CN109581795A - 一种光学投影模组、感测装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光学投影模组，用于投射出预设的感测光斑图案至被测目标物上进行三维感测。所述光学投影模组包括光源、光发散元件及光束调制元件。所述光源包括规则排布的发光单元。所述光发散元件设置在发光单元的出射光路上以将发光单元所发出的规则排布光束打散成非规则排布的光束。所述光束调制元件将所述非规则排布的光束复制多份后在被测目标物上投射出预设的感测光斑图案。本申请还提供一种感测装置及设备。
Description
技术领域
本申请属于光学技术领域，尤其涉及一种光学投影模组、感测装置及设备。
背景技术
现有的三维(Three Dimensional,3D)感测模组通过在被测目标物上投射预设的随机分布光斑图案来进行三维感测。对应地，所述感测模组的光源也通常设置有多个随机分布的发光单元。然而，随机分布的发光单元的位置不容易确定，需要特别定制，随之增加了光源的制作成本。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于提供一种光学投影模组、感测装置及设备，可以采用具有规则分布发光单元的光源投射出随机分布的光斑图案进行三维感测。
本申请实施方式提供一种光学投影模组，用于投射出预设的感测光斑图案至被测目标物上进行三维感测。所述光学投影模组包括光源、光发散元件及光束调制元件。所述光源包括规则排布的发光单元。所述光发散元件设置在发光单元的出射光路上以将发光单元所发出的规则排布光束打散成非规则排布的光束。所述光束调制元件将所述非规则排布的光束复制多份后在被测目标物上投射出预设的感测光斑图案。
在某些实施方式中，所述光发散元件包括透光基板及形成在透光基板上多个光学微结构，所述光学微结构通过设置具有不同边界条件的表面形状来实现准直光束和改变光束方向的功能。
在某些实施方式中，所述光学微结构包括具有准直光束功能的表面形状及具有改变光束方向功能的表面形状，所述具有准直功能的表面形状与所述改变光束方向功能的表面形状相互叠加而形成所述光学微结构的整体表面形状。
在某些实施方式中，所述光学微结构与发光单元一一对应设置，每个发光单元所发出的光束经过对应光学微结构后射出。
在某些实施方式中，所述每个光学微结构与两个或两个以上的发光单元对应设置，该两个或两个以上的发光单元所发出的光束一起经对应光学微结构后射出。
在某些实施方式中，所述发光单元选自垂直腔面发射激光器、发光二极管及激光二极管中的任意一种及其组合。
在某些实施方式中，所述光源为均匀发光的面光源，所述光发散元件设置有所述光学微结构的出光面上位于每个所述光学微结构之间的部分镀有遮光膜层，以使得所述发光单元所发出的光束仅从所述光发散元件的光学微结构射出。
在某些实施方式中，所述光源为单孔宽面型垂直腔面发射激光器。
本申请实施方式提供一种感测装置，其用于感测被测目标物的三维信息，其包括感测模组及如上述任意一实施方式所述的光学投影模组。所述感测模组用于感测所述光学模组在被测目标物上投射的预设图案并通过分析所述预设图案的图像获取被测标的物的三维信息。
本申请实施方式提供一种设备，包括上述实施方式所述的感测装置。所述设备根据所述感测装置所感测到的被测目标物的三维信息来执行相应功能。
本申请实施方式所提供的光束调制元件、光学投影模组、感测装置及设备采用不同组光学调制结构投射出多个相互间位置偏移的相同光斑图案，可增加感测光斑的密度，提高三维感测的精度。
本申请实施方式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，或通过本申请实施方式的实践了解到。
附图说明
图1是本申请第一实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。
图2是图1中光源上的发光单元的排布示意图。
图3是图1中光源的发光单元所发出光束经光发散元件后形成的不规则分布的光斑示意图。
图4是本申请第二实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。
图5是本申请第三实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。
图6是本申请第四实施方式提供的感测装置的功能模块图。
图7是图6中所述感测装置的结构示意图。
图8是本申请第五实施方式提供的设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述，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或排列顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述技术特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，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，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接或相互通信；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之间的相互作用关系。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申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或示例用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文仅对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复使用参考数字和/或参考字母，这种重复使用是为了简化和清楚地表述本申请，其本身不指示所讨论的各种实施方式和/或设定之间的特定关系。此外，本申请在下文描述中所提供的各种特定的工艺和材料仅为实现本申请技术方案的示例，但是本领域普通技术人员应该意识到本申请的技术方案也可以通过下文未描述的其他工艺和/或其他材料来实现。
进一步地，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下文的描述中，提供许多具体细节以便能够充分理解本申请的实施方式。然而，本领域技术人员应意识到，即使没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本申请的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本申请之重点。
应该理解的是，此处所述的实施方式和/或方法在本质上是示例性的，不应视为对本申请技术方案的局限。此处所描述的实施方式或方法仅是本申请相关技术思想所涵盖的众多技术方案中的一种或多种，因此所描述的方法技术方案的各个步骤可以按照所标示的次序执行，可以按照其他次序执行，可以同时执行，或者在某些情况下被省略，上述的改动均应视为本申请所要求保护的技术方案所涵盖的范围。
如图1所示，本申请第一实施方式提供了一种光学投影模组1，用于投射出预设的感测光斑图案11至被测目标物上进行三维感测。所述光学投影模组1包括光束调制元件10、光发散元件11及光源12。所述光源12发出一组规则排布的光束。所述光发散元件11设置在光源12所发出光束的出射光路上，用于将所述规则排布的光束打散成非规则排布的光束。所述光束调制元件10将所述非规则排布的光束复制多份后形成具有预设光斑图案的光束后投射至被测目标物上。
所述光源12发出具有预设光场分布的一组光束13。所述光束13根据感测原理及应用场景可以为具有特定波长的光束。在本实施方式中，所述光束13用于感测被测目标物的三维信息，可以为红外或近红外波长光束，波长范围为750纳米(Nanometer,nm)至1650nm。
所述光源12包括半导体基底120、形成在所述半导体基底120上的多个发光单元122、阳极124和阴极126。所述发光单元122为能够在电激励作用下发光的半导体结构，通过光刻、蚀刻和/或金属有机化学气相沉积等工艺形成在所述半导体基底120上。例如，所述发光单元122可以为，但不限于，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser,VCSEL)、发光二极管(Light Emitting Diode,LED)或激光二极管(Laser Diode,LD)。在本实施方式中，如图2所示，所述发光单元122为VCSEL。所述发光单元122的数量大于或等于50个。所述发光单元122以二维点阵的形式规则地分布在所述半导体基底120的发光区域内。所述发光单元122呈间距相等的正方形点阵列排布。需要知道的是，图2中所述发光单元122的排布图案仅为了便于示例说明，所述发光单元122的数量并不限于图2中的数量，可根据实际情况进行调整。
所述光发散元件11包括透光基板110及形成在透光基板上多个光学微结构112。所述光学微结构112通过设置具有不同边界条件的表面形状来实现改变准直光束和改变光束方向的功能。例如，所述光学微结构112出光面的形状可以为具有不同朝向和倾斜角度的凸起。所述发光单元122的光束在出光面处通过折射作用而射出，根据光折射的斯涅尔定律(Snell's Law)：θ1为入射角度，θ2为出射角度，n21为出射的第二介质对入射的第一介质的相对折射率，由此可见对于具有相同折射率的材料而言，所述出射光束的角度与每个光学微结构112的出光面的朝向和倾斜角度相关。所述发光单元122发出的方向一致的原始光束经过所述不同表面形状的光学微结构112偏转后分别沿不同的方向射出，投射形成对应的光斑图案。所述不同光学微结构112的朝向和倾斜角度各自呈不规则分布。对应地，所述发光单元122所发出的原先规则分布的发射光束经过所述光学微结构112后打散成不规则分布的发射光束，可投射出如图3所示的不规则分布的光斑图案。
可以理解的是，所述光学微结构112还可以包括具有对光束进行准直的功能的表面形状。所述发光单元122所发出的光束具有一定的发散角度，通常需要将所述光束进行准直。因此，可以在所述光学微结构112上一并形成具有准直功能的表面形状来对光束进行准直。所述具有准直功能的表面形状包括但不限于具有特定曲率分布的球面。所述具有准直功能的表面形状可分别形成在透光基板110相对的两侧面上。所述具有准直功能的表面形状可以与所述改变光束方向功能的表面形状相互叠加而形成所述光学微结构112的整体表面形状。
可以理解的是，所述光发散元件11也可以包括维持发光单元122的出光方向不变的光学微结构112，该光学微结构112的出光面与对应发光单元122所发出光束的传播方向垂直，使得所述发光单元122发出的光束经过光学微结构112射出后不发生折射而沿着原先出光方向射出。
在本实施方式中，所述光学微结构112可以与发光单元122一一对应设置。即，所述光发散元件11上的光学微结构112数量等于所述光源12的发光单元122的数量。所述光发散元件11的位置设置使得每一个发光单元122分别与一个光学微结构112对应，该发光单元122所发出的光束经过对应光学微结构112后一部分沿着原先的出射方向继续传播，另一部分偏离原先的出射方向沿不同的方向折射而出。所述具有不同出光面朝向和倾斜角度的光学微结构112呈非规则排布，使得所述发光单元122发出的规则分布光束经所述光学微结构112改变后的方向也呈非规则分布。
所述光束调制元件10包括光学基材100及形成在光学基材100上的光学调制结构102。所述光束调制元件10将经过光发散元件11打散为非规则分布的光束按照预设规则复制多份后形成用于三维感测的感测光斑图案投射在被测目标物上。所述感测光斑图案可以是发光单元122发出的光束经光发散元件11打散为非规则分布的光斑图案复制多份后按照预设周期组合排布而成。所述光学调制结构102可以为衍射光学结构、光学微透镜阵列、光栅结构等可以对光束进行复制展开的光学结构，在此不做限制。对应地，所述光束调制元件10选自衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)、光学微透镜组、光栅中的一种及其组合。
如图4所示，本申请第二实施方式提供了一种光学投影模组2，其结构与第一实施方式的光学投影模组1基本相同，主要区别在于所述每个光学微结构212也可以与两个或两个以上的发光单元222对应设置。即，两个或两个以上所述发光单元222作为一组发光单元222集合对应于一个较大的光学微结构212，该两个或两个以上的发光单元222所发出的光束一起经对应光学微结构212后射出。因此，所述光源22发出的光束经光发散元件21后形成的光斑图案为与所述光学微结构212对应的多组发光单元222集合为单位的随机分布图案。
当然，所述光发散元件21也可以是部分光学微结构212与发光单元222一一对应设置，而另外一部分光学微结构212与两个或两个以上发光单元对应设置的结构，从而进一步提高所形成的光斑图案的分布随机性。
如图5所示，本申请第三实施方式提供了一种光学投影模组3，其结构与第一实施方式的光学投影模组1基本相同，主要区别在于所述光源32为单孔宽面型VCSEL。所述单孔宽面型VCSEL只有一个发光单元322，但发光孔径较大，数十倍于第一实施方式中所述光源12的其中一个发光单元122的发光孔径。所述单孔宽面型VCSEL的发光效果等同于发光强度均匀的面光源，发出光强均匀分布的原始光束。
所述光发散元件31的光学微结构312的形状和设置与第一实施方式或第二实施方式中所描述的相同，主要区别在于所述光发散元件31设置有所述光学微结构312的出光面上位于每个所述光学微结构312之间的部分镀有遮光膜层314，使得所述发光单元322所发出的光束仅从所述光发散元件31的光学微结构312射出，形成锐利的不规则分布光斑图案。
如图6和图7所示，本申请第四实施方式提供了一种感测装置4，其用于感测被测目标物的三维信息。所感测到的被测目标物的空间信息可被用于识别被测目标物或构建被测目标物的三维模型。
所述感测装置4包括如上述第一至第三实施方式所提供的光学投影模组1及感测模组40。所述光学投影模组1用于投射预设的感测光斑图案至被测目标物上。所述感测模组40包括镜头41、图像传感器42和图像分析处理器43。所述图像传感器42通过镜头41感测投射到被测目标物上的所述感测光斑图案。所述图像分析处理器43分析所感测到感测光斑图案11获取被测目标物的三维信息。
在本实施方式中，所述感测装置4为感测被测目标物表面的三维信息并据此识别被测目标物身份的3D脸部识别装置。
所述感测模组4根据所感测到的光斑图案在被测目标物上投射出的预设光斑图案的形状变化来分析出被测目标物表面的三维信息并据此对被测目标物进行脸部识别。
如图8所示，本申请第五实施方式提供一种设备5，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、触控交互屏、门、交通工具、机器人、自动数控机床等。所述设备5包括至少一个上述第二实施方式所提供的感测装置4。所述设备5用于根据该感测装置4的感测结果来对应执行相应的功能。所述相应功能包括但不限于识别使用者身份后解锁、支付、启动预设的应用程序、避障、识别使用者脸部表情后利用深度学习技术判断使用者的情绪和健康情况中的任意一种或多种。
在本实施方式中，所述感测装置4为感测被测目标物表面的三维信息并据此识别被测目标物身份的三维脸部识别装置。所述设备5为装有所述三维脸部识别装置的手机、笔记本电脑、平板电脑、触控交互屏等电子终端，或者为门、交通工具、安检仪器、出入境闸机等涉及进出权限的设备5。
与现有技术相比，本申请所提供的光学投影模组1、感测装置4及设备5采用不同组光学调制结构投射出多个相互间位置偏移的相同光斑图案，可增加感测光斑的密度，提高三维感测的精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学投影模组，用于投射出预设的感测光斑图案至被测目标物上进行三维感测，所述光学投影模组包括光源、光发散元件及光束调制元件，所述光源包括规则排布的发光单元，所述光发散元件设置在发光单元的出射光路上以将发光单元所发出的规则排布光束打散成非规则排布的光束，所述光束调制元件将所述非规则排布的光束复制多份后在被测目标物上投射出预设的感测光斑图案。
2.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述光发散元件包括透光基板及形成在透光基板上多个光学微结构，所述光学微结构通过设置具有不同边界条件的表面形状来实现准直光束和改变光束方向的功能。
3.如权利要求2所述的光学投影模组，其特征在于，所述光学微结构包括具有准直光束功能的表面形状及具有改变光束方向功能的表面形状，所述具有准直功能的表面形状与所述改变光束方向功能的表面形状相互叠加而形成所述光学微结构的整体表面形状。
4.如权利要求2所述的光学投影模组，其特征在于，所述光学微结构与发光单元一一对应设置，每个发光单元所发出的光束经过对应光学微结构后射出。
5.如权利要求2所述的光学投影模组，其特征在于，所述每个光学微结构与两个或两个以上的发光单元对应设置，该两个或两个以上的发光单元所发出的光束一起经对应光学微结构后射出。
6.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述发光单元选自垂直腔面发射激光器、发光二极管及激光二极管中的任意一种及其组合。
7.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述光源为均匀发光的面光源，所述光发散元件设置有所述光学微结构的出光面上位于每个所述光学微结构之间的部分镀有遮光膜层，以使得所述发光单元所发出的光束仅从所述光发散元件的光学微结构射出。
8.如权利要求7所述的光学投影模组，其特征在于，所述光源为单孔宽面型垂直腔面发射激光器。
9.一种感测装置，，其用于感测被测目标物的三维信息，其包括感测模组及如权利要求1至8中任意一项所述的光学投影模组，所述感测模组用于感测所述光学模组在被测目标物上投射的预设图案并通过分析所述预设图案的图像获取被测标的物的三维信息。
10.一种设备，包括权利要求9所述的感测装置，所述设备根据所述感测装置所感测到的被测目标物的三维信息来执行相应功能。
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