CN110187596B - 光学投影装置与电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学投影装置与包括所述光学投影装置的电子设备，所述光源投影装置包括光源，用于发出照明光；衍射光学元件，用于接收所述照明光，并对接收到的至少部分照明光进行衍射得到具有衍射图案的结构光，所述结构光投影至所述光学投影装置的投影区域中，定义穿过所述衍射光学元件而未被衍射的部分照明光为零阶光，所述衍射光学元件出射的结构光与零阶光沿不同的方向传输；检测元件，用于接收所述零阶光并检测所述零阶光的光功率；以及控制器，与所述检测元件通讯连接，用于根据所述零阶光的光功率调节所述光源的驱动功率。本发明提供的光学投影装置具有较高的使用安全性。

Description

光学投影装置与电子设备

技术领域

本发明涉及深度感测技术领域，尤其涉及一种光学投影装置与电子设备。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的具体实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

结构光深度感测技术目前被广泛的应用于三维人脸辨识、机器视觉应用、姿体动作辨识等，其优势相较于其他深度感测技术，具有高解析度与高取样频率之优势，并且能使用在无光环境之中。

结构光深度感测器包括投影模组、采集模组与处理器。投影模组向投影区域出射具有已知衍射图案的结构光，采集模组采集结构光在投影区域中的反射光，处理器分析反射光相对于结构光的形变与位移，进而计算出投影区域的深度数据，并描绘出投影区域的空间特征。投影模组包括衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)，衍射光学元件用于将入射光束转换为具有已知衍射图案的结构光，其原理是通过衍射光学元件中的光罩或微结构对入射光进行振幅调变或相位调变，以控制每一个空间角的绕射效率并产生已知衍射图案。目前衍射光学元件皆采用相位调变方式设计，原因在于振幅调变会损耗过多入射光能量，使得能量转换效率不佳。

然而，相位调变光学绕射投影技术中的一个主要问题是零阶光，其来源是由于制程因素使得衍射光学元件上的微结构尺寸的实际值与设计值具有差异，导致透射光波正反相位振幅不匹配或者导致光程差与波长不匹配，从而光线入射至衍射光学元件后始终有部分光线不能被衍射，因此零阶光无法被完全消除。此外，若衍射光学元件发生破裂、遗失或浸水等情况，也会造成的零阶光直接出射至投影区域的情形。零阶光可以看作是穿过衍射光学元件而未被衍射的光，其光强远大于衍射光学元件出射的衍射后的光线的光强，对人眼、皮肤具有危害，尤其在3D人脸辨识的应用范围内，零阶光的问题表现的更为突出。

发明内容

本发明一方面提供一种光学投影装置，包括：

光源，用于发出照明光；

衍射光学元件，用于接收所述照明光，并对接收到的至少部分照明光进行衍射得到具有衍射图案的结构光，所述结构光投影至所述光学投影装置的投影区域中，定义穿过所述衍射光学元件而未被衍射的部分照明光为零阶光，所述衍射光学元件出射的结构光与零阶光沿不同的方向传输；

检测元件，用于接收所述零阶光并检测所述零阶光的光功率；以及

控制器，与所述检测元件通讯连接，用于根据所述零阶光的光功率调节所述光源的驱动功率。

本发明第二方面提供一种电子设备，包括：

如上所述的光学投影装置；

图像采集装置，采集所述结构光在所述投影区域中反射的结构光，并形成结构光图像；以及

图像处理器，基于所述衍射图案与所述结构光图像计算所述投影区域的深度数据。

本发明提供的光学投影装置中，所述衍射光学元件出射的零阶光与结构光沿不同方向传输，所述结构光投影至投影区域中，有利于避免零阶光对人眼与皮肤的损伤；在零阶光的光路上设置检测元件，以检测零阶光的光功率，所述控制器用于根据所述零阶光的光功率调节所述光源的驱动功率，有利于在异常工作状态下及时调节所述光源的驱动功率，进一步提高所述光学投影装置使用的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的电子设备的结构示意图。

图2为本发明第一实施方式提供的光学投影装置的结构示意图。

图3为图2所示的衍射光学元件的俯视图。

图4为图2所示的衍射光学元件的剖面图。

图5为安全范围函数对应的曲线范围。

图6为本发明第二实施方式提供的光学投影装置的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明提供一种能够实现深度检测的电子设备10，电子设备10可以是深度相机、手机、平板电脑、个人数字助理、车载电脑、导航仪以及智能家居等产品。

电子设备10包括光学投影装置100、图像采集装置600、电路板700以及图像处理器900。其中，光学投影装置100、图像采集装置600以及图像处理器900与电路板700保持电连接，光学投影装置100、图像采集装置600以及图像处理器900可以设置于电路板700上或与电路板700通过导线连接。电路板700用于为光学投影装置100、图像采集装置600以及图像处理器900提供驱动信号，比如驱动电流。图像采集装置600还用于通过电路板700与图像处理器900保持通讯连接。

光学投影装置100用于向投影区域p发出具有衍射图案的结构光L1，投影区域p中具有待测的空间目标或场景，结构光L1在投影区域p中经过空间目标或场景的反射产生反射后的结构光L2；图像采集装置600为相机或摄像头，用于采集结构光L1在投影区域p反射后的结构光L2，并形成结构光图像。图像处理器900基于衍射图案与结构光图像计算投影区域p的深度数据。

请参阅图2，本发明第一实施方式中，光学投影装置100包括：光源110、衍射光学元件130、检测元件150以及控制器170。其中，光源110用于发出照明光a，衍射光学元件130用于接收照明光a，并对接收到的至少部分照明光a进行衍射得到结构光L1，结构光L1用于投影至光学投影装置100之外的投影区域p中，穿过衍射光学元件130而未被衍射的部分照明光为零阶光b，衍射光学元件130出射的结构光L1与零阶光b沿不同的方向传输。检测元件150设置于零阶光b所在的光路上，用于接收零阶光b并检测零阶光b的光功率。控制器170与检测元件150通讯连接，用于根据零阶光b的光功率调节光源110的驱动功率。

进一步地，光源110包括激光器，激光器用于发出激光作为照明光a。激光作为照明光a具有亮度均匀方向性好，相位一致性高的特点，有利于衍射光学元件130出射具有预设的衍射图案的结构光L1。光源110中的激光器可以为单颗激光器或者激光器阵列。在一种实施方式中，光源110中包括多颗激光器，多颗激光器依据时序点亮，比如在图像采集装置600的每帧图像的采集周期中，光源110中点亮激光器的数量为N颗(N≥0)，在连续的采集周期中，光源110中被点亮的激光器不完全相同。在本实施方式中，照明光a为红外光，但不限于红外光，照明光a的波长范围还可以位于特定波段范围内，特别是当特定波段范围对应的波长范围与衍射光学元件130中微结构层的相应尺寸相当的情况下，照明光a在穿过衍射光学元件130的过程中容易发生明显的衍射现象，有利于形成较清晰的衍射图像。

请参阅图3至图4，衍射光学元件130包括基底131与设置于基底131上的微结构层132。基底131与微结构层132均由透明材料制成。具体地，基底131由玻璃或者聚碳酸酯(PC)制成，微结构层132由透明度较高的高分子聚合物制成。

基底131呈厚度均匀的平面板状，用于承载微结构层132。微结构层132覆盖了基底131上的部分表面，用于在基底131上形成预设图像。如图3所示，微结构层132为不连续的层，其呈现不规则的图案，微结构层132中包括不规则的狭缝133，狭缝133贯穿微结构层132的厚度方向，使得从微结构层132一侧观察衍射光学元件130可以通过狭缝133看到基底131的一侧表面。照明光a(图2)经过基底131的折射后，其中一部分照明光a经过微结构层132的预设图案后发生衍射形成衍射图像，并投射至衍射光学元件130之外，微结构层132出射的该部分照明光为结构光L1。

由于衍射光学元件130制成上存在公差原因或是元件损坏等的原因，导致还有一部分照明光未经过微结构层132的衍射从衍射光学元件的出光侧出射，该部分光线为零阶光b，零阶光b的光强相较于结构光L1较高，对人眼以及皮肤伤害较大。衍射光学元件130出射的光线中包括零阶光、一阶光、二阶光、三阶光……，本发明中以衍射光学元件130出射的一阶光作为结构光L1投影至投影区域p，从而避免了利用零阶光作为结构光L1投影至投影区域p造成对人的伤害。特别地，如图2所示，当投影区域p偏离零阶光b的光路时，零阶光b不会与结构光L1混合后从光学投影装置100出射至投影区域p。

检测元件150用于实时接收衍射光学元件130出射的零阶光b，按照预设频率检测接收到的零阶光b的光功率，并将检测到的光功率值以电信号的方式传送至控制器170。由于零阶光b可以看作是直接透射衍射光学元件130的照明光a，光源110发出的照明光a的光轴所在的直线为预定线x，衍射光学元件130与检测元件150均设置在预定线x上，从而分别接收照明光a与零阶光b。

请参阅结合图2和图5，衍射光学元件130可视为一被动式元件，其零阶光b强度与入射衍射光学元件130的光强度呈线性关系，因此在光学投影装置100正常工作的状态下，可利用光源110的驱动功率、以及在对应驱动功率下检测元件150检测到的零阶光b的光功率，定义一安全工作范围s，当光学投影装置100在正常工作状态下时，当前驱动功率值为横坐标，以由于制程的原因导致出射的零阶光b的光功率为纵坐标，以上横坐标与纵坐标确定的点在图5所示的坐标平面内落入安全工作范围s。当光学投影装置100在异常条件下操作时，检测到的零阶光b的光功率偏离安全工作范围s，即当前驱动功率值为横坐标，以检测到的零阶光b的光功率为纵坐标，以上横坐标与纵坐标确定的点在图5所示的坐标平面内落入安全工作范围s之外。该异常条件是指光学投影装置100中的衍射光学元件130对光线的衍射过程出现异常的情况，比如衍射光学元件130缺失、错位、断裂、浸水或覆盖有异物等。

进一步地，安全工作范围s可以利用一安全工作范围函数来表示，安全工作范围函数用于表示光源110的驱动功率与对应该驱动功率下检测到的零阶光b光功率的安全范围之间的关系。由于光源110的驱动功率由控制器170调节，因此光源110的驱动功率为已知量。

在当前时刻，根据安全工作范围函数，控制器170根据每个驱动功率值计算得到一个零阶光b光功率的安全范围。若检测元件150检测到的零阶光b的光功率位于该安全范围之外时，认定衍射光学元件130出现故障，控制器170调节光源110的驱动功率为0；若检测元件150检测到的零阶光b的光功率位于该安全范围之内时，认定衍射光学元件130工作正常，控制器170控制光源110的驱动功率保持恒定，即在光学投影装置100正常工作的情况下，检测元件150检测到的零阶光b的光功率位于对应当前驱动功率的安全范围内，并且衍射光学元件130出射对应当前驱动功率的安全范围内的光功率的零阶光b是可以接受的。

具体地，若检测到的零阶光b的光功率大于计算得到的安全范围时，即检测到的零阶光b的光功率位于图5中安全工作范围s上方的区域D1时，则意味着检测到的零阶光b的光功率偏大，其原因可能是衍射光学元件130断裂，或者衍射光学元件130在光学投影装置100中发生了移位，或者光学投影装置100中缺失衍射光学元件130，这会导致零阶光b直接出射至投影区域p，并对人眼以及皮肤造成损伤。

若检测到的零阶光b的光功率小于当该安全范围时，即检测到的零阶光b的光功率位于图5中安全范围函数曲线下方的区域D2时，则意味着检测到的零阶光b的光功率偏小，其原因可能是衍射光学元件130断裂或者浸泡至水中，或者衍射光学元件130表面有异物覆盖，会导致零阶光b未沿直线传播至检测元件150，从而检测元件150检测到的零阶光b的光功率偏低。此时，由于零阶光b的传输路径无法预测，可能与结构光L1混合并从光学投影装置100出射，因此，为安全起见，控制器170调节光源110的驱动功率为0。

本发明实施方式中，控制器170用于发出光源控制信号，光源控制信号用于控制输入至光源110的驱动电路中的驱动电流。当驱动电流增大时，光源110的驱动电压也随之增大，光源110的发光亮度提高，当驱动电流减小时，光源110的驱动电压也随之减小，光源110的发光亮度降低，当驱动电流为0时，光源110不发光，光学投影装置100不用于出射结构光L1。

在一种实施方式中，控制器170用于发出光源控制信号，以控制光源110的驱动电流为0或者为工作电流，该工作电流为光学投影装置100出射结构光L1时的正常工作电流。

请参阅图6，本发明第二实施方式提供的光学投影装置200与光学投影装置100的主要区别在于，光学投影装置200不仅包括光源210、衍射光学元件230、检测元件250、控制器270等，还包括引导组件240，引导组件240用于将衍射光学元件230出射的零阶光b引导至检测元件250。本实施方式中，引导组件240为反射元件，反射元件用于将衍射光学元件230出射的零阶光b反射至检测元件250。可以理解的是，引导组件240还可以包括其他的光学引导元件，比如中继透镜，汇聚透镜等等。光学投影装置200中包括用于改变零阶光b传输方向的引导组件240，有利于减小光学投影装置200在厚度方向(预定线x方向)上的尺寸。本实施方式中，光学投影装置200还包括基板260，光源210与检测元件250均设置于基板260上，基板260可以为电路板，控制器270也可以设置于基板260上。可以理解的是，在一种变更的实施方式中，光源210与检测元件250并非设置于同一基板260上。

需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第二实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个装置也可以由同一个装置或系统通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光学投影装置，其特征在于，包括：

光源，用于发出照明光；

衍射光学元件，用于接收所述照明光，并对接收到的至少部分照明光进行衍射得到具有衍射图案的结构光，所述结构光投影至所述光学投影装置的投影区域中，定义穿过所述衍射光学元件而未被衍射的部分照明光为零阶光，所述衍射光学元件出射的结构光与零阶光沿不同的方向传输；

检测元件，用于接收所述零阶光并检测所述零阶光的光功率；以及

控制器，与所述检测元件通讯连接，用于根据所述零阶光的光功率调节所述光源的驱动功率；

其中，所述投影区域偏离所述零阶光的光路，所述零阶光不会与所述结构光混合后从所述光学投影装置出射至所述投影区域。

2.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光源发出的照明光的光轴所在的直线为预定线，所述衍射光学元件与所述检测元件均设置在所述预定线上。

3.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，还包括引导组件，所述引导组件用于将所述衍射光学元件出射的零阶光引导至所述检测元件。

4.如权利要求3所述的光学投影装置，其特征在于，所述引导组件包括反射元件，所述反射元件用于将所述衍射光学元件出射的零阶光反射至所述检测元件。

5.如权利要求3所述的光学投影装置，其特征在于，还包括基板，所述光源与所述检测元件均设置于所述基板上。

6.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述控制装置根据安全范围函数以及光源的驱动功率，计算得到所述零阶光光功率的安全范围，若检测元件检测到的零阶光的光功率位于所述安全范围之外时，所述控制装置调节所述光源的驱动功率为0。

7.如权利要求1-6任意一项所述的光学投影装置，其特征在于，所述光源包括激光器，所述激光器用于发出激光作为所述照明光。

8.如权利要求1-6任意一项所述的光学投影装置，其特征在于，所述衍射光学元件包括基底与设置于所述基底上的微结构层，所述基底与所述微结构层均由透明材料制成。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-8任意一项所述的光学投影装置；

图像采集装置，采集所述结构光在所述投影区域中反射的结构光，并形成结构光图像；以及

图像处理器，基于所述衍射图案与所述结构光图像计算所述投影区域的深度数据。

Images