CN108388065A - 结构光投射器、光电设备和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光投射器、光电设备和电子装置。结构光投射器包括激光发射器、准直元件、第一衍射元件和聚光元件。激光发射器用于发射激光。准直元件用于准直激光发射器发射的激光。第一衍射元件用于衍射经准直元件准直后的激光。聚光元件用于汇聚经第一衍射元件衍射后的激光以减小激光的发散度。本发明实施方式的结构光投射器、光电设备和电子装置通过设置一个聚光元件，利用聚光元件减小出射的激光图案对应的整体光束在轴向Z上的发散度。激光的能量不会过快衰减。即使用户与结构光投射器的距离较远，图像采集器也能接收到能量较大的反射回的激光，进一步地生成足够亮度的经用户调制后的激光图案，以便于深度图像的获取。

Description

结构光投射器、光电设备和电子装置

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及一种结构光投射器、光电设备和电子装置。

背景技术

现有的电子装置通常使用结构光拍摄3D图像，进一步地进行解锁、体感游戏等的操作。结构光由结构光投射器发射。由于结构光通常为红外激光，因此，为保护用户的眼睛不会受到红外激光的伤害，结构光投射器并不会以很大的电流驱动激光发射器发射红外激光。但是，这种方式也导致了一个问题，即当用户与结构光投射器的距离较远时，传输到用户的位置再由用户反射后返回到图像采集器的红外激光的能量已经很小，如此，不利于深度图像的获取。

发明内容

本发明的实施例提供了一种结构光投射器、光电设备和电子装置。

本发明实施方式的结构光投射器包括激光发射器、准直元件、第一衍射元件和炬光园。所述激光发射器用于发射激光。所述准直元件用于准直所述激光发射器发射的激光；。所述第一衍射元件用于衍射经所述准直元件准直后的激光。所述聚光元件用于汇聚经所述第一衍射元件衍射后的激光以减小所述激光的发散度。

本发明实施方式的光电设备包括上述的结构光投射器、图像采集器和处理器。所述图像采集器用于采集由所述结构光投射器向目标空间中投射的激光图案。所述处理器用于处理所述激光图案以获得深度图像。

本发明实施方式的电子装置包括壳体和上述的光电设备。所述光电设备设置在所述壳体内并从所述壳体暴露以获取深度图像。

本发明实施方式的结构光投射器、光电设备和电子装置通过设置一个聚光元件，利用聚光元件减小出射的激光图案对应的整体光束在轴向Z上的发散度。激光的能量不会过快衰减。即使用户与结构光投射器的距离较远，图像采集器也能接收到能量较大的反射回的激光，进一步地生成足够亮度的经用户调制后的激光图案，以便于深度图像的获取。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明某些实施方式的电子装置的结构示意图。

图2是本发明某些实施方式的光电设备的结构示意图。

图3是本发明某些实施方式的结构光投射器的结构示意图。

图4是本发明某些实施方式的结构光投射器的聚光元件的结构示意图。

图5是本发明某些实施方式的结构光投射器投射的激光图案的发散角的示意图。

图6是本发明某些实施方式的结构光投射器投射部分结构示意图。

图7是本发明某些实施方式的结构光投射器投射部分结构示意图。

图8是本发明某些实施方式的结构光投射器投射的结构示意图。

图9至图11是本发明某些实施方式的结构光投射器投射部分结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请一并参阅图1和图2，本发明提供一种电子装置3000。电子装置3000可以是智能手机、智能手环、智能手表、平板电脑、智能眼镜、智能头盔、体感游戏设备等。电子装置3000包括壳体2000和光电设备1000。光电设备1000设置在壳体2000内并从壳体2000暴露以获取深度图像。光电设备1000包括结构光投射器100、图像采集器200和处理器300。结构光投射器100用于向目标空间中投射激光图案。图像采集器200用于采集结构光投射器100向目标空间中投射的激光图案。处理器300用于获取激光图案以获得深度图像。

具体地，结构光投射器100通过投射窗口901向目标空间中投射激光图案，图像采集器200通过采集窗口902采集被目标物体调制后的激光图案。图像采集器200可为红外相机，处理器300采用图像匹配算法计算出该激光图案中各像素点与参考图案中的对应各个像素点的偏离值，再根据偏离值进一步获得该激光图案的深度图像。其中，图像匹配算法可为数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)算法。当然，也可以采用其它图像匹配算法代替DIC算法。

如图3所示，结构光投射器100包括基板组件60和镜筒50。基板组件60包括基板62和设置在基板62上的电路板61。电路板61可以是硬板、软板或软硬结合板。镜筒50包括侧壁51和自侧壁51延伸的承载台52。侧壁51设置在电路板61上，并与电路板61围成收容腔53。

结构光投射器100还包括激光发射器10、准直元件20、第一衍射元件30和聚光元件40。激光发射器10、准直元件20、第一衍射元件30和聚光元件40均收容在收容腔53内，且准直元件20、第一衍射元件30和聚光元件40沿激光发射器10的发光光路依次排列。具体地，电路板61开设有过孔611，激光发射器10承载在基板62上并收容在过孔611内，激光发射器10用于发射激光。准直元件20用于准直激光发射器10发射的激光。第一衍射元件30设置在承载台52上，第一衍射元件30用于衍射经准直元件20准直后的激光以形成激光图案。聚光元件40用于汇聚经第一衍射元件30衍射后的激光以减小激光发散度。

其中，激光发射器10可为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)，垂直腔面发射激光器的发光方向朝向准直元件20。由于垂直腔面发射激光器的光源为多点且呈不规则的阵列分布，因此，结构光投射器100投射的激光图案的不相关性较大，有利于提升深度图像的获取精度。

如图4所示，聚光元件40包括第二衍射元件41和旋转三棱镜42。第二衍射元件41的入射面和/或出射面上可以通过蚀刻或沉积形成衍射光栅。具体地，例如，第二衍射元件41可包括多个圆心位于准直元件20的光轴上的同心圆图案，该同心圆图案具有随机分布的环半径。旋转三棱镜42有一中心点位于准直元件20的光轴上的圆锥轮廓，即旋转三棱镜42为旋转对称棱镜。激光发射器10发射激光后，激光先入射进准直元件20内，经准直元件20准直后输出。随后，激光入射进第一衍射元件30内，经第一衍射元件30衍射后形成激光图案。随后，激光图案入射进聚光元件40后再投射到目标空间中，由于第二衍射元件41和旋转三棱镜42组合成的聚光元件40具有沿准直元件20的光轴产生长聚焦区的效果，因此经过聚光元件40后的激光图案对应的整体光束的发散度减小，也即是说，如图5所示，激光图案对应的整体光束在区域A上具有减小的发散度。

结构光投射器100还包括保护罩70。保护罩70可以由透光材料制成，例如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)等。由于玻璃、PMMA、PC、及PI等透光材料均具有优异的透光性能，保护罩70可以不用开设透光孔。如此，保护罩70能够在防止聚光元件40脱落的同时，还能够避免聚光元件40裸露在镜筒50的外面，从而使得聚光元件40防水防尘。当然，在其他实施方式中，保护罩70可以开设有透光孔，透光孔与聚光元件40的光学有效区相对以避免遮挡聚光元件40的光路。

可以理解，激光发射器10发射的激光通常为红外激光，因此，为保护用户的眼睛不会受到红外激光的伤害，结构光投射器100并不会施加很大的电流以驱动激光发射器10发射能量很高的红外激光。但这种方式导致的问题是当用户与结构光投射器100的距离较远时，激光传输到用户位置，再经由用户反射回以供图像采集器200采集的激光的能量已很小，图像采集器200采集到的经用户调制后的激光图案的亮度较低。如此，不利于后续的图像匹配和深度图像的获取。

本发明实施方式的结构光投射器100通过设置一个聚光元件40，利用聚光元件40减小出射的激光图案对应的整体光束在轴向Z上的发散度。激光的能量不会过快衰减。即使用户与结构光投射器100的距离较远，图像采集器200也能接收到能量较大的反射回的激光，进一步地生成足够亮度的经用户调制后的激光图案，以便于深度图像的获取。

请一并参阅图5和图6，在某些实施方式中，聚光元件40包括第一透镜43、第二透镜45和第三衍射元件44。沿激光发射器10的出光方向，第一透镜43、第三衍射元件44、第二透镜45依次排列设置，其中，第一衍射元件30与第一透镜43的距离D1等于第一透镜43的焦距，且第三衍射元件44与第一透镜43的距离D2等于第一透镜43的焦距，且第三衍射元件44与第二透镜45的距离D3等于第二透镜45的焦距。具体地，基于傅里叶光学原理，紧靠衍射屏的薄透镜的后焦平面上所观察到衍射图案，与衍射屏的远场夫琅禾费衍射图案相同，但由于薄透镜的聚光作用，空间范围缩小，光能集中。也即是说，激光经第一衍射元件30后形成的激光图案入射进第一透镜43再入射到第二衍射元件41上时，入射到第二衍射元件41上的激光图案与初始的激光图案相比具有更小的发散度，进一步地，激光图案经第二透镜45出射后，在区域A上也具有减小的发散度。如此，聚光元件40可以减小出射的激光图案对应的整体光束在轴向Z上的发散度，激光的能量不会过快衰减。

进一步地，请参阅图7，第一衍射元件30包括多个第一子衍射元件，每个第一子衍射元件上都形成有衍射光栅。聚光子元件中的第三衍射元件44包括多个第三子衍射元件441，每个第三子衍射元件441上都形成有衍射光栅。第一透镜43包括多个第一子透镜431。第二透镜45包括多个第二子透镜451。其中，第一子衍射元件的数量、第三子衍射元件441的数量、第一子透镜431的数量、以及第二子透镜451的数量均相等，且多个第一子衍射元件、多个第一子透镜431、多个第三子衍射元件441、及多个第二子透镜451一一对应，每个第一子透镜431与对应的第三子衍射元件441及对应的第二子透镜451形成一个聚光子元件，因此，多个第一子透镜431、与多个第三子衍射元件441及多个第二子透镜451形成多个聚光子元件，换言之，聚光元件40包括多个聚光子元件。每个第一子衍射元件上的衍射光栅的图案均是不同的，每个第三子衍射元件441上的衍射光栅的图案也是相同的。具体地，激光发射器10发射出的激光首先入射进准直元件20，经准直元件20准直后出射。准直后出射的激光对应的整体光束包含多个子光束，每个子光束入射到对应位置处的第一子衍射元件中，并对应输出一个子激光图案。由于每个第一子衍射元件上的衍射光栅的图案都是不同的，因此，每个子光束经对应的第一子衍射元件衍射后输出的子激光图案也是不同的，如此，可以增加整体激光图案的不相关性。随后，经每个第一子衍射元件衍射后输出的子激光图案依次经过对应位置处的第一子透镜431、第三子衍射元件441和第二子透镜451出射，由于每个第三子衍射元件441上的衍射光栅的图案是相同的，因此每个子激光图案在轴向Z上均具有相同的减小的发散度，可以保证整体激光图案的亮度均匀性。如此，一方面利用多个具有不同衍射光栅图案的第一子衍射元件得到不相关性更高的整体的激光图案，另一方面利用多个结构相同的聚光子元件减小每个子激光图案在轴向Z上的发散度，以满足获取距离结构光投射器100较远的用户的深度图像的需求。

请参阅图8，在某些实施方式中，激光发射器10可为边发射激光器(edge-emittinglaser，EEL)，具体地，激光发射器10可为分布反馈式激光器(Distributed FeedbackLaser，DFB)。此时，激光发射器10的发光面11朝向准直元件20。分布反馈式激光器的温漂较小，且为单点发光结构，无需设计阵列结构，制作简单，结构光投射器100的成本较低。

请一并参阅图8和图9，在某些实施方式中，激光发射器10为边发射激光器，此时，结构光投射器100还包括固定件。具体地，激光发射器10呈柱状，激光发射器10远离基板62的一个端面形成发光面11。激光从发光面11发出，发光面11朝向准直元件20。激光发射器10固定在基板62上。固定件可为封胶15，激光发射器10通过封胶15粘接在基板62上，例如，激光发射器10的与发光面11相背的一面粘接在基板62上。请结合图8和图10，激光发射器10的侧面12也可粘接在基板62上，封胶15包裹住四周的侧面12，也可以仅粘接侧面12的某一个面与基板62或粘接某几个面与基板62。此时封胶15可为导热胶，以将激光发射器10工作产生的热量传导至基板62中。由于边发射激光器通常呈细条状，当边发射激光器的发光面11朝向准直元件20时，边发射激光器竖直放置，此时边发射激光器容易出现跌落、移位或晃动等意外，因此通过设置封胶15能够将边发射激光器固定住，防止边发射激光器发射跌落、移位或晃动等意外。

请一并参阅图8和图11，在某些实施方式中，固定件还可为弹性的支撑架16。支撑架16的个数为两个或两个以上。多个支撑架16共同形成收容空间161。收容空间161用于收容激光发射器10，多个支撑架16支撑柱激光发射器10，如此，可以防止激光发射器10发生晃动。

进一步地，如图8所示，基板62开设有散热孔621。散热孔621内可以填充导热胶以为激光发射器10散热。

此外，在某些实施方式中，基板62可以省略，激光发射器10直接承载在电路板61上。如此，可以减小结构光投射器100的厚度。

本发明实施方式的结构光投射器100、光电设备1000和电子装置3000通过设置一个聚光元件40，利用聚光元件40减小出射的激光图案对应的整体光束在轴向Z上的发散度。激光的能量不会过快衰减。即使用户与结构光投射器100的距离较远，图像采集器200也能接收到能量较大的反射回的激光，进一步地生成足够亮度的经用户调制后的激光图案，以便于深度图像的获取。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器包括：

激光发射器，所述激光发射器用于发射激光；

准直元件，所述准直元件用于准直所述激光发射器发射的激光；

第一衍射元件，所述第一衍射元件用于衍射经所述准直元件准直后的激光；和

聚光元件，所述聚光元件用于汇聚经所述第一衍射元件衍射后的激光以减小所述激光的发散度。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括基板组件和镜筒，所述基板组件包括基板和设置在所述基板上的电路板，所述镜筒设置在所述电路板上并与所述电路板围成收容腔，所述准直元件、所述第一衍射元件和所述聚光元件均收容在所述收容腔内，且沿所述激光发射器的发光光路依次设置，所述镜筒的侧壁向所述收容腔的中心延伸有承载台，所述第一衍射元件设置在所述承载台上。

3.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述聚光元件包括第二衍射元件和旋转三棱镜，沿所述激光发射器的出光方向，所述第二衍射元件和所述旋转三棱镜依次设置。

4.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述聚光元件包括第一透镜、第二透镜和第三衍射元件，沿所述激光发射器的出光方向，所述第一透镜、所述第三衍射元件、所述第二透镜依次设置。

5.根据权利要求4所述的结构光投射器，其特征在于，所述第三衍射元件与所述第一透镜的距离等于所述第一透镜的焦距，且所述第三衍射元件与所述第二透镜的距离等于所述第二透镜的焦距。

6.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，所述激光发射器包括边发射激光器，所述边发射激光器包括发光面，所述发光面朝向所述准直元件。

7.根据权利要求6所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括固定件，所述固定件用于将所述边发射激光器固定在所述基板组件上。

8.根据权利要求7所述的结构光投射器，其特征在于，所述固定件包括封胶，所述封胶设置在所述边发射激光器与所述基板组件之间，所述封胶为导热胶。

9.根据权利要求7所述的结构光投射器，其特征在于，所述固定件包括设置在所述基板组件上的至少两个弹性的支撑架，至少两个所述支撑架共同形成收容空间，所述收容空间用于收容所述激光发射器，至少两个所述支撑架用于支撑住所述激光发射器。

10.一种光电设备，其特征在于，所述光电设备包括：

权利要求1至9任意一项所述的结构光投射器；

图像采集器，所述图像采集器用于采集由所述结构光投射器向目标空间中投射的激光图案；和

处理器，所述处理器用于处理所述激光图案以获得深度图像。

11.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：

壳体；和

权利要求10所述的光电设备，所述光电设备设置在所述壳体内并从所述壳体暴露以获取深度图像。