置还包括一光栅，以及一聚光透镜组，沿着纵向方向地，所述光源发射的所述投射光经所述光栅的调制作用，所述聚光透镜组的汇聚作用，然后经所述光转向元件的转向作用后，最后沿着横向方向从所述射出透镜射出所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，所述电子移动设备选自手机、笔记本电脑和平板电子设备中的一种。

本发明还提供一种将至少一转光投射装置安装于一电子移动设备内部的方法，所述转光投射装置用于在三维成像操作中产生投射光，所述方法包括如下步骤：

(i)沿着所述电子移动设备的厚度方向设置一射出透镜和一光转向元件；以及

(ii)沿着与所述厚度方向垂直的平面方向设置一光源，一光栅，一聚光透镜组以及所述光转向元件，以使所述转光投射装置的厚度由所述射出透镜和所述光转向元件的厚度决定，其中所述光源发射的所述投射光经所述光栅的调制作用，所述聚光透镜组的汇聚作用，以及所述光转向元件的转向作用后，穿过所述射出透镜沿着所述厚度方向射出所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，在上述方法所述步骤(b)中，还包括步骤：沿着所述电子移动设备的长度方向设置所述光源，所述光栅，所述聚光透镜组以及所述光转向元件。

根据本发明的一个实施例，在上述方法所述步骤(b)中，还包括步骤：沿着所述电子移动设备的宽度方向设置所述光源，所述光栅，所述聚光透镜组以及所述光转向元件。

根据本发明的一个实施例，在上述方法中，所述光转向元件用于反射和/或折射至少一部分到达所述光转向元件的所述投射光。

根据本发明的一个实施例，在上述方法所述电子移动设备选自手机、笔记本电脑和平板电子设备中的一种。

本发明还提供一种三维成像装置的投射装置的产生投射光的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)通过一光源发出光线；

(b)由所述光源发出的光线穿过一光栅，以对光线进行振幅和/或相位的调制；

(c)经所述光栅调制的光线穿过一聚光透镜组后得以汇聚；

(d)经所述聚光透镜组折射后的光线到达一光转向元件产生转向；以及

(e)转向后的光线穿过一射出透镜从所述投射装置的侧面射出所述投射装置从而产生所述投射光。

根据本发明的一个实施例，在上述方法中，所述步骤(d)包括步骤：通过所述光转向元件反射从所述聚光透镜组折射来的至少一部分光线。

根据本发明的一个实施例，在上述方法中，所述步骤(d)包括步骤：通过所述光转向元件折射从所述聚光透镜组折射来的至少一部分光线。

本发明还提供一种三维成像装置的成像方法，其包括如下步骤：

(A)通过一光源发出光线；

(B)由所述光源发出的光线穿过一光栅，以对光线进行振幅和/或相位的调制；

(C)经所述光栅调制的光线穿过一聚光透镜组后得以汇聚；

(D)经所述聚光透镜组折射后的光线到达一光转向元件产生转向；

(E)转向后的光线穿过一射出透镜从所述投射装置的侧面射出所述投射装置从而产生投射光；

(F)所述投射光到达目标物体表面后被反射；

(G)接收装置接收被所述目标物体表面反射的所述投射光并获取参数信息；以及

(H)所述处理器处理所述参数信息，从而得到三维图像。

根据本发明的一个实施例，在上述方法中，到达所述光转向元件的光线经反射和/或折射后从所述射出透镜射出所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，在上述方法中，所述光源朝向前侧方向发出光线，经所述光转向元件的转向作用后，从所述投射装置的左侧或右侧射出所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，在上述方法中，所述光源朝向前侧方向发出光线，经所述光转向元件的转向作用后，从所述投射装置的上侧或下侧射出所述投射装置。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种转光投射装置，以用于在三维成像装置中产生投射光，其包括：

一光产生器，以用于发射所述投射光；

一光编码器，以用于对所述投射光进行编码；

一聚光透镜组，以用于折射并汇聚所述投射光；

一射出透镜，以用于向外投射所述投射光；以及

一光转向元件，以用于使所述投射光产生转向，其中经过所述光转向元件的转向作用后，所述光产生器发射的所述投射光穿过所述射出透镜从所述转光投射装置的侧面投射到所述转光投射装置的外部。

根据本发明的一个实施例，在上述转光投射装置中，所述光转向元件设于所述聚光透镜组与所述射出透镜的光路之间，从而所述光产生器发射的所述投射光经过所述光编码器后成为编码光，并经所述聚光透镜组折射并汇聚后，到达所述光转向元件，然后经所述光转向元件的转向作用，最后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

根据本发明的一个实施例，在上述转光投射装置中，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经反射和/或折射后从所述射出透镜射出所述投射装置。

根据本发明的一个实施例，在上述转光投射装置中，所述光转向元件相对于所述光产生器的投射方向倾斜地设置。

根据本发明的一个实施例，在上述转光投射装置中，所述光转向元件是三棱镜。

根据本发明的一个实施例，在上述转光投射装置中，所述转光投射装置的厚度在6mm以下。

附图说明

图1是根据现有技术中的三维成像装置的投射装置的剖面结构示意图。

图2是根据上述现有技术中的三维成像装置的投射装置安装于手机上的结构示意图。

图3A是根据本发明的一个优选实施例的三维成像装置的投射装置的剖面结构示意图。

图3B是根据本发明的上述优选实施例的变形实施方式的三维成像装置的投射装置的剖面结构示意图

图4是根据本发明的上述优选实施例的三维成像装置的工作原理示意图。

图5是根据本发明的上述优选实施例的三维成像装置的多个投射装置的工作原理示意图。

图6是根据本发明的上述优选实施例的三维成像装置的投射装置的安装于电子设备的一种安装方式示意图。

图7是根据本发明的上述优选实施例的三维成像装置的投射装置的安装于电子设备的另一种安装方式示意图。

图8是利用根据本发明的上述优选实施例的三维成像装置的投射装置产生投射光的方法的流程示意图。

图9是利用根据本发明的上述优选实施例的三维成像装置进行三维成像的方法的流程示意图。

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。

如图3A至图7所示是根据本发明的一个优选实施例的转光三维成像装置及其投射装置的结构示意图。所述转光三维成像装置，其适合于安装于一电子移动设备40，所述转光三维成像装置包括至少一所述投射装置10，至少一接收装置20，和一处理器30，其中所述接收装置20与所述处理器30相耦接。所述投射装置10发出投射光至目标物体表面后被反射，然后由所述接收装置20接收采集，所述接收装置20将采集到的信息发送给所述处理器30进行处理，从而获得所述目标物体的信息，以实现三维立体成像，并进一步实现测量、制图等深度拓展功能。

如图3A中所示，所述转光三维成像装置的所述投射装置10包括一光产生器，其可以实施为一光源11，一光编码器12，一聚光透镜组13，和一射出透镜14。所述光源11产生光线，所述光编码器12对所述光源11产生的光线进行编码，在这个实施例中，所述光编码器可以实施为光栅12，所述光源11产生的光线穿过所述光栅12后得到振幅和/或相位的调制，从而产生利于识别的编码光，经所述聚光透镜组13的汇聚作用，从所述射出透镜14投射到外部。在本发明中，所述投射装置10还包括一光转向元件15，所述光转向元件15使到达所述光转向元件15的光线产生转向后最终穿过所述射出透镜14从所述投射装置10的侧面射出。也就是说，所述光源11，所述光栅12，和所述聚光透镜组13沿着所述投射装置10的一端向另一端的方向布置，而最终，经过所述光转向元件15的转向作用，所述光源11产生的光并没有从所述投射装置10的另一端面射出，而是从所述投射装置10的侧面射出。

在图3A中所示的例子中，所述光源11可以是垂直腔面发射激光器、激光二极管、发光二极管等，产生的光线可以是可见光，红外光或紫外光等。所述光栅12具有预定样式的光栅图样，并将所述光源11产生的光线分成束状光线。所述聚光透镜组13包括一个或多个透镜，各个所述透镜可以是各种凸透镜或凹透镜，如图3A中所示的透镜131、132、133、134、135和136。穿过各个所述透镜131、132、133、134、135和136的光线产生折射，并且得到汇聚，从而所述聚光透镜组13可以通过不同透镜的组合的搭配起到光线汇聚的作用。所述投射装置10产生的光线最终从所述射出透镜14投射到目标物体表面，然后经反射后由所述接收装置20接收。

与图1和图2中所示的现有技术相区别的是，本发明的所述投射装置10还设有光转向元件15，以使所述投射装置10中光线的投射路径发生转向，最终光线可以从所述投射装置10的侧面射出。这样，整个所述投射装置10可以不像图2中所示的沿着电子移动设备的厚度方向设置，而是可以类似图6和图7中沿着电子移动设备40的宽度方向或长度方向(高度方向设置)，这样有利于使本发明的所述三维成像装置安装于轻薄化的电子移动设备40内部。所述电子移动设备40可以是手机、笔记本电脑、平板设备如平板电脑等。

所述光转向元件15设置于所述投射装置10的光线路径中并且可以选择性地位于所述光源11和所述光栅12的光路之间，或者所述光栅12和所述聚光透镜组13的光路之间，或者所述聚光透镜组13和所述射出透镜14的光路之间。在图3A中所示的例子中，所述光转向元件15使穿过所述聚光透镜组13的光线转向，然后从所述射出透镜14投射到所述投射装置10的外部。也就是说，在图3A所示的例子中，所述光转向元件15设置于所述聚光透镜组13和所述射出透镜14的光路之间，以改变来自所述聚光透镜组13的光线的投射方向。

在图3A所示的实施例中，所述投射装置10的厚度T主要取决于所述光转向元件15和所述射出透镜14的总厚度。这样，相对于现有技术中，由光源11’，光栅12’，一组透镜13’，和射出透镜14’各层累积叠加而决定的现有投射装置的厚度T’相比，本发明的所述投射装置10的厚度T得以显著地减小。

在本发明的这个优选实施例中，所述光转向元件15具有一反射面151，所述光源11产生的光线依次穿过所述光栅12和所述聚光透镜组13后，到达所述光转向元件15的所述反射面151，经反射后再穿过所述射出透镜14，从而投射到所述投射装置10的外部。所述射出透镜14可以起到分配所述投射装置10的射出光线的作用，以将所述投射装置10的射出光线分配到需要的各个方向。

所述反射面151可以是一反射镜面，其相对于所述光源11的光线的投射方向倾斜地设置，从而穿过所述聚光透镜组13的各个所述透镜131、132、133、134和135的光线，到达所述光转向元件15并经所述反射面151反射后，产生光路的转向，然后从所述射出透镜14射出。

值得一提的是，所述投射装置10的透镜131-136可以为玻璃透镜，亦可以采用塑料透镜和玻璃透镜相结合的方式，即波塑混合的透镜，以不损害光线效果的基础上，保证成本效益的最大化。另外，所述透镜131-136可以采用小型化玻璃非球面镜片，进一步减小所述投射装置10的体积。

所述投射装置10还可以包括一壳体16，以容纳和安装所述光源11，所述光栅12，所述聚光透镜组13，所述射出透镜14和所述光转向元件15。如图6和图7中所示，可以看出，通过本发明的这种结构安排，可以使所述投射装置10的厚度T可以大致相当于所述投射装置10的壳体16的直径，而在现有技术中，所述投射装置10’安装于电子移动设备40’后产生的厚度T’相当于所述投射装置10’的长度。所以本发明的这种结构，使得所述投射装置10的厚度T显著地减小，而本发明的所述三维成像装置中，最不容易减小厚度的是其投射装置，本发明所提供的解决方案能有效地减小所述投射装置10的厚度T，从而使本发明的所述三维成像装置及其所述投射装置10可以整体地安装于所述电子移动设备40的内部，并且不用增大所述电子移动设备40的厚度t。

如图3B中所示，作为另外的变形实施方式，所述光转向元件15可以包括一折光透镜152，穿过所述聚光透镜组13的光线到达所述折光透镜152后，穿过所述折光透镜152并且产生折射，然后射向所述射出透镜14，从所述射出透镜14射出所述投射装置10。值得一提的是，所述投影光源11的光线垂直于光轴方向向上/下一定偏移距离，可以使最终的投射方向偏向左/右方向，这样配合拍摄模组的摆放位置，可以最大化的利用投影视场范围。也就是说，可以使所述投影光源11的大部分光线都能由所述拍摄模组采集到。

也就是说，所述光转向元件15不仅可以通过反射作用来改变所述投射装置10的光的投射方向，也可以通过折射作用来改变所述投射装置10的光的投射方向。可以理解的是，所述光转向元件15也可以包括光反射部件和折光部件，从而对来自所述聚光透镜组13的光既进行反射作用，也进行折射作用。

在图3B所示的实施例中，作为一个具体的示例，所述折光透镜152可以实施为棱镜，如三棱镜，以起到折射光线的作用。值得一提提是，所述棱镜也可以设有相对于所述光源11的光的投射方向倾斜地设置的反射面151，从而通过反射和折射作用将穿过所述聚光透镜组13的光线进行转向。

需要指出的是，本实施例中的所述光转向元件15，在具体的应用中可以不局限于上述结构，只要是能发生反射和/或折射的装置即可，而后续步骤中，所述接收装置20接收光信号并传送到所述处理器30后，通过软件可以对光路上的变化偏移进行校准。

值得一提的是，因为本发明的所述投射装置10的这样的结构安排，所述电子移动设备40内部可以提供足够的空间给所述投射装置10。所以，如图3A和图3B中所示，所述投射装置10都配置有散热结构。具体地，所述投射装置10的所述光源11设有散热元件17，所述散热元件17可以是金属架，从而将所述光源11产生的热及时有效地传导和散发至所述电子移动设备40的外部，从而本发明也解决了所述三维成像装置的所述投射装置10的散热问题。

在本发明中，所述处理器30可以校正因设置所述光转向元件15而造成的光线的偏移，从而保证最终数据的准确性和真实性。另外，所述处理器30也可以辅助于光学矫正因所述光源11发热导致的波长漂移等偏差。

值得一提的是，本发明的所述投射装置10，参照图3A和图6中所示，沿着纵向(即图中沿着X轴方向)在所述投射装置10的第一端设置有所述光源11，相反的第二端设置有所述光转向元件15，所述射出透镜14沿着横向(即图中沿着Y轴方向)设置，从而使所述投射装置10的光线从横向侧面射出，而不是现有技术中一直沿着纵向投射并最终沿着纵向射出所述投射装置10。

也就是说，所述光源11产生的光线的投射方向，与最终射出所述射出透镜14的射出方向并不是同样的纵向方向，而是大致互相垂直的两个方向即纵向和横向。也可以说，如图3A中所示，光线产生时，沿着所述投射装置10的长度方向从所述第一端投射向所述第二端的所述光转向元件15，经过所述光转向元件15的转向作用后，从所述投射装置10的侧面射出。

如图3A中所示，所述光源11的一个或多个发光元件可以定义一发射面110，所述射出透镜14定义一射出面140。在本发明中，所述发射面110和所述射出面140可以被安排在大致互相垂直的方向。而在现有技术中的投射装置中，光源11’的发射面可以和射出透镜14’的射出面共轴并且大致互相平行地布置。

另外，值得一提的是，现有技术中的投射装置10’的各个部件层层累加后使投射装置10’厚度很难低于15mm，而本发明的所述投射装置10，其厚度可以在6mm以下。而如图6中所示，当所述投射装置10的所述光源11，所述光栅12，所述聚光透镜组13和所述光转向元件15沿着所述电子移动设备40的宽度方向配置时，所述光栅12，所述聚光透镜组13和所述光转向元件15的总长度明显小于所述电子移动设备40的宽度w，这样所述电子移动设备40内部设有足够的空间容纳所述投射装置10。类似地，如图7中所示，当所述投射装置10的所述光源11，所述光栅12，所述聚光透镜组13和所述光转向元件15沿着所述电子移动设备40的长度方向(或高度方向)配置时，所述光栅12，所述聚光透镜组13和所述光转向元件15的总长度明显小于所述电子移动设备40的长度h，这样所述电子移动设备40内部也设有足够的空间容纳所述投射装置10。

值得一提的是，本发明的所述转光三维成像装置的所述投射装置10和接收装置20可以位于所述电子移动设备40的正面或背面，其朝向能够与所述电子移动设备40的显示设备如显示屏同向或者反向，从而大大的增强所述三维成像装置的应用范围并且便于使用者的使用。所述接收装置20可以包括各种图像传感器，以捕捉图像信息。在具体的例子中，所述接收装置20可以包括可见光，红外光或紫外光摄像镜头。所述处理器30耦接于所述接收装置20以处理所述接收装置20收集到的图像信息，从而提供三维成像功能。

结合图3A和图4说明本发明的这个优选实施例中的所述三维成像装置的工作原理，以示意所述三维成像装置可以用来测量目标物体的深度信息H1和H2。具体地，所述投射装置10的所述光源11产生的光线111和112，穿过所述光栅12后的束状光线被编码成为了相互独立的束状结构，成为一种结构光形式，然后所述光源11发出的编码光线111和112穿过所述聚光透镜组13的所述透镜131-136后折射并且汇聚，并进一步到达所述光转向元件15，所述光转向元件15反射和/或折射光线111和112，从而将被分为束状的光线111和112转向并通过所述射出透镜14进一步的均匀的投射到所述投射装置10的外部。

射出所述投射装置10的编码光线111和112，到达目标物体表面后发生反射，反射后的编码光线111和112被所述接收装置20所接收，同时编码光线111和112经过折射和反射后产生的相位和振幅变化的信息被所述接收装置获取，编码光线111所携带的数据传到所述处理器30中进行进一步的解析。

然后基于具体测量法如三角测量法等，根据在三维成像装置的投射装置10和所述接收装置20存在的固定距离，所述距离为基线B，同时综合所述编码光线111和所述编码光线112中所具有的参数变化，可以计算出具体的图像信息如本发明这个实施例中的深度信息H1和H2。

如图7所示，为了进一步的增强本发明的所述三维成像装置的成像效果，可以设置多个所述投射装置10与所述接收装置20相配合，从而进一步的增强三维立体成像的广度和效果。如图7中所示，两所述投射装置10安装于所述电子移动设备40，各所述投射装置10的所述光源11连接着的散热元件17延伸到所述电子移动设备40的外部，各所述光源11发出的光透过所述光栅12后分成束状的光线。所述束状的光线穿过所述聚光透镜组13后发生折射并投射到所述投射装置10的光转向元件15上发生折射和/或反射，并且透过所述射出透镜14投射到所述投射装置10的外部。所述电子移动设备40的两个所述投射装置10发出的束状光线投射到目标物体后发生反射会被所述电子移动设备40的所述接收装置20所接收，并传输到所述处理器30。而所述电子移动设备40的两所述投射装置10分别会和所述接收装置20形成两个基线B，从而进一步的分别通过相应的测量法则算出所述目标物体的深度信息。

相应地，本发明提供了一种三维成像装置的投射装置10的产生投射光的方法，该方法包括如下步骤：

(a)通过一光源11发出光线；

(b)由所述光源11发出的光线穿过一光栅12，以对光线进行振幅和/或相位的调制；

(c)经所述光栅12调制的光线穿过一聚光透镜组13后得以汇聚；

(d)经所述聚光透镜组13折射后的光线到达一光转向元件15产生转向；以及

(e)转向后的光线穿过一射出透镜14从所述投射装置10的侧面射出所述投射装置10从而产生所述投射光。

在上述方法中，所述步骤(d)还包括步骤：通过所述光转向元件15反射从所述聚光透镜组13折射来的至少一部分光线。

在上述方法中，所述步骤(d)也可以还包括步骤：通过所述光转向元件15折射从所述聚光透镜组13折射来的至少一部分光线。

也就是说，到达所述光转向元件15的光线经反射和/或折射后再向所述射出透镜投射，从而使所述投射装置10内的光线的投射方向发生转向，最后从所述投射装置10的侧面射出。

例如在一个具体例子中，所述投射装置10的所述光源11产生的光线，是向前方投射，经过所述光转向元件15的转向作用后，向前投射的光线最终朝向左侧或右侧射出所述投射装置10。

相应地，本发明还提供了一种三维成像装置的成像方法，该成像方法包括如下步骤：

(A)通过一光源11发出光线；

(B)由所述光源11发出的光线穿过一光栅12，以对光线进行振幅和/或相位的调制；

(C)经所述光栅12调制的光线穿过一聚光透镜组13后得以汇聚；

(D)经所述聚光透镜组13折射后的光线到达一光转向元件15产生转向；

(E)转向后的光线穿过一射出透镜14从所述投射装置10的侧面射出所述投射装置10从而产生投射光；

(F)所述投射光到达目标物体表面后被反射；

(G)接收装置20接收被所述目标物体表面反射的所述投射光并获取参数信息；以及

(H)所述处理器30处理所述参数信息，从而得到三维图像。

类似地，在上述成像方法中，所述光转向元件15可以反射和/或折射到达所述光转向元件15的光线从而产生转向功能。

在传统的三维成像装置的成像方法中，一般将传统三维成像装置分成三个部分，第一部分为有光源11’、光栅12’、透镜13’组成的投射装置10’；第二部分常见为红外相机、紫外线相机等各种针对特定光源的特点所配置的感应成像设备，以构成接收装置；第三部分为与接收装置相耦接的处理器部分，以上三部分可以分开安装或合体安装。三维成像装置的厚度上的问题，主要来源于其投射装置的厚度，因为光源11’、光栅12’之间需要一定间隔，同时透镜13’的组合连接也会构成一定的间隔，从而在整体上将整个设备的厚度变大，换言之，从现有技术来看，该立体成像装置的三个可分开的部分的具有最大厚度的部分是来源于投射装置10’。而投射装置10’的厚度问题的解决，关系到三维成像装置的厚度。但是现有技术而言，这种传统形式的立体成像装置的投射装置10’的最小厚度很难低于15mm。

而本发明所提供的解决方案的三维成像方法中，使投射装置10产生的光线发生转向，尤其是通过折射和/或反射让光线转向射出。这样做法的好处在于，通过相对光源11投射方向倾斜地设置的镜面，将整个光线投射的路径发生改变但是又不影响图像的真实性，而获得的光线的参数值也相对真实，其中若因为光的路径变化而有的一些参数变化可以通过后台处理器中的软件来完成矫正。本技术方案优选的光转向元件15包括三棱镜，因为其安装起来相对简便，能够有效地结合好被分隔开的镜头，而且光线通过三棱镜的光线折射率也相对容易计算。可以理解的是，其他类型的镜面，当然也能够安装于其中，也能够实现本发明目的。而相对于直线型排布的现有的投射装置10’的技术方案，本发明的整个投射装置10宽度有效地减小，从而整个三维成像装置的厚度都显著地减小。

在本发明的上述三维成像方法中，采用的是结构光技术：该技术是通过用预定的像素图像投影于场景上的光，当所述图样触及场景内的一个或者多个物体发生变形，继而容许所述处理器30通过使用所述接收装置20来接受光线信息而去计算目标物体表面信息和深度信息。这种技术的主要所要依赖于所述投射装置10和所述接收装置20，再结合后台的所述处理器30的运算，通过三角测量法等测量法则，计算出投射到目标物体表面的光路变化，以提供的待测目标物体的三维信息。

在上述三维成像方法中，所述投射装置10和所述接收装置20之间的间距，定义一立体基线B，所述立体基线B的数值相对固定，也是三角测量法的一个基础的基准运算数值。所述立体基线B的数值一般设定在目标场景距离的10％到50％。所以，如果将该设备安装于相对体积较小的小型设备上，并不是完全追求立体基线数值越小越好。一般而言，较短的立体基线会导致该立体成像装置的精度降低，较长的基线则会导致难以捕捉不面向该立体成像装置的表面。本发明的所述投射装置10的安装方式也可以使得所述投射装置10和所述接收装置20之间的距离控制在合理范围内，从而便于最后的数据测算。

值得一提的是，在现有技术中，现有的三维成像装置的投射装置，也可以相对简单地安装于一般电子移动设备的侧面，但是这种侧面拍摄的镜头肯定不利于使用者看到显示屏，对于使用方便程度而言，会大打折扣。而在本发明的三维成像方法中，所述投射装置10和所述接收装置20可以与所述电子移动设备40的显示屏同向或者反向，这样方便使用者握持所述电子移动设备40来进行其三维成像功能，并且使用者可以方便地看到显示屏。

值得一提的是，现在的电子移动设备40主要在向更薄的方向发展，所以只有将所述三维成像装置做薄才能更好地安装于这些电子移动设备40。而根据以往的生产经验而言，如果将所述三维成像装置的各个装置中的最大装置厚度减少到6mm以下，则可以整体的安装于所述电子移动设备40内部。而本发明的所述投射装置10的安装方式，完全可以使整个所述投射装置10的厚度在6mm以下，这样，整个所述三维成像装置都可以相对较容易地安装于轻薄化的所述电子移动设备40内。

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 (39)

1.一种转光投射装置，以用于在三维成像装置中产生投射光，其特征在于，包括：

一光源，以用于发射所述投射光；

一光栅，以用于对所述投射光进行振幅和/或相位的调制；

一聚光透镜组，以用于折射并汇聚所述投射光；

一射出透镜，以用于向外投射所述投射光，以及

一光转向元件，以用于使所述投射光产生转向，其中经过所述光转向元件的转向作用后，所述光源发射的所述投射光穿过所述射出透镜从所述转光投射装置的侧面投射到所述转光投射装置的外部。

2.如权利要求1所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件设于所述聚光透镜组与所述射出透镜的光路之间，从而所述光源发射的所述投射光经过所述光栅，并经所述聚光透镜组折射并汇聚后，到达所述光转向元件，然后经所述光转向元件的转向作用，最后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

3.如权利要求2所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件具有一反射面，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经反射后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

4.如权利要求2所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件包括一折光透镜，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经折射后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

5.如权利要求3所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件包括一折光透镜，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经折射后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

6.如权利要求5所述的转光投射装置，其特征在于，所述折光透镜是三棱镜。

7.如权利要求3所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件的所述反射面相对于所述光源的投射方向倾斜地设置。

8.如权利要求4所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件的所述折光透镜相对于所述光源的投射方向倾斜地设置。

9.如权利要求5所述的转光投射装置，其特征在于，所述聚光透镜组包括一个或多个透镜，所述透镜选自玻璃透镜和塑料透镜中的一种或几种。

10.如权利要求1所述的转光投射装置，其特征在于，所述转光投射装置的厚度在6mm以下。

11.如权利要求1所述的转光投射装置，其特征在于，所述光源还设有至少一散热元件。

12.一种转光三维成像装置，其特征在于，包括：

至少一投射装置，所述投射装置包括一光源，一光栅，一聚光透镜组，一光转向元件，以及一射出透镜，其中所述光源发射的投射光经所述光栅的调制作用，所述聚光透镜组的汇聚作用，以及所述光转向元件的转向作用后，穿过所述射出透镜从所述投射装置的侧面射出所述投射装置；

至少一接收装置；以及

一处理器，其中从所述投射装置射出的所述投射光到达一目标物体表面后被反射，所述接收装置接收被所述目标物体表面反射的所述投射光，然后将所述投射光的信息传送给所述处理器，所述处理器处理所述信息得到三维图像信息。

13.权利要求12所述的转光三维成像装置，其特征在于，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经反射和/或折射后从所述射出透镜射出所述投射装置。

14.如权利要求3所述的转光三维成像装置，其特征在于，所述光转向元件相对于所述光源的投射方向倾斜地设置。

15.如权利要求12所述的转光三维成像装置，其特征在于，所述转光三维成像装置包括互相间隔地设置的两个或多个所述投射装置。

16.如权利要求12所述的转光三维成像装置，其特征在于，所述转光三维成像装置安装于具有一显示屏的一电子移动设备中，所述投射装置和所述接收装置位于所述电子移动设备的正面或背面，所述显示屏用于显示所述三维图像信息。

17.一种转光投射装置，所述转光投射装置安装于一电子移动设备，以用于在三维成像操作中产生投射光，其特征在于，包括：

沿着纵向方向地，在所述转光投射装置的一端设置的一光源；以及在所述转光投射装置相反的另一端设置的一光转向元件和一射出透镜，其中所述光源产生沿着纵向方向投射的所述投射光，经所述光转向元件的转向作用后，至少一部分分所述投射光沿着横向方向从所述射出透镜射出。

18.如权利要求17所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件用于反射和/或折射所述投射光。

19.如权利要求17所述的转光投射装置，其特征在于，所述转光投射装置还包括一光栅，以及一聚光透镜组，沿着纵向方向地，所述光源发射的所述投射光经所述光栅的调制作用，所述聚光透镜组的汇聚作用，然后经所述光转向元件的转向作用后，最后沿着横向方向从所述射出透镜射出所述投射装置。

20.如权利要求19所述的转光投射装置，其特征在于，所述电子移动设备选自手机、笔记本电脑和平板电子设备中的一种。

21.一种将至少一转光投射装置安装于一电子移动设备内部的方法，所述转光投射装置用于在三维成像操作中产生投射光，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(i)沿着所述电子移动设备的厚度方向设置一射出透镜和一光转向元件；以及

(ii)沿着与所述厚度方向垂直的平面方向设置一光源，一光栅，一聚光透镜组以及所述光转向元件，以使所述转光投射装置的厚度由所述射出透镜和所述光转向元件的厚度决定，其中所述光源发射的所述投射光经所述光栅的调制作用，所述聚光透镜组的汇聚作用，以及所述光转向元件的转向作用后，穿过所述射出透镜沿着所述厚度方向射出所述投射装置。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，还包括步骤：沿着所述电子移动设备的长度方向设置所述光源，所述光栅，所述聚光透镜组以及所述光转向元件。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，还包括步骤：沿着所述电子移动设备的宽度方向设置所述光源，所述光栅，所述聚光透镜组以及所述光转向元件。

24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光转向元件用于反射和/或折射至少一部分到达所述光转向元件的所述投射光。

25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电子移动设备选自手机、笔记本电脑和平板电子设备中的一种。

26.一种三维成像装置的投射装置的产生投射光的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(a)通过一光源发出光线；

(b)由所述光源发出的光线穿过一光栅，以对光线进行振幅和/或相位的调制；

(c)经所述光栅调制的光线穿过一聚光透镜组后得以汇聚；

(d)经所述聚光透镜组折射后的光线到达一光转向元件产生转向；以及

(e)转向后的光线穿过一射出透镜从所述投射装置的侧面射出所述投射装置从而产生所述投射光。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括步骤：通过所述光转向元件反射从所述聚光透镜组折射来的至少一部分光线。

28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括步骤：通过所述光转向元件折射从所述聚光透镜组折射来的至少一部分光线。

29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)还包括步骤：通过所述光转向元件折射从所述聚光透镜组折射来的至少一部分光线。

30.一种三维成像装置的成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(A)通过一光源发出光线；

(B)由所述光源发出的光线穿过一光栅，以对光线进行振幅和/或相位的调制；

(C)经所述光栅调制的光线穿过一聚光透镜组后得以汇聚；

(D)经所述聚光透镜组折射后的光线到达一光转向元件产生转向；

(E)转向后的光线穿过一射出透镜从所述投射装置的侧面射出所述投射装置从而产生投射光；

(F)所述投射光到达目标物体表面后被反射；

(G)接收装置接收被所述目标物体表面反射的所述投射光并获取参数信息；以及

(H)所述处理器处理所述参数信息，从而得到三维图像。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，到达所述光转向元件的光线经反射和/或折射后从所述射出透镜射出所述投射装置。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述光源朝向前侧方向发出光线，经所述光转向元件的转向作用后，从所述投射装置的左侧或右侧射出所述投射装置。

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述光源朝向前侧方向发出光线，经所述光转向元件的转向作用后，从所述投射装置的上侧或下侧射出所述投射装置。

34.一种转光投射装置，以用于在三维成像装置中产生投射光，其特征在于，包括：

一光产生器，以用于发射所述投射光；

一光编码器，以用于对所述投射光进行编码；

一聚光透镜组，以用于折射并汇聚所述投射光；

一射出透镜，以用于向外投射所述投射光；以及

一光转向元件，以用于使所述投射光产生转向，其中经过所述光转向元件的转向作用后，所述光产生器发射的所述投射光穿过所述射出透镜从所述转光投射装置的侧面投射到所述转光投射装置的外部。

35.如权利要求34所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件设于所述聚光透镜组与所述射出透镜的光路之间，从而所述光产生器发射的所述投射光经过所述光编码器后成为编码光，并经所述聚光透镜组折射并汇聚后，到达所述光转向元件，然后经所述光转向元件的转向作用，最后从所述射出透镜射出所述转光投射装置。

36.如权利要求34所述的转光投射装置，其特征在于，到达所述光转向元件的至少一部分所述投射光经反射和/或折射后从所述射出透镜射出所述投射装置。

37.如权利要求34所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件相对于所述光产生器的投射方向倾斜地设置。

38.如权利要求36所述的转光投射装置，其特征在于，所述光转向元件是三棱镜。

39.如权利要求34所述的转光投射装置，其特征在于，所述转光投射装置的厚度在6mm以下。