CN108490636A - 结构光投射器、光电设备及电子装置 - 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、准直元件和衍射组件。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，激光发射器包括边发射激光器，边发射激光器包括发光面，发光面朝向准直元件。衍射组件包括第一衍射元件和第二衍射元件，衍射组件用于衍射经准直元件准直后的激光，并使零级光束的能量小于预设能量。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包括第一衍射元件和第二衍射元件的衍射组件，利用双衍射结构使得未被衍射的零级光束进一步被衍射，从而减小零级光束的能量，有利于结构光投射器投射出亮度均匀性较好的激光图案。

Description

结构光投射器、光电设备及电子装置

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、光电设备及电子装置。

背景技术

现有的结构光投射器通常包括激光发射器、准直元件和衍射元件。其中，衍射元件用于衍射激光以形成激光图案。但是，受限于衍射元件的制造工艺，衍射元件并不能衍射全部的激光，有一部分激光不会被衍射元件衍射而是直接穿过衍射元件投影到目标空间中，这部分激光为零级光束，被衍射后投射到目标空间中的激光为非零级光束。零级光束的能量通常比非零级光束的能量高，如此，会影响投射到目标空间中的激光图案的亮度分布的均匀性，进一步地，影响深度图像的获取。

发明内容

本发明的实施例提供了一种结构光投射器、光电设备及电子装置。

本发明实施方式的结构光投射器包括激光发射器、准直元件和衍射组件。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。所述衍射组件包括第一衍射元件和第二衍射元件，所述衍射组件用于衍射经所述准直元件准直后的激光，并使零级光束的能量小于预设能量。

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包括第一衍射元件和第二衍射元件的衍射组件，利用双衍射结构使得未被衍射的零级光束进一步被衍射，从而减小零级光束的能量，有利于结构光投射器投射出亮度均匀性较好的激光图案。

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至图9是本发明某些实施方式的结构光投射器的部分结构示意图。

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42(图4所示)。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42。处理器300用于获取激光图案42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42，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42。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42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42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和衍射组件30。激光发射器10、准直元件20和衍射组件30均收容在收容腔53内，且准直元件20和衍射组件30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。衍射组件30包括第一衍射元件31和第二衍射元件32，衍射组件30用于衍射经准直元件20准直后的激光，并使零级光束41(图4所示)的能量小于预设能量。

其中，激光发射器10可为边发射激光器(edge-emitting laser，EEL)，具体地，激光发射器10可为分布反馈式激光器(Distributed Feedback Laser，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。

受限于衍射元件的制造工艺，衍射元件并不能衍射激光发射器10发射的全部激光，有一部分激光不会被衍射元件衍射而是直接穿过衍射元件投影到目标空间中，这部分激光为零级光束41，被衍射后投射到目标空间中的激光为非零级光束。零级光束41的能量通常较非零级光束的能量高，如此，会影响投射到目标空间中的激光图案42的亮度分布的均匀性。本发明实施方式的结构光投射器100中的衍射组件30可以减小零级光束41的能量。具体地，如图4所示，衍射组件30包括第一衍射元件31和第二衍射元件32。第一衍射元件31用于衍射经准直元件20准直后的激光以形成第一激光图案421和第一零级光束411。第二衍射元件32用于衍射第一零级光束411以形成第二激光图案422和第二零级光束412。其中，第一衍射元件31包括第一光学有效区311和第一非光学有效区312，第一光学有效区311被配置为与经准直元件20准直后的激光的光束的横截面相对应，第一光学有效区311上设置有衍射光栅，经准直元件20准直后的激光经衍射光栅后形成第一激光图案421及第一零级光束411。第二衍射元件32包括第二光学有效区321和第二非光学有效区322，第二光学有效区321被配置为与第一零级光束411的横截面相对应，第二光学有效区321上设置有衍射光栅，第一零级光束411经衍射光栅后形成第二激光图案422及第二零级光束412，而第二非光学有效区322为未设置有衍射光栅的透明部分，以使第一激光图案421通过且不会改变第一衍射图案421的图案样式。第一光学有效区311的衍射光栅与第二光学有效区321的衍射光栅具有不同的光栅结构，以使第一激光图案421和第二激光图案422具有较大的不相关性。第一激光图案421和第二激光图案422组合形成结构光投射器100投射的整体的激光图案42。第一激光图案421和第二激光图案422投射到某个与结构光投射器100的光轴垂直的平面上时，第一激光图案421和第二激光图案422可以有部分重叠，如此，可进一步增加整体的激光图案42的不相关性。

相比于使用一个衍射元件，双衍射元件的结构能使得零级光束进一步被衍射，因此，零级光束41的能量减小(例如，二次衍射后零级光束41的能量小于预设能量)，如此，结构光投射器100使用双衍射元件投射得到的激光图案42具有较好的亮度均匀性，也可以避免因零级光束41的能量较强而对可能对用户的眼睛产生伤害。

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能够在防止衍射组件30脱落的同时，还能够避免衍射组件30裸露在镜筒50的外面，从而使得衍射组件30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，透光孔与衍射组件30的面积最大的光学有效区相对以避免遮挡衍射组件30的光路。

综上所述，本发明实施方式的结构光投射器100通过设置包括第一衍射元件31和第二衍射元件32的衍射组件30，利用双衍射结构使得未被衍射的零级光束41进一步被衍射，从而减小零级光束41的能量，有利于结构光投射器100投射出亮度均匀性较好的激光图案42。

请参阅图5，在某些实施方式中，衍射组件30包括第一衍射元件31和第二衍射元件32。第一衍射元件31用于衍射经准直元件20准直后的激光以形成多个衍射光束，每个衍射光束均包括第一零级光束411。第二衍射元件32用于衍射每个衍射光束以形成对应每个衍射光束的激光图案423和第二零级光束412。具体地，第一衍射元件31包括第一光学有效区311和第一非光学有效区312。第一光学有效区311被配置为与经准直元件20准直后的激光的光束的横截面相对应，第一光学有效区311上设置有衍射光栅(例如，第一光学有效区311上的衍射光栅可为达曼光栅)，经准直元件20准直后的激光经衍射光栅后形成多个衍射光束，每个衍射光束均为近似准直的相对窄光束，每个衍射光束具有近似相同的能量。第二衍射元件32包括第二光学有效区321和第二非光学有效区322，其中，第二光学有效区321被配置为与每个衍射光束的横截面相对应，第二光学有效区321上设置有衍射光栅，衍射光束经对应的第二光学有效区321上的衍射光栅衍射后形成激光图案423出射。其中，多个第二光学有效区321上的衍射光栅的结构均是不同的。如此，多个衍射光束经衍射后可以形成多个激光图案423出射。两两激光图案423之间可以是恰好边界重合或者有部分重叠，多个激光图案423组合成一个整体的激光图案42，该整体的激光图案42即为结构光投射器100投射出的激光图案42。多个激光图案42之间具有极大的不相关性，进一步地可以提升整体激光图案42的不相关性。

与设置单衍射元件相比，本发明实施方式的结构光投射器100采用双衍射元件结构，首先利用第一衍射元件31将零级光束41分为多个能量较小的第一零级光束411，再利用第二衍射元件32对每个包含第一零级光束411的衍射光束进行衍射，进一步地得到能量更小的第二零级光束412。如此，使得结构光投射器100可以投射出亮度均匀性较好的激光图案42。

请参阅图6，在某些实施方式中，衍射组件30包括第一衍射元件31和第二衍射元件32。第一衍射元件31用于衍射经准直元件20准直后的激光以形成激光图案42和零级光束41，第二衍射元件32用于阻挡零级光束41出射。具体地，第一衍射元件31包括第一光学有效区311和第一非光学有效区312，第一光学有效区311被配置为与经准直元件20准直后的激光的光束的横截面相对应，第一光学有效区311上设置有衍射光栅，经准直元件20准直后的激光经衍射光栅后形成激光图案42和零级光束41。第二衍射元件32包括第二光学有效区321和第二非光学有效区322。第二光学有效区321被配置为与零级光束的横截面相对应，第二光学有效区上321设有陷波滤光器，具体地，陷波滤光器可为窄带阻干涉滤光器，利用窄带阻干涉滤光器的角度选择特性，滤除以标定入射角入射的激光，而使得以除标定入射角之外的入射角入射的激光出射，第二非光学有效区322为未设置有衍射光栅的透明部分，以使激光图案42通过且不会改变激光图案42的图案样式。

与设置单衍射元件相比，本发明实施方式的结构光投射器100采用双衍射元件结构，首先利用第一衍射元件31衍射经准直元件20准直后的激光形成激光图案42和零级光束41，再利用第二衍射元件32中的陷波滤光器阻挡零级光束41出射，从而避免零级光束41的能量过高对激光图案42的亮度均匀性的影响。

请参阅图3和图7，在某些实施方式中，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3和图8，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3和图9，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支撑住激光发射器10，如此，可以防止激光发射器10发生晃动。

进一步地，如图3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通过设置包括第一衍射元件31和第二衍射元件32的衍射组件30，利用双衍射结构使得未被衍射的零级光束41进一步被衍射，从而减小零级光束41的能量，有利于结构光投射器100投射出亮度均匀性较好的激光图案42。

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。

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 (10)

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，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；和

衍射组件，所述衍射组件包括第一衍射元件和第二衍射元件，所述衍射组件用于衍射经所述准直元件准直后的激光，并使零级光束的能量小于预设能量。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，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以形成第一激光图案和第一零级光束，所述第二衍射元件用于衍射所述第一零级光束以形成第二激光图案和第二零级光束，所述第二零级光束的能量小于所述预设能量。

3.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述第一衍射元件用于衍射经所述准直元件后的激光以形成多个衍射光束，每个所述衍射光束均包括第一零级光束，所述第二衍射元件用于衍射每个所述衍射光束以形成对应每个所述衍射光束的激光图案和第二零级光束，所述第二零级光束的能量小于所述预设能量。

4.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，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以形成激光图案和零级光束，所述第二衍射元件用于阻挡所述零级光束出射。

5.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、所述衍射组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，所述衍射组件设置在所述承载台上。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求6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。

9.一种光电设备，其特征在于，所述光电设备包括：

权利要求1至8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。

10.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：

壳体；和

权利要求9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。