CN206892529U - 结构光发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结构光发生器。该结构光发生器包括：激光二极管，用于发射激光；布置在所述激光的出射光路上的光路改变装置，用于改变所述激光的传播方向；布置在所述激光的经改变光路上的衍射光学元件，用于生成结构光；以及至少包裹所述激光二极管和所述光路改变装置的一部分的壳体，所述壳体具有用于经调制的结构光出射的开口。由此克服了激光二极管的现有结构限制，实现了结构光发生器的小型化，从而为其在便携式移动设备上的广泛应用铺平了道路。

Description

结构光发生器

技术领域

本实用新型涉及激光发射装置，尤其涉及一种结构光发生器。

背景技术

传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息(亦称景深信息)，但实际上物体表面的空间深度信息，尤其是深度信息的实时获取在各种工业、生活及娱乐应用中都起着至关重要的作用。

目前，有一种基于结构光检测的三维测量方法能够实时地对物体表面进行三维测量。基于结构光检测的三维测量方法是一种能够对运动物体表面进行实时三维检测的方法。简单地说，该测量方法首先向自然体表面投射带有编码信息的二维激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由另一位置相对固定的图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元将采集的激光纹理图案与预先存储在存储器内的已知纵深距离的参考面纹理图案进行比较，根据所采集到的纹理图案和已知的参考纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。基于结构光检测的三维测量方法采用并行图像处理的方法，因此能够对运动物体进行实时检测，具有能够快速、准确进行三维测量的优点，特别适用于对实时测量要求较高的使用环境。

随着技术的发展和消费需求的激增，越来越多的便携式移动设备(例如，智能电话等)期望并入上述三维测量功能。但现有技术中缺乏能够满足移动设备小型化和低功耗要求的结构光发生装置。

实用新型内容

为了解决上述至少一个问题，本实用新型提出了一种紧凑的结构光发生器，该结构光发生器通过引入光路改变装置克服了激光二极管的现有结构限制，由此实现了结构光发生器的小型化，从而为其在便携式移动设备上的广泛应用铺平了道路。

根据本实用新型的一个方面，提出了一种结构光发生器，其可以包括：激光二极管，用于发射激光；布置在所述激光的出射光路上的光路改变装置，用于改变所述激光的传播方向；布置在所述激光的经改变光路上的衍射光学元件，用于生成结构光；以及至少包围所述激光二极管和所述光路改变装置的一部分的壳体，所述壳体具有用于使所述结构光出射的开口。

由此，通过光路改变，能够合理避免现有激光二极管出射方向上长管脚对整体结构的限制，从而提升结构光发生器的紧凑性和小型化程度。

光路改变装置可以是直角棱镜、梯形棱镜或者平面反射镜。但从安装便利性和光学效率上考虑，优选使用直角棱镜。光路改变装置可以任意改变激光传播方向，但优选将其改变为与出射方向垂直，以方便各元件的布置和壳体的生产。

本发明的结构光发生器还可以包括布置在所述激光二极管和所述光路改变装置之间的准直透镜，用于准直从激光二极管出射的激光。

壳体可以包括使得激光二极管可以与外部(例如，电源)相连的结构，例如壳体还可以包括用于所述激光二极管的管脚侧伸出的第二开口，或者包括用于所述激光二极管的管脚伸出的第二多个开口。在单一开口的情况下，该第二开口还可以包括用于与激光二极管的卡口相配合的限定结构。

壳体可以是便于散热的金属结构。考虑到与激光二极管的绝缘要求，可以对壳体进行表面阳极氧化处理，例如黑色阳极氧化处理。

衍射光学元件可以位于壳体之内，也可以嵌入在壳体的开口内，只要其调制光束能够顺利出射，当嵌入在壳体结构内时，衍射光学元件的上表面优选比围绕其的壳体外表面低至少0.2mm，以避免例如组件包装时对衍射结构的损害。

优选地，该衍射光学元件生成的结构光是能够投射离散光斑的经调制光束。更优选地，该衍射光学元件具有通过光学微加工技术构成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1A和1B示出了现有激光二极管的结构示意图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的剖面图。

图3A和3B示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的透视图。

图4A和4B示出了包括准直透镜的结构光发生器的示意图。

图5示出了包括准直透镜的结构光发生器的光路图。

图6示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的衍射光学元件的原理图。

图7示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器在壳体完整情况下的立体图。

图8示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的立体图。

图9示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的尺寸示意图。

图10示出了另一封装结构的激光二极管的结构光发生器的示意图。

图11示出了图10所示结构光发生器在壳体完整情况下的立体图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息，而利用结构光和成像装置(例如，成像镜头)进行深度测量的方法非常有效。该方法所需计算量较小，精度较高且能用于亮度较小的场所。因此，越来越多的三维测量方案选择结构光结合成像装置(单目或双目)来实现对目标深度信息的测量。

出于精确度、成本、功耗和紧凑性等各方面的考虑，通常使用激光二极管(LaserDiode，LD)作为结构光发生装置的光源。图1A和1B示出了现有激光二极管的结构示意图。

如图1A所示，激光二极管1具有向一侧伸出的三个长管脚11，用于分别与正极、负极和PD端(通常空接)相连。而激光则从管脚的相对侧射出。图中的箭头示出了激光的出射位置和方向。类似地，图1B示出了另一种封装结构。激光二极管1’具有向相对侧伸出的三个管脚11’，其中同侧的两个管脚分别接正负极，激光从相对的单管脚所在侧出射。图中的箭头示出了激光的出射位置和方向。激光二极管的上述结构为其小型化和并入便携式设备制造了障碍。例如，智能手机通常难以在其顶端预留出足够布置上述长管脚的高度。

有鉴于此，本实用新型通过引入包括光路改变装置的紧凑型结构光发生器，能够有效克服激光二极管的固有结构在便携设备小型化布置中所遇到的问题，由此为三维测量设备的广泛应用奠定了基础。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的剖面图，图3A和3B从不同视角示出了该结构光发生器的透视图。如图所示，结构光发生器可以包括激光二极管1、光路改变装置2、衍射光学元件3和壳体4。

激光二极管1可以用于发射激光。在一个实施例中，激光二极管1可以是以210mw的功耗发射825nm的红外光。光路改变装置2被布置在激光的出射光路上的，用于改变激光的传播方向。衍射光学元件3则被布置在激光的经改变光路上的，以生成结构光。壳体4至少包裹激光二极管1和光路改变装置2的一部分，并且具有使所述结构光出射的开口。

在一个实施例中，光路改变装置2可以是如图2所示的直角棱镜，以便将激光的传播方向改变为与从激光二极管出射的方向垂直，即与长管脚的伸出方向垂直，由此方便对结构光发生器的横向布置。在其他实施例中，光路改变装置2也可以是例如梯形棱镜或是平面反射镜之类的其他装置，只要其能够改变激光传播方向即可。虽然图中示出了将激光传播方向更改为与原始出射方向垂直，但是本领域技术人员明了的是，可以任意改变激光传播方向以符合具体实践要求。在改变光传播方向为90度的情况下，优选使用图2中所示的直角棱镜，以实现安装便利性、光学效率和成本上的优化。

图4A和4B示出了根据本实用新型另一个实施例的结构光发生器的示意图。如图4A和4B所示，结构光发生器还可以包括准直透镜2’。准直透镜2’被布置在激光二极管1和光路改变装置2之间，用于准直从激光二极管1出射的激光。在激光二极管1包括覆盖玻璃12(Cover Glass，CG)的情况下，准直透镜2’可以考虑激光器13及其覆盖玻璃12两者的光路情况来进行准直，如图5所示。图5是图4A和4B所示结构光发生器(不包括衍射光学元件)的光路图。图中将准直透镜2’实现为一个平凸透镜，在其他情况下，结构光发生器可以包括具有其他实现结构的准直透镜，也可以不包括单独的准直透镜。在一个实施例中，可以在精度要求较低但对紧凑度要求较高的情况下直接省略准直操作。在其他实施例中，也可以将准直透镜设置在光路改变装置之后，或是将准直功能并入衍射光学元件。

位于光路末端的衍射光学元件(Diffraction Optical Element，DOE)3是用于将入射的平行激光束调制成结构光并加以输出的装置。如图6所示，DOE 3可以是表面具有微二元结构的光学元件。上述表面微结构可以通过光学微加工技术制成，并且用于使得输入的光束发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。在其他实施例中，DOE 3也可以具有其他的二元结构，用于生成其他形式的结构光。在并入准直功能的情况下，可以在考虑准直功能的情况下设计DOE 3的二元衍射结构，从而使其具备准直功能。

出于完整性和安装便利性的考虑，壳体4优选地尽量包裹结构光发生器所包含的各类组件，但至少要为结构光的输出以及激光二极管1的电源连接留有开口。图7示出了壳体完整时结构光发生器的外观透视图。如图所示，壳体4包括用于嵌入DOE 3的第一开口，可以用于激光二极管1的管脚侧伸出的第二开口。该第二开口还可以包括用于与激光二极管1本身的卡口相配合的限定结构。优选地，DOE 3的上表面比围绕其的壳体外表面低至少0.2mm，以避免例如组件包装时对精密衍射结构的损害。在其他实施例中，壳体4也可以具有不同的结构。在一个实施例中，DOE 3可以位于壳体4内部，例如，直角棱镜的直角边上侧，并且直接通过壳体4的开口(或是覆盖有透光结构，例如覆盖玻璃的开口)出射其调制光束。在一个实施例中，壳体4可以包裹激光二极管1的管脚侧，而仅包括用于三个管脚伸出的第二多个开口。但是出于制造便利性、缩减不必要体积以及结构整体性的考虑，仍然优选让整个管脚侧露出，并与该侧面平齐的单一开口。

壳体4可由刚性材料制成，优选由金属，例如铝制成，从而在为内部部件与结构提供保护的同时实现为激光二极管1散热的功能。在一个实施例中，壳体4可以是经表面阳极氧化的金属壳体，例如黑色阳极氧化的壳体，从而为激光二极管1提供必要的绝缘性。

如上已经结合图2-7描述了使用图1A所示激光二极管实现的结构光发生器及其优选实施例。图8进一步示出了此类结构光发生器的立体剖面图。图中的箭头示出了激光传播方向。据此得到结构光发生器具有能够方便并入各类便携式移动设备的横向结构。图9示出了根据本实用新型的一个发生器具体实现的尺寸。如图所述，可以将该结构光发生器实现为主体尺寸仅为11.20x 6x 8mm的小型模组，以符合相关移动设备的尺寸需求。

图10示出了包括根据图1B所示封装结构的激光二极管的结构光发生器的透视图。类似地，在激光二极管1的激光出射方向布置有实现为直角棱镜的光路改变装置2，并入的准直功能的DOE 3用于准直从光路改变装置2出射的激光并将其调制成所需的结构光。壳体4具有用于布置DOE 3的开口。激光从激光二极管1中射至直角棱镜的平整光学表面，在其内全反射之后从另一平整光学表面出射，直至并入了准直功能的DOE 3，最终得到结构化的出射光，例如，激光散斑。在图10所示的优选实施例中，由于此类封装的激光二极管的发热量更小，因此在无需特别考虑散热的情况下壳体4可由透明的绝缘材料，例如塑料制成。如图11所示，在封装完毕的情况下，壳体下部仍然可以不封口，以便将其直接放置在例如移动设备的其他组件上，由此进一步缩减体积。在一个实施例，如图11所示的封装后尺寸可以仅为1.15x 1.75x 5.9mm。

另外，虽然图中示出了仅包括结构光发生器结构的单独模组，但是应该理解，本公开的结构光发生器结构适用于与一个或两个成像设备相结合以实现单目或是双目深度测量的更大组合或是模组中。还应该理解的是，附图所示的实施例仅仅是为了说明本公开原理的优选实施例，而非对本实用新型范围的具体限制。

上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的结构光发生器。以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种结构光发生器，其特征在于，包括：

激光二极管，用于发射激光；

布置在所述激光的出射光路上的光路改变装置，用于改变所述激光的传播方向；

布置在所述激光的经改变光路上的衍射光学元件，用于生成结构光；以及

至少包围所述激光二极管和所述光路改变装置的一部分的壳体，所述壳体具有用于使所述结构光出射的开口。

2.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，所述光路改变装置是如下之一：

直角棱镜；

梯形棱镜；或者

平面反射镜。

3.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，所述光路改变装置将所述激光的传播方向改变为与从所述激光二极管出射的方向垂直。

4.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，还包括：

布置在所述激光二极管和所述光路改变装置之间的准直透镜，用于准直从所述激光二极管出射的激光；或者

所述衍射光学元件具有用于准直从所述光路改变装置出射的激光的衍射结构。

5.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，所述壳体还包括：

用于所述激光二极管的管脚侧伸出的第二开口；或者

用于所述激光二极管的管脚伸出的第二多个开口。

6.如权利要求5所述的结构光发生器，其特征在于，所述第二开口包括用于与所述激光二极管的卡口相配合的限定结构。

7.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，所述壳体是经表面阳极氧化的金属壳体。

8.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，所述衍射光学元件嵌入在所述壳体的所述开口内。

9.如权利要求8所述的结构光发生器，其特征在于，所述衍射光学元件的上表面比围绕其的所述壳体的外表面低至少0.2mm。

10.如权利要求1所述的结构光发生器，其特征在于，所述衍射光学元件具有通过光学微加工技术构成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。