CN107063124B - 光学组件和3d测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学组件和3D测量设备。所述光学组件适用于3D测量设备，所述光学组件包括光源单元、成像单元以及位于所述光源单元和所述成像单元之间的调整单元；所述光源单元包括多个光源，多个所述光源排列成多行多列，所述光源的出射光线垂直于所述光源单元出光侧的表面；所述调整单元包括多个调整透镜，每个所述调整透镜对应一个所述光源，所述调整透镜能够接收并调整与其所对应的所述光源所发出的出射光线，以使得所述出射光线调整为平行光线，所述成像单元用于接收并复制所述平行光线，以形成预设光学图像。本发明的光学组件，结构紧凑，厚度降低，从而降低了应用该光学组件的3D测量设备的厚度，使得3D测量设备的应用范围更加广泛。

Description

光学组件和3D测量设备

技术领域

本发明涉及3D测量技术领域，具体涉及一种光学组件和一种包括该光学组件的3D测量设备。

背景技术

一般的，当前的3D测量设备越来越多的被应用到电脑、手机、电视、机器人、医疗设备等产品之中，以进行深度图像捕捉，例如人脸识别、手势识别、空间定位。

为了满足这些苛刻的产品应用，要求3D测量设备的体积越来越小，功耗也要求严格控制，并且由于产品的应用场合范围广，产品对温度的承受能力要求高。但是，传统的3D测量设备无法满足要求，尤其是该3D测量设备所采用的光学组件，其尺寸以及能耗较大，无法满足这些苛刻的产品应用。

因此，如何设计出一种新型结构的光学组件，以能够降低产品尺寸以及能耗成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光学组件和一种包括该光学组件的3D测量设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供一种光学组件，所述光学组件适用于3D测量设备，所述光学组件包括光源单元、成像单元以及位于所述光源单元和所述成像单元之间的调整单元；所述光源单元包括多个光源，多个所述光源排列成多行多列，所述光源的出射光线垂直于所述光源单元出光侧的表面；所述调整单元包括多个调整透镜，每个所述调整透镜对应一个所述光源，所述调整透镜能够接收并调整与其所对应的所述光源所发出的出射光线，以使的所述出射光线调整为平行光线，所述成像单元用于接收并复制所述平行光线，以形成预设光学图像。

优选地，所述调整单元还包括扩束器件，所述扩束器件位于所述调整透镜的出光侧以及所述成像单元的入光侧之间，所述扩束器件能够调节所述光学组件的视场角，且所述扩束器件还用于接收所述平行光线并对该平行光线进行准直。

优选地，所述扩束器件包括透镜、透镜组、菲涅尔透镜以及具有等效焦距的二元光学器件中的一者。

优选地，所述调整透镜、所述成像单元以及所述扩束器件一体形成；或，

所述扩束器件和所述成像单元一体形成。

优选地，所述调整透镜以及所述光源单元之间满足下述公式：

D＞L*tanθ；

其中，所述D为所述调整透镜的直径，所述L为调整透镜到所述光源单元之间的距离，所述θ为光源单元的最大半发射角。

优选地，所述光源为激光光源，且所述光源的直径小于300um。

优选地，所述光源单元还包括衬底以及形成在所述衬底表面的所述多个光源。

优选地，所述调整透镜与其所对应的所述光源相对设置，且所述调整透镜的光轴与其所对应的所述光源的发光轴同轴。

优选地，所述成像单元包括调制光学器件，所述调制光学器件包括基底以及形成在所述基底上的微结构。

本发明的第二方面，提供了一种3D测量设备，所述3D测量设备包括光学组件，所述光学组件用于为所述3D测量设备提供3D测量所需的结构光，所述光学组件包括前文记载的所述光学组件。

本发明的光学组件，所述光源排列成多行多列，且出射光线均与该光源单元的出光侧的表面垂直，该出射光线经过所述调整透镜收光可以减小所述光源单元的发射角，得到平行光线，并最终经过成像单元的处理得到需要的预设光学图像。因此，本发明的光学组件，可以使得其结构紧凑，降低整个光学组件的厚度，从而可以降低应用该光学组件的3D测量设备的厚度，可以使得3D测量设备的应用范围更加广泛。

本发明的3D测量设备，具有前文记载的光学组件，该光学组件的所述光源排列成多行多列，且出射光线均与该光源单元的出光侧的表面垂直，该出射光线经过所述调整透镜收光可以减小所述光源单元的发射角，得到平行光线，并最终经过成像单元的处理得到需要的预设光学图像。因此，本实施例结构的3D测量设备，能够降低其厚度，可以使得该3D测量设备的应用范围更加广泛。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中光学组件的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中单束平行光入射到光学组件中成像单元所形成的预设光学图像的一种效果图；

图3为本发明第三实施例中光学组件中的光源所发出的出射光线准直入射到成像单元所形成的预设光学图像的一种效果图；

图4为本发明第四实施例中光学组件的结构示意图；

图5为本发明第五实施例中平行光入射成像单元所形成的预设光学图像的一种效果图；

图6为本发明第六实施例中光源单元的结构示意图；

图7为本发明第七实施例中光学组件中的光源所发出的出射光线准直入射到成像单元所形成的预设光学图像的一种效果图；

图8为本发明第八实施例中光学组件所形成的预设光学图像的一种效果图。

附图标记说明

100：光学组件；

110：光源单元；

111：光源；

120：成像单元；

130：调整单元；

131：调整透镜；

132：扩束器件；

140：预设光学图像；

150：单束平行光；

200：目标照明面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参考图1、图2和图3，本发明的第一方面，涉及一种光学组件100。该光学组件100适用于3D测量设备(图中并未示出)。其中，所述光学组件100包括光源单元110、成像单元120以及位于所述光源单元110和所述成像单元120之间的调整单元130。

上述光源单元110包括多个光源111，且多个所述光源111排列成多行多列，优选地，可以呈阵列排布。每个所述光源111所发出的出射光线均垂直于所述光源单元110出光侧的表面。

上述调整单元130包括多个调整透镜131，每个所述调整透镜131对应一个所述光源111，所述调整透镜131能够接收并调整与其所对应的所述光源111所发出的出射光线，以使的所述出射光线调整为平行光线。

上述成像单元120用于接收并复制所述平行光线，以形成预设光学图像140。

具体地，如图1和图3所示，其中图3示意了光源单元110中的光源111随机的一种排布方式，并且该光学组件100中的每个光源111的排布方式和实际需要照明光斑中的一小部分排布相同。多行多列排布的光源111发出出射光线，该出射光线入射到上述的调整透镜131处，该调整透镜131对所接收到的出射光线进行收光，以减小所述光源单元110的发射角，也就是说，使得该调整透镜131出光侧所形成的光线为平行光线，从而可以使得入射到所述成像单元120入光侧的光线为平行光线，所述成像单元120对接收到的所述平行光线进行处理，以形成预设光学图像140。

需要说明的是，对于光源111的具体结构以及排布方式并没有作出限定，例如，该光源111可以为能够发出激光的光源，当然，该光源111也可以为其他发光形式的光源结构。该光源单元110中全部光源111的排布规律可以根据3D测量的实际需求进行设定。

进一步需要说明的是，对于预设光学图像140的具体结构并没有作出限定，在将该光学组件100应用于3D测量设备时，可以根据所需要的结构光进行定义该预设光学图像140，从而可以设计所需要的光源111的数量以及与调整透镜131之间的位置关系等。

还需要说明的是，上述每个调整透镜131对应一个所述光源111，应当使得该调整透镜131的有效区域尺寸，即该调整透镜131能够对接收到的光线进行收光调整的区域尺寸应当大于或者略大于该调整透镜131所对应的所述光源111的尺寸。

本实施例结构的光学组件100，所述光源111排列成多行多列，且出射光线均与该光源单元110的出光侧的表面垂直，该出射光线经过所述调整透镜131收光可以减小所述光源单元110的发射角，得到平行光线，并最终经过成像单元120的处理得到需要的预设光学图像140。因此，本实施例结构的光学组件100，可以使得其结构紧凑，降低整个光学组件100的厚度，从而可以降低应用该光学组件的3D测量设备的厚度，可以使得3D测量设备的应用范围更加广泛。

如图1所示，优选地，上述调整单元130还包括扩束器件132。其中，所述扩束器件132位于所述调整透镜131的出光侧以及所述成像单元120的入光侧之间，所述扩束器件132能够调节所述光学组件100的视场角，且所述扩束器件132还用于接收所述调整透镜131所发出的平行光线并对该平行光线进行准直，以使的入射到所述成像单元120的入光侧上的光线为准直光线，所述成像单元120接收该准直光线并对所述准直光线进行处理，以得到所述预设光学图像140。

具体地，如图1所示，上述光源111所发出的出射光线经过调整透镜131收光后，变成平行光线，该平行光线经过所述扩束器件132处理以后，能够改变所述光学组件100的视场角，同时，该扩束器件132对该平行光线进行准直，使得平行光线变为准直光线，该准直光线入射到所述成像单元120的入光侧，通过所述成像单元120的处理形成预设光学图像140。

更具体的，利用上述扩束器件132计算视场角时，该视场角满足下述公式：

h＝f*tan(ψ)； (1)

其中，所述h为像高，f为扩束器件132的焦距，ψ为视场角。

在公式(1)中，通常情况下，像高h为已知量，所以，为了得到所需要的视场角ψ，只需要控制焦距f即可。

需要说明的是，对于扩束器件132的具体结构并没有作出限定。优选地，例如，其可以是仅仅包括单个透镜，也可以为多个透镜组成的一个透镜组，还可以是菲涅尔透镜以及具有等效焦距的二元光学器件。当然，该扩束器件132还可以是其他类型的透镜结构，其只要能够满足对光线进行扩束和准直即可。

本实施例结构的光学组件100，设置有扩束器件132，配合上述的调整透镜131，可以对光源111所发出的出射光线进行准直。可以使得其结构紧凑，降低整个光学组件100的厚度，从而可以降低应用该光学组件100的3D测量设备的厚度，可以使得3D测量设备的应用范围更加广泛。

优选地，所述调整透镜131、所述成像单元120以及所述扩束器件132一体形成。

具体地，可以在调整透镜131的出光侧的表面上设置该扩束器件132，在扩束器件132的出光侧的表面上设置所述成像单元120，以使得调整透镜131、扩束器件132和成像单元120成为一个一体的结构，即该整体的结构具有对每个光源111所发出的出射光线进行准直，同时，还可以进行复制或者扩束。

另外，也可以使得扩束器件132和所述成像单元120一体形成。

具体地，可以在扩束器件132的出光侧的表面上设置该成像单元120，以使的扩束器件132和成像单元120成为一个一体的结构，即该结构可以同时具有复制和扩束功能。

本实施例结构的光学组件100，其中的调整透镜131、扩束器件132和成像单元120成为一个一体的结构或者扩束器件132和成像单元120成为一个一体的结构，可以使得该光学组件100的结构更加紧凑，降低整个光学组件100的厚度，可以使得应用该光学组件100的3D测量设备的整体厚度减小，使得该3D测量设备的应用范围更加广泛，除此之外，该结构的光学组件100还便于加工制造，从而可以降低该光学组件100的制造成本。

优选地，所述调整透镜131以及所述光源单元110之间满足下述公式：

D＞L*tanθ； (2)

其中，所述D为所述调整透镜131的直径，所述L为调整透镜131到所述光源单元110之间的距离，所述θ为光源单元110的最大半发射角。

优选地，所述光源111为激光光源，也就是说，该光源单元110为阵列激光发射单元，其中，每个所述光源111的直径均小于300um。

本实施例结构的光学组件100，其中的光源111为激光光源，即该光源单元110为阵列激光发射单元，该光源单元110可以采用脉冲发光，具有功耗小、发热量低等优点，因此，在应用该光学组件100的3D测量设备中，能够降低该3D测量设备的发热，从而可以间接提高应用该3D测量设备的产品的温度承受能力。

其次，本实施例结构的光源111的直径小于300um，因此，可以进一步的降低该光学组件100整体的厚度，可以使得应用该光学组件100的3D测量设备的高度减小，使得该3D测量设备的应用范围更加广泛。

优选地，所述光源单元110还包括衬底(图中并未示出)以及形成在所述衬底表面的所述多个光源111。

本实施例结构的光学组件100，是上述光源单元110一种具体的结构，其中的衬底可以是由半导体材料制作形成，全部的光源111集成在该衬底上。可以使得该结构的光学组件100更加简单、紧凑。

优选地，所述调整透镜131与其所对应的所述光源111相对设置，如图1所示，调整透镜131垂直设置于所述光源单元110的正上方。其中，所述调整透镜131的光轴(图中并未示出)与其所对应的所述光源111的发光轴(图中并未示出)同轴。也就是说，调整透镜131的光轴与其所对应的所述光源111的发光轴重合。

本实施例结构的光学组件100，调整透镜131与其所对应的所述光源110相对设置，且调整透镜131的光轴与光源111的发光轴重合，可以使得该结构的光学组件100更加紧凑，进一步地降低整个光学组件100的厚度。

优选地，所述成像单元120包括调制光学器件，所述调制光学器件包括基底(图中并未示出)以及形成在所述基底上的微结构(图中并未示出)。

本实施例结构光学组件100，其中的成像单元120包括调制光学器件，该调制光学器件是主要是对光进行调整调制，其主要为二元光学元器件，表面采用印刷或者蚀刻产生所述微结构。该调制光学器件在该光学组件100中的主要作用为复制，即将入射到该调制光学器件的图像复制为多个，以形成所需要的预设光学图像140。

下面对该光学组件100所形成的不同预设光学图像140进行详细说明：

其中一个实施方式中，如图1和图4所示，出射光线通过调整透镜131以及扩束器件132以后每一束出射光线自身均已为平行光线，不同光束之间具有不同的夹角。

如图2所示，该图为单束平行光150入射到所述成像单元120的示意图，其中的成像单元120所起的作用为对入射到该成像单元120的入光侧的单束平行光150进行复制。如图2所示，单束平行光150入射到成像单元120的入光侧，此光束被复制为3*3个光束，在目标照明面200上形成了3*3个光斑点。

当入射到所述成像单元120的入光侧上的光束为与光源111排序顺序相同的光束，且该光束均为平行光，且没有经过扩束器件132进行扩束，那么此时的光斑情况如图3所示。图中示意了光源111排布的一种具体方式，目标照明面200上为经过成像单元120复制后所形成的预设光学图像140的情况。图中为了描述简单，没有考虑到光斑由于离轴造成的图像变形。实际中光斑数量可以为n*m个，n，m为任意大于等于1的整数，并且间隔分布可以为任意数值。

由图3中的目标照明面200中所形成的预设光学图像140可以看到，此时光斑是分离的。

在图3的基础上，此时加入扩束器件132，如图4所示，使得目标照明面200上所形成的预设光学图像140中每一个光斑的视场角变大，并且恰好相连，如图4所示。在图4中，光源单元110中的光源111为随机排布。

在另一个具体实施方式中，其中的成像单元120所采用的调制光学器件所形成的预设光学图像140如图5所示，在图5中，经过准直的单束平行光150入射到到成像单元120的入光侧，在目标照明平面200上所形成的预设光学图像140中的光斑为随机排布，排布的光斑可以根据照明所需要的点分布情况设计产生。

如图6所示，为该实施例中的光源单元110中的光源111的一种排布方式，其排列为3行3列，但是实际应用中，光源所排布的方式可以为多行多列，如n*m，其中n，m为任意大于等于1的整数，并且间隔分布可以为任意数值。

如图7所示，该图示意了光源111所发出的出射光线被准直后形成的单束平行光150入射到成像单元120的入光侧后在目标照明面200上所形成的预设光学图像。

由图6可以看出，此时光源111之间是分离的，在该图基础之上，如图8所示，此时加入扩束器件132，使得目标照明面200中的所形成的预设光学图像140的每一个光斑的视场角变大，并且恰好相连，如图8所示。

本发明的第二方面，提供了一种3D测量设备，所述3D测量设备包括光学组件100，所述光学组件100用于为所述3D测量设备提供3D测量所需的结构光，所述光学组件100包括前文记载的所述光学组件100。

本实施例结构的3D测量设备，具有前文记载的光学组件100，该光学组件100的所述光源111排列成多行多列，且出射光线均与该光源单元110的出光侧的表面垂直，该出射光线经过所述调整透镜131收光可以减小所述光源单元110的发射角，得到平行光线，并最终经过成像单元120的处理得到需要的预设光学图像140。因此，本实施例结构的3D测量设备，能够降低其厚度，可以使得该3D测量设备的应用范围更加广泛。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光学组件，所述光学组件适用于3D测量设备，其特征在于，所述光学组件包括光源单元、成像单元以及位于所述光源单元和所述成像单元之间的调整单元；所述光源单元包括多个光源，多个所述光源排列成多行多列，所述光源的出射光线垂直于所述光源单元出光侧的表面；所述调整单元包括多个调整透镜，每个所述调整透镜对应一个所述光源，所述调整透镜能够接收并调整与其所对应的所述光源所发出的出射光线，以使得所述出射光线调整为平行光线，所述成像单元用于接收并复制所述平行光线，以形成预设光学图像，其中，

所述调整透镜以及所述光源单元之间满足下述公式：

D>L*tanθ，

所述D为所述调整透镜的直径，所述L为调整透镜到所述光源单元之间的距离，所述θ为光源单元的最大半发射角；

所述成像单元包括调制光学器件，所述调制光学器件包括基底以及形成所述基底上的微结构。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述调整单元还包括扩束器件，所述扩束器件位于所述调整透镜的出光侧以及所述成像单元的入光侧之间，所述扩束器件能够调节所述光学组件的视场角，且所述扩束器件还用于接收所述调整透镜所发出的平行光线并对该平行光线进行准直。

3.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，所述扩束器件包括透镜、透镜组、菲涅尔透镜以及具有等效焦距的二元光学器件中的一者。

4.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，所述调整透镜、所述成像单元以及所述扩束器件一体形成；或，

所述扩束器件和所述成像单元一体形成。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的光学组件，其特征在于，所述光源为激光光源，且所述光源的直径小于300um。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的光学组件，其特征在于，所述光源单元还包括衬底以及形成在所述衬底表面的所述多个光源。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的光学组件，其特征在于，所述调整透镜与其所对应的所述光源相对设置，且所述调整透镜的光轴与其所对应的所述光源的发光轴同轴。

8.一种3D测量设备，所述3D测量设备包括光学组件，所述光学组件用于为所述3D测量设备提供3D测量所需的结构光，其特征在于，所述光学组件包括权利要求1至7任意一项所述的光学组件。

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