CN109634037B - 一种光束调制元件、光学投影模组、感测装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光束调制元件，用于将一光源所发出的光束调制成能够投射出用于三维感测的光斑图案的光束。所述光束调制光学基材及形成在光学基材上的至少两组不同的光学调制结构。每一组所述光学调制结构分别生成对应的光斑图案。所述不同组的光学调制结构所生成的光斑图案彼此相同但相互之间存在一预设的位置偏移。本申请还提供一种光学投影模组、感测装置及设备。

Description

一种光束调制元件、光学投影模组、感测装置及设备

技术领域

本申请属于光学技术领域，尤其涉及一种光束调制元件、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光斑图案来进行三维感测。所投射出来的光斑密度越高，则所能感测出来的被测目标物上的三维信息就越全面。提高所投射的光斑密度最直接的方法是增加光源上发光点的数量，然而增加光源上发光点的数量会受制作工艺的限制，另外也会随之增加光源的制作成本。

发明内容

本申请所要解决的技术问题在于提供一种光束调制元件、光学投影模组、感测装置及设备，可以在不增加光源的发光点数量基础上增加复制光斑密度的，达成提高三维感测的精度的有益效果。

本申请实施方式提供一种光束调制元件，用于将一光源所发出的光束调制成能够投射出用于三维感测的光斑图案的光束。所述光束调制元件包括光学基材及形成在光学基材上的至少两组不同的光学调制结构。每一组所述光学调制结构分别生成对应的光斑图案。所述不同组的光学调制结构所生成的光斑图案彼此相同但相互之间存在一预设的位置偏移。

在某些实施方式中，所述光斑图案是光学调制结构将光源的光源发光体图案单元复制多份后周期性组合形成的。

在某些实施方式中，所述光学调制结构选自衍射光学结构、光学微透镜阵列及光栅结构中的一种及其组合。

在某些实施方式中，若所述位置偏移在一个光源发光体图案单元的周期内，所述位置偏移沿任意方向分解的最小偏移量大于或等于光斑图案中相邻光斑中心间距平均值的0.4倍。

在某些实施方式中，若所述光斑图案的偏移超出了一个光源发光体图案单元周期所在的范围，则所述位置偏移沿任意方向分解的最小偏移量在减去单个光源发光体图案单元沿该方向尺寸的所超出的周期数的整数倍后仍满足大于或等于光斑图案中相邻光斑中心间距平均值的0.4倍。

在某些实施方式中，偏移重叠后的光斑图案的光斑占空比范围为大于等于单个光斑图案的光斑占空比的1.3倍而小于或等于单个光斑图案的光斑占空比的2倍。

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如上述任意一实施方式所述的光束调制元件及光源。所述光源发射出具有预设空间排布的一组感测光束。所述光束调制元件将感测光束按照预设规则进行复制后在被测目标物上投射出用于三维感测的预设光斑图案。

在某些实施方式中，所述光源包括半导体基底及形成在所述半导体基底上的发光体，所述发光体为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，其包括如上述任意一实施方式所述的光学投影模组及感测模组。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中由第一光束调制结构投射出的第一光斑图案的结构示意图。

图3是图1中相互偏移重叠的第一光斑图案及第二光斑图案的结构示意图。

图4是图3中的光源结构沿IV-IV线的剖视图以及所述光源结构与上方顺序排列的第一个光学元件的位置关系示意图。

图5是本申请第二实施方式提供的感测装置的结构示意图。

图6是本申请第三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。

请一并参阅图1、图2及图3，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及光源12。所述光源12发射出具有预设空间排布的一组感测光束13。所述光束调制元件10将感测光束13按照预设规则进行复制后在被测目标物上投射出用于三维感测的预设光斑图案11。

所述感测光束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，所述感测光束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及形成在所述半导体基底120上的发光体122。所述发光体122可以为半导体激光器。优选地，在本实施方式中，所述发光体122为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，在所述半导体基底120上通过光刻和蚀刻等工艺制成。所述发光体122的数量可以为一个或多个。所述发光体122在半导体基底120上可以为非规则排布、规则排布、周期性排布或者为单孔宽面型VCSEL，在此不做限制。

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上的至少两组不同的光学调制结构102。每一组所述光学调制结构102分别生成对应的光斑图案。在本实施方式中，所述光斑图案11可以是将所述光源12的光源发光体图案单元1101复制多份后组合形成的。所述不同组的光学调制结构102分别生成图案相同的光斑图像11但相互之间存在一预设的位置偏移。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。

在本实施方式中，所述光束调制元件10包括第一光学调制结构1020和第二光学调制结构1022。可以理解的是，图1中所示出的第一光学调制结构1020和第二光学调制结构1022的形状和位置仅为了表示区别，并不是所述第一光学调制结构1020和第二光学调制结构1022真实的形状和位置排布。

所述光源12发出的感测光束11经由第一光学调制结构1020后被调制形成对应的第一光斑图案110。所述第一光斑图案110由多个周期重复排布的光源发光体图案单元1101的复本组成。所述光源12经由第二光学调制结构1022后被调制形成对应的第二光斑图案112。所述第二光斑图案112与第一光斑图案110相同，但所述第二光斑图案112相对于第一光斑图案110存在预设的位置偏移S。所述第一光斑图案110与第二光斑图案112为平面图形，所以相互之间的位置偏移S分解为沿第一方向X的第一偏移量H和沿第二方向Y的第二偏移量P，所述第一方向X垂直于第二方向Y，在本实施方式中，所述第一方向X为水平方向，所述第二方向Y为竖直方向。

若所述位置偏移S在一个光源发光体图案单元1101周期内，所述位置偏移S沿任意方向分解的最小偏移量大于或等于第一光斑图案1101中相邻光斑中心间距平均值的0.4倍，在本实施方式中即为所述第一偏移量H和第二偏移量P中的较小值应大于或等于相邻光斑中心间距平均值的0.4倍。因所投射出来的光斑都具有一定的光晕范围，如此可使得所述相互偏移的光斑图案11之间的光斑尽可能不重叠。

偏移后部分重叠的第一光斑图案110与第二光斑图案112所组成的完整图案中所述光斑的密度得到提高。若所述单个光斑图案11的光斑占空比为T0，则偏移重叠后所述第一光斑图案110与第二光斑图案112所组成的完整图案的光斑占空比TN大于等于1.3倍的T0而小于或等于两倍的T0。

可以理解的是，若所述光斑图案11的偏移超出了一个光源发光体图案单元1101周期所在的范围，则所述位置偏移S沿任意方向分解的最小偏移量在减去单个光源发光体图案单元1101沿该方向的尺寸的所超出的对应周期数的整数倍后适用上述对光斑图案11的最小偏移量和重叠后光斑密度的要求。

可以理解的是，在其他实施方式中，所述光束调制元件102还可以包括两组以上不同的光学调制结构102以对应形成两个以上相互偏移的光斑图案11。

如图1和图4所示，本申请第二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包括如上述第一实施方式所提供的光学投影模组1及感测模组2。所述光学投影模组1用于投射预设的光斑图案11至被测目标物上。所述感测模组2包括镜头21、图像传感器22和图像分析处理器23。所述图像传感器22通过镜头21感测投射到被测目标物上的所述光斑图案11。所述图像分析处理器23分析所感测到光斑图案11获取被测目标物的三维信息。

在本实施方式中，如图5所示，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6所示，本申请第三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，本申请所提供的光束调制元件12、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 (7)

1.一种光束调制元件，其特征在于，用于将一光源所发出的光束调制成能够投射出用于三维感测的光斑图案的光束，所述光束调制元件包括光学基材及形成在光学基材上的至少两组不同的光学调制结构，每一组所述光学调制结构分别生成对应的光斑图案，不同组的所述光学调制结构所生成的光斑图案彼此相同但相互之间存在一预设的位置偏移；

所述光斑图案是光学调制结构将光源的光源发光体图案单元复制多份后周期性组合形成的，若所述位置偏移在一个光源发光体图案单元的周期内，所述位置偏移沿任意方向分解的最小偏移量大于或等于光斑图案中相邻光斑中心间距平均值的0.4倍；所述光学调制结构选自光学微透镜阵列及光栅结构中的一种及其组合。

2.如权利要求1所述的光束调制元件，其特征在于，若所述光斑图案的偏移超出了一个光源发光体图案单元周期所在的范围，则所述位置偏移沿任意方向分解的最小偏移量在减去单个光源发光体图案单元沿该方向尺寸的所超出的周期数的整数倍后仍满足大于或等于光斑图案中相邻光斑中心间距平均值的0.4倍。

3.如权利要求1所述的光束调制元件，其特征在于，偏移重叠后的光斑图案的光斑占空比范围为大于等于单个光斑图案的光斑占空比的1.3倍而小于或等于单个光斑图案的光斑占空比的2倍。

4.一种光学投影模组，用于投射出预设的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如权利要求1至3中任意一项所述的光束调制元件及光源，所述光源发射出具有预设空间排布的一组感测光束，所述光束调制元件将感测光束按照预设规则进行复制后在被测目标物上投射出用于三维感测的预设光斑图案。

5.如权利要求4所述的光学投影模组，其特征在于，所述光源包括半导体基底及形成在所述半导体基底上的发光体，所述发光体为垂直腔面发射激光器。

6.一种感测装置，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4或5所述的光学投影模组，所述感测模组用于感测所述光学投影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。

7.一种电子设备，包括权利要求6所述的感测装置，所述电子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。