CN115343692A - 激光投射模组、深度相机及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例涉及光学成像技术领域，公开了一种激光投射模组、深度相机及电子装置。其中的激光投射模组包括光源、准直元件、衍射光学元件、检测元件和处理器；光源用于产生激光；准直元件邻近光源设置，用于准直光源发出的激光；衍射光学元件设置在准直元件的出光侧，用于衍射准直元件准直后的激光以形成激光图案；检测元件设置在衍射光学元件的出光面，检测元件包括沿衍射光学元件的厚度方向依次分布的至少两层导电走线，至少两层导电走线在衍射光学元件的投影区域覆盖衍射光学元件的出光面的光线出射区域；处理器与导电走线电连接。本申请实施例提供的激光投射模组、深度相机及电子装置，能够实现对衍射光学元件的全区域监控。

Description

激光投射模组、深度相机及电子装置
技术领域
本申请实施例涉及光学成像技术领域，特别涉及一种激光投射模组、深度相机及电子装置。
背景技术
传统的2D（dimension，维度）相机只能拍摄相机视角内的物体，没有物体到相机的距离信息。而深度相机又称3D相机，在拍摄时，可以获取物体到相机的距离信息。在采用结构光技术的深度相机中，光源发出的激光通过光学系统后投影到被观测物体上，进而根据采集到的图像得到深度信息。光学系统中包括对激光进行衍射复制的衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE）。
为了避免因衍射光学元件破裂损坏，而导致深度相机的激光投射模组投射的激光对人眼形成的安全问题，通常会在衍射光学元件上设置检测元件。但是，在一些情形下，检测元件只能监控衍射光学元件大面积劈裂的状况，若衍射光学元件出现微小的破裂，则无法通过检测元件实现有效监控，此时无法保证人眼安全。
因此，如何实现对衍射光学元件的全区域监控，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施方式的目的在于提供一种激光投射模组、深度相机及电子装置，能够实现对衍射光学元件的全区域监控。
为解决上述技术问题，本申请的实施方式提供了一种激光投射模组，包括光源、准直元件、衍射光学元件、检测元件和处理器；光源用于产生激光；准直元件邻近光源设置，用于准直光源发出的激光；衍射光学元件设置在准直元件的出光侧，用于衍射准直元件准直后的激光以形成激光图案；检测元件设置在衍射光学元件的出光面，检测元件包括沿衍射光学元件的厚度方向依次分布的至少两层导电走线，至少两层导电走线在衍射光学元件的投影区域覆盖衍射光学元件的出光面的光线出射区域；处理器与导电走线电连接，并根据导电走线的电阻阻值超出初始电阻阻值的范围检测衍射光学元件是否破裂。
本申请的实施方式还提供了一种深度相机，包括上述的激光投射模组，还包括图像采集器，图像采集器用于采集由激光投射模组投射的激光图案；处理器与图像采集器电连接，用于处理激光图案以获得深度图像。
本申请的实施方式还提供了一种电子装置，包括壳体及上述的深度相机，深度相机设置在壳体内并从壳体暴露以获取深度图像。
本申请实施方式提供的激光投射模组、深度相机及电子装置，沿衍射光学元件的厚度方向，在衍射光学元件的出光面上设置至少两层导电走线。从而在衍射光学元件出现破裂时，形成在衍射光学元件上的导电走线也会出现断裂，此时处于断裂状态下的导电走线的电阻阻值会超出初始电阻阻值。因此，可以通过处理器接收到的电信号实现对衍射光学元件的异常监控。同时，在一层导电走线无法覆盖的位置，可以由其他层导电走线覆盖，从而使得至少两层导电走线能够实现对衍射光学元件的全区域监控，即覆盖衍射光学元件的出光面的光线出射区域。
在一些实施方式中，导电走线的层数为两层，每层导电走线包括多个沿第一方向平行且间隔设置的延伸段和将多个延伸段串联在一起的多个连接段，两层导电走线的延伸段在第一方向上依次交替分布。这样，可以在覆盖衍射光学元件有效区域的情况下，减少导电走线的层数，降低检测元件的设置难度。
在一些实施方式中，两层导电走线的延伸段在衍射光学元件上的投影区域互不重叠。这样，可以降低相邻两层导电走线之间出现导通的可能。
在一些实施方式中，每层导电走线的延伸段与连接段的宽度相同。这样，可以方便在衍射光学元件表面快速完成导电走线的制作，降低导电走线因宽度差异带来的制作难度。
在一些实施方式中，衍射光学元件的出光面还设置有位于光线出射区域外的多个导电区域，每个导电区域内设置有导电金属，导电走线的端部延伸至导电区域并经导电金属电连接至处理器。这样，可以通过导电区域内设置的导电金属实现导电走线与衍射光学元件外部件的电连接。
在一些实施方式中，每层导电走线的初始电阻阻值相同。这样，可以统一每层导电走线出现异常时的判断基础，有利于统一各层导电走线的判断逻辑。
在一些实施方式中，相邻的两层导电走线之间经绝缘材料层隔离。这样，可以有效实现相邻两层导电走线之间的绝缘隔离。
在一些实施方式中，每层导电走线的数量为至少一条。这样，可以确保每层导电走线在检测破裂时至少有一个输出电信号。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是一些情形下衍射光学元件处于正常状态下、激光投射模组投射的散斑图；
图2是一些情形下衍射光学元件处于异常状态下、激光投射模组投射的散斑图；
图3是一些情形下衍射光学元件表面出现大面积劈裂时的结构示意图；
图4是一些情形下衍射光学元件表面出现微小破裂时的结构示意图；
图5是本申请一些实施例提供的激光投射模组的结构示意图；
图6是本申请一些实施例提供的激光投射模组中、衍射光学元件出光面的表面结构示意图；
图7是本申请一些实施例提供的激光投射模组中、检测元件的其中一层导电走线的布置结构示意图；
图8是本申请一些实施例提供的激光投射模组中、检测元件的另一层导电走线的布置结构示意图；
图9是本申请一些实施例提供的激光投射模组中、衍射光学元件的主视结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
在采用结构光技术的深度相机中，通过激光投射模组向被识别物体投射经过衍射形成的激光图案，进而通过接收到的图像获取深度信息。其中，激光投射模组包括发出激光的光源、对激光进行准直的准直元件及对准直后的激光进行衍射的衍射光学元件。衍射光学元件是形成激光图案的关键，衍射光学元件的入光面具有起到衍射作用的纳米微结构，可以将入射至衍射光学元件的激光束整形成特定的激光图案。
衍射光学元件处于正常情况下，如图1所示，光源发出的激光通过光学系统后能量衰减，不会出现聚集，即使进入人眼也不会对人眼造成伤害。
然而，在激光投射模组遇到碰撞或者摔落等情况，很容易造成衍射光学元件表面破裂。这时，激光将直接发射出来，如图2所示，投射能量汇聚，直接入射人眼会灼伤视网膜，危害人眼安全。
在一些情形下，为了监控衍射光学元件是否出现破裂等异常情况，会在衍射光学元件表面镀一层ITO（Indium tin oxide，氧化烟锡）走线，氧化烟锡具备良好的导电性，且透明度较高。采用氧化烟锡制成的导电线，不会影响激光的传播。进而，可以通过监控ITO走线的电阻阻值来监控衍射光学元件状态。例如ITO走线在初始状态下的电阻阻值为10kΩ（欧姆），在衍射光学元件出现破裂后，ITO走线也会断裂，此时，发生断裂位置处的ITO走线的电阻阻值接近无穷大。进而使得激光投射模组在检测到异常时，可以停止发出激光，避免激光直接照射人眼。
但是，为了确保ITO走线能够反映衍射光学元件的破裂状况，对ITO走线的宽度有一定限制。原因在于，如果ITO走线宽度较大，那么即使衍射光学元件出现破裂，也只会造成ITO走线在宽度方向上的一部分出现断裂，即ITO走线在长度方向上依然处于连通状态，ITO走线的电阻阻值也不会出现较大范围的变化。
在这种情形下，ITO走线无法有效覆盖衍射光学元件的全部有效区域（即整个光线出射区域）。如图3所示，ITO走线10采用蛇形走线形式，在衍射光学元件130出现标号X所示大面积劈裂时，ITO走线10会出现至少一处断裂。此时，可以通过ITO走线10的电阻阻值判断衍射光学元件130是否出现破裂等异常情况。
若如图4所示，衍射光学元件130上出现标号Y所示微小破裂时，破裂区域位于ITO走线10布线区域外，则无法通过ITO走线10的电阻阻值反应出来。
因此，为了实现对衍射光学元件的全区域监控，本申请一些实施例提供了一种解决形式。在衍射光学元件表面同时布置至少两层导电走线，至少两层导电走线沿衍射光学元件的厚度方向分布。通过采用至少两层导电走线，可以在一层导电走线无法覆盖的位置，布置另一层导电走线，从而便于实现对衍射光学元件光线出射区域的全覆盖，以实现对衍射光学元件的全部有效区域的监控。
如图5和图6所示，本申请一些实施例提供的激光投射模组包括光源110、准直元件120、衍射光学元件130、检测元件140以及处理器150。其中，光源110用于产生激光；准直元件120邻近光源110设置，用于准直光源110发出的激光；衍射光学元件130设置在准直元件120的出光侧，用于衍射准直元件120准直后的激光以形成激光图案；检测元件140设置在衍射光学元件130的出光面，检测元件140包括沿衍射光学元件130的厚度方向依次分布的至少两层导电走线141，至少两层导电走线141在衍射光学元件130的投影区域覆盖衍射光学元件130的出光面的光线出射区域；处理器150与导电走线141电连接，并根据导电走线141的电阻阻值超出初始电阻阻值的范围检测衍射光学元件130是否破裂。
光源110是激光投射模组中用于发射激光的部件。在一些实施例中，光源110可以是垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。
准直元件120是激光投射模组中对激光进行准直的部件。准直元件120可以为采用玻璃材料制成的透镜组，光源110发出的激光经过准直元件120准直，而后从准直元件120的出光侧射出。
衍射光学元件130是激光投射模组中对准直后的激光进行衍射的部件。衍射光学元件130的入光面形成有起到衍射作用的微结构，同时，衍射光学元件130也可以采用玻璃材料制成。
检测元件140是激光投射模组中用于检测衍射光学元件130是否出现破裂的部件。为了不影响衍射光学元件130的衍射功能，检测元件140设置在衍射光学元件130的出光面。检测元件140包括沿衍射光学元件130的厚度方向依次分布的至少两层导电走线141，导电走线141的电阻阻值可以反应衍射光学元件130上是否出现破裂。导电走线141可以采用氧化烟锡（ITO）或者纳米银丝形成，可以在通电后输出电信号的同时，避免对激光的传播产生遮挡。
处理器150是激光投射模组中用于接收检测信号的部件。处理器150与导电走线141电连接，即导电走线141的两端分别电连接至处理器150。在对导电走线141两端施加一定电压，即对导电走线141通电时，处理器150可以接收导电走线141上的电流信号。从而根据电压及电流获取导电走线141的电阻阻值，进而根据电阻阻值超出初始电阻阻值的范围判断衍射光学元件130是否出现破裂。其中，根据所需监控的破裂程度，可以对导电走线141的电阻阻值超出初始电阻阻值的范围进行相应设置。如在一些实施例中，可以在导电走线141的电阻阻值超出初始电阻阻值的20%时，即可认定衍射光学元件130出现破裂等异常情况。此时，可以发出控制信号关闭激光器以停止发射激光。其中，初始电阻阻值为导电走线141在初始状态下的电阻阻值，即未出现断裂等异常情况时的电阻阻值。
本申请一些实施例提供的激光投射模组，沿衍射光学元件130的厚度方向，在衍射光学元件130的出光面上设置至少两层导电走线141。从而在衍射光学元件130出现破裂时，形成在衍射光学元件130上的导电走线141也会出现断裂，此时处于断裂状态下的导电走线141的电阻阻值会超出初始电阻阻值。因此，可以通过处理器150接收到的电信号实现对衍射光学元件130的异常监控。同时，在一层导电走线141无法覆盖的位置，可以由其他层导电走线141覆盖，从而使得至少两层导电走线141能够实现对衍射光学元件130的全区域监控，即覆盖衍射光学元件130的出光面的光线出射区域。
另外，激光投射模组还可以包括镜筒160，垂直腔面发射激光器固定在镜筒160内腔的底部，在垂直腔面发射激光器的出光侧设置有准直元件120，准直元件120固定在镜筒160内腔的中间位置处。而衍射光学元件130则通过封装胶水170固定在镜筒160内腔的顶部开口处，在衍射光学元件130的入光面（即靠近准直元件120的一面）设置有微结构层，在衍射光学元件130的出光面（即远离准直元件120的一面）设置有检测元件140。每层导电走线141可以经准直单元或者镜筒160上的预埋线路与电路板180电连接，电路板180与处理器150电连接，从而使处理器150可以检测每层导电走线141的电阻阻值，进而根据电阻阻值判断衍射光学元件130是否破裂。
在本申请的一些实施例中，导电走线141的层数可以为两层。靠近衍射光学元件130表面的第一层导电走线141如图7所示，远离衍射光学元件130表面的第二层导电走线141如图8所示。每层导电走线141包括多个沿第一方向平行且间隔设置的延伸段1411和将多个延伸段1411串联在一起的多个连接段1412，两层导电走线141的延伸段1411在第一方向上依次交替分布。
延伸段1411是导电走线141中覆盖衍射光学元件130表面的主要部分，多个延伸段1411通过多个连接段1412实现串联。需要说明的是，延伸段1411与连接段1412仅是按照不同位置对导电走线141进行的划分。多个延伸段1411与多个连接段1412为一体结构，可以采用氧化烟锡镀在衍射光学元件130表面。而相邻两层导电走线141互相绝缘。
第一方向如图7和图8中双向箭头S所示方向，第一方向平行于衍射光学元件130的出光面的方向。
通过采用两层导电走线141，可以精简在衍射光学元件130上形成导电走线141的制程工艺，避免因导电走线141的层数过多，而导致在衍射光学元件130上形成导电走线141较为复杂。
如图7所示，在一些实施例中，两层导电走线141的延伸段1411在衍射光学元件130上的投影区域可以互不重叠。
两层导电走线141的延伸段1411在衍射光学元件130上的投影区域互不重叠，是指两层导电走线141对应的延伸段1411在衍射光学元件130上的投影区域处于相接的状态。这样，可以避免两层导电走线141的检测区域出现重叠的情况。同时，也降低两层导电走线141之间出现相互导通的可能性。
需要说明的是，由于不同层的导电走线141之间可以做绝缘处理，因此不同层的导电走线141的延伸段1411在衍射光学元件130上的投影区域也可以存在重叠区域，这可以有效避免检测盲区的存在。
其中，每层导电走线141可以固定宽度延伸，或者以变化宽度延伸。在本申请的一些实施例中，每层导电走线141的延伸段1411与连接段1412的宽度可以相同。
这样，可以便于在衍射光学元件130表面制作导电走线141，避免因导电走线141存在宽度差异带来的制作难度。
另外，衍射光学元件130的出光面还设置有位于光线出射区域外的多个导电区域131，每个导电区域131内设置有导电金属，导电走线141的端部延伸至导电区域131并经导电金属电连接至处理器150。
导电区域131位于衍射光学元件130的出光面，并且位于光线出射区域外。导电区域131内设置有铜、金等导电金属。
通过导电区域131内设置的导电金属可以便于实现导电走线141与电路板180之间的电连接。如图6所示，在导电走线141的层数为两层时，衍射光学元件130表面设置有四个导电区域131，其中两个导电区域131内设置的导电金属与其中一层导电走线141的两端一对一电连接，另外两个导电区域131内设置的导电金属与另外一层导电走线141的两端一对一电连接。四个导电区域131分散设置，以避免距离太近而在相互之间形成干扰。
每个导电区域131内设置的导电金属与准直元件120或者镜筒160上的预埋线路连接，预埋线路与电路板180经过激光点焊连通，从而实现导电走线141与处理器150之间的电连接。
其中，每层导电走线141的初始电阻阻值可以相同。
例如，在导电走线141的层数为两层的情况下，每层导电走线141的初始电阻阻值可以均为10KΩ。在监控破裂时，存在四种判断逻辑：
一、两层导电走线141的电阻阻值均在10KΩ±20%以内，激光投射模组处于正常工作；
二、靠近衍射光学元件130的第一层导电走线141的电阻阻值在10KΩ±20%以内，远离衍射光学元件130的第二层导电走线141的电阻阻值超出10KΩ±20%，此时衍射光学元件130上对应第二层导电走线141区域出现破裂，此时衍射光学元件130出现异常，激光投射模组在处理器150的控制下关闭垂直腔面发射激光器以停止发射激光；
三、靠近衍射光学元件130的第一层导电走线141的电阻阻值超出10KΩ±20%，远离衍射光学元件130的第二层导电走线141的电阻阻值在10KΩ±20%以内，此时衍射光学元件130上对应第一层导电走线141区域出现破裂，此时衍射光学元件130出现异常，激光投射模组在处理器150的控制下关闭垂直腔面发射激光器以停止发射激光；
四、两层导电走线141的电阻阻值均超出10KΩ±20%，此时衍射光学元件130出现较大区域破裂，同时涉及两层导电走线141区域，激光投射模组在处理器150的控制下关闭垂直腔面发射激光器以停止发射激光。
需要说明的是，在检测导电走线141电阻阻值时，可能会出现因焊点氧化引起的检测误差，因此在电阻阻值为10KΩ的正负20%以内时，皆认定衍射光学元件130为正常状态。
而在衍射光学元件130出现破裂异常时，导电走线141也会出现断裂，此时导电走线141的电阻阻值会超出10KΩ的20%。但在一些情形下，在衍射光学元件130出现破裂异常时，导电走线141还会出现错位连接的情况，此时导电走线141上的电流流通路径变短，导致最终检测到的导电走线141的电阻阻值会低于10KΩ的20%。即在衍射光学元件130出现破裂异常时，导电走线141的电阻阻值会超出10KΩ±20%。
在其他实施例中，每层导电走线141的初始电阻阻值也可以不同。
另外，相邻的两层导电走线141之间可以经绝缘材料层隔离。
如图9所示，衍射光学元件130的入光面具有微结构层132，衍射光学元件130的出光面沿厚度方向（双向箭头D所示方向）设置有两层导电走线141。两层导电走线141之间经绝缘材料层133隔离。
在衍射光学元件130表面形成两层导电走线141的过程中，可以先在衍射光学元件130表面镀第一层ITO走线。再在衍射光学元件130表面镀一层绝缘材料，对第一层ITO走线进行覆盖。最后，在衍射光学元件130表面镀第二层ITO走线。其中，绝缘材料可以采用二氧化硅。
在其他实施例中，也可以先在衍射光学元件130表面镀第一层ITO走线，再通过引入氧化绝缘工艺，对第一层ITO走线进行绝缘处理。最后，在衍射光学元件130表面镀第二层ITO走线。同样可以使相邻两层导电走线141之间相互绝缘。
需要说明的是，图9中仅是对各层结构的示意，在实际情形中，导电走线141在衍射光学元件130表面上的高度为50纳米至100纳米，绝缘材料层133在衍射光学元件130表面上的高度同样为纳米级。因此，虽然远离衍射光学元件130的导电走线141未直接与衍射光学元件130表面接触，但是绝缘材料层133的高度不会影响到外层导电走线141对衍射光学元件130的破裂检测。
在本申请的一些实施例中，每层导电走线141的数量为至少一条。
图6中示出了每层导电走线141的数量为一条时的情形，在其他情形下，每层导电走线141的数量也可以有多条。在导电走线141的层数为两层的情况下，靠近衍射光学元件130表面的第一层中的多条导电走线141可以沿第一方向相互平行且间隔设置，远离衍射光学元件130表面的第二层中的多条导电走线141可以沿第一方向分布在第一层中的相邻两条导电走线141的间隔内。每层中的多条导电走线141均与电路板180电连接，从而通过处理器150接收到的每条导电走线141的电信号判断衍射光学元件130是否出现破裂。
这样，在检测破裂时，每层导电走线141至少有一个输出电信号，可以确保破裂检测时的精确性。
本申请一些实施例还提供了一种深度相机，包括上述实施例中的激光投射模组，还包括图像采集器；图像采集器用于采集由激光投射模组投射的激光图案；处理器150与图像采集器电连接，用于处理图像采集器采集的激光图案以获得深度图像。
在激光投射模组向目标空间中投射经衍射光学元件130衍射形成的激光图案后，图像采集器采集被目标物体调制后的激光图案。图像采集器可以为红外相机。处理器150可以对图像采集器采集到的激光图案进行处理而获得该激光图案的深度图像。
本申请一些实施例还提供了一种电子装置，包括壳体及上述实施例中的深度相机，深度相机设置在壳体内并从壳体暴露以获取深度图像。
电子装置可以为手机、平板电脑、笔记本电脑等具备拍摄功能的电子产品。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光投射模组，其特征在于，包括：
光源，用于产生激光；
准直元件，邻近所述光源设置，用于准直所述光源发出的激光；
衍射光学元件，设置在所述准直元件的出光侧，用于衍射所述准直元件准直后的激光以形成激光图案；
检测元件，设置在所述衍射光学元件的出光面，所述检测元件包括沿所述衍射光学元件的厚度方向依次分布的至少两层导电走线，至少两层所述导电走线在所述衍射光学元件的投影区域覆盖所述衍射光学元件的出光面的光线出射区域；
处理器，与所述导电走线电连接，并根据所述导电走线的电阻阻值超出初始电阻阻值的范围检测所述衍射光学元件是否破裂。
2.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于：
所述导电走线的层数为两层，每层所述导电走线包括多个沿第一方向平行且间隔设置的延伸段和将多个所述延伸段串联在一起的多个连接段，两层所述导电走线的所述延伸段在所述第一方向上依次交替分布。
3.根据权利要求2所述的激光投射模组，其特征在于：
两层所述导电走线的所述延伸段在所述衍射光学元件上的投影区域互不重叠。
4.根据权利要求2或3所述的激光投射模组，其特征在于：
每层所述导电走线的所述延伸段与所述连接段的宽度相同。
5.根据权利要求1或2或3所述的激光投射模组，其特征在于：
所述衍射光学元件的出光面还设置有位于所述光线出射区域外的多个导电区域，每个所述导电区域内设置有导电金属，所述导电走线的端部延伸至所述导电区域并经所述导电金属电连接至所述处理器。
6.根据权利要求2或3所述的激光投射模组，其特征在于：
每层所述导电走线的初始电阻阻值相同。
7.根据权利要求1或2所述的激光投射模组，其特征在于：
相邻的两层所述导电走线之间经绝缘材料层隔离。
8.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于：
每层所述导电走线的数量为至少一条。
9.一种深度相机，其特征在于，包括：
权利要求1至8任一项所述的激光投射模组；
图像采集器，用于采集由所述激光投射模组投射的激光图案；
所述处理器与所述图像采集器电连接，用于处理所述激光图案以获得深度图像。
10.一种电子装置，其特征在于，包括：
壳体；
权利要求9所述的深度相机，所述深度相机设置在所述壳体内并从所述壳体暴露以获取深度图像。
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