CN108508625A - 结构光投射器、图像获取装置和电子设备 - Google Patents

结构光投射器、图像获取装置和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构光投射器、图像获取装置和电子设备。结构光投射器包括激光发射器、准直元件、衍射元件和热电制冷元件。激光发射器用于发射激光；准直元件用于准直所述激光；衍射元件用于衍射经准直元件准直后的激光；热电制冷元件包括相背的冷端和热端，冷端与激光发射器接触以为激光发射器散热。本发明实施方式的结构光投射器、图像获取装置和电子设备通过在激光发射器的邻近位置设置一个热电制冷元件，热电制冷元件的冷端与激光发射器接触，激光发射器工作时产生的热量会通过冷端向热端传递，进一步释放到外界中，从而可以为激光发射器散热，降低激光发射器的温度，避免因温度升高导致温漂而影响激光发射器的使用性能。

Description

结构光投射器、图像获取装置和电子设备
技术领域
本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种结构光投射器、图像获取装置和电子设备。
背景技术
激光发射器可以发射激光。激光发射器应用在结构光投射器中时，激光发射器发射的激光经由衍射元件后可以投射出激光图案。激光图案被图像获取装置中的图像采集器采集后可用于计算当前场景的深度信息。激光发射器工作时会发热，热量的累积会影响激光发射器的使用性能。
发明内容
本发明的实施例提供了一种结构光投射器、图像获取装置和电子设备。
本发明提供一种结构光投射器。所述结构光投射器包括激光发射器、准直元件、衍射元件和热电制冷元件。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。所述衍射元件用于衍射经所述准直元件准直后的所述激光。所述热电制冷元件包括相背的冷端和热端，所述冷端与所述激光发射器接触以为所述激光发射器散热。
本发明提供一种图像获取装置。所述图像获取装置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。
本发明提供一种电子设备。电子设备包括壳体和上述的图像获取装置。图像获取装置设置在壳体内并从所述壳体内暴露以获取深度图像。
本发明实施方式的结构光投射器、图像获取装置和电子设备通过在激光发射器的邻近位置设置一个热电制冷元件，热电制冷元件的冷端与激光发射器接触，激光发射器工作时产生的热量会通过冷端向热端传递，进而通过热端释放到外界中，从而可以为激光发射器散热，降低激光发射器的温度，避免因温度升高导致温漂而影响激光发射器的使用性能。
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结构光投射器的结构示意图。
图2是本发明某些实施方式的结构光投射器的热电制冷元件的结构示意图。
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和图5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。
图6是本发明某些实施方式的结构光投射器的结构示意图。
图7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。
图10是本发明某些实施方式的图像获取装置的结构示意图。
图11是本发明某些实施方式的电子设备的结构示意图。
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，本发明提供一种结构光投射器100。结构光投射器100包括镜筒40和基板组件60。基板组件60包括基板62和电路板61。电路板61承载在基板62上。镜筒40包括侧壁41和自侧壁41延伸的承载台411。侧壁41设置在电路板61上，侧壁41与电路板61围成有收容腔42。结构光投射器100还包括激光发射器10、准直元件20和衍射元件30。激光发射器10、准直元件20及衍射元件30均收容在收容腔42中，且准直元件20与衍射元件30沿激光发射器10的发光方向依次排列。其中，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。衍射元件30放置于承载台411上，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。电路板61开设有过孔611，激光发射器10收容在过孔611内。如此，可以降低结构光投射器100的高度。
此外，结构光投射器100还包括热电制冷元件70。热电制冷元件70包括吸热的冷端701和放热的热端702。冷端701与激光发射器10接触以为激光发射器10散热。具体地，基板62还开设有通孔621。通孔621的位置与过孔611的位置对应，通孔621的长度和宽度均小于过孔611的长度和宽度。热电制冷元件70收容在通孔621内。
结构光投射器100还包括保护罩80。保护罩80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80可以不用开设透光孔。如此，保护罩80能够在防止衍射元件30脱落的同时，还能够避免衍射元件30裸露在镜筒40的外面，从而使衍射元件30防水防尘。当然，在其他实施方式中，保护罩80可以开设有透光孔，透光孔与衍射元件30的光学有效区相对以避免遮挡衍射元件30的光路。
可以理解，激光发射器10工作时会产生热量，导致激光发射器10自身的温度升高。激光发射器10的温度升高后会影响激光发射器10的使用性能，具体地，例如，温度升高导致激光发射器10产生温漂，即激光发射器10的中心波长产生偏移，如此，当激光发射器10在自身温度较高的情况下发射功率时，由于与激光发射器10配合使用的图像采集器200(图10所示)的滤光片对应的滤光波段是有限的，温漂导致的激光发射器10发射的激光的波长超出滤光波段的部分无法被图像采集器200采集得到，因此，图像采集器200无法准确获取结构光投射器100投射的激光图案，进一步地影响深度图像的获取。
本发明实施方式的结构光投射器100在激光发射器10的邻近位置设置一个热电制冷元件70，热电制冷元件70的冷端701与激光发射器10接触，激光发射器10工作时产生的热量会通过冷端701向热端702传递，进而通过热端702释放到外界中，从而可以为激光发射器10散热，降低激光发射器10的温度，避免因温度升高导致温漂而影响激光发射器10的使用性能。
具体地，热电制冷元件70是一种基于帕帖尔效应原理、利用半导体热电材料进行制冷的元件。如图2所示，热电制冷元件70包括第一绝缘导热层71、半导体热电堆层73和第二绝缘导热层72。第一绝缘导热层71与激光发射器10接触，半导体热电堆层73设置在第一绝缘导热层71下方，第二绝缘导热层72设置在半导体热电堆层73下方，即，半导体热电堆层73设置在第一绝缘导热层71与第二绝缘导热层72之间。其中，半导体热电堆层73中分布有至少一个半导体制冷单元74，每个半导体制冷单元74包括第一金属电极731、P型及N型半导体(包括P型半导体733及N型半导体734)和第二金属电极732。沿着远离激光发射器10的方向，第一金属电极731、P型及N型半导体、第二金属电极732依次排列，即，第一金属电极731及第二金属电极732分别位于P型及N型半导体的相背两端，第一金属电极731位于第一绝缘导热层71与P型及N型半导体之间，第二金属电极732位于P型及N型半导体与第二绝缘导热层72之间。同一半导体制冷单元74的P型半导体733的顶部和N型半导体734的顶部通过第一金属电极731相连接。当半导体热电堆层73中分布有多个半导体制冷单元74时，第二金属电极732用于相邻半导体制冷单元74之间的连接。
当直流电流由N型半导体734流向P型半导体733时，基于帕帖尔效应原理，N型半导体734与第一金属电极731的接触部位、P型半导体734与第一金属电极731接触的部位吸热，称为冷端701；N型半导体734与第二金属电极732的接触部位、P型半导体733与第二金属电极732的接触部位放热，称为热端702。激光发射器10产生的热量穿过第一绝缘导热层71传递至冷端701，冷端701吸收该热量，而热端702释放热端所吸收的热量，所释放的热量通过第二绝缘导热层72传递至外界环境中。
优选地，为了提高制冷效果，半导体热电堆层73中分布有两个或两个以上的半导体制冷单元74。该多个半导体制冷单元74可通过串联或并联的方式连接，且呈阵列状分布。多个半导体制冷单元74扩大了冷端701和热端702的面积，制冷效果更好。
进一步地，第一绝缘导热层71与第二绝缘导热层72的材料可优选为高热导率的无机材料，例如，可采用类金刚石、氮化铝、氮化硼、氮化硅、三氧化二铝、氧化镁中的任意一种，第一金属电极731和第二金属电极732的材料可选用银、铜、金和铝中的任意一种，从而提升热电制冷元件70的散热性能。其中，第一绝缘导热层71与第二绝缘导热层72的材料可以相同或不同。第一绝缘导热层71与第二绝缘导热层72的厚度可以相同或不同。第一金属电极731和第二金属电极732的材料可以相同或不同，第一金属电极731和第二金属电极732的厚度可以相同或不同。
如此，通过增加一个热电制冷元件70为激光发射器10散热，降低激光发射器10工作时的温度，减小温漂对激光发射器10使用性能的影响。
请参阅图1，在某些实施方式中，结构光投射器10还包括散热器件50，散热器件50收容在通孔621内。散热器件50设置在热电制冷元件70的热端702，具体地，热端702与散热器件50接触，热端702释放的热量经散热器件50散发到外界环境中。其中，散热器件50可以是散热鳍片。如此，结合使用热电制冷元件70和散热器件50，进一步提升散热效果。
请参阅图3，在某些实施方式中，基板62开设有多个散热孔622，散热孔622中填充有导热胶以释放热电制冷元件70的热端702释放的热量。其中，至少一个散热孔622的位置与热电制冷元件70的位置相对，从而使得热端702与散热孔622的导热胶相接触，提升散热孔622的散热效率。
请一并参阅图4和图5，在某些实施方式中，热电制冷元件70通过导线90与电路板61电连接。电路板61上可以集成有供电单元以为热电制冷元件70供电。或者，电路板61外接供电单元，热电制冷元件70通过两条导线90与电路板61电连接后，经电路板61与供电单元电连接。其中，如图4所示，导线90可以部分收容在通孔621内，一条导线90的一端与热电制冷元件70的冷端701连接，另一端与电路板61连接；另一条导线90的一端与热电制冷元件70的热端702连接，另一端也与电路板61连接，由此供电单元、热电制冷元件70及两条导线90形成闭合回路，回路通上直流电后，电制冷元件70的两端便形成冷端701与热端702，从而实现对激光发射器10的散热。
在某些实施方式中，如图5所示，基板62还可以开设两个导孔623，两条导线90分别设置在两个导孔623中，同样地，一条导线90的一端与热电制冷元件70的冷端701连接，另一端与电路板61连接；另一条导线90的一端与热电制冷元件70的热端702连接，另一端也与电路板61连接，由此供电单元、热电制冷元件70及两条导线90形成闭合回路，回路通上直流电后，热电制冷元件70的两端便形成冷端701与热端702，从而实现对激光发射器10的散热。
请再参阅图1，在某些实施方式中，激光发射器10可为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting 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。
请参阅图6，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6和图7，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6和图8，激光发射器10的侧面12也可以粘接在基板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，此时边发射器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生跌落、移位或晃动等意外。
请一并参阅图6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用于支撑住激光发射器10。如此，可以防止激光发射器10发生晃动。
请参阅图10，本发明还提供一种图像获取装置1000。本发明实施方式的图像获取装置1000包括上述任意一项实施方式所述的结构光投射器100、图像采集器200和处理器300。其中，图像采集器200用于采集经衍射元件30衍射后向目标空间中投射的激光图案。处理器300分别与结构光投射器100、图像采集器200连接。处理器300用于根据温度检测信号调节激光发射器10的发射功率，以及处理激光图案以获取深度图像。
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。
本发明实施方式的图像获取装置1000中的结构光投射器100通过在激光发射器10的邻近位置设置一个热电制冷元件70，热电制冷元件70的冷端701与激光发射器10接触，激光发射器10工作时产生的热量会通过冷端701向热端702传递，进而通过热端702释放到外界中，从而可以为激光发射器10散热，降低激光发射器10的温度，避免因温度升高导致温漂而影响激光发射器10的使用性能。
请参阅图11，本发明实施方式的电子设备3000包括壳体2000及上述实施方式的图像获取装置1000。图像获取装置1000设置在壳体2000内并从壳体2000暴露以获取深度图像。
本发明实施方式的电子设备3000中的结构光投射器100通过在激光发射器10的邻近位置设置一个热电制冷元件70，热电制冷元件70的冷端701与激光发射器10接触，激光发射器10工作时产生的热量会通过冷端701向热端702传递，进而通过热端702释放到外界中，从而可以为激光发射器10散热，降低激光发射器10的温度，避免因温度升高导致温漂而影响激光发射器10的使用性能。
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；
衍射元件，所述衍射元件用于衍射经所述准直元件准直后的所述激光；和
热电制冷元件，所述热电制冷元件包括相背的冷端和热端，所述冷端与所述激光发射器接触以为所述激光发射器散热。
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，所述基板组件包括基板和承载在所述基板上的电路板，所述激光发射器安装在所述基板组件上；和
镜筒，所述镜筒包括侧壁及自所述侧壁延伸的承载台，所述侧壁设置在所述电路板上，所述侧壁与所述电路板围成有收容腔，所述激光发射器、所述准直元件及所述衍射元件均收容在所述收容腔内。
3.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，所述电路板开设有过孔，所述激光发射器收容在所述过孔内；所述基板开设有通孔，所述通孔的位置与所述过孔的位置对应，所述热电制冷元件收容在所述通孔内。
4.根据权利要求3所述的结构光投射器，其特征在于，结构光投射器还包括散热器件，所述散热器件收容在所述通孔内，所述散热器件设置在所述热端。
5.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述激光发射器为边发射激光器，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。
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电路板之间，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。
9.一种图像获取装置，其特征在于，所述图像获取装置包括：
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。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
壳体；和
权利要求9所述的图像获取装置，所述图像获取装置设置在所述壳体内并从所述壳体暴露以获取深度图像。
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