CN105319724A - 一种便于集成的激光模组及图像信息处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便于集成的激光模组及图像信息处理装置。本发明的图像信息处理装置包括激光模组(3)，固定支架(1)和PCB板(2)，所述固定支架(1)包括由中间隔板隔开设置的前凹槽和后凹槽，所述前凹槽还放置有所述激光模组(3)，所述后凹槽放置所述PCB板(2)，所述前凹槽还放置激光防护模组(4)、RGB摄像头(5)、红外摄像头(6)、第一麦克风(7)和第二麦克风(8)。本发明可捕捉图像信息，其中PCB板(2)放置在所述后凹槽内有利于散热，同时各个元器件均设置在固定支架上使得本发明的图像信息处理装置体积小、结构紧凑、牢固，各个元器件也不易发生松动。

Description

一种便于集成的激光模组及图像信息处理装置

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种便于集成的激光模组及图像信息处理装置。

背景技术

随着现代科技的发展，图像信息的处理变得尤为重要，现有的图像信息处理装置包括有盒体、控制电路板、前面板以及地板；其中，RGB摄像头和红外发射器、红外接收器安装在控制电路板上，然后将安装有RGB摄像头和红外发射器、红外接收器的控制电路板装入盒提内，将底板盖到盒体上，压紧，以将控制电路板固定在盒体内。然而，这种方式容易导致安装在RGB摄像头和红外发射器、红外接收器不牢固，结构容易松动，结构不紧凑，不利于控制电路板散热，容易损坏控制电路板。尤其是针对RGB摄像头和红外发射器、红外接收器这种光学器件，稍微有所松动或者偏移，则将导致整个产品的精准度发生改变。

发明内容

本发明公开了一种便于集成的激光模组及图像信息处理装置，一方面，提供了一种激光模组，其光路结构紧凑，减少了在激光出射方向上的光学元件的数量，使得激光模组的结构更加简单、稳固，便于组装和固定；另一方面，提供了一种图像信息处理装置，其各个元器件均设置在固定支架上使得本发明的图像信息处理装置体积小、结构紧凑、牢固，各个元器件也不易发生松动。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提出一种光路结构，包括：激光光源和衍射元件，所述激光光源的出射光为非准直光，其中，还包括光学棱镜，所述激光光源的出射光依次经过光学棱镜入射面、光学棱镜反射面、光学棱镜出射面和衍射元件；所述光学棱镜入射面和光学棱镜出射面均为曲面；所述激光光源的出射光束经所述光学棱镜入射面、光学棱镜反射面和光学棱镜出射面后出射准直光束。

其中，所述激光光源的出射光的光轴与所述光学棱镜入射面的光轴重合，经所述光学棱镜出射面的出射光的光轴偏离所述激光光源的出射光的光轴；所述衍射元件接收从所述光学棱镜出射的平行光，并出射多个衍射光束。

第二方面，本发明提出一种包括上述光路结构的激光模组，包括：

用于固定激光光源的竖直支架和用于容纳光学棱镜的固定框；所述激光光源和所述固定框固定在所述竖直支架的表面，所述固定框位于所述激光光源出光路径上，所述光学棱镜放置在所述固定框内，所述光学棱镜将所述激光光源的出射光反射至远离所述表明的方向，所述固定框的沿光路入射方向和出射方向均设有开口，所述衍射元件放置在所述固定框的沿光路出射方向的开口处。

第三方面，本发明提出一种包括上述激光模组的图像信息处理装置，包括：

固定支架和PCB板，所述固定支架包括由中间隔板隔开设置的前凹槽和后凹槽，所述前凹槽放置所述激光模组，所述后凹槽放置所述PCB板。

其中，还包括设置在所述前凹槽的激光防护模组、RGB摄像头、红外摄像头、第一麦克风和第二麦克风；所述激光防护模组的边缘开有条形孔；所述前凹槽从左至右依次设有第一连接孔、第一凹槽、第一凸起平台、第一通孔、第二凸起平台、第二凹槽和第二连接孔；所述第一凸起平台和第二凸起平台的凸起高度均小于所述前凹槽的深度；所述固定支架的两端设置有弧形限位槽；所述激光模组、激光防护模组、RGB摄像头、红外摄像头分别安装于所述第一凹槽、第一凸起平台、第二凸起平台、第二凹槽，所述第一麦克风安装于所述第一连接孔处，所述第二麦克风安装于所述第二连接孔处。

其中，所述后凹槽的侧壁紧邻第一凹槽、第二凸起平台和第二凹槽处开有条形缺口。

其中，还包括前部设有开口的外壳和外壳前盖，所述固定支架设置于外壳的内部，所述外壳的内部两端设置有与所述弧形限位槽配合的限位柱；所述外壳的背面设置有第二通孔；所述外壳前盖固定于所述外壳的开口，并压紧所述固定支架。

其中，所述外壳前盖从左到右依次设置有与红外摄像头对应的第三通孔、与RGB摄像头对应的第四通孔、与激光模组对应的第五通孔；所述第四通孔与所述第五通孔的距离大于所述第四通孔与所述第三通孔的距离，所述第三通孔、第四通孔和第五通孔前端的内圆周上均设置有沿圆周方向设置的边缘。

其中，所述第三通孔处、第四通孔处和第五通孔处均依次放置有透镜、透镜压片和密封泡棉。

本发明有益效果：本发明的光路结构紧凑、稳固；含有该光路结构的激光模组组装成本低、体积小，便于应用到其他电子设备。图像信息处理装置包括激光模组，固定支架和PCB板，所述固定支架包括由中间隔板隔开设置的前凹槽和后凹槽，所述前凹槽放置所述激光模组，所述后凹槽放置所述PCB板，所述前凹槽的激光防护模组、RGB摄像头、红外摄像头、第一麦克风和第二麦克风。本发明的图像信息处理装置可捕捉图像信息，其中PCB板放置在所述后凹槽内有利于散热，同时各个元器件均设置在固定支架上使得本发明体积小、结构紧凑、牢固，各个元器件也不易发生松动，因此可以应用在移动终端、手持装置、穿戴式装置等轻、薄、短小的设计的电子设备上。

附图说明

图1是本发明提供的激光模组的光路结构图。

图2是本发明提供的图像信息处理装置的激光模组的结构示意图。

图3是本发明提供的图像信息处理装置的固定支架的结构示意图。

图4是本发明提供的图像信息处理装置的外壳前盖的结构示意图。

图5是非球面曲面的公式对应的坐标图。

图6是衍射元件DOE的局部结构示意图。

图7是平行光经过DOE衍射后形成的散斑图。

附图标记如下：1.固定支架，2.PCB板，3.激光模组，4.激光防护模组，5.RGB摄像头，6.红外摄像头，7.第一麦克风，8.第二麦克风，9.外壳前盖，10.透镜，11.透镜压片，12.密封泡棉，101.第一连接孔，102.第一凹槽，103.第一凸起平台，104.第一通孔，105.第二凸起平台，106.第二凹槽，107.第二连接孔，108.弧形限位槽，31.竖直支架，32.固定框，33.激光光源，34.光学棱镜，35.衍射元件，341.光学棱镜入射面，342.光学棱镜反射面，343.光学棱镜出射面，401.条形孔，901.第三通孔，902.第四通孔，903.第五通孔。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

参考图1，本发明一方面提出了一种光路结构，包括：激光光源33和衍射元件35，所述激光光源33的出射光为非准直光，其特征在于，还包括光学棱镜34，所述激光光源33的出射光依次经过光学棱镜入射面341、光学棱镜反射面342、光学棱镜出射面343和衍射元件35；所述光学棱镜入射面341和光学棱镜出射面343均为曲面；所述激光光源33的出射光束依次经过所述光学棱镜入射面341、光学棱镜反射面342和光学棱镜出射面343后出射准直光束。

其中，所述激光光源33的出射光的光轴与所述光学棱镜入射面341的光轴重合，经所述光学棱镜出射面343的出射光的光轴偏离所述激光光源33的出射光的光轴；所述衍射元件35接收从所述光学棱镜34出射的平行光，并出射多个衍射光束。

激光光源33可以为常见的半导体边射型激光器(edgeemittinglaser)、垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)或其它种类的激光光源。半导体激光器作为激光光源具有体积小、成本较低、便于集成到小型电子设备中的优点，因此本发明优选半导体激光光源。

激光光源33出射的光束是具有一定发散角的非准直光，在图像信息处理装置中需要对光束进行准直使其成为较佳的平行光，再让平行光经过衍射元件35发生衍射形成散点光。

在光路结构中激光光束由激光光源33出射，依次经过光学棱镜入射面341、光学棱镜反射面342、光学棱镜出射面343，光学棱镜入射面341为球面曲面，其球面参量可以根据需求进行设计调整，本实施例中使用球面曲面的曲率半径为88.155毫米、焦距为3毫米、直径为0.9毫米、数值孔径为0.5；光束经过光学棱镜入射面341进入光学棱镜34,经过光学棱镜反射面342反射，光束光轴将会转过一定角度，基于最佳的成像要求，光束光轴转过的角度为89至91度之间，最佳为90度；光束经过光学棱镜反射面342的反射后，经过光学棱镜出射面343出射，出射光为经过准直的平行光。

光学棱镜出射面343为非球面曲面，其公式如下：

$x=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{y}^2}}+{\mathrm{Ay}}^2+{\mathrm{By}}^4+{\mathrm{Cy}}^6+{\mathrm{Dy}}^8+{\mathrm{Ey}}^{10}$

该曲线建立的坐标如图5所示，Asp为非球面曲面，VS为非球面曲面的顶点球，C₀为顶点球球心，C为非球面曲面法线与光轴的交点，光轴即为X轴，μ₀是非球面曲面法线与光轴交角，A、B、C、D、E均为高次项系数，一般情况下高次项系数的值为0，其中，c为非球面曲面的顶点曲率，非球面曲面的顶点球曲率半径为R，R与c互为倒数，优选的非球面曲面的顶点球曲率半径为9.055毫米，则c为1/9.055毫米，孔径半径为2.41毫米，k为二次曲线常数，优选的，k为-1，此时对应的非球面曲面为抛物面，优选的，光学棱镜反射面342与激光光轴的交点到光学棱镜出射面343的顶点球的顶点的厚度为10毫米。

本发明的衍射元件35的基片可以为透镜、平板或其他传统光学器件，即在透镜、平板或其他传统光学器件的表面制备具有特定位相分布的衍射结构，例如刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构。

衍射光学元件的衍射结构是根据入射光场和所要求的出射光场来求得衍射屏的透过率函数，生成表面上的相位波带衍射结构。

换言之，衍射光学元件的衍射结构采用逆设计方法获得，已知输入和输出面上的光强分布，求输入和输出面上的位相分布。

在本发明中激光光源的出射光的光波长小于衍射元件35的特征尺寸，设计过程为衍射过程的求逆过程，例如根据入射光为准直激光，经过衍射光学元件后出射光为形成设定图案的激光，可知在夫朗和费衍射区域要得到的光场为f(x,y)，则对f(x,y)进行逆运算，求解FT^-1{f(x,y)}，由于FT^-1{f(x,y)}得到的为连续分布函数，所以实际的相位分布还需通过衍射元件的厚度来调试，公式为：

$h=\frac{(2\mathrm{\π}-\mathrm{\φ})\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}$

公式中h为衍射元件厚度，λ为入射光的光波长，φ为相位分布，n为常数；在实际制作衍射元件时不可能使相位达到连续分布，需采用分级量化，但分级量化会带入误差，实际制作过程中可以通过优化算法来提高计算精度、较小误差。

本实施例中，衍射元件35为具有特定位相分布的浮雕的DOE，横截面为具有两个或多个凹凸的台阶浮雕结构。

本实施例中使用的DOE的衍射结构如图6所示，方框内为DOE衍射结构示意图沿A-A的剖面侧视图，其中入射光场为准直的激光光场，出射光为具有一定扩散角的衍射光束；平行光经过DOE的衍射后出射扩散，并形成具有一定图案的激光光束，比如乱点图、散斑图，如图7所示。

在本发明中，仅用一个光学棱镜34对激光光束进行准直和反射，在光束出射路径上减少了光学元件的数量，在光束出射的厚度方向只包括光学棱镜34和衍射元件35，整个光路结构紧凑；此外，仅用一个光学棱镜34对激光光束进行准直和反射，能够避免使用多个光学元件时个别光学元件稍微松动或者偏移，导致整个光路发生改变，光路调整难度较大。

参考图2，本发明另一方面提出了一种用于安装上述光路结构的激光模组3，该激光模组3包括用于固定激光光源33的竖直支架31和用于容纳光学棱镜34的固定框32；所述激光光源33和所述固定框32固定在所述竖直支架31的表面，所述固定框32位于所述激光光源33出光路径上，所述光学棱镜34放置在所述固定框32内，所述光学棱镜34将所述激光光源33的出射光反射至远离所述表面的方向，所述固定框32的沿光路入射方向和出射方向均设有开口，所述衍射元件35放置在所述固定框32的沿光路出射方向的开口处。

激光模组3的支架结构简单，由于上述的光路结构在光束出射的厚度方向只包括光学棱镜34和衍射元件35，使得该激光模组3在光束出射的厚度方向也较小，从整体上缩小了激光模组3的体积，一个固定框32就可以同时用于固定光学棱镜34和衍射元件35，固定框32的厚度由光学棱镜34决定，通常为毫米量级。

本发明提出的激光模组3结构简单，在光束出射方向上厚度小，激光模组3的整体体积小，便于集成。

另一方面，本发明提出了一种图像信息处理装置，上述的激光模组3安装在其内部。

图3为该图像信息处理装置内部结构示意图，该图像信息处理装置包括固定支架1和PCB板2，所述固定支架1包括由中间隔板隔开设置的前凹槽和后凹槽，所述前凹槽放置所述激光模组3，所述后凹槽放置所述PCB板2。

固定支架1为刚性高、形变小以及导热散热性好的支架，优选为金属支架。

此外还包括设置在所述前凹槽的激光防护模组4、RGB摄像头5、红外摄像头6、第一麦克风7和第二麦克风8；所述激光防护模组4的边缘904开有条形孔401；所述前凹槽从左至右依次设有第一连接孔101、第一凹槽102、第一凸起平台103、第一通孔104、第二凸起平台105、第二凹槽106和第二连接孔107；所述第一凸起平台103和第二凸起平台105的凸起高度均小于所述前凹槽的深度；所述固定支架1的两端设置有弧形限位槽108；所述激光模组3、激光防护模组4、RGB摄像头5、红外摄像头6依次分别安装于所述第一凹槽102、第一凸起平台103、第二凸起平台105、第二凹槽106，所述第一麦克风7安装于所述第一连接孔101处，所述第二麦克风8安装于所述第二连接孔107处。

其中激光模组3、激光防护模组4、RGB摄像头5、红外摄像头6、第一麦克风7和第二麦克风8均安装在固定支架1前凹槽中，PCB板2设置在固定支架1后凹槽中，一个固定支架1紧凑的放置了图像信息处理装置的必要元器件，使得图像信息处理装置的结构紧凑牢固，同时便于安装在固定支架1后凹槽中的PCB板2散热。

激光防护模组4的边缘904开有条形孔401，连接线一头的接头插入条形孔401，另一头穿过第一通孔104与后凹槽内的PCB板2连接；第一凸起平台103和第二凸起平台105的凸起高度均小于所述前凹槽的深度，在不增加固定支架1体积的基础上更好的保护安装在其上的激光防护模组4和RGB摄像头5。

固定支架1的后凹槽的侧壁紧邻第一凹槽102、第二凸起平台105和第二凹槽106处开有条形缺口。

前凹槽内的激光模组3、RGB摄像头5和红外摄像头6的排线分别通过条形缺口与后凹槽内的PCB板2连接，使排线不会占用过多的空间，进一步使得图像信息处理装置的结构紧凑。

图像信息处理装置还包括前部设有开口的外壳和外壳前盖9，所述固定支架1设置于外壳的内部，所述外壳的内部两端设置有与所述弧形限位槽108配合的限位柱；通过限位柱将固定支架1固定在外壳内部，使得结构更加牢固、稳定。

图像信息处理装置的外壳的背面设置有第二通孔；所述外壳前盖9固定于所述外壳的开口，并压紧所述固定支架1。USB连接线通过第二通孔连接PCB板2。

参考图4，图4为图像信息处理装置的外壳前盖9的结构示意图，外壳前盖9从左到右依次设置有与红外摄像头6对应的第三通孔901、与RGB摄像头5对应的第四通孔902、与激光模组3对应的第五通孔903；所述第四通孔902与所述第五通孔903的距离大于所述第四通孔902与所述第三通孔901的距离，所述第三通孔901、第四通孔902和第五通孔903前端的内圆周上均设置有沿圆周方向设置的边缘904。

其中，第三通孔901处、第四通孔902处和第五通孔903处均依次放置有透镜10、透镜压片11和密封泡棉12，所述第四通孔902与所述第三通孔901的距离较小，位于所述第四通孔902和第三通孔901处的透镜压片可以一体成形，减小组装难度。

边缘904的设置使得第三通孔901、第四通孔902和第五通孔903处能够形成一个微小的凹陷，避免图像信息处理装置跌落时，安装在其内部的摄像头受到损坏；此外，便于清洁，且增强了图像信息处理装置外观的立体感，更加美观。

本发明有益效果：本发明的光路结构紧凑、稳固；含有该光路结构的激光模组组装成本低、体积小，便于应用到其他电子设备。图像信息处理装置包括激光模组3，固定支架1和PCB板2，所述固定支架1包括由中间隔板隔开设置的前凹槽和后凹槽，所述前凹槽放置所述激光模组3，所述后凹槽放置所述PCB板2，所述前凹槽的激光防护模组4、RGB摄像头5、红外摄像头6、第一麦克风7和第二麦克风8。本发明的图像信息处理装置可捕捉图像信息，其中PCB板2放置在所述后凹槽内有利于散热，同时各个元器件均设置在固定支架1上使得本发明体积小、结构紧凑、牢固，各个元器件也不易发生松动，因此可以应用在移动终端、手持装置、穿戴式装置等轻、薄、短小的设计的电子设备上。

以上结合具体实施例描述了本发明实施例的技术原理，这些描述只是为了解释本发明实施例的原理，而不能以任何方式解释为对本发明实施例保护范围的限制，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明实施例的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光路结构，包括激光光源(33)和衍射元件(35)，所述激光光源(33)的出射光为非准直光，其特征在于，还包括光学棱镜(34)，所述激光光源(33)的出射光依次经过光学棱镜入射面(341)、光学棱镜反射面(342)、光学棱镜出射面(343)和衍射元件(35)；所述光学棱镜入射面(341)和光学棱镜出射面(343)均为曲面；所述激光光源(33)的出射光束依次经过所述光学棱镜入射面(341)、光学棱镜反射面(342)和光学棱镜出射面(343)后出射准直光束。

2.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述激光光源(33)的出射光的光轴与所述光学棱镜入射面(341)的光轴重合，经所述光学棱镜出射面(343)的出射光的光轴偏离所述激光光源(33)的出射光的光轴；所述衍射元件(35)接收从所述光学棱镜(34)出射的平行光，并出射多个衍射光束。

3.一种激光模组(3)，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的光路结构。

4.根据权利要求3所述的激光模组(3)，其特征在于，包括用于固定激光光源(33)的竖直支架(31)和用于容纳光学棱镜(34)的固定框(32)；所述激光光源(33)和所述固定框(32)固定在所述竖直支架(31)的表面，所述固定框(32)位于所述激光光源(33)出光路径上，所述光学棱镜(34)放置在所述固定框(32)内，所述光学棱镜(34)将所述激光光源(33)的出射光反射至远离所述表面的方向，所述固定框(32)的沿光路入射方向和出射方向均设有开口，所述衍射元件(35)放置在所述固定框(32)的沿光路出射方向的开口处。

5.一种图像信息处理装置，包括如权利要求3或4所述的激光模组(3)，其特征在于，还包括固定支架(1)和PCB板(2)，所述固定支架(1)包括由中间隔板隔开设置的前凹槽和后凹槽，所述前凹槽放置所述激光模组(3)，所述后凹槽放置所述PCB板(2)。

6.根据权利要求5所述的图像信息处理装置，其特征在于，还包括设置在所述前凹槽的激光防护模组(4)、RGB摄像头(5)、红外摄像头(6)、第一麦克风(7)和第二麦克风(8)；所述激光防护模组(4)的边缘开有条形孔(401)；

所述前凹槽从左至右依次设有第一连接孔(101)、第一凹槽(102)、第一凸起平台(103)、第一通孔(104)、第二凸起平台(105)、第二凹槽(106)和第二连接孔(107)；所述第一凸起平台(103)和第二凸起平台(105)的凸起高度均小于所述前凹槽的深度；所述固定支架(1)的两端设置有弧形限位槽(108)；

所述激光模组(3)、激光防护模组(4)、RGB摄像头(5)、红外摄像头(6)依次分别安装于所述第一凹槽(102)、第一凸起平台(103)、第二凸起平台(105)、第二凹槽(106)，所述第一麦克风(7)安装于所述第一连接孔(101)处，所述第二麦克风(8)安装于所述第二连接孔(107)处。

7.根据权利要求6所述的图像信息处理装置，其特征在于，所述后凹槽的侧壁紧邻第一凹槽(102)、第二凸起平台(105)和第二凹槽(106)处开有条形缺口。

8.根据权利要求6或7所述的图像信息处理装置，其特征在于，还包括前部设有开口的外壳和外壳前盖(9)，所述固定支架(1)设置于外壳的内部，所述外壳的内部两端设置有与所述弧形限位槽(108)配合的限位柱；所述外壳的背面设置有第二通孔；所述外壳前盖(9)固定于所述外壳的开口，并压紧所述固定支架(1)。

9.根据权利要求8所述的图像信息处理装置，其特征在于，所述外壳前盖(9)从左到右依次设置有与红外摄像头(6)对应的第三通孔(901)、与RGB摄像头对应的第四通孔(902)、与激光模组(3)对应的第五通孔(903)；所述第四通孔(902)与所述第五通孔(903)的距离大于所述第四通孔(902)与所述第三通孔(901)的距离，所述第三通孔(901)、第四通孔(902)和第五通孔(903)前端的内圆周上均设置有沿圆周方向设置的边缘(904)。

10.根据权利要求9所述的图像信息处理装置，其特征在于，所述第三通孔(901)处、第四通孔(902)处和第五通孔(903)处均从前到后依次放置有透镜(10)、透镜压片(11)和密封泡棉(12)。