CN108280984A - 一种微型生物智能结构光3d影像模组集成系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统及制备方法，该系统包括红外激光发射模组、红外接收模组、彩色摄像头模组、下盖板和上盖板；红外激光发射模组包括第一承载电路板、晶元式红外激光发射芯片、第一支架、准直镜和光学衍射器件；红外接收模组包括第二承载电路板、黑白图像传感器、滤光片、第二支架和光学镜头；下盖板上分别设有相应的限位槽，上盖板上分别设有相应的通孔。本发明解决了微型生物智能结构光3D影像模组系统小型化问题，使得系统结构更加紧凑，通过3D结构光技术能够更加准确的获得物体图像深度信息，大幅度提升识别的准确率，并且系统设计简易，组装便捷，能够大大提升生产效率，节约成本。

Description

一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统及制备方法

技术领域

本发明应用于人工智能和生物智能终端产品摄像头影像模组上，涉及一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统及其制备方法。

背景技术

目前行业中最常见的生物智能影像模组集成系统主要为2D影像模组系统，这类产品通常是由人体感应器、LED补光灯，普通彩色摄像头模组构成的系统，其基本工作原理为：当有人接近时，人体感应器首先会接收到信息，并回馈给主控系统；主控系统在获取信息后会触发LED补光灯点亮；接着主控系统触发摄像头开启工作；摄像头对人脸进行2D拍照，并进行特征数据提取分析；主控系统对分析后的特征数据与系统数据库中存储的数据信息进行对比，如果匹配具有一致性，则认证通过，系统方可允许进行下一个动作。

但这种设计方案存在如下问题点和弊端：(1)使用的是单一摄像头，拍摄出来的图像只能是二维的，不具备深度空间信息；(2)因为没有深度信息，系统无法实现3D图像拍摄重构，安全等级会大大降低，系统受欺骗和被攻击的几率大大增加；(3)采用的是普通LED补光灯，灯的波长为650nm，这个波长包含在我们可见光的频谱范围内，这样摄像头在进行拍照时很容易受到外界工作环境可见光影响，导致拍摄图像的特征点丢失，进而引起系统工作失效。这些问题点严重制约生物智能影像系统对消费者体验效果和产生安全等级隐患。

发明内容

发明目的：针对现有技术的问题，本发明的目的是提供一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统及制备方法，实现摄像头影像模组对物体外形的3D重构，能够对物体进行高精度识别、还原和测量，大幅度提升人工智能和生物智能产品的安全性和应用场景，同时，影像模组的微型化设计能够使终端产品更加轻薄。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，包括红外激光发射模组、红外接收模组、彩色摄像头模组、下盖板和上盖板；所述红外激光发射模组包括第一承载电路板、晶元式红外激光发射芯片、第一支架、准直镜和光学衍射器件；所述红外激光发射芯片位于所述第一承载电路板上表面，通过金线绑定和键合的方式与第一承载电路板导通，所述第一支架底端贴合在第一承载电路板上表面，并罩住所述红外激光发射芯片，所述准直镜固定在第一支架内腔，所述光学衍射器件固定在第一支架顶端；所述红外接收模组包括第二承载电路板、黑白图像传感器、滤光片、第二支架和光学镜头；所述黑白图像传感器位于所述第二承载电路板上表面，通过金线绑定和键合的方式与第二承载电路板导通，所述第二支架底端贴合在第二承载电路板上表面，并罩住所述黑白图像传感器，所述滤光片贴合在第二支架内腔，所述光学镜头固定在第二支架顶端；所述下盖板上设有用于容置红外激光发射模组的第一限位槽、用于容置彩色摄像头模组的第二限位槽和用于容置红外接收模组的第三限位槽，所述上盖板上分别设有与限位槽位置相应的第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述第二限位槽位于第一限位槽和第三限位槽之间。

作为优选，所述红外激光发射模组中的红外激光发射芯片采用波长为940nm的红外激光发射芯片，所述红外接收模组中的滤光片为940nm的窄带滤光片。

作为优选，所述第一支架为塑胶支架，长宽尺寸为4.0～6.0mm，高度尺寸为3.0～5.0mm。

作为优选，所述下盖板和上盖板为铝材盖板，上下盖板采用卡扣的方式进行扣合。

作为优选，红外激光发射模组和红外接收模组之间距离为20～40mm，红外激光发射模组和彩色摄像头模组之间距离为10～30mm。

一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统的制备方法，包括红外激光发射模组制备，红外接收模组制备，彩色摄像头模组制备，以及系统组装的步骤；

所述红外激光发射模组制备步骤包括：将红外激光发射芯片使用红胶粘贴到第一承载电路板上，把产品放进烤箱进行烘烤固化；使用金线将红外激光发射芯片和第一承载电路板上对应电气特性的焊盘连通，使产品具备电气功能；将第一支架使用热固型胶水固化在第一承载电路板上；将第一承载电路板和红外激光发射芯片组合体点亮，将准直镜放到塑胶支架上，并调整准直镜的位置，使得红外光斑最小，然后点UV胶并固化；将光学衍射器件放置到第一支架上，调整光学衍射器件的位置，确保发射出来的散斑图像外形为长方形，然后点UV胶并固化；

所述红外接收模组制备步骤包括：将黑白图像传感器使用红胶粘贴到第二承载电路板上，把产品放进烤箱进行烘烤固化；使用金线将黑白图像传感器和第二承载电路板上对应电气特性的焊盘连通，使产品具备电气功能；将滤光片使用热固型胶水固化到第二支架内腔中；将滤光片和第二支架组合件再通过热固型胶水固化到第二承载电路板上；将光学镜头旋进第二支架；将产品点亮，对照图案进行调焦，直至调到图像最清晰为止；在光学镜头和第二支架之间点UV胶，并进行固化，使两者之间位置固定；

所述系统组装步骤包括：将红外激光发射模组、红外接收模组、彩色摄像头模组背面分别贴上导电胶；依次将三颗模组粘贴到下盖板相应的限位槽内；铝材上盖板和铝材下盖板进行扣合，系统制作完成。

工作原理：红外激光发射模组中的红外激光芯片发射的激光通过准直镜后形成平行光源，再经由光学衍射器件形成密集的散斑图像结构光，将这些散斑照射到被测物体上，由于被测物体表面凹凸不平，具有不同的深度，表面反射回来的散斑图像会随着表面不同的深度发生畸变，被测物体的表面信息也就被调制在反射回来的散斑图像之中。红外接收影像模组接收这些信息，分析得到每一个被测点之间的高度差和深度信息得到3D黑白图像，叠加彩色摄像头模组拍摄的2D彩色图像，最终得到3D彩色图像。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过增加对物体深度信息感知的红外激光发射模组和红外接收模组部件，使系统实现拍摄图像从二维平面到三维立体的跨越，使消费者有着身临其境的感受，使得系统安全性得到大幅提升；并使用红外激光源解决了环境光照对影像系统成像效果的影响，使得3D摄像头影像模组进行拍摄时得到更加准确的物体图像深度信息，大幅度提升识别的准确率；采用晶元式的红外激光发射芯片和黑白图像传感器，大大缩小了模组的体积，实现了微型化设计，使得整个3D影像模组系统趋于小型化，系统结构更加紧凑。采用压铸成型的铝材支架能够确保红外激光发射模组、红外接收模组和彩色图像模组之间的准确定位，保证三者的精确距离，并且铝材支架的上下盖板通过扣合的方式进行组装，使得生产加工更加便捷。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

图2为本发明实施例中的红外激光发射模组结构示意图。

图3为本发明实施例中的红外接收模组结构示意图。

图中：1-红外激光发射模组；2-彩色摄像头模组；3-红外接收模组；4-下盖板；5-上盖板；11-第一承载电路板；12-红外激光发射芯片；13-第一支架；14-准直镜；15-光学衍射器件；31-第二承载电路板；32-黑白图像传感器；33-滤光片；34-第二支架；35-光学镜头。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明实施例公开的一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，主要包括红外激光发射模组1、红外接收模组3、彩色摄像头模组2、铝材支架下盖板4和铝材支架上盖板5。下盖板4上设有用于容置红外激光发射模组1的第一限位槽、用于容置彩色摄像头模组2的第二限位槽和用于容置红外接收模组3的第三限位槽，上盖板5上分别设有与限位槽位置相应的第一通孔、第二通孔和第三通孔。将红外激光发射模组1、红外接收模组3和彩色摄像头模组2安装在铝材支架下盖板4上，然后再扣合上铝材压铸的上盖板5进行固定，这样就组合形成了微型生物智能结构光3D影像模组系统。采用压铸成型的铝材支架能够确保红外激光发射模组1、红外接收模组3和彩色图像模组之间的准确定位，保证三者的精确距离。红外激光发射模组1和红外接收模组3在系统的两端，彩色摄像头模组2在系统中间，本例中可精确控制红外激光发射模组1和红外接收模组3之间距离为30mm，红外激光发射模组1和彩色摄像头模组2之间距离为20mm。各模组之间的实际距离可根据红外激光发射模组和红外接收模组所使用的光学镜头视场角度，以及红外激光发射模组发射角度来确定。

如图2所示，红外激光发射模组1包括第一承载电路板11、晶元式红外激光发射芯片12、第一支架13(塑胶支架)、准直镜14和光学衍射器件15；红外激光发射芯片12位于第一承载电路板11上表面，通过金线绑定和键合的方式与第一承载电路板11导通，第一支架13底端贴合在第一承载电路板11上表面，并罩住红外激光发射芯片12，准直镜14固定在第一支架13内腔，光学衍射器件15固定在第一支架13顶端。本例中采用波长为940nm的晶元式红外激光发射芯片12，可以避免可将光的干扰，塑胶支架可以按照5.0mm*5.0mm*4.3mm的长宽高结构进行设计，能干大大缩小模组的体积，产品的长宽尺寸比常规的减小14.5mm，高度减小了10.0mm。

如图3所示，红外接收模组3包括第二承载电路板31、黑白图像传感器32、滤光片33、第二支架34(镜头支架)和光学镜头35；黑白图像传感器32位于第二承载电路板31上表面，通过金线绑定和键合的方式与第二承载电路板31导通，第二支架34底端贴合在第二承载电路板31上表面，并罩住黑白图像传感器32，滤光片33贴合在第二支架34内腔，光学镜头35固定在第二支架34顶端。采用具备全局曝光功能的晶元式黑白图像传感器32，为了能够更好的接收到红外激光发射模组1投射到物体上反射回来的散斑图像信息，采用940nm的窄带滤光片33，确保图像信息不受外界光线的影响，产品尺寸可以做到6.5mm*6.5mm*4.5mm，比采用CLCC封装结构的黑白图像传感器32常规产品长、宽、高尺寸分别减少了13mm、8.5mm、11mm。晶元式的芯片可以选用飞利浦、华立捷等厂商的产品。

彩色摄像头模组2的采用彩色图像传感器进行2D彩色图像拍摄，可选用现有微型化的模组产品。上述第一承载电路板11和第二承载电路板31是连接模组和终端设备的主控板，实现红外激光发射芯片和黑白图像传感器电气功能的载体，是行业中现有的成熟技术产品，具体结构此处不赘述。

上述微型生物智能结构光3D影像模组集成系统的制备方法主要包括各模组的制备和最后的组装，其中红外激光发射模组1的制备步骤包括：

1、将红外激光发射芯片12使用红胶粘贴到第一承载电路板11上，把产品放进烤箱进行80℃/30分钟烘烤固化；

2、使用金线将红外激光发射芯片12和第一承载电路板11上对应电气特性的焊盘连通，使产品具备电气功能；

3、将塑胶支架使用热固型胶水经过80℃/40分钟固化在第一承载电路板11上；

4、将第一承载电路板11和红外激光芯片组合体点亮，将准直镜14放到塑胶支架13上，并调整准直镜14的位置，红外光斑最小，然后点UV胶并固化；

5、再将光学衍射器件15放置到塑胶支架13上，调整光学衍射器件15的位置，确保发射出来的散斑图像外形为长方形，然后点UV胶并固化；

6、红外激光发射模组1制作完成。

红外接收模组3的制备步骤包括：

1、将黑白图像传感器32使用红胶粘贴到第二承载电路板31上，把产品放进烤箱进行80℃/30分钟烘烤固化；

2、使用金线将黑白图像传感器32和第二承载电路板31上对应电气特性的焊盘连通，使产品具备电气功能；

3、将940nm窄带滤光片33使用热固型胶水经过80℃/40分钟固化到镜头支架内腔中；

4、将窄带滤光片33和镜头支架34组合件再通过热固型胶水经过80℃/40分钟固化到第二承载电路板31上；

5、将光学镜头35旋进镜头支架34；

6、将产品点亮，对照特定的图案进行调焦，直至调到图像最清晰为止；

7、在光学镜头35和镜头支架34之间点UV胶，并进行固化，使两者之间位置固定；

8、红外接收模组3制作完成。

最后系统组装的步骤包括：

1、将红外激光发射模组1、红外接收模组3、彩色摄像头模组2背面分别贴上导电胶；

2、依次将3颗模组粘贴到铝材下盖板4的限位槽内；

3、将铝材上盖板5和铝材下盖板4进行扣合，通过卡扣的方式进行配合固定好；

4、微型生物智能结构光3D影像模组系统制作完成。

本发明实施例解决了微型生物智能结构光3D影像模组系统小型化问题，使得系统结构更加紧凑，通过3D结构光技术更加准确的获得物体图像深度信息，大幅度提升识别的准确率，为3D影像模组系统带来更加广阔的应用场景；同时系统设计的简易性，为产品生产组装带来更多的便捷，大大的提升了生产效率，成本得到节约，能够带来很大经济效益和强大的市场竞争力。

Claims (6)

1.一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，其特征在于，包括红外激光发射模组、红外接收模组、彩色摄像头模组、下盖板和上盖板；

所述红外激光发射模组包括第一承载电路板、晶元式红外激光发射芯片、第一支架、准直镜和光学衍射器件；所述红外激光发射芯片位于所述第一承载电路板上表面，通过金线绑定和键合的方式与第一承载电路板导通，所述第一支架底端贴合在第一承载电路板上表面，并罩住所述红外激光发射芯片，所述准直镜固定在第一支架内腔，所述光学衍射器件固定在第一支架顶端；

所述红外接收模组包括第二承载电路板、黑白图像传感器、滤光片、第二支架和光学镜头；所述黑白图像传感器位于所述第二承载电路板上表面，通过金线绑定和键合的方式与第二承载电路板导通，所述第二支架底端贴合在第二承载电路板上表面，并罩住所述黑白图像传感器，所述滤光片贴合在第二支架内腔，所述光学镜头固定在第二支架顶端；

所述下盖板上设有用于容置红外激光发射模组的第一限位槽、用于容置彩色摄像头模组的第二限位槽和用于容置红外接收模组的第三限位槽，所述上盖板上分别设有与限位槽位置相应的第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述第二限位槽位于第一限位槽和第三限位槽之间。

2.根据权利要求1所述的一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，其特征在于，所述红外激光发射模组中的红外激光发射芯片采用波长为940nm的红外激光发射芯片，所述红外接收模组中的滤光片为940nm的窄带滤光片。

3.根据权利要求1所述的一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，其特征在于，所述第一支架为塑胶支架，长宽尺寸为4.0~6.0mm，高度尺寸为3.0~5.0mm。

4.根据权利要求1所述的一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，其特征在于，所述下盖板和上盖板为压铸成型的铝材盖板，上下盖板采用卡扣的方式进行扣合。

5.根据权利要求1所述的一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统，其特征在于，红外激光发射模组和红外接收模组之间距离为20~40mm，红外激光发射模组和彩色摄像头模组之间距离为10~30mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种微型生物智能结构光3D影像模组集成系统的制备方法，其特征在于，包括红外激光发射模组制备，红外接收模组制备，彩色摄像头模组制备，以及系统组装的步骤；

所述红外激光发射模组制备步骤包括：将红外激光发射芯片使用红胶粘贴到第一承载电路板上，把产品放进烤箱进行烘烤固化；使用金线将红外激光发射芯片和第一承载电路板上对应电气特性的焊盘连通，使产品具备电气功能；将第一支架使用热固型胶水固化在第一承载电路板上；将第一承载电路板和红外激光发射芯片组合体点亮，将准直镜放到塑胶支架上，并调整准直镜的位置，使得红外光斑最小，然后点UV胶并固化；将光学衍射器件放置到第一支架上，调整光学衍射器件的位置，确保发射出来的散斑图像外形为长方形，然后点UV胶并固化；

所述红外接收模组制备步骤包括：将黑白图像传感器使用红胶粘贴到第二承载电路板上，把产品放进烤箱进行烘烤固化；使用金线将黑白图像传感器和第二承载电路板上对应电气特性的焊盘连通，使产品具备电气功能；将滤光片使用热固型胶水固化到第二支架内腔中；将滤光片和第二支架组合件再通过热固型胶水固化到第二承载电路板上；将光学镜头旋进第二支架；将产品点亮，对照图案进行调焦，直至调到图像最清晰为止；在光学镜头和第二支架之间点UV胶，并进行固化，使两者之间位置固定；

所述系统组装步骤包括：将红外激光发射模组、红外接收模组、彩色摄像头模组背面分别贴上导电胶；依次将三颗模组粘贴到下盖板相应的限位槽内；铝材上盖板和铝材下盖板进行扣合，系统制作完成。