CN208351151U - 投影模组、深度相机及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种投影模组、深度相机及电子设备，投影模组包括：光源芯片，用于发射光束；透镜，安装在所述光源芯片上方，用于接收并汇聚所述光源芯片发射的光束；衍射光学元件，安装在所述光源芯片上方，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射图案化光束；校正光学元件，安装在所述光源芯片上方，用于对所述衍射光学元件发射出的所述图案化光束进行畸变校正。通过在衍射光学元件的外侧增加一个校正光学元件对图案化光束的边缘区域的图案进行畸变校正，从而以较小的厚度实现更大视场角的投影，且所投影的图案具有更高的密度或亮度分布均匀度。

Description

投影模组、深度相机及电子设备

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，特别是涉及投影模组、深度相机及电子设备。

背景技术

3D成像特别是应用于消费领域中的3D成像技术将不断冲击甚至取代传统的2D成像技术，3D成像技术除了拥有对目标物体进行2D成像能力之外还可以获取目标物体的深度信息，根据深度信息可以进一步实现3D扫描、场景建模、手势交互等功能。深度相机特别是结构光深度相机或TOF(时间飞行)深度相机是目前普遍被用来3D成像的硬件设备。

深度相机中的核心部件是激光投影模组，按照深度相机种类的不同，激光投影模组的结构与功能也有区别，比如专利CN201610977172A中所公开的投影模组用于向空间中投射斑点图案化光束以实现结构光深度测量，这种斑点结构光深度相机也是目前较为成熟且广泛采用的方案。随着深度相机应用领域的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。

投影模组向空间中投射图案化光束时，会随着视场角的增大使得在平面上形成的图案发生畸变，比如亮度分布不均匀、斑点密度分布不均匀等畸变现象，最终会降低深度图像的质量。

发明内容

本实用新型为了解决现有技术中投影模组所投影出的图案出现畸变的问题，提供一种投影模组、深度相机及电子设备。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

一种投影模组，包括：光源芯片，用于发射光束；透镜，安装在所述光源芯片上方，用于接收并汇聚所述光源芯片发射的光束；衍射光学元件，安装在所述光源芯片上方，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射图案化光束；校正光学元件，安装在所述光源芯片上方，用于对所述衍射光学元件发射出的所述图案化光束进行畸变校正。

在本实用新型的一种实施例中，所述校正光学元件是自由曲面透镜，所述自由曲面透镜用于对所述图案化光束中边缘区域的光束进行折射；所述自由曲面透镜通过偏微分方程或同步多曲面设计得到。

在本实用新型的另一种实施例中，所述校正光学元件是第二衍射光学元件；所述第二衍射光学元件的衍射角小于所述衍射光学元件的衍射角；所述第二衍射光学元件与所述衍射光学元件是相互独立的光学元件或集成在一起的光学元件；第二衍射光学元件与所述衍射光学元件是相互独立的光学元件时，所述第二衍射光学元件的图案面朝向所述光源芯片一侧。

本实用新型还提供一种深度相机，包括如上任一所述的投影模组。

本实用新型又提供一种电子设备，包括如上所述的深度相机。

本实用新型的有益效果为：提供一种投影模组、深度相机及电子设备，通过在衍射光学元件的外侧增加一个校正光学元件对图案化光束的边缘区域的图案进行畸变校正，从而以较小的厚度实现更大视场角的投影，且所投影的图案具有更高的密度或亮度分布均匀度。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的深度相机侧面示意图。

图2是现有技术中一种投影模组的示意图。

图3是现有技术中投影模组所形成的图案示意图。

图4是根据本实用新型一个实施例的投影模组示意图。

图5是根据本实用新型一个实施例的投影模组所形成的图案示意图。

其中，10-深度相机，101-处理器，102-主板，103-投影模组，104-RGB相机，105-采集模型，106-进光窗口，201-底座，202-光源芯片，203-镜座，204-透镜，205-衍射光学元件，206～208-子光束区域，301～309-子光束区域，310-中心区域的窗口，311-边缘区域的窗口，401-底座，402-光源芯片，403-镜座，404-透镜，405-衍射光学元件，406-校正光学元件，407～409-子光束区域，410-折射方向，501～509-子光束区域，510-中心区域的窗口，511-边缘区域的窗口。

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。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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实用新型实施例和简化描述，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实用新型的限制。

本实用新型提出一种投影模组、深度相机及电子设备，投影模组可以向空间投射出图案化光束，比如结构光散斑图案，同时基于投影模组提出了对应的深度相机及电子设备。深度相机所拍摄到的物体的图像中每个像素上的值代表的是空间中对应的点距离深度相机的之间的深度值。在后面的说明中将以结构光深度相机为例进行说明，但并不意味着本实用新型的方案仅能应用在投影模组中，或者这种投影模组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本实用新型中的技术方案都应被包含在本实用新型的保护范围内。

图1所示的是根据本实用新型一个实施例的深度相机侧面示意图。深度相机10主要组成部件有投影模组103、采集模组105、主板102以及处理器101，在一些深度相机中还配备了RGB相机104等。投影模组103、采集模组105以及RGB相机104一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106。一般地，处理器101被集成在主板102上，而投影模组103与采集模型105通过接口(图中未画出)与主板102连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。投影模组103用于向目标空间中投射经编码的结构光图案光束，采集模组105采集照射在目标物体上所形成的结构光图案后，由处理器101根据三角法原理计算出目标物体的深度图像。

投影模组103主要包含光源以及光学元件，光源可以包含如LED、激光等光源，用于发射可见光以及红外、紫外等不可见光。光学元件如透镜、衍射光学元件、反射镜等，用于对光源发出的光束进行调制，以向外投影出结构光图案光束。这里所说的结构光图案光束指的是该图案光束投射到空间平面上将形成该图案。采集模组105与投影模组103往往一一对应，投影模组103的视场一般需要在测量范围内覆盖采集模组105的视场，另一方面，采集模组105往往需要设置与投影模组103所发射光束波长相对应的滤光片，以便于让更多的结构光图案光束的光通过，同时降低其他波长光束通过所带来的图像噪声。

在一个实施例中，结构光图案为红外散斑图案(红外斑点图案)，图案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。可以理解的是，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。

图2是现有技术中一种投影模组的示意图。该投影模组包括底座201、光源芯片202、镜座203、透镜204以及衍射光学元件(DOE)205。光源芯片202发射出光束经由透镜204汇聚后入射到DOE205上，DOE205进一步将光束进行衍射以形成图案化光束。图3所示的是一种图案化光束示意图。DOE205将光源芯片202所发出的多光束进行复制，并将复制的图案以一定的形式扩展。比如图3中，投影图案由9个区域(301，302，…，309)组成，每个区域内的光束均与光源芯片202对应，比如在一个实施例中，光源芯片202上多个子光源以一个不规则二维阵列(也可以是规则二维阵列，不规则二维阵列可以提升图案的不相关度)排列形成，则每个区域内的多个光束所形成的图案与该不规则二维阵列相对应，比如相同、相似、中心对称等对应关系。

对于图3所示的图案，可以理解的是，除了中心区域之外的其他子区域，离中心越远，在平面上所形成的图案变形越严重，尽管在一定程度上这种变形有利于提高图案的不相关度，但在边缘区域的图案的密度分布、亮度分布等出现严重变形，基于这些区域图案进行的深度计算所获取的深度图像的精度较低。比如对于用于产生结构光斑点图案的投影模组而言，在中心区域305中选取一个小窗口310，以及在边缘区域307中选取同样大小的窗口311，其内部的斑点分布如图所示，边缘区域内窗口311的密度分布严重下降，斑点的数量也下降明显。若基于该窗口进行匹配计算，匹配的精度将会下降，最终影响深度图像的质量。

图4是根据本实用新型一个实施例的投影模组示意图。投影模组包括底座401、光源芯片402、镜座403、透镜404、衍射光学元件(DOE)405以及校正光学元件406。底座401用于安置光源芯片及承载镜座。在一些实施例中，底座401还用于光源芯片402的散热和/或供电。底座401可以由具有导热和/或导电功能的陶瓷、金属、合金、塑料等材料中的一种或多种制成。优选地，底座401由导热功能的陶瓷和印制电路板(PCB电路板)组合而成。

光源芯片402安装在底座401上，用于发射光束；光源芯片402可以是半导体LED、半导体激光等，优选地采用垂直腔面激光发射器(VCSEL)阵列作为光源，也可以是平行共振腔表面的边发射激光器，用于向外发射红外、紫外等波长的光束。由于VCSEL拥有体积小、光源发射角小、稳定性好等特点，同时可以在面积1mmx1mm的半导体衬底上布置成百上千个VCSEL子光源，由此构成的VCSEL阵列光源芯片不仅体积小、功耗低，同时更加有利于生成结构光斑点图案化光束。VCSEL阵列芯片可以是裸片也可以经过封装后的芯片，两者的区别在于，裸片拥有更小的体积和厚度，而封装芯片则具有更好的稳定性以及更方便的连接。在一种实施例中，光源芯片402为二维VCSEL芯片，该VCSEL芯片包括至少一个VCSEL光源，能够向外投射830nm或者950nm的红外光束。VCSEL阵列光源可以通过分组控制以使每一个VCSEL光源独立发射，分组控制可以为任何形式，比如独立控制其中几个子光源或者所有光源同时打开，从而实现形状不同、大小不同或密度不同的图案。此外，光源芯片402可以设置在底座401一侧的任意位置上，具体可根据需求做出相应调整。优选地，光源芯片402设置在底座401的中心位置上。

镜座403安装在底座401上，用于隔离外界自然光以及安置透镜404、DOE405以及校正光学元件406等光学元件。可以理解的是，在组装镜座403时，应当综合考虑光源芯片402与透镜404的几何位置关系，以使光源芯片402位于透镜404的等效焦距附近。

透镜404安装在镜座403上，在光源芯片402上方，用于接收并汇聚光源芯片402发射的光束；透镜404内嵌于镜座403内部，透镜404与镜座403之间的接触面可以通过环氧胶粘合固定，也可以通过螺栓固定，用于接收并汇聚光源芯片402发射的光束。在一个实施例中，透镜404向外投射平行光束。透镜404可以仅包括一片透镜，也可以包括多片相同和/或不同曲率的透镜。透镜的材质可以是透明玻璃，也可以是树脂或者高分子聚合物。在一个实施例中也可以采用微透镜阵列(MLA)，微透镜阵列中每一个微透镜单元与光源芯片402中的每个子光源对应，也可以一个微透镜单元与多个子光源对应等；在另一实施例中也可以采用透镜组来实现光束汇聚。优选地，透镜404由多片不同曲率半径的玻璃球面透镜和/或玻璃非球面透镜组合而成。一种实施方式中，透镜404与光源芯片402的光轴位于同一条直线上，并且透镜404与光源芯片402的距离近似等于透镜404的等效焦距。

衍射光学元件405安装在镜座403上，安装在光源芯片402上方，用于接收经透镜404汇聚后的光束并投射图案化光束；需要理解的是，在一个实施例中，为了避免外界尘埃、水汽等因素影响光学元件的性能，必须要求DOE405与镜座403构成一个密封的空间，即由光源芯片402、镜座403、透镜404、DOE405以及校正光学元件406构成的投影模组必须是密封的。DOE405用于接收通过透镜404的光束并向外发射出能形成结构光图案的结构光图案光束，在一种实施例中，比如当光源芯片402中子光源的数量为100时，即经由透镜传输到DOE405上的光束为100，DOE405可以将透镜光束以某一数量(比如200)的倍率进行扩束，最终向空间中发射20000个光束，理想情况下将会看到有20000个斑点(在一些情况下会有一些斑点重叠的情形，导致斑点数量减少)，比如图4中示意性地给出三倍扩束的情形，即形成3个区域407、408以及409，每个区域中含100个子光源发出的子光束，这里仅为了示意给出了二维平面内的3个区域，实际上在三维空间中可以有更多个区域，比如图5中所示的3x3＝9个区域。

与图2所示方案不同的是，为了解决图案边缘畸变问题，图4所示的实施例中，投影模组中增加了校正光学元件406，校正光学元件406安装在镜座403上，在光源芯片402上方，用于对衍射光学元件发射出的图案化光束进行畸变校正。

在一个实施例中，校正光学元件406为自由曲面透镜，通过对该透镜表面形状的特殊设置，将用于形成图案化光束中边缘区域的光束进行折射，如图4中箭头410所示意的情形。自由曲面透镜在设计时尽可能避免对中心区域进行较大程度的校正，主要实施对边缘区域的校正，在尽量不改变投影模组视场角的前提下，使得整体图案的密度、亮度等分布尽可能均匀。设计此类自由曲面透镜的方法可以通过偏微分方程或同步多曲面等方法，比如将由DOE405出射的光束图案作为物，将想通过畸变校正达到的图案作为像，通过偏微分方程建立透镜的物像关系与自由曲面几何形状之间的关系并进行求解以实现对自由曲面透镜的设计。在一种实施例中，自由曲面透镜的光学材料采用PC或PMMA或光学玻璃。

在一个实施例中，校正光学元件406为第二衍射光学元件(DOE)，第二DOE利用光学衍射实现对图案化光束的畸变校正，即由DOE405输出的未校正的图案作为输入光场，将想要实现的校正后的图案作为输出光场，第二衍射光学元件通过合理刻蚀形成一定的衍射图案分布，该衍射图案分布具备将输入光场转化为输出光场的能力。在一个实施例中，第二衍射光学元件的衍射角小于衍射光学元件的衍射角，由此可以实现畸变校正。可以理解的是，第二衍射光学元件的衍射图案分布与衍射光学元件的图案分布不相同。

在一个实施例中，透镜404与DOE405也可以整合成一个光学元件，比如形成在一块透明基底的两个表面上。

在一个实施例中，第二衍射光学元件和衍射光学元件是相互独立的两个光学元件，优选的，第二衍射光学元件的图案面靠近光源芯片一侧，防止磨损。为了进一步缩小空间，第二衍射光学元件和衍射光学元件可以集成在一个光学元件的两个表面。

通过校正光学元件406的校正作用，投影模组所形成的图案在边缘区域的密度、亮度等分布得到校正，比如图5所示实施例中，校正后图案中中心区域中窗口510与边缘区域中窗口511中的密度分布近乎相同。

可以理解的是，本实用新型中通过增加了校正光学元件406对投影图案进行校正的方案，是对图案化光束的全局的校正，因为是一次性校正多个点，或者说是对图案化光束中边缘区域进行校正。这种校正不同于对图案化光束中的单个像素分别逐个进行校正，本实用新型的结构更简单，使用范围更广泛，更容易集成到深度相机和电子设备中。

可以理解的是，图4与图5仅示意性给了本实用新型的一个技术方案，在图5所示实施例中，DOE405所复制出的9个子区域以相互邻接的形式平铺形成整个投影图案，在一些实施例中，各个子区域之间也可以相互重叠或者有一定的间隙。

可以理解的是，校正光学元件的具体结构和形式并不受限制，针对具体的投影模组以最佳改善图案化光束边缘畸变为目的设置自由曲面透镜或第二衍射光学元件的具体的结构。

对于图2所示的已有技术方案，往往为了提升投影质量，透镜的焦距相对较大，因为焦距减小意味着视场角增大，从而使畸变变大，因此整体投影模组的厚度也较大，不利于集成到微型设备如手机中去。而本实用新型的方案中则可以采用焦距相对较小的透镜，通过在衍射光学元件的外侧增加一个校正光学元件对边缘区域的图案进行畸变校正，从而以较小的厚度实现更大视场角的投影，且所投影的图案具有更高的密度或亮度分布均匀度。

本实用新型还提供一种深度相机，深度相机主要组成部件有如上所述的投影模组，以及采集模组、主板以及处理器，在一些深度相机中还配备了RGB相机等。因为本实用新型提供的投影模组能够以较小的厚度实现更大视场角的投影，且所投影的图案具有更高的密度或亮度分布均匀度，所以包含其的深度相机也能够实现更大视场角的投影且所投影的图案具有更高的密度或亮度分布均匀度，而且体积更小。

本实用新型还可以提供一种电子设备集成了如上所述的深度相机用于获取更优质的图像并进一步处理、应用获取的图像。电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本、电视机、台式机、无人机等，可以理解的此处的列举仅仅是示例性的，将本实用新型的投影模组集成到除了深度相机以外的其他设备中也属于本实用新型的保护范围；将本实用新型的深度相机集成到任意的电子设备也属于本实用新型的保护范围。

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 (9)

1.一种投影模组，其特征在于，包括：

光源芯片，用于发射光束；

透镜，安装在所述光源芯片上方，用于接收并汇聚所述光源芯片发射的光束；

衍射光学元件，安装在所述光源芯片上方，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射图案化光束；

校正光学元件，安装在所述光源芯片上方，用于对所述衍射光学元件发射出的所述图案化光束进行畸变校正。

2.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述校正光学元件是自由曲面透镜，所述自由曲面透镜用于对所述图案化光束中边缘区域的光束进行折射。

3.如权利要求2所述的投影模组，其特征在于，所述自由曲面透镜通过偏微分方程或同步多曲面设计得到。

4.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述校正光学元件是第二衍射光学元件。

5.如权利要求4所述的投影模组，其特征在于，所述第二衍射光学元件的衍射角小于所述衍射光学元件的衍射角。

6.如权利要求4所述的投影模组，其特征在于，所述第二衍射光学元件与所述衍射光学元件是相互独立的光学元件或集成在一起的光学元件。

7.如权利要求6所述的投影模组，其特征在于，所述第二衍射光学元件与所述衍射光学元件是相互独立的光学元件时，所述第二衍射光学元件的图案面朝向所述光源芯片一侧。

8.一种深度相机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的投影模组。

9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的深度相机。