CN110908131A - 投影模组、结构光三维成像装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影模组、结构光三维成像装置和电子设备。投影模组激光发射器和反射式光栅。激光发射器包括出光面，激光自出光面出射。反射式光栅包括反射面，反射面相对出光面倾斜设置，反射面与出光面相对，反射面上设置有光栅微结构，光栅微结构将激光扩束以形成激光图案并经反射面调整激光图案的出射角度。本发明实施方式的投影模组、结构光三维成像装置和电子设备通过在反射式光栅的反射面设置光栅微结构且将反射面相对出光面倾斜设置，反射式光栅不仅可以对激光进行扩束以生成激光图案，还可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。

Description

投影模组、结构光三维成像装置和电子设备

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体而言，涉及一种投影模组、结构光三维成像装置和电子设备。

背景技术

现有的投影模组通过边发射型激光器作为光源时，一般将边发射型激光器水平放置，其发光方向与出光方向垂直，然后通过一个棱镜改变边发射型激光器的激光方向，从而起到减小投影模组的高度的作用，然而，投影模组需多设置一个棱镜，一方面棱镜会占用投影模组的安装空间，另一方面增加了投影模组的成本。

发明内容

本发明实施方式提供一种投影模组、结构光三维成像装置和电子设备。

本发明实施方式的投影模组包括激光发射器和反射式光栅。所述激光发射器包括出光面，激光自所述出光面出射。所述反射式光栅包括反射面，所述反射面相对所述出光面倾斜设置，所述反射面与所述出光面相对，所述反射面上设置有光栅微结构，所述光栅微结构用于将所述激光扩束以形成激光图案，所述反射面用于调整所述激光图案的出射角度。

本发明实施方式的投影模组通过在反射式光栅的反射面设置光栅微结构且将反射面相对出光面倾斜设置，反射式光栅不仅可以对激光进行扩束以生成激光图案，还可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。

在某些实施方式中，所述激光发射器包括边发射型激光器或垂直腔面发射激光器。

边发射型激光器为单点发光结构，作为激光发射器时无需设计阵列结构，制作简单，激光投射模组的激光发射器成本较低，而且较垂直腔面发射激光器而言，边发射型激光器的温飘较小。采用垂直腔面发射激光器作为激光发射器，则激光图案的不相关性会更高，有利于获取高精度的深度图像。

在某些实施方式中，所述投影模组还包括基板，所述激光发射器设置在所述基板上，所述出光面与所述基板垂直。

出光面与基板垂直，且反射面与出光面相对，激光的出射方向基本与基板平行，也即是说，激光发射器为平躺放置(相对于竖直放置而言为倒放)，使得投影模组具有潜望式结构，从而缩短了投影模组的高度。

在某些实施方式中，所述投影模组还包括固定件，所述固定件设置在所述基板上，所述反射式光栅包括与所述反射面相背的安装面，所述固定件与所述反射式光栅连接于所述安装面以固定所述反射式光栅。

投影模组中的固定件设置在基板上并与反射式光栅连接于安装面，能够牢固地将反射式光栅固定在基板上并使得反射面保持在与出光面相对的位置。

在某些实施方式，所述反射式光栅为三角棱镜，所述反射式光栅包括承载面、所述反射面、及连接所述承载面与所述反射面的连接面，所述承载面设置在所述基板上。

反射式光栅本身的结构为三角棱镜，反射面与出光面相对，且该三角棱镜通过承载面设置在基板上，而无需额外设置一个固定件来进行固定支撑，集成度更高。

在某些实施方式中，所述光栅微结构为纳米级光栅微结构并均匀分布在所述反射面上。

纳米级别的光栅微结构的密度更大，相较于一般的微米级别的光栅微结构，可以将一束激光扩束为更多束激光以形成更为精细的激光图案。

在某些实施方式中，所述反射面上设置有所述光栅微结构的区域覆盖所述激光的发光视场范围。

光栅微结构覆盖激光的发光视场范围，也即是说，所有激光均照射在光栅微结构上，保证激光都经过光栅微结构调制而不是直接反射出去影响激光图案的形成，保证了出射的激光图案的精度。

在某些实施方式中，所述激光发射器和所述反射式光栅之间设置有准直透镜，且所述准直透镜位于所述激光的入射光路上，用于将激光发射器发出的光线变成准直光线后投射至反射式光栅；和/或，所述激光图案的出射光路上设置有调节镜头，以调整出射光束的光学性能。

当准直透镜设置在激光发射器和反射式光栅之间并位于激光的入射光路上时，准直透镜对入射到反射式光栅的激光起到准直作用，使得激光发射器发射的激光能够全部进入反射式光栅，从而提高激光的利用率；当调节镜头设置在激光图案的出射光路上时，调节镜头对出射的激光图案进行光学性能调整，例如调整对比度、失真或视场角等，从而能够调整并优化激光图案的投射质量和效果；当准直透镜设置在激光发射器和反射式光栅之间并位于激光的入射光路上，且调节镜头设置在激光图案的出射光路上时，则设置在激光发射器和反射式光栅之间的准直透镜使得激光发射器发射的激光能够全部进入反射式光栅，从而提高激光的利用率，而设置在激光图案的出射光路上的调节镜头对投射出的激光图案的进行了调整，从而能够调整激光图案的投射质量和效果。

本发明实施方式的结构光三维成像装置包括相机模组和上述任一实施方式的投影模组。所述投影模组用于朝目标物体发射所述激光图案。所述相机模组用于接收经目标物体反射后的所述激光图案。

本发明实施方式的结构光三维成像装置通过在反射式光栅的反射面设置光栅微结构且将反射面相对出光面倾斜设置，反射式光栅不仅可以对激光进行扩束以生成激光图案，还可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。

本发明实施方式的电子设备包括壳体和上述实施方式的结构光三维成像装置。所述结构光三维成像装置设置在所述壳体上。

本发明实施方式的电子设备通过在反射式光栅的反射面设置光栅微结构且将反射面相对出光面倾斜设置，反射式光栅不仅可以对激光进行扩束以生成激光图案，还可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。且壳体可以对结构光三维成像装置起到保护作用。

本发明的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，或通过本发明的实施方式的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明某些实施方式的投影模组的结构示意图；

图2为本发明某些实施方式的投影模组的结构示意图；

图3为本发明另一实施方式的投影模组的结构示意图；

图4为本发明再一实施方式的投影模组的结构示意图；

图5为本发明又一实施方式的投影模组的结构示意图；

图6为本发明实施方式的结构光三维成像装置的结构示意图；和

图7为本发明实施方式的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，投影模组10包括激光发射器11和反射式光栅12。激光发射器11包括出光面112，激光L自出光面112射出。反射式光栅12包括反射面122，反射面122相对出光面112倾斜设置，也即使得反射面122与出光面112相对设置，反射面122上设置有光栅微结构124，光栅微结构124可将自出光面112射出的激光L扩束以形成激光图案并经反射面122调整激光图案的出射角度。

具体地，激光发射器11自出光面112发射激光L，出光面112与反射面122相对，也即是说，激光发射器11朝反射面122发射激光L，反射面122相对出光面112倾斜设置且反射面122设置有光栅微结构124，激光L经过光栅微结构124时会被扩束以形成激光图案，激光经反射面122反射后会改变出射角度，反射面122可通过设置反射镀膜以反射激光L，从而使得激光图案以预定的角度从投影模组10中射出。

本发明实施方式的投影模组10通过在反射式光栅12的反射面122设置光栅微结构124且将反射面122相对出光面112倾斜设置，反射式光栅12不仅可以对激光L进行扩束以生成激光图案，还可以调整激光L的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光L的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。

请继续参阅图1，投影模组10包括基板14、镜筒15、激光发射器11、及反射式光栅12。

基板14可以是柔性电路板、硬质电路板或软硬结合电路板中的至少一种。

镜筒15设置在基板14上并与基板14形成收容空间16，镜筒15与基板14的连接方式包括螺合、胶合、卡合、焊接等。激光发射器11与反射式光栅12均收容在收容空间16内。镜筒15对激光发射器11及反射式光栅12具有保护作用。

激光发射器11设置在基板14上。激光发射器11包括出光面112，激光从出光面112射出。出光面112与基板14垂直，且反射面122与出光面112相对，激光的出射方向基本与基板14平行，也即是说，激光发射器11为平躺放置(相对于竖直放置而言为倒放)，使得投影模组10具有潜望式结构，从而缩短了投影模组10的高度。激光发射器11可以为边发射型激光器(例如为分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB))或垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)。边发射型激光器为单点发光结构，作为激光发射器11时无需设计阵列结构，制作简单，激光投射模组的激光发射器11成本较低，而且较垂直腔面发射激光器而言，边发射型激光器的温飘较小。采用垂直腔面发射激光器作为激光发射器11，则激光图案的不相关性会更高，有利于获取高精度的深度图像。

反射式光栅12设置在基板14上，反射式光栅12包括反射面122和安装面126，反射面122与安装面126相背。反射面122与出光面112相对且反射面122相对出光面112倾斜设置，通过控制反射面122相对出光面112的倾斜角度即可控制激光的反射角度，从出光面112射出的激光入射反射式光栅12的入射角度大于0度且小于90度，也即是说，激光的入射方向不能与反射面122平行或垂直，避免激光无法被反射或沿入射光路反射回去。例如，从出光面112射出的激光的入射角度可以为15度、30度、45度、65度等等，可根据激光图案的出射角度的要求确定。

反射面122设置有光栅微结构124，本发明实施方式的反射式光栅12通过在反射面122上设置光栅微结构124来实现衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)的衍射作用，衍射光学元件是基于光的衍射原理，利用计算机辅助设计，并通过半导体芯片制造工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构(即光栅微结构124)，形成同轴再现、且具有极高衍射效率的一类光学元件。激光通过光栅微结构124时产生不同的光程差，满足布拉格衍射条件。通过不同的设计来控制激光的发散角和形成光斑的形貌，实现激光形成特定激光图案的功能。本发明实施方式的反射式光栅12的反射面122上设置有光栅微结构124，光栅微结构124为多个具有一定深度的台阶，相比于一般衍射光学结构的微米级别的光栅微结构124而言，本发明的反射式光栅12的光栅微结构124为纳米级光栅微结构124，纳米级光栅微结构124均匀分布在反射面122上，从而更加精确的控制激光的发散角和形成光斑的形貌，将一束激光扩束以形成特定的激光图案。而且，纳米级别的光栅微结构124的密度更大，相较于一般的微米级别的光栅微结构124，可以将一束激光扩束为更多束激光以形成精度更高的激光图案。

反射面122上设置有光栅微结构124的区域覆盖激光的发光视场范围，也即是说，所有激光均能照射在光栅微结构124上，保证激光都经过光栅微结构124调制，而不是直接反射出去，从而保证了出射的激光图案的精度。

反射式光栅12可为矩形体、圆柱体等任意合适的形状，在此不做限制。在某些实施方式中，投影模组10还包括固定件17。反射式光栅12的一端与基板14连接，固定件17设置在基板14上并与所述反射式光栅12连接于所述安装面126，也即是说，固定件17用于支撑反射式光栅12并使得反射面122保持在与出光面112相对的位置，反射式光栅12、基板14和固定件17组成类似三角形结构，反射式光栅12的一端与基板14的连接、固定件17与基板14的连接、以及固定件17与反射式光栅12的连接均可以为卡合、胶合、螺合等连接方式，从而使得固定件17、反射式光栅12和基板14牢固的连接在一起。

请参阅图2，在其他实施方式中，反射式光栅12为三角棱镜，反射式光栅12包括承载面121、反射面122及连接承载面121和反射面122的连接面123，承载面121设置在基板14上，承载面121可通过卡合、螺合、胶合等方式与基板14连接从而将反射式光栅12固定在基板14上。投影模组10可通过调整反射面122与承载面121的夹角保持反射面122与出光面112相对并调整激光的反射角度。反射式光栅12通过承载面121固定设置在基板14上，相较于通过固定件17(图1示)进行固定时，反射式光栅12的一端与基板14连接而言，接触面积较大，连接较为稳固，且无需额外设置一个固定件17进行支撑固定，集成度较高。

请参阅图3，在某些实施方式中，投影模组10还可包括收容在收容空间16内的准直透镜13和/或调节镜头13`。准直透镜13和调节镜头13`为透镜，可以为单独的透镜，该透镜为凸透镜或凹透镜；或者准直透镜13和调节镜头13`为多枚透镜，多枚透镜可均为凸透镜或凹透镜，或部分为凸透镜，部分为凹透镜。准直透镜13和调节镜头13`的位置设置可以有多种情况，具体如下所述。

第一种情况：请参阅图3，准直透镜13设置在激光发射器11和反射式光栅12之间，且准直透镜13设置在激光的入射光路上，也即是说，准直透镜13可对出光面112射出的激光进行准直以形成准直光线并基本平行基板11地射向反射面122，保证所有激光均射入反射式光栅12，提高激光的利用率；

第二种情况：请参阅图4，调节镜头13`设置在激光图案的出射光路上，调节镜头13`对出射的激光图案进行光学性能调节，例如针对可能出现的对比度、失真以及视场角进行调节，从而能够调整激光图案的投射质量和效果。其中，所述调节镜头13`根据需要可以设置有不同的调节功能，本发明实施方式不做限制。

第三种情况：请参阅图5，投影模组10包括准直透镜13和调节镜头13`，其中准直透镜13设置在激光发射器11和反射式光栅12之间且位于在激光的入射光路上，该准直透镜13可以对激光发射器11发射的激光进行准直以使得激光发射器11发射的激光能够全部进入反射式光栅12，从而提高激光的利用率。调节镜头13`设置在激光图案的出射光路上，该调节镜头13`可对激光图案进行光学性能调节，从而能够调整激光图案的投射质量和效果。

本发明实施方式的投影模组10通过在反射式光栅12的反射面122设置光栅微结构124且将反射面122相对出光面112倾斜设置，光栅微结构124可以对激光进行扩束以生成激光图案，反射面122设置有反射镀膜可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。

请参阅图6，本发明实施方式的结构光三维成像装置100包括投影模组10、相机模组20和处理器30。投影模组10用于朝目标物体发射激光图案。相机模组20用于接收经目标物体调制后的激光图案。处理器30用于根据相机模组20接收的激光图案以成像(深度图像)。

请一并参阅图5和图6，结构光三维成像装置100上形成有与投影模组10对应的投射窗口40，和与相机模组20对应的采集窗口50。投影模组10用于通过投射窗口40向目标空间投射激光图案，相机模组20用于接收经过目标物体反射后的激光图案以成像。在投影模组10发光时，激光发射器11发射激光，激光经过反射式光栅12反射后形成激光图案从投射窗口40射出。例如，投影模组10朝目标物体发射激光图案，该激光图案为散斑图案。相机模组20通过采集窗口50采集经目标物体反射回来的激光图案。处理器30与相机模组20及投影模组10均连接，处理器30用于处理上述激光图案以获得深度图像。具体地，处理器30通过将激光图案与参考图案进行比对，根据该激光图案和参考图案的差异以生成深度图像。在其他实施方式中，该激光图案为具有特定的图案即具有特定编码的编码结构光图像，这时通过提取激光图案中的编码结构光图像，与参考图案进行对比从而获取深度图像。在得到深度图像后即可应用于人脸识别、3D建模等领域。

本发明实施方式的结构光三维成像装置100通过在反射式光栅12的反射面122设置光栅微结构124且将反射面122相对出光面112倾斜设置，光栅微结构124可以对激光进行扩束以生成激光图案，反射面122设置有反射镀膜可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。另外，结构光三维成像装置100通过相机模组20及处理器30的配合，可以将经目标物体调制的激光图案进行接收以及处理以获取深度图像，从而可以应用在人脸识别、3D建模等领域。

请参阅图5和图7，本发明实施方式的电子设备1000包括壳体200和结构光三维成像装置100。电子设备1000可以是手机、监控相机、平板电脑、手提电脑、游戏机、头显设备、门禁系统、柜员机等，本发明实施例以电子设备1000是手机为例进行说明，可以理解，电子设备1000的具体形式可以是其他，在此不作限制。结构光三维成像装置100设置在壳体200上以获取图像，具体地，结构光三维成像装置100设置在壳体200内并从壳体200暴露，壳体200可以给结构光三维成像装置100提供防尘、防水、防摔等保护，壳体200上开设有与结构光三维成像装置100对应的孔，以使光线从孔中穿出或穿入壳体200。

本发明实施方式的电子设备1000通过在反射式光栅12的反射面122设置光栅微结构124且将反射面122相对出光面112倾斜设置，光栅微结构124可以对激光进行扩束以生成激光图案，反射面122设置有反射镀膜可以调整激光的反射角度，而无需单独设置一个棱镜去调整激光的反射角度，不仅节省了棱镜所占的安装空间，还省去了一个棱镜的成本。另外，电子设备1000通过相机模组20及处理器30的配合，可以将经目标物体调制的激光图案进行接收以及处理以获取深度图像，从而可以应用在人脸识别、3D建模等领域。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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发明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。

此外，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至少一个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。

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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种投影模组，其特征在于，所述投影模组包括：

激光发射器，所述激光发射器包括出光面，激光自所述出光面出射；和

反射式光栅，所述反射式光栅包括反射面，所述反射面相对所述出光面倾斜设置，所述反射面上设置有光栅微结构，所述光栅微结构用于将所述激光扩束以形成激光图案，所述反射面用于调整所述激光图案的出射角度。

2.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述激光发射器包括边发射型激光器或垂直腔面发射激光器。

3.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述投影模组还包括基板，所述激光发射器设置在所述基板上，所述出光面与所述基板垂直。

4.根据权利要求3所述的投影模组，其特征在于，所述投影模组还包括固定件，所述固定件设置在所述基板上，所述反射式光栅包括与所述反射面相背的安装面，所述固定件与所述反射式光栅连接于所述安装面以固定所述反射式光栅。

5.根据权利要求3所述的投影模组，其特征在于，所述反射式光栅为三角棱镜，所述反射式光栅包括承载面、所述反射面、及连接所述承载面与所述反射面的连接面，所述承载面设置在所述基板上。

6.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述光栅微结构为纳米级光栅微结构并均匀分布在所述反射面上。

7.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述反射面上设置有所述光栅微结构的区域覆盖所述激光的发光视场范围。

8.根据权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述激光发射器和所述反射式光栅之间设置有准直透镜，且所述准直透镜位于所述激光的入射光路上，用于将激光发射器发出的光线变成准直光线后投射至反射式光栅；和/或

所述激光图案的出射光路上设置有调节镜头，以调整出射光束的光学性能。

9.一种结构光三维成像装置，其特征在于，所述结构光三维成像装置包括：

权利要求1至8任意一项所述的投影模组，所述投影模组用于朝目标物体发射所述激光图案；和

相机模组，所述相机模组用于接收经目标物体反射后的所述激光图案。

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所述的结构光三维成像装置，所述结构光三维成像装置设置在所述壳体上。

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