CN109870865A - 结构光投影装置及包括其的电子设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种结构光投影装置，该结构光投影装置包括激光发射器、准直系统和衍射光学元件，其中，准直系统位于激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；衍射光学元件位于准直系统远离激光发射器的一侧，以将通过准直系统的光束投射至空间目标的表面，其中准直系统包括用于改变准直系统的焦点的至少一个可调透镜。根据本公开的结构光投影装置，具有可调透镜的准直系统根据外部驱动力改变其焦点、焦距等光学参数，从而调整所投射的光束的可识别范围。

Description

结构光投影装置及包括其的电子设备

技术领域

本申请涉及可变焦结构光投影装置，更具体地，涉及能够改变准直系统的光学参数的可变焦结构光投影装置以及包括这种可变焦结构光投影装置的深度相机和电子设备。

背景技术

随着科技发展，深度相机技术例如成像效果等越来越完善，使得深度相机也逐步应用于各种电子设备。

结构光投影装置作为深度相机的重要构成部件，其功能的好坏将直接影响整个深度相机的功能，例如结构光投影模组投影效果差，会使得整个深度相机成像质量差。

而在目前的技术中，由于技术上的局限性，结构光投影模组的投影距离受到限制。此外，通过投影模组投射的光束汇聚到人眼时，将对人眼造成伤害，因此投射至空间目标表面的光束能量不能过大，而这也将极大地影响投射范围。为解决这一问题，可以采用如下方式，即主动调整准直系统的焦距或焦点，使得光线不在空间目标表面汇聚，从而降低到达该表面(例如，人眼)的能量密度，或者移动形成在空间目标表面上的光斑的位置，使得避开人眼等敏感部位。

此外，目前深度相机通常设置于电子设备前端(即，作为前置摄像头)，因此只需要提供近距离的成像。但是随着市场需求的扩展，短距离拍摄成像不能满足用户的需求，因此急需一种解决方案，能够在不影响成像效果的同时增大拍摄距离，并适当地调整投射出的光束的能量以及所形成的光斑大小，以符合使用者的要求。

当前的结构光投影装置大都具有固定参数，即在使用时，焦点、焦距等光学参数不会发生变化，相应地，深度相机的拍摄距离也具有某一固定的范围(例如景深)。一旦空间目标超出该范围，结构光投影装置则无法将高质量的结构光光束投射到空间目标物体的表面，从而使得深度相机成像质量变差。同时，还应当避免发生如上所述的光束汇聚到空间目标表面时能量过大的问题。

可以理解的是，结构光投射到该范围内的空间目标物体的表面而形成的可识别区域的范围符合用户的要求，而当目标物体超出该范围时，由于所形成的可识别区域，例如光斑过大而无法被接收模组接收并识别，其结果，将影响深度相机的成像效果。

发明内容

为解决以上提出的问题，本申请提供一种具有包括可调透镜的准直系统的结构光投影装置。该结构光投影装置通过驱动可调透镜来改变准直系统的焦点等光学参数，从而获得理想范围的可识别区域，其结果，不仅能够扩大投影范围。

本申请示例性实施方式提供一种结构光投影装置，该结构光投影装置包括激光发射器、准直系统、衍射光学元件，其中，准直系统位于激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；衍射光学元件位于准直系统远离激光发射器的一侧，以将通过准直系统的光束投射至空间目标的表面，其中，准直系统包括一个或多个可调透镜，可调透镜用于改变准直系统的焦点。

根据本申请示例性实施方式，准直系统包括两个或多于两个可调透镜，且结构光投影装置还可包括驱动部，该驱动部可与两个或多于两个可调透镜中的至少一个可调透镜相连接，以驱动该至少一个可调透镜在激光发射器所发出的光束的光路上移动。

根据本申请示例性实施方式，驱动部可与一个或多个可调透镜相连接，以驱动一个或多个可调透镜产生形变。

根据本申请示例性实施方式，结构光投影装置还可包括支撑部，该支撑部用于支撑准直系统和衍射光学单元，并且驱动部连接于支撑部与可调透镜之间。

根据本申请示例性实施方式，可调透镜可以是压电聚合物镜片或液体镜片。

根据本申请示例性实施方式，驱动部可以是磁力驱动机构、马达和MEMES驱动器中的一种。

根据本申请示例性实施方式，激光发射器可以是垂直腔面激光发射器和垂直腔面激光发射器阵列中的一种。

根据本申请示例性实施方式，可调透镜可以是液晶透镜，并且结构光投影装置还可包括驱动部，该驱动部可与液晶透镜电连接并向液晶透镜传输电信号，以驱动液晶透镜，使得改变准直系统的焦点。

根据本申请示例性实施方式，响应于来自驱动部的电信号，液晶透镜内部的液晶分子排列发生变化。

根据本申请示例性实施方式，结构光投影装置还可包括支撑部，用于支撑准直系统和衍射光学单元，并且驱动部可连接于支撑部与可调透镜之间。

根据本申请示例性实施方式，驱动部可以是金属支架、金属导线中的一种。

根据本申请示例性实施方式，衍射光学元件可包括图案层和衍射层，图案层可包括多个不规则散斑图案，且衍射层用于对光束进行分束。

根据本申请示例性实施方式，衍射层位于图案层远离激光发射器的一侧。

本申请另一示例性实施方式提供了包括结构光投影装置的深度相机。其中，结构光投影装置包括激光发射器、准直系统、衍射光学元件，其中，准直系统位于激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；衍射光学元件位于准直系统远离激光发射器的一侧，以将通过准直系统的光束投射至空间目标的表面，其中，准直系统包括一个或多个可调透镜，可调透镜用于改变准直系统的焦点。

根据本申请实施方式，根据本示例性实施方式的结构光投影装置能够通过驱动可调透镜来改变准直系统的焦点等光学参数，从而增大投影范围并调节光能量。包括这种结构光投影装置的深度相机能够具有较大的景深，即，在拍摄距离较远的情况下，也能够获得理想范围的可识别区域，例如，获得期望大小的光斑，从而确保良好的成像质量。

附图说明

以上和/或其他方面将通过参照附图描述某些示例性实施方式而变得更加显而易见。附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。在附图中：

图1是根据本申请一示例性实施方式的结构光投影装置的结构示意图；

图2是根据本申请另一示例性实施方式的结构光投影装置的结构示意图；

图3是根据本申请另一示例性实施方式的可调透镜发生形变的示意图；

图4是根据本申请又一示例性实施方式的结构光投影装置的结构示意图；

图5是根据本申请又一示例性实施方式的结构光投影装置的结构示意图；

图6是根据本申请又一示例性实施方式的结构光投影装置的结构示意图；

图7是根据本申请又一示例性实施方式的可调透镜的内部分子结构发生变化的示意图；

图8是根据本申请又一示例性实施方式的结构光投影装置的结构示意图；以及

图9是根据本申请的示例性实施方式的包括结构光投影装置的深度相机的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对某些示例性实施方式进行更详细的描述，其中，在全文中，相同的附图标记指代相同的元件。在这方面，示例性实施方式可具有不同的形式，并且不应被解释为限于本文所记载的描述。相应地，以下通过参照附图描述示例性实施方式仅用于解释本申请的各方面。为了说明的便利性，附图中的元件的尺寸可被夸大。也就是说，由于图中的部件的尺寸和厚度为便于说明而被任意地示出，因此以下示例性实施方式不应受其限制。

另外，本说明书中使用的术语仅用于描述特定的实施方式，并非旨在限制本申请。单数形式的表述包括复数形式的表述，除非其在上下文中具有明显不同的含义。在本说明书中，应理解，术语例如“包括”或“具有”等旨在表明本说明书中公开的特征、数字、操作、部件、零件或它们的组合的存在，并非旨在排除存在或附加有一个或多个其他特征、数字、操作、部件、零件或它们的组合。

下面将参照附图描述根据本申请示例性实施方式的结构光投影装置。

参照图1，其示出了根据本申请一示例性实施方式的结构光投影装置100的示意图。该结构光投影装置100可包括激光发射器101、准直系统102和衍射光学元件103。激光发射器101发射光束。准直系统102位于激光发射器101所发出的光束的光路上，并且对激光发射器101发出的光束进行准直。衍射光学元件103位于准直系统102远离激光发射器101的一侧，并将通过准直系统102的经准直的光束投射到空间目标的表面，从而形成一定的可识别区域。

在本示例性实施方式中，准直系统102包括一个或多个可调透镜104。可调透镜104可设置在准直系统102中的任意位置处。

在本示例性实施方式中，如图1所示，可调透镜104设置在准直系统102的上部，并位于激光发射器101发射的光束的光路上，但是本申请不限于此。可调透镜104位于所发射的光束的光路上即可，例如，一个或多个可调透镜104也可设置在准直系统102的中间位置或下部。可调透镜104可根据外部驱动改变其光学参数，从而改变准直系统102的整体光学参数，例如焦距、焦点等。

在准直系统102包括两个或多于两个可调透镜的情况下，结构光投影装置100还可包括连接至上述两个或多于两个可调透镜中的至少一个可调透镜104的驱动部105。驱动部105可驱动该至少一个可调透镜104以改变可调透镜104在所发射出的光束的光路上的位置、角度等，从而改变准直系统102整体的焦点、焦距等光学参数。

此时，可调透镜104可以是压电聚合物镜片或者液体镜片。

驱动部105可以是MEMS驱动器、马达等。可替代地，驱动部也可以是磁力驱动机构。

在这种情况下，驱动部105可通过向可调透镜104提供磁力等驱动力来改变可调透镜104的位置、角度等。其结果，能够根据目标物体与投影装置之间的距离来调整可调透镜104的焦点，使得通过衍射光学元件103发射出的光束在到达目标物体时能够呈现满足使用者要求的光学特征信息，即经过衍射光学元件103投射至目标物体上所形成的可识别区域范围符合使用者的要求。

另外，在准直系统102包括一个或多个可调透镜的情况下，驱动部105也可驱动可调透镜104产生形变，进而实现准直系统102的变焦。

图2示例性地示出了准直系统102由一个可调透镜104构成的实施方式，在该实施方式中，可调透镜104根据驱动部105的作用力发生形变，其形变过程如图3所示。在该示例中，可调透镜104也可以是压电聚合物镜片或者液体镜片。如图2所示，驱动部105可设置在可调透镜104的两端部上。根据驱动部105所施加的力，可调透镜104的形状发生变化，由此可调透镜104的焦距等光学参数也随之改变。可调透镜104的形状变化的幅度可通过传输至驱动部105的电信号来调节。

如图4和图5所示，准直系统102也可由多个透镜组成，且多个透镜中的至少一个为可调透镜104。至少一个可调透镜104在准直系统102中的位置并无具体限制，其可位于准直系统102中远离激光发射器101的一侧，或者位于靠近激光发射器101的一侧(参照图5)。

重新参照图1，结构光投影装置100还可包括底座106和支撑部107，激光发射器101可设置在底座106上，且支撑部107用于支撑准直系统102和衍射光学元件103，使得准直系统102和衍射光学元件103位于所发射出的光束的光路上。驱动部105可连接于支撑部107与可调透镜104之间。此外，驱动部105也可如图4所示设置在可调透镜104的两端部处，或者如图5所示，设置在支撑部107中并与可调透镜104连接。

在本示例性实施方式中，结构光投影装置100还可包括线路板108。线路板108可设置在激光发射器101与底座106之间，并且用于控制激光发射器101以调节激光发射器101所发射出的光束。线路板108还可包括集成芯片等控制单元。此时，电路板108可向驱动部105传输电信号，并根据存储于控制单元中的控制逻辑对可调透镜104进行更精确的控制。

激光发射器101优选为垂直腔面激光发射器(VCSEL)或VCSEL阵列，但是本申请不限于此。

图6示出了根据本申请另一示例性实施方式的结构光投影装置100。根据本示例性实施方式的结构光投影装置100包括激光发射器101、准直系统102、衍射光学元件103。其中，激光发射器101、准直系统102和衍射光学元件103的结构与前述实施方式中所描述的对应部件具有相同或相似的配置。

在本示例性实施方式中，准直系统102可包括一个或多个可调透镜104。

可调透镜104可以是液晶透镜。此外，结构光投影装置100还可包括驱动部105。

在图6和图7中，驱动部105示例性地示出为导线，但是并不限于此。例如，驱动部105可具有金属支架、金属导线等形式。

在这种情况下，驱动部105向可调透镜104提供电流，使得该可调透镜104的内部液晶分子排列发生变化，从而实现变焦。图7示出了液晶镜片的内部分子排列发生变化的过程。

由于可调透镜104的内部分子排列发生变化，其焦点、焦距等光学特性改变，也就是说，准直系统102整体的光学特性改变，由此能够使光束通过衍射光学元件投射至目标物体之后所形成的可识别区域具有适当的范围以满足使用者的要求。

图8示出了根据本申请另一示例性实施方式的结构光投影装置100。根据本示例性实施方式的结构光投影装置100包括激光发射器101、准直系统102、衍射光学元件103。其中，激光发射器101、准直系统102和衍射光学元件103的结构与前述实施方式中所描述的对应部件具有相同或相似的配置。

在本示例性实施方式中，衍射光学元件103包括图案层123和衍射层113。在此，图案层123包括多个不规则散斑图案，且衍射层113用于对光束进行分束。如图8所示，衍射层113位于图案层123远离激光发射器101的一侧，但是衍射层113的具体位置不限于此。

图9示出了根据本申请一示例性实施方式的包括结构光投影装置100的深度相机500的结构示意图。

根据本申请示例性实施方式，深度相机500包括结构光投影装置100和采集模组200。结构光投影装置100用于向空间目标的表面投射结构光光束，以形成可识别区域，并且具有前述实施方式所描述的配置。采集模组200用于识别并采集与光束投射至空间目标所形成的可识别区域相关的信息。

在该示例性实施方式中，深度相机500还可包括处理器300。处理器300接收与采集模组所采集到的可识别区域相关的信息，并根据可识别区域的相关信息生成空间目标的深度图像。

在该示例性实施方式中，采集模组的景深范围大于或等于结构光投影装置的景深范围，使得采集模组能够接收并识别到通过结构光投影装置投射至空间目标所形成的结构光光斑。

由于根据本示例性实施方式的结构光投影装置能够通过调节可调透镜的焦距来增大投影范围，包括这种结构光投影装置的深度相机能够具有较大的景深，即，在拍摄距离较远的情况下，也能够获得理想范围的可识别区域，从而确保良好的成像质量。

此外，根据本申请示例性实施方式的结构光投影装置还可应用于智能手机、可穿戴设备、计算机设备、电视机、交通工具、照相机、摄像机、监控装置等各种电子设备。

虽然已经示出并描述了本申请的一些实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本申请的原则和精神的情况下可以对这些实施方式进行改变，本申请的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (17)

1.一种结构光投影装置，包括：

激光发射器；

准直系统，位于所述激光发射器所发出的光束的光路上，以对所发出的光束进行准直；

衍射光学元件，位于所述准直系统远离所述激光发射器的一侧，以将通过所述准直系统的光束投射至空间目标的表面，其中

所述准直系统包括一个或多个可调透镜，所述一个或多个可调透镜用于改变所述准直系统的焦点。

2.如权利要求1所述的结构光投影装置，其中，

所述准直系统包括两个或多于两个可调透镜，

所述结构光投影装置还包括：

驱动部，与所述两个或多于两个可调透镜中的至少一个相连接，以驱动所述至少一个可调透镜在所述激光发射器所发出的光束的光路上移动。

3.如权利要求1所述的结构光投影装置，还包括：

驱动部，与所述一个或多个可调透镜相连接，以驱动所述一个或多个可调透镜产生形变。

4.如权利要求2或3所述的结构光投影装置，其中，

所述结构光投影装置还包括支撑部，用于支撑所述准直系统和所述衍射光学单元，并且所述驱动部连接于所述支撑部与所述可调透镜之间。

5.如权利要求4所述的结构光投影装置，其中，

所述可调透镜为压电聚合物镜片或液体镜片。

6.如权利要求4所述的结构光投影装置，其中，所述驱动部为磁力驱动机构、马达和MEMES驱动器中的一种。

7.如权利要求2或3所述的结构光投影装置，其中，

所述激光发射器为垂直腔面激光发射器和垂直腔面激光发射器阵列中的一种。

8.如权利要求1所述的结构光投影装置，其中，

所述一个或多个可调透镜为液晶透镜，并且所述结构光投影装置还包括：

驱动部，与所述液晶透镜电连接并向所述液晶透镜传输电信号，以驱动所述液晶透镜，使得改变所述准直系统的焦点。

9.如权利要求8所述的结构光投影装置，其中，

响应于来自所述驱动部的电信号，所述液晶透镜内部的液晶分子排列发生变化。

10.如权利要求8或9所述的结构光投影装置，其中，

所述结构光投影装置还包括支撑部，用于支撑所述准直系统和所述衍射光学单元，并且所述驱动部连接于所述支撑部与所述一个或多个可调透镜之间。

11.如权利要求8或9所述的结构光投影装置，其中，

所述驱动部是金属支架、金属导线中的一种。

12.如权利要求8或9所述的结构光投影装置，其中，

所述激光发射器为垂直腔面激光发射器和垂直腔面激光发射器阵列中的一种。

13.如权利要求1所述的结构光投影装置，其中，

所述衍射光学元件包括图案层和衍射层，所述图案层包括多个不规则散斑图案，且所述衍射层用于对光束进行分束。

14.如权利要求13所述的结构光投影装置，其中，

所述衍射层位于所述图案层远离所述激光发射器的一侧。

15.一种深度相机，包括：

如权利要求1至14中任一项所述的结构光投影装置，用于向空间目标的表面投射结构光光束，以形成可识别区域；

采集模组，用于采集所述空间目标的表面上所形成的所述可识别区域，

其中，所述采集模组的景深范围大于或等于所述结构光投影装置的投射范围。

16.一种电子设备，包括：如权利要求15所述的深度相机。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中，所述电子设备为智能手机、可穿戴设备、计算机设备、电视机、交通工具、照相机、摄像机、监控装置中的一种。