CN105929558A - 用于产生结构光的激光模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光模组，包括：光源，用于发射激光；准直光学元件，用于准直来自光源的激光；衍射光学元件，用于接收经准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光；其中准直光学元件包括至少两个透镜。本发明还公开了一种深度测量装置和激光模组制备方法。通过上述方式，本发明能够扩大激光模组出射的结构光的传播范围并提高对比度。

Description

用于产生结构光的激光模组

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种激光模组、激光模组制备方法及深度测量装置。

背景技术

激光投影已被应用于多种场合。例如，使用激光投影产生具有图案的结构光并将其投射在物体上，获取在物体上投影的图案并据此获取物体的深度信息，可实现该物体的3D重建。

现有技术中一般使用透镜将激光二极管产生的激光进行准直，然后采用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)将准直后的激光转换为具有图案的结构光。激光二极管产生的激光可看作高斯光束，其强度在垂直于传播方向的横截面内为高斯分布，呈现中间高四周低的状态。激光二极管产生的激光经透镜准直后仍为高斯光束，但其参数发生了变化。DOE将准直后的激光转换为具有图案的结构光，结构光中包括多个小光束，但由于DOE制备工艺的限制，结构光中小光束的数量和小光束的最大功率是有限的。如果使用结构光对人体进行深度测量，则结构光不能对人体造成损伤，需要满足第一级安全激光的要求，相应的激光二极管的功率也受到限制，使得结构光的传播范围有限，进而使得深度测量的范围有限。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种激光模组、激光模组制备方法及深度测量装置，能够解决现有技术中结构光的传播范围有限的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种激光模组，包括：光源，用于发射激光；准直光学元件，用于准直来自光源的激光；衍射光学元件，用于接收经准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光；其中准直光学元件包括至少两个透镜。

其中，透镜中的至少两个分别对来自光源的激光的不同部分进行准直。

其中，准直光学元件包括周期性排布的至少两个透镜，其中周期性排布是指相邻透镜之间的间距均相同；或准直光学元件包括非周期性排布的至少两个透镜，其中非周期性排布是指相邻透镜之间的间距不完全相同。

其中，至少两个透镜的光轴均平行；或至少两个透镜的光轴中的至少部分不平行。

其中，透镜的参数根据光源的参数和准直后的激光参数决定，其中透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，光源的参数包括位置、发出激光的波长、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。

其中，准直光学元件为微透镜阵列。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种深度测量装置，包括激光模组、摄像头和处理电路；激光模组包括：光源，用于发射激光；准直光学元件，用于准直来自光源的激光；衍射光学元件，用于接收经准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光；其中准直光学元件包括至少两个透镜；激光模组用于产生图案化的激光并将其投射至目标上，摄像头用于获取包括在目标上投影的激光图案的图像，处理电路用于处理摄像头获取的图像以获取目标的深度信息。

其中，透镜中的至少两个分别对来自光源的激光的不同部分进行准直。

其中，透镜的参数根据光源的参数和准直后的激光参数决定，其中透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，光源的参数包括位置、发出激光的波长、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。

其中，准直光学元件为微透镜阵列。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种激光模组制备方法，包括：准备基板；在基板上设置光源，其中光源用于发射激光；将准直光学元件和衍射光学元件安装在固定件上，其中准直光学元件包括至少两个透镜，用于准直来自光源的激光，衍射光学元件用于接收经准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光。

其中，在基板上设置光源的步骤包括：在基板上形成光源。

其中，在基板上设置光源的步骤包括：将光源安装在基板上。

其中，透镜的参数根据光源的参数和准直后的激光参数决定，其中透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，光源的参数包括位置、发出激光的波长、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。

本发明的有益效果是：通过使用至少两个透镜作为准直光学元件，改善准直之后的激光的强度在垂直于传播方向的横截面内分布的均匀性，进而扩大激光模组出射的结构光的传播范围并提高对比度。

附图说明

图1是本发明激光模组第一实施例的结构示意图；

图2是本发明激光模组第一实施例中准直光学元件的俯视图；

图3是本发明深度测量装置第一实施例的结构示意图；

图4是本发明激光模组制备方法第一实施例的流程图。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明激光模组第一实施例包括：光源11、准直光学元件12和衍射光学元件13。准直光学元件12设置于光源11和衍射光学元件13之间。

光源11用于发射激光，可以为边缘发射激光二极管，也可以为垂直腔面激光二极管，或者其他类型的激光器。优选的，光源11发射的激光为红外激光。

光源11发出的激光具有一定的发散角，准直光学元件12包括四个透镜121，用于准直来自光源11的激光，压缩发散角而使其能量更集中。图中所示的准直光学元件12由四个分立的透镜121组合而成，其中透镜121可以为光学透镜，当然透镜121也可以为菲涅尔透镜或者微透镜阵列。准直光学元件12也可以为包括至少两个透镜的微透镜阵列。

图中透镜121的数量仅为示意，实际透镜121的数量根据实际需要而定。图中所示的四个透镜121呈2×2周期性排布，即相邻透镜121之间的间距均相同。当然，透镜也可以呈非周期性排布，即相邻透镜之间的间距不完全相同。实际透镜的数量、排布和光轴方向可根据结构光的图案、出射角等设计需要而定。

图中所示的四个透镜121设置在同一平面上。实际透镜可以设置在不同平面上，例如在激光传播方向上的两个或者更多透镜组成望远镜对激光进行准直。

在本发明激光模组的一个实施例中，透镜中的至少两个分别对激光的不同部分进行准直。

在本发明激光模组的一个实施例中，所有透镜的光轴均平行。

在本发明激光模组的另一个实施例中，所有透镜的光轴中的至少部分不平行。

在本发明激光模组的一个实施例中，透镜的参数根据光源的参数和准直后的激光参数决定，其中透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，光源的参数包括位置、发出激光的波长、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。根据光源的参数可以计算出光源发出激光的光场分布，结合准直后的激光参数，可以计算得出透镜的参数。

衍射光学元件13，用于接收经准直光学元件12准直的激光并将其转换为图案化的激光，也可以采用液晶光阀取代衍射光学元件13来将准直后的激光转换为图案化的激光。

在本发明激光模组的一个实施例中，根据准直后的激光参数和结构光的参数计算得出相位衍射结构，然后在基板的表面上制备该结构从而得到衍射光学元件13。

现有技术中使用单个透镜作为准直光学元件，准直的目的是压缩发散角使得能量集中，准直之后的激光仍为单束高斯光束，其强度分布均匀性较差，进而影响DOE转换得到的结构光中小光束的强度均匀性。

通过使用至少两个透镜作为准直光学元件，对光源发出激光的光场进行预处理，透镜中的至少两个分别对来自光源的激光不同部分进行准直，使得准直之后的激光包括至少两束高斯光束。与现有技术中的单个透镜相比，准直之后的激光强度在垂直于传播方向的横截面内的分布更加均匀。由于高斯光束的束腰半径与发散角成反比，与强度的高斯分布的标准差成正比，高斯分布的标准差越小，其均匀性越差。当至少两个透镜组成望远镜对激光进行准直时，与使用单个透镜相比，准直后的激光发散角更小，使得束腰半径更大，激光强度分布的均匀性更好。

强度分布更均匀的准直后激光使得DOE转换得到的结构光中小光束的强度更加均匀，提高结构光的对比度，同时提高结构光的出射角以扩大其传播范围，并且在满足安全要求的同时能够提高光源的光强。

此外，通过透镜的排布和光轴方向设计，可以进一步提高准直之后的激光强度分布的均匀性，进而提高结构光的对比度并扩大传播范围，例如将靠近中心的透镜光轴方向设计为远离中心的倾斜方向。如果根据准直之后的激光参数对DOE的结构做对应的修改，可以进一步提高结构光的对比度并扩大传播范围。

如图3所示，本发明深度测量装置第一实施例包括：激光模组1、摄像头2和处理电路3。

激光模组1可以为本发明激光模组任一实施例以及可能的组合中所述的激光模组，用于产生图案化的激光并将其投射至目标上。摄像头2用于获取包括在目标上投影的激光图案的图像。为提高成像质量，摄像头2中可包括仅允许激光模组1出射激光波段的光线通过的滤光片，例如，激光模组1产生的激光为红外激光，摄像头2包括红外滤光片。处理电路3连接摄像头2，用于处理摄像头获取的图像以获取目标的深度信息。

如图4所示，本发明激光模组制备方法第一实施例包括：

S1：准备基板。

S2：在基板上设置光源。

光源用于发射激光。

可以通过外延生长及光刻等工艺在基板上形成光源，也可以将已制备好的光源安装在基板上。基板上可以进一步设有光源的驱动电路。

S3：将准直光学元件和衍射光学元件安装在固定件上。

准直光学元件包括至少两个透镜，用于准直来自光源的激光，衍射光学元件用于接收经准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光。

固定件可以固定在基板上，也可以和基板一起与其他部件进行组装，例如，将基板和固定件分别固定在壳体上。

进一步的，透镜中的至少两个分别对来自光源的激光的不同部分进行准直。

进一步的，准直光学元件包括周期性排布的至少两个透镜，其中周期性排布是指相邻透镜之间的间距均相同；或准直光学元件包括非周期性排布的至少两个透镜，其中非周期性排布是指相邻透镜之间的间距不完全相同。

进一步的，至少两个透镜的光轴均平行；或至少两个透镜的光轴中的至少部分不平行。

进一步的，透镜的参数根据光源的参数和准直后的激光参数决定，其中透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，光源的参数包括位置、发出激光的波长、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。根据光源的参数可以计算出光源发出激光的光场分布，结合准直后的激光参数，可以计算得出透镜的参数。

进一步的，准直光学元件为微透镜阵列。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种激光模组，其特征在于，包括：

光源，用于发射激光；

准直光学元件，用于准直来自所述光源的激光；

衍射光学元件，用于接收经所述准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光；

其中所述准直光学元件包括至少两个透镜。

2.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，

所述透镜中的至少两个分别对来自所述光源的激光的不同部分进行准直。

3.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，

所述准直光学元件包括周期性排布的至少两个透镜，其中所述周期性排布是指相邻所述透镜之间的间距均相同；

或所述准直光学元件包括非周期性排布的至少两个透镜，其中所述非周期性排布是指相邻所述透镜之间的间距不完全相同。

4.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，

所述至少两个透镜的光轴均平行；

或所述至少两个透镜的光轴中的至少部分不平行。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光模组，其特征在于，

所述透镜的参数根据所述光源的参数和准直后的激光参数决定，其中所述透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，所述光源的参数包括位置、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，所述准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的激光模组，其特征在于，

所述准直光学元件为微透镜阵列。

7.一种深度测量装置，其特征在于，包括：

激光模组、摄像头和处理电路；

所述激光模组包括：光源，用于发射激光；准直光学元件，用于准直来自所述光源的激光；衍射光学元件，用于接收经所述准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光；其中所述准直光学元件包括至少两个透镜；

所述激光模组用于产生图案化的激光并将其投射至目标上，所述摄像头用于获取包括在所述目标上投影的激光图案的图像，所述处理电路用于处理所述摄像头获取的图像以获取所述目标的深度信息。

8.根据权利要求7所述的深度测量装置，其特征在于，

所述透镜中的至少两个分别对来自所述光源的激光的不同部分进行准直。

9.根据权利要求7或8所述的深度测量装置，其特征在于，

所述透镜的参数根据所述光源的参数和准直后的激光参数决定，其中所述透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，所述光源的参数包括位置、发出激光的波长、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，所述准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。

10.根据权利要求7或8所述的深度测量装置，其特征在于，

所述准直光学元件为微透镜阵列。

11.一种激光模组制备方法，其特征在于，包括：

准备基板；

在所述基板上设置光源，其中所述光源用于发射激光；

将准直光学元件和衍射光学元件安装在固定件上，其中所述准直光学元件包括至少两个透镜，用于准直来自所述光源的激光，所述衍射光学元件用于接收经所述准直光学元件准直的激光并将其转换为图案化的激光。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述在所述基板上设置光源的步骤包括：

在所述基板上形成所述光源。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述在所述基板上设置光源的步骤包括：

将所述光源安装在所述基板上。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于，

所述透镜的参数根据所述光源的参数和准直后的激光参数决定，其中所述透镜的参数包括光轴方向、焦距、尺寸、位置、与其他透镜的间距中的至少一种，所述光源的参数包括位置、传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种，所述准直后的激光参数包括传播方向、束腰半径、发散角、功率中的至少一种。