CN207216260U - 投射模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种投射模组，包括：底座，以及安装在其上的光源，该光源用于发射发散光束；安装在底座上方的透镜系统，用于准直及扩束所述发散光束并发射出准直光束；安装在底座上方的衍射光学元件，接收所述准直光束并发射出结构光图案化光束；所述准直光束的截面尺寸大于所述发散光束入射到所述透镜系统的表面上形成的入射光斑的尺寸；所述准直光束具有不同的出射方向。通过合理设置了投影系统的结构，能够对光源发出的光束进行准直及扩束后发射出准直光束，而不是简单的聚焦，从而提高了投影的质量。

Description

投射模组

技术领域

本实用新型涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种投射模组。

背景技术

衍射光学元件(DOE)具有高衍射效率且可以实现诸如分束、准直等多种光学功能，另外由于其体积小便于集成，因此被广泛应用于光束整形、光学成像等领域。在3D成像领域，衍射光学元件常被用于生成结构光光束，例如，基于激光、透镜以及DOE组成的投射模组可以生成条纹、二维图案以及斑点等结构光图案化光束。

传统基于单光源的投射模组存在体积大、零级衍射等问题，采用较低功率的多光源将成为合理的选择。然而基于多光源的投射模组也会带来一些问题，由于多个光源入射到DOE上的区域不同，衍射效果难以得到很好的控制，最终导致经衍射后所形成的结构光图案难以达到预期的效果。

实用新型内容

本实用新型为了解决透镜仅通过聚焦等方式对光束进行调制，难以达到高性能的投影效果问题，提供一种投射模组。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

一种投射模组，包括：底座；光源阵列，安装在所述底座上，包括至少两个子光源，用于发射阵列发散光束；透镜系统，安装在所述底座上方，包括入射面以及出射面，其中：所述入射面接收所述阵列发散光束，所述阵列发散光束在所述入射面上形成由入射光斑组成的入射光斑排列图案，所述入射光斑由单个所述发散光束形成，所述入射光斑排列图案的排布形式与所述光源阵列中子光源的排布对应；所述出射面向外发射与阵列发散光束对应的至少两个准直光束，所述至少两个准直光束在所述出射面上形成出射光斑排列图案；所述出射光斑排列图案比所述入射光斑排列图案具有更高的重合度。

在一些实施例中，所述出射光斑的大小大于所述入射光斑的大小。

在一些实施例中，还包括衍射光学元件，所述至少两个准直光束入射到所述衍射光学元件上形成单个衍射光斑，随后经衍射后发射出结构光图案化光束。

在一些实施例中，所述光源阵列包括VCSEL阵列。所述VCSEL阵列中多个子光源以不规则形式排列。

在一些实施例中，所述入射面和/或出射面为曲面。

在一些实施例中，所述至少两个准直光束具有不同的出射方向。

本实用新型还提供一种含有透镜系统的投射模组，所述透镜系统包括入射面以及出射面，当由至少两个发散光束入射时：所述入射面接收所述至少两个发散光束，所述至少两个发散光束在所述入射面上形成由入射光斑组成的入射光斑排列图案，所述入射光斑由单个所述发散光束形成；所述出射面向外发射与至少两个发散光束对应的至少两个准直光束，所述至少两个准直光束在所述出射面上形成出射光斑排列图案；所述出射光斑排列图案比所述入射光斑排列图案具有更高的重合度。

在一些实施例中，所述出射光斑的大小大于所述入射光斑的大小。

在一些实施例中，所述至少两准直光束具有不同的出射方向。

本实用新型的有益效果为：提供一种投射模组，合理设置了投影系统的结构，能够对光源发出的光束进行准直及扩束后发射出准直光束，而不是简单的聚焦，从而提高了投影的质量。

附图说明

图1是本实用新型实施例的基于结构光的深度相机侧面示意图。

图2是本实用新型实施例的光源投影模组的示意图。

图3是本实用新型实施例的投影模组光路示意图。

图4是本实用新型实施例的又一个投影模组光路示意图。

图5是本实用新型实施例的透镜系统入射与出射面光斑示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本实用新型提出一种投射模组。在后面的说明中将以深度相机的投射模组为例进行说明，但并不意味着这种方案仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本实用新型的保护范围中。

深度相机

图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机101主要组成部件有光源投影模组104、采集模组105、主板103以及处理器102，在一些深度相机中还配备了RGB相机107。光源投影模组104、采集模组105以及RGB相机107 一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口108。一般地，处理器102被集成在主板103上，而光源投影模组104与采集模型105通过接口106与主板连接，在一种实施例中所述的接口为 FPC接口。其中，光源投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案化光束，采集模组采集到该结构光图案后通过处理器的处理从而得到目标空间的深度图像。在一个实施例中，结构光图案为红外斑点图案，图案具有颗粒分布相对均匀但具有很高的局部不相关性，这里的局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性，此时采集模组105为对应的红外相机。结构光图案也可以是条纹、二维图案等其他形式。

基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机的主要组成部分也是投影模组与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其投影模组用于发射记时的光脉冲，采集模组采集到该光脉冲后就可以得到光在空间中的飞行时间，再利用处理器计算出对应的空间点的距离。

光源投影模组

图2是图1中光源投影模组104的一种实施例。该投影模组201包括底座206、光源205、镜座204、透镜系统203以及衍射光学元件(DOE)202。光源205安装在底座206上，发出的光束经透镜203调制后由衍射光学元件(DOE)202向空间中发射图案化光束。在其它实施例中透镜系统203与衍射光学元件(DOE) 202也可以整合成一个光学元件。底座206一方面要求具有足够的硬度来支撑光源，另一方面还需要有较高的散热性。透镜203以及DOE202通过镜座204安装在底座206上方。

底座206提供支撑作用，在一些实施例中，还为光源提供散热、供电等作用。底座206往往由电路板、金属、陶瓷等材料组成，可以是单个材料构成，也可以是多个材料组合而成。

光源一般分为单个光源与多个光源，且一般为激光光源，比如边缘激光发射器或者垂直腔面激光发射器VCSEL等。其中，VCSEL由于体积小、发散角小、稳定性等优点更宜于被应用于投影模组中，在一些实施例了，为了减小体积以及降低零级衍射问题，选择VCSEL阵列作为光源更佳。VCSEL阵列即可以是在单块半导体硅片上制作出阵列的VCSEL源来形成，也可以由多个独立的VCSEL光源组合而成。

当投影模组104用于向空间中投影斑点图案时，VCSEL阵列光源的排列二维图案为不规则图案，不规则排列的好处在于提高斑点图案的不相关性。当投射模组104用于向空间中投影规则的结构光图案时，VCSEL阵列光源的排列二维图案一般为规则图案。VCSEL阵列光源中的每个光源都具有一定的发散角，因此需要一个用于准直或汇聚的透镜系统。透镜系统可以是单透镜也可以是透镜组合，甚至可以是微透镜阵列。一般地，由于投影模组对透镜系统有一定的设计要求，比如投影光束密度、投影图案对比度、畸变等多重要求，单透镜系统往往难以达到要求，此时则需要多个透镜共同组成透镜系统来实现设计要求。除了需要考虑透镜的基本设计要求之外，还需要考虑透镜在使用过程中会遇到的一些其他因素，其中温度对透镜的影响较大，常常有温漂现象出现，是在透镜设计中不得不考虑的因素。

图3是根据本实用新型一个实施例的投影模组光路示意图。单个光源30发出发散光束31，在透镜系统33的入射面331上形成较小的入射光斑32，光束被透镜系统33调制后经由出射面332向外发射出准直(或近准直)光束35，准直光束35在出射面332上形成较大的出射光斑34，出射光斑的尺寸与准直光束35 的截面尺寸相同。准直光束35随后入射到衍射光学元件(DOE)36被衍射后向视场37发射出结构光图案化光束。由于出射光束相比较入射光束而言，不仅发散角发生变化，其截面尺寸也发生变化，因此可以说，透镜系统对光源光束起到了准直以及扩束的作用，使得入射的窄发散光束最终以宽准直光束向外发射。由于光束变宽，DOE36上对光束起衍射作用的有效区域也会越大，相应的对DOE的设计要求将会越低，同时更利于投影出高质量的结构化图案光束。需要说明的是，这里的“窄”、“宽”均是为了方便说明透镜的功能而设立的，二者之间分别以对方为参照，并没有实际尺寸的限制。

当光源采用的是多光源时，如VCSEL阵列光源，对于已有技术中的透镜系统方案而言，经透镜系统出射的分别对应于各个VCSEL子光源的光束在空间上随之分离，入射到DOE上时将会照射到DOE的不同区域，在一些实施例中，不同区域之间也会有部分重叠。对于投射模组而言，往往要求投射出的斑点图案分布形式稳定，并随着成像平面的距离远近成比例缩放，因此对DOE的衍射效应有以下两方面的要求：一是对各个光束具有几乎相同的衍射效果；二是不同光束的延长线在空间上存在共同的交点。对于单光源而言，以上条件可以被轻易满足，而对于多光源而言，由于入射到DOE上的光束分离，要想达到与单光源相近的衍射效果，会大幅度加大DOE的设计难度。

图4是根据本实用新型又一个实施例的投影模组光路示意图。相比图3而言，光源40为阵列光源，由多个子光源401以二维图案形式排列，比如VCSEL阵列光源，在图中为了方便说明仅示出了一个维度上的3个子光源401，实际上可以包括任意数量的子光源，为了使得光源投影模组104发射出的图案具有均匀、不相关等特性，要求VCSEL阵列芯片的排列图案为不规则图案，即光源并非以规则阵列排列，而是以一定的不规则图案排列。在一种实施例中，VCSEL阵列芯片整体大小仅在毫米量级，比如2mmX2mm大小，上面排列了几十个甚至上百个光源，各个光源之间的距离处于微米量级，比如30μm。

多个子光源401发射出阵列的发散光束41后入射到透镜系统43的入射面 431，在入射面431上形成多个入射光斑42，透镜系统43对发散光束41进行调制后并在其出射面432发射出多个与各个发散光束41对应的宽准直光束45，宽准直光束45随后入射到衍射光学元件(DOE)46，经衍射后向视场47发射出与各个宽准直光束45对应的多个子结构光图案化光束47，多个子结构光图案化光 47共同组成了投影模组的结构光图案化光束。

在图4所示的实施例中，多个入射光斑42组成了入射光斑排列图案，该入射光斑排列图案中入射光斑的排列方式与阵列光源中子光源401的排列相对应。另外，多个准直光束45在透镜系统43的出射面432上形成了出射光斑44，出射光斑44的尺寸大于入射光斑42。另一方面，多个准直光束45在DOE的入射面上形成了衍射光斑49。

由于光源在空间上分离，同时在垂直发射的情形下入射到透镜系统上形成的入射光斑42在空间上也会分离，即会形成入射光斑排列图案，通过透镜系统的准直以及扩束后，出射光斑形成出射光斑排列图案，且出射光斑排列图案相对于入射光斑排列图案具有更高的重合度，另外各个出射光斑对应的准直光束45具备不同的出射方向48，随后入射到DOE上时各个准直光束将会重合，以形成单个衍射光斑49。为此，在设计DOE时，则无需考虑对多个分离光斑的衍射问题，仅需要考虑单光束的衍射即可。

另外由于各个准直光束45的发射方向不同，可使得经衍射后在任意平面上所形成的结构光图案样式相同，仅大小与平面所在的深度距离成比例。通过如此配置，投影模组所投影的结构光图案光束质量更高，变形更少，基于此投影模组的深度相机所计算的深度图像精度会更高。

如图5所示，入射光斑42的大小取决于光源发射光束的发散角以及光源与透镜系统之间的距离。当距离较近时，入射光斑42相互分离，如图5所示，当距离较远时，入射光斑42也会出现部分重叠。透镜系统出射面上由不同光源所形成的光斑44重合度明显提升，而入射到DOE表面时形成几乎重合的单个衍射光斑49。这里的重合度指的是光斑阵列中邻近光斑之间的重叠程度，重叠区域越多，重合度越高。

可以理解的是，一般在对透镜效果、性能要求的前提下，可以设计出满足这一要求的多种透镜系统任何可以实现相同功能的透镜系统都属于本实用新型的范围内。

区别于现有技术中的透镜仅通过聚焦等方式对光束进行调制，然后再通过 DOE进行分束，难以形成高质量的投影；本实用新型所提供的装置和方法能够对单光源发出的入射光形成的入射光斑经过透镜系统的调制形成了比入射光斑大的出射光斑，这里所说的调制包括扩束和准直，然后通过DOE进行扩束，形成投影。对光源阵列组成的投射模组，现有技术的透镜接受光源发出的入射光束形成出射光束，出射光束形成互不重叠或部分重叠的光斑图案后通过DOE进行衍射，无法形成质量较高的投影；而通过本实用新型所提供的装置和方法能够对光源阵列中各个光源形成的入射光束进行扩束和准直，最终在DOE的入射面形成一个重合的衍射光斑，经衍射后可以形成结构光图案等比例缩放的投影。与现有技术相比，本实用新型所述的方法有两个优点：光斑变大降低了DOE设计的要求；出射准直光束重合保证了投影出高质量不变形的结构化图案光束。

应该理解的是，透镜系统一般由至少一个透镜单元组成，每个透镜单元拥有多个光学表面，以上所述的透镜系统的入射面与出射面一般指的是透镜系统光束入射端透镜单元的光学表面，而出射面指的是透镜系统光束出射端透镜单元的光学表面。另外，由于光学表面可以是平面或曲面，因此当光束入射或出射时所形成的光斑同样也可以为平面或曲面，光斑的排布可以是平面或曲面排布。且光斑的形状与光束的轮廓以及光学表面的形状共同决定。在图5中光斑42、44以及 49均以平面上的圆形为例进行解释，并非限定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种投射模组，其特征在于，包括：

底座；

光源阵列，安装在所述底座上，包括至少两个子光源，用于发射阵列发散光束；

透镜系统，安装在所述底座上方，包括入射面以及出射面，其中：

所述入射面接收所述阵列发散光束，所述阵列发散光束在所述入射面上形成由入射光斑组成的入射光斑排列图案，所述入射光斑由单个所述发散光束形成，所述入射光斑排列图案的排布形式与所述光源阵列中子光源的排布对应；

所述出射面向外发射与阵列发散光束对应的至少两个准直光束，所述至少两个准直光束在所述出射面上形成出射光斑排列图案；

所述出射光斑排列图案比所述入射光斑排列图案具有更高的重合度。

2.如权利要求1所述的投射模组，所述出射光斑的大小大于所述入射光斑的大小。

3.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，还包括衍射光学元件，所述至少两个准直光束入射到所述衍射光学元件上形成单个衍射光斑，随后经衍射后发射出结构光图案化光束。

4.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述光源阵列包括VCSEL阵列。

5.如权利要求4所述的投射模组，其特征在于，所述VCSEL阵列中多个子光源以不规则形式排列。

6.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述入射面和/或出射面为曲面。

7.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述至少两个准直光束具有不同的出射方向。

8.一种投射模组，其特征在于，含有透镜系统，所述透镜系统包括入射面以及出射面，当由至少两个发散光束入射时：

所述入射面接收所述至少两个发散光束，所述至少两个发散光束在所述入射面上形成由入射光斑组成的入射光斑排列图案，所述入射光斑由单个所述发散光束形成；

所述出射面向外发射与至少两个发散光束对应的至少两个准直光束，所述至少两个准直光束在所述出射面上形成出射光斑排列图案；

所述出射光斑排列图案比所述入射光斑排列图案具有更高的重合度。

9.如权利要求8所述的投射模组，所述出射光斑的大小大于所述入射光斑的大小。

10.如权利要求8所述的投射模组，其特征在于，所述至少两准直光束具有不同的出射方向。