CN111198409A - 投射模组、成像装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投射模组、成像装置及电子设备。投射模组包括光源和设置在光路上的微透镜阵列元件。微透镜阵列元件包括基材。基材包括相背的第一面和第二面。第一面设有第一条状微透镜阵列，第二面设有第二条状微透镜阵列。第一条状微透镜阵列包括多个第一条状微透镜，第二条状微透镜阵列包括多个第二条状微透镜。多个第一条状微透镜的排布方向与多个第二条状微透镜的排布方向交叉形成夹角。本发明的投射模组中，光源发射的光线经过微透镜阵列元件的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形。因此，可以采用微透镜阵列元件代替衍射光学元件。微透镜阵列元件的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置的量产并降低成本。

Description

投射模组、成像装置及电子设备

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种投射模组、成像装置及电子设备。

背景技术

在结构光成像技术中，投射模组中的衍射光学元件(Diffractive OpticalElements，DOE)将光源发射的光束以一定的倍数复制之后向目标物体投射光线，接收模组的图像传感器接收经目标物体反射的光束，然后可以根据光信息的变化来计算目标物体的三维轮廓信息。然而，衍射光学元件的设计制造较为困难，成品品质难以掌控，这将影响结构光成像装置的量产，同时也使得结构光成像装置的成本较高。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种投射模组、成像装置及电子设备。

本发明实施方式的投射模组，包括光源和设置在所述光源的光路上的微透镜阵列元件。所述微透镜阵列元件包括基材。所述基材包括相背的第一面和第二面。所述第一面设有第一条状微透镜阵列，所述第二面设有第二条状微透镜阵列。所述第一条状微透镜阵列包括多个第一条状微透镜，所述第二条状微透镜阵列包括多个第二条状微透镜。所述多个第一条状微透镜的排布方向与所述多个第二条状微透镜的排布方向交叉形成夹角，也即非平行设置。

本发明实施方式的投射模组中，光源发射的光线经过微透镜阵列元件的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形。因此，可以采用微透镜阵列元件代替衍射光学元件。微透镜阵列元件的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置的量产，同时可以降低结构光成像装置的成本。

在某些实施方式中，所述多个第一条状微透镜的排布方向与所述多个第二条状微透镜的排布方向垂直。如此，光源发射的光线经过微透镜阵列元件的两次折射后得到的结构光图形较佳。

在某些实施方式中，所述第一条状微透镜的表面形状包括柱面，所述第二条状微透镜的表面形状包括柱面。如此，第一条状微透镜和第二条状微透镜均可以为柱面微透镜。

在某些实施方式中，所述第一条状微透镜的横截面轮廓为弧形，所述第二条状微透镜的横截面轮廓为弧形，所述弧形包括圆弧、椭圆弧和双曲线弧。如此，第一条状微透镜和第二条状微透镜的表面形状可以有多种设计以满足不同的需求。

在某些实施方式中，所述第一条状微透镜的表面形状和所述第二条状微透镜的表面形状相同或不相同。如此，可以设计多种不同的微透镜阵列元件。

在某些实施方式中，所述光源为边发射激光器，所述投射模组包括棱镜，所述棱镜设置在所述光源的光路上并用于反射所述光源发射的光线至所述微透镜阵列元件。如此，采用边发射激光器作为光源，制作简单且成本低。

在某些实施方式中，所述光源为垂直腔面发射激光器。如此，采用垂直腔面发射激光器作为光源，激光的投射距离较长。

在某些实施方式中，所述投射模组包括电路板，所述光源设置在所述电路板上并电连接所述电路板。如此，电源可以通过电路板与光源连接，为光源供电，同时电路板可为光源提供支撑。

本发明实施方式的成像装置，包括上述任一实施方式所述的投射模组和接收模组。所述投射模组用于向目标物体投射光线，所述接收模组用于接收经所述目标物体反射的光线。

本发明实施方式的成像装置中，光源发射的光线经过微透镜阵列元件的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形。因此，可以采用微透镜阵列元件代替衍射光学元件。微透镜阵列元件的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置的量产，同时可以降低结构光成像装置的成本。

本发明实施方式的电子设备，包括壳体和上述实施方式所述的成像装置。所述成像装置安装在所述壳体。

本发明实施方式的电子设备中，光源发射的光线经过微透镜阵列元件的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形。因此，可以采用微透镜阵列元件代替衍射光学元件。微透镜阵列元件的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置的量产，同时可以降低结构光成像装置的成本。

本发明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是本发明实施方式的投射模组的结构示意图；

图2是本发明实施方式的投射模组的另一结构示意图；

图3是本发明实施方式的微透镜阵列元件的立体结构图；

图4是本发明实施方式的投射模组投射的结构光图形的示意图；

图5是本发明实施方式的成像装置的结构示意图；

图6是本发明实施方式的电子设备的结构示意图；

图7是本发明实施方式的电子设备的另一结构示意图。

主要元件符号说明：

投射模组10、光源12、微透镜阵列元件14、基材142、第一面1422、第二面1424、第一条状微透镜阵列144、第一条状微透镜1442、第二条状微透镜阵列146、第二条状微透镜1462、棱镜16、电路板18、镜筒11；

成像装置100、接收模组20、处理器30、投射窗口40、采集窗口50；

电子设备1000、壳体200。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。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发明中的具体含义。

请参阅图1至图3，本发明实施方式的投射模组10包括光源12和设置在光源12的光路上的微透镜阵列元件14。微透镜阵列元件14包括基材142。基材142包括相背的第一面1422和第二面1424。第一面1422设有第一条状微透镜阵列144，第二面1424设有第二条状微透镜阵列146。第一条状微透镜阵列144包括多个第一条状微透镜1442，第二条状微透镜阵列146包括多个第二条状微透镜1462。多个第一条状微透镜1442的排布方向与多个第二条状微透镜1462的排布方向交叉形成夹角，也即非平行设置。

本发明实施方式的投射模组10中，光源12发射的光线经过微透镜阵列元件14的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形(如图4所示)。因此，可以采用微透镜阵列元件14代替衍射光学元件。微透镜阵列元件14的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置的量产，同时可以降低结构光成像装置的成本。

可以理解，在本发明实施方式中，多个第一条状微透镜1442的排布方向与多个第二条状微透镜1462的排布方向非平行设置。投射模组10的光源12产生光线，进入第一条状微透镜阵列144，光线经过多个第一条状微透镜1442第一次折射，然后再进入第二条状微透镜阵列146，光线经过多个第二条状微透镜1462第二次折射(与第一次折射方向不同)，形成均匀排列的点状分布结构光图形后投射至目标物体。

在本发明的投射模组10中，采用微透镜阵列元件14代替衍射光学元件向目标物体投射结构光图形，光源12发射的光线可以直接进入微透镜阵列元件14，无需设置准直元件来准直光源12发射的光线，可以进一步降低投射模组10的成本。

需要说明的是，多个第一条状微透镜1442沿同一方向排布，多个第二条状微透镜1462也沿同一方向排布。多个第一条状微透镜1442的排布方向与多个第二条状微透镜1462的排布方向非平行设置，指的是：多个第一条状微透镜1442的排布方向与多个第二条状微透镜1462的排布方向存在某个角度(大于0度且小于180度)的交错。在图1和图2中，带箭头的虚线表示光源12的光路，箭头的指向表示光线投射的方向。

进一步地，在制作微透镜阵列元件14之前，可以通过软件建模并设置多个第一条状微透镜1442和多个第二条状微透镜1462的大小、排列间距以及排布方向等参数，然后通过软件模拟投射出结构光图形。因此，可以通过不断地建模模拟，获得最佳的微透镜阵列元件14的设计参数，然后再进行微透镜阵列元件14的生产。如此，可以提高微透镜阵列元件14的良率，避免浪费资源。

第一条状微透镜阵列144和第二条状微透镜阵列146分别制作在基材142相背的两个面。具体地，可以通过模具注塑或奈米压印的方式将多个第一条状微透镜1442沿同一方向排布在基材142的第一面1422，可以通过模具注塑或奈米压印的方式将多个第二条状微透镜1462沿同一方向(与多个第一条状微透镜1442的排布方向不同)排布在基材142的第二面1424。

较佳地，多个第一条状微透镜1442的排布方向与多个第二条状微透镜1462的排布方向垂直。如此，光源12发射的光线经过微透镜阵列元件14的两次折射后得到的结构光图形较佳。

在某些实施方式中，第一条状微透镜1442的表面形状包括柱面。第二条状微透镜1462的表面形状包括柱面。也即，第一条状微透镜1442为柱面微透镜，进一步，第一条状微透镜1442的横截面轮廓为弧形；和/或，第二条状微透镜1462为柱面微透镜，进一步，第二条状微透镜1462的横截面轮廓为弧形。其中，所述弧形包括圆弧(如平凸圆柱面微透镜、平凹圆柱面微透镜)、椭圆弧(如平凸柱面微透镜、平凹柱面微透镜)和双曲线弧(如双凸柱面微透镜、双凹柱面微透镜)。例如，条状微透镜的横截面轮廓为圆弧，指的是，条状微透镜的横截面为固定半径的弧型结构。当然，所述弧形还可以是其他任意形状的曲线结构，只要使其光学性能达到折射要求即可。此外，需要说明的是，第一条状微透镜1442或第二条状微透镜1462在同一个条状结构上的不同位置也可表现为不同的半径，也即同一个条状结构的半径也可以是变化的，可相应根据光学路线的需求相应调整设计。

如此，第一条状微透镜1442和第二条状微透镜1462的表面形状可以有多种设计以满足不同的需求。可以理解，柱面微透镜的横截面轮廓为非圆弧时，可以有效减小球差和色差。例如，在第一条状微透镜阵列144中，多个第一条状微透镜1442的表面形状可以均为圆柱面，可以均为椭圆柱面或双曲线柱面，也可以部分为圆柱面，部分为椭圆柱面或双曲线柱面。在第二条状微透镜阵列146中，多个第二条状微透镜1462的表面形状可以均为圆柱面，可以均为椭圆柱面或双曲线柱面，也可以部分为圆柱面，部分为椭圆柱面或双曲线柱面。较佳地，第一条状微透镜阵列144均采用圆柱面的第一条状微透镜1442，第二条状微透镜阵列146均采用圆柱面的第二条状微透镜1462。

在某些实施方式中，第一条状微透镜1442的表面形状和第二条状微透镜1462的表面形状相同或不相同。

如此，可以设计多种不同的微透镜阵列元件14。具体地，当第一条状微透镜1442的表面形状和第二条状微透镜1462的表面形状相同时，第一条状微透镜1442的表面形状和第二条状微透镜1462的表面形状可以均为圆柱面，也可以均为椭圆柱面，或均为双曲线柱面。当第一条状微透镜1442的表面形状和第二条状微透镜1462的表面形状不相同时，可以是第一条状微透镜1442的表面形状为圆柱面，第二条状微透镜1462的表面形状为椭圆柱面或双曲线柱面。需要说明的是，在本实施方式中，第一条状微透镜阵列144的所有第一条状微透镜1442的表面形状是相同的，第二条状微透镜阵列146的所有第二条状微透镜1462的表面形状是相同的。

在一个示例中，第一条状微透镜1442的表面形状和第二条状微透镜1462的表面形状均为圆柱面，此时，第一条状微透镜1442的横截面半径或第二条状微透镜1462的横截面半径均大于0.05mm，不同条状微透镜结构之间的间距范围为0.05mm-0.5mm。这样，第一条状微透镜阵列144或第二条状微透镜阵列146能够在上述尺寸下实现较好的光学折射控制，进而相互配合形成预设结构光图形。

请参阅图2，在某些实施方式中，光源12为边发射激光器，投射模组10包括棱镜16。棱镜16设置在光源12的光路上并用于反射光源12发射的光线至微透镜阵列元件14。

如此，采用边发射激光器作为光源12，制作简单且成本低。边发射激光器用于发射激光，例如为分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)。

请参阅图1，在某些实施方式中，光源12为垂直腔面发射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL)。

如此，采用垂直腔面发射激光器作为光源12，激光的投射距离较长。垂直腔面发射激光器可以发射红外激光，红外光是非可见光，同时在光谱中的量最少，可以避免环境光的干扰。

在某些实施方式中，基材142的材质为可透过光源12发出的光线的材质。

如此，光源12发射的光线可透过微透镜阵列投射出结构光图形。具体地，基材142可以采用聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephalate，PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate，PEN)等材质中的一种制成。

在某些实施方式中，投射模组10包括电路板18，光源12设置在电路板18上并电连接电路板18。

如此，电源可以通过电路板18与光源12连接，为光源12供电，同时电路板18可为光源12提供支撑。电路板18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。

在某些实施方式中，投射模组10包括镜筒11，镜筒11设置在电路板18上并与电路板18形成收容空间。镜筒11与电路板18的连接方式包括螺合、胶合、卡合等。光源12和微透镜阵列元件14均收容在收容空间内，以对光源12和微透镜阵列元件14形成保护作用。在图1的示例中，镜筒11的内侧壁沿垂直于光路的方向向内可设有支撑台阶，微透镜阵列元件14设置在支撑台阶上。

请参阅图5，本发明实施方式的成像装置100包括上述任一实施方式的投射模组10和接收模组20。投射模组10用于向目标物体投射光线，接收模组20用于接收经目标物体反射的光线。

本发明实施方式的成像装置100中，光源12发射的光线经过微透镜阵列元件14的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形。因此，可以采用微透镜阵列元件14代替衍射光学元件。微透镜阵列元件14的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置100的量产，同时可以降低结构光成像装置100的成本。

具体地，本发明的成像装置100还包括处理器30，处理器30与投射模组10及接收模组20连接。处理器30用于处理经目标物体反射的光线以得到目标物体的深度信息。成像装置100上还可以形成有与投射模组10对应的投射窗口40和与接收模组20对应的采集窗口50。投射模组10可以通过投射窗口40向目标物体发射光线，接收模组20可以通过采集窗口50接收经过目标物体反射的光线。

在一个例子中。投射模组10向目标物体投射均匀排列的点状分布结构光图形，接收模组20采集经目标物体反射回来的点状分布结构光图形。然后，处理器30将点状分布结构光图形与参考图案进行比对，根据该点状分布结构光图形和参考图案的差异以生成包含深度信息的深度图像。其中，参考图案为预先采集的在不同距离下对采集模型投射的多幅点状分布结构光图形。

本发明的成像装置100可应用于人脸识别、3D建模等领域。

在某些实施方式中，接收模组20包括成镜头和图像传感器。图像传感器位于镜头的像侧，镜头用于将经目标物体反射的投射模组10发射的光线汇聚到图像传感器。

请参阅图6和图7，本发明实施方式的电子设备1000包括壳体200和上述实施方式的成像装置100。成像装置100安装在壳体200。

本发明实施方式的电子设备1000中，光源12发射的光线经过微透镜阵列元件14的两次折射后能够得到均匀排列的点状分布结构光图形。因此，可以采用微透镜阵列元件14代替衍射光学元件。微透镜阵列元件14的制造难度较低且技术成熟，可以实现结构光成像装置100的量产，同时可以降低结构光成像装置100的成本。

可以理解，成像装置100设置在壳体200上以获取目标物体的深度信息。具体地，成像装置100可以设置在壳体200内并从壳体200暴露，壳体200可以给成像装置100提供防尘、防水、防摔等保护。电子设备1000可以是监控相机、手机、平板电脑、手提电脑、游戏机、头显设备、门禁系统、柜员机等。在图6的示例中，电子设备1000为手机。在图7的示例中，电子设备1000为笔记本电脑。

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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本说明书的描述中，参考术语“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”等的描述意指结合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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、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)

1.一种投射模组，其特征在于，包括：

光源；和

设置在所述光源的光路上的微透镜阵列元件，所述微透镜阵列元件包括基材，所述基材包括相背的第一面和第二面，所述第一面设有第一条状微透镜阵列，所述第二面设有第二条状微透镜阵列，所述第一条状微透镜阵列包括多个第一条状微透镜，所述第二条状微透镜阵列包括多个第二条状微透镜，所述多个第一条状微透镜的排布方向与所述多个第二条状微透镜的排布方向交叉形成夹角。

2.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述多个第一条状微透镜的排布方向与所述多个第二条状微透镜的排布方向垂直。

3.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述第一条状微透镜的表面形状包括柱面，所述第二条状微透镜的表面形状包括柱面。

4.如权利要求3所述的投射模组，其特征在于，所述第一条状微透镜的横截面轮廓为弧形，所述第二条状微透镜的横截面轮廓为弧形，所述弧形包括圆弧、椭圆弧和双曲线弧。

5.如权利要求4所述的投射模组，其特征在于，所述第一条状微透镜的表面形状和所述第二条状微透镜的表面形状相同或不相同。

6.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述光源为边发射激光器，所述投射模组包括棱镜，所述棱镜设置在所述光源的光路上并用于反射所述光源发射的光线至所述微透镜阵列元件。

7.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述光源为垂直腔面发射激光器。

8.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述投射模组包括电路板，所述光源设置在所述电路板上并电连接所述电路板。

9.一种成像装置，其特征在于，包括：

权利要求1-8任一项所述的投射模组，所述投射模组用于向目标物体投射光线；和接收模组，所述接收模组用于接收经所述目标物体反射的光线。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

壳体；和

权利要求9所述的成像装置，所述成像装置设置在所述壳体。

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