CN210864219U - 一种含激光安全保护的结构光投射模组及3d成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种含激光安全保护的结构光投射模组，包括：镜筒；置于所述镜筒一端的电路板，所述电路板上设有至少一照明光源；和位于所述镜筒另一端的衍射光学元件；所述的镜筒内嵌入设置有导线，导线的两端分别与所述的电路板和衍射光学元件电气连接，用于传递衍射光学元件内的异常电气特性。本实用新型还提供一种3D成像装置，包括：上述的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；图像接收模块，用于获取投射出去的结构光图案；控制运算模块，根据获取的结构光图案计算深度信息。本实用新型使得结构光投射模组安全保护措施的准确性高、不受环境光干扰、不增加模组体积、成本低廉、制程简单。

Description

一种含激光安全保护的结构光投射模组及3D成像装置

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，具体涉及一种含激光安全保护的结构光投射模组及3D成像装置。

背景技术

3D成像装置在市场上已经开始应用于一些电子消费产品，如体感游戏的动作识别、新一代iphone X的结构光3D人脸识别。3D成像装置可以大大地丰富用户的体验，提升产品竞争力，尤其是3D人脸识别，相对于2D的人脸识别，由于增加了一维的信息，在体验和安全性等方面是后者无法比拟的。相对于传统的生物识别，如指纹识别，3D人脸识别的可靠性和安全性要高出一个台阶。

不同于传统的2D成像装置，如摄像机，只能获取物体的平面2D信息，3D成像装置还可以获取物体的深度信息，构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量，零件建模，医疗诊断，安防监控，机器视觉，生物识别，增强现实AR，虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。

基于结构光技术的3D成像装置主要包括结构光投射模组、图像接收模块、处理运算模块，核心部分在于结构光投射模组。结构光投射模组一般包括光源、准直镜、衍射光学元件(DOE)。其中，衍射光学元件(DOE)用于接收准直镜出来的光束，将光束进行分束、重叠处理，以获得分布均匀且不相关的图案化光束。衍射光学元件(DOE)则又是结构光投射模组的核心光学元件，直接决定着模组所投射的图案化光束的质量。

随着结构光投射模组使用时间的增加，衍射光学元件(DOE)的性能常常会发生变化，比如环境温度过高或者潮湿天气时空气中的湿气都会对DOE造成影响，甚至用户使用过程中摔落、磕碰致使内部DOE破裂等等，这些情况都会使得DOE的衍射效率降低或失效，由此光束无法按照预设的方式分离成若干束，功能发生失效，而且会使得某一出射光束的能量变强，一般是零级衍射光束变强，所以在针对人等生物的应用中可能会造成伤害，例如过强的光能量会导致视网膜烧伤。因此，一种稳定、可靠、低成本易实现，含激光安全保护的结构光投射模组及3D成像装置是十分必要的。

当前业界针对结构光投射模组的激光安全保护措施，主要是在模组内部增加一个光线传感器，利用光线传感器感知的光能量强弱来间接判断和监测DOE的物理状态，如专利CN207096666U、CN10778336A、CN 108088656A等，但增加的光线传感器会较大的增加模组成本，影响模组体积的小型化，且因为是通过感知的光能量强弱来间接判断和监测DOE，存在易受环境光干扰和准确率低的缺点。

另一种常见的方式是对DOE进行二次加工处理，增加了电学特性，让DOE的物理状态与增加的电学特性产生关联，同时使DOE与模组的PCB电路板进行电气连接，通过内置电路检测DOE的电学特性，来判断和监测DOE的物理状态，如专利CN109506894A、CN107942612A、CN107608167A。该种方式在DOE与模组PCB电路板进行电气连接这一步，普遍将连接线外置，存在占用模组空间、增加模组制程复杂度、影响产品良率、成本高的问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种含激光安全保护的结构光投射模组及3D成像装置，使得结构光投射模组安全保护措施的准确性高、不受环境光干扰、不增加模组体积、成本低廉、制程简单。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种含激光安全保护的结构光投射模组，包括：

镜筒；

置于所述镜筒一端的电路板，所述电路板上设有至少一照明光源；

和位于所述镜筒另一端的衍射光学元件；

所述的镜筒内嵌入设置有导线，导线的两端分别与所述的电路板和衍射光学元件电气连接，用于传递衍射光学元件内的异常电气特性。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述的照明光源与衍射光学元件间设有至少一准直透镜。

可选的，所述衍射光学元件上具有用于光线衍射的微结构图案，微结构图案外具有与所述导线导通的导电回路。

可选的，所述的导电回路为环形的导电薄膜，所述导电薄膜的侧边引出连接有两触点，所述两触点与导线电气连接。

可选的，所述的两触点为分布在衍射光学元件两对侧的金属焊盘。

可选的，所述镜筒的端部内壁设有安装所述衍射光学元件的台阶，台阶的壁面上具有连通导线并与金属焊盘位置对应的金属端子。

可选的，所述的镜筒与导线通过一体注塑成型。

本实用新型还提供一种3D成像装置，包括：

上述的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；

图像接收模块，用于获取投射出去的结构光图案；

控制运算模块，根据获取的结构光图案计算深度信息。

相较于现有技术，本实用新型使得结构光投射模组安全保护措施的准确性高、不受环境光干扰、不增加模组体积、成本低廉、制程简单。

附图说明

图1是基于结构光技术的3D成像装置原理图；

图2是结构光模组光线出射到人脸的随机散斑效果；

图3是含激光安全保护的结构光投射模组具体示意图；

图4是衍射光学元件示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本实用新型的保护范围。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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。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实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1所示的3D成像装置，包括结构光投射模组10、图像接收模块20、控制运算模块30。结构光投射模组10用于向目标投射结构光图案，具体包括激光光源100、准直透镜200和衍射光学元件DOE 300。图像接收模块20(例如红外摄像头)用于获取投射出去的结构光图案。图像接收模块是业界较为成熟的技术，通常由透镜lens、滤光片filter、图像sensor构成，所用滤光片需要与结构光投射模组10的光源波长匹配。控制运算模块30根据获取的结构光图案计算深度信息，同时该模块还兼具有对结构光投射模组10和图像接收模块20的工作控制作用，以及对外输出深度信息数据的作用，具体的工作控制、输出数据的方式均为业界成熟技术，本专利不做详述。一般3D成像装置还配有彩色成像摄像头、接近光传感器、照明器件，都属于辅助配件，非核心功能模块，技术成熟，本实施例不做详述。

当实际物体，例如人脸处在该装置前方20cm—120cm范围时，3D成像装置开始启动工作，结构光投射模组10投射出结构光，在前方人脸上形成散斑结构光，如图2，即完成了对人脸的空间结构光编码，图像接收模块20拍摄人脸的结构光编码图像，再把图像信息传给处理运算模块30，经过算法处理运算最终可以获取前方人脸的3D深度信息数据。

实施例2

如图3所示是一种含激光安全保护的结构光投射模组10的剖面图示，该图仅是一种具体构造的示例，并不限制其他外形构造。

本实施例中的结构光投射模组，包括：

镜筒(图中未示出附图编号，具体是图1中带剖线部分的部件)；

置于镜筒一端的电路板(模组PCBA板500)，电路板上设有至少一照明光源；

和位于镜筒另一端的衍射光学元件DOE 300；

镜筒内嵌入设置有导线400，导线400的两端分别与电路板(模组PCBA板500)和衍射光学元件DOE 300电气连接，用于传递衍射光学元件内的异常电气特性。

镜筒barrel采用insert molding注塑工艺制成，侧壁内部含有金属的导线400，该导线400与镜筒barrel作为一个整体在模具中注塑成型得来，量产稳定，步骤简单，成本低廉，要远优于目前业界采用的金属导线外置方式。

在另一个更具体的实施方式中，照明光源为激光光源100，一般通过COB(Chip-on-Board)工艺贴片到模组PCBA板500上，以实现电气连接，模组PCBA板500与图1中的控制运算模块30相连，最终实现系统对激光光源100的工作控制；

在另一个更具体的实施方式中，激光光源100可以是垂直共振腔表面发射(VCSEL)的激光器，也可以是平行共振腔表面的边发射激光器，发射光波长通常包括红外或紫外线波长，激光光源100可以为单个光源，也可以为多个光源共同组成。

在优选的实施方式中，激光光源100为二维VCSEL芯片，发射光波长为940nm。图中激光光源100的凹坑示意VCSEL芯片的发光孔。激光光源100在本系统中的作用是提供发散角小、功率高、均匀性好的高质量光源，为结构光编码成像提供良好的主动照明光源。

照明光源(激光光源100)与衍射光学元件DOE 300间设有至少一准直透镜200。

在另一个更具体的实施方式中，准直透镜200在本图中由3个透镜lens共同构成，也可以由其他数量的透镜lens共同构成。准直透镜200通过卡环和结构层靠的方式固定在镜筒barrel内部，图中的阴影部分为镜筒barrel。激光光源100的出射光被后续的准直透镜200所接收，准直镜200的作用是对激光光源100发出的光束进行准直，使光束变得平行、均匀，这样的光束才能更好的被下一个部件——衍射光学元件DOE 300所利用。

如图4所示，衍射光学元件DOE 300上具有用于光线衍射的微结构图案302，微结构图案302外具有与导线导通的导电回路。

在另一个更具体的实施方式中，导电回路为环形的导电薄膜303，导电薄膜303的侧边引出连接有两触点，这两触点与导线400电气连接导通。

在另一个更具体的实施方式中，两触点为分布在衍射光学元件两对侧的金属焊盘301。镜筒的端部内壁设有安装衍射光学元件DOE 300的台阶，台阶壁面上的导线400具有与金属焊盘301位置对应的金属端子。

准直透镜200的出射光束继续向前传播，经过衍射光学元件DOE 300，通常为玻璃或塑料材质，该元件表面一般采用半导体工艺刻蚀或浮雕出精细的微结构图案，以使元件具备光线衍射的功能。衍射光学元件DOE 300通过胶粘或内嵌的方式固定在镜筒barrel上，作用是将单束的入射光分裂、复制出多束光束，并扩大视场角来出射，最终表现是将激光光源100的发光斑点复制成更多的散斑分布在前方空间中，对被照射的物体实现结构光调制编码。

本实施例的激光安全保护措施如下：

如图4是衍射光学元件DOE 300的俯视图，微结构图案302是通过半导体工艺刻蚀或浮雕而成，具备光线衍射的功能。衍射光学元件DOE 300本身为玻璃或者塑料材质构成，不具备电气特性，通过二次加工，如气相沉积技术，可在DOE表面再镀一层特定线路图案的导电薄膜303，如图4黑色粗线条所示即为线路状的图案，这样衍射光学元件DOE 300就具备了基本的电气特性，可以是电阻特性，也可以是电容特性，视导电薄膜303的材质与图案样式而定。需要注意的是，导电薄膜303的线路图案样式可以多种多样，根据具体的DOE电气特性需求而定，但线路图案不宜与微结构图案302区域重叠，否则会影响系统的光学性能表现。导电薄膜303在DOE上下两端与金属焊盘301接触，因此电气特性是互相导通的。金属焊盘301是采用半导体工艺制作在衍射光学元件DOE 300上的，典型的工艺过程包括PVD、光刻、化学电镀等等，此处不详述。实际上金属焊盘301是很薄的一层附在衍射光学元件DOE300侧边，图示为了方便示意以凸出物的形式呈现在DOE的上下两端。

导线400一端的金属端子在衍射光学元件DOE 300上与金属焊盘301接触，构成电气导通，另一端与模组PCBA板500的镀铜焊盘501接触，构成电气导通。如此最终实现了衍射光学元件DOE 300的导电薄膜303与模组PCBA板500的电气连接，进而与控制运算模块30相连。

当衍射光学元件DOE 300因极端的外界环境条件产生功能退化实效或破碎时，其导电薄膜303的电气特性会产生变化，如电阻或电容异常，通过一系列电气连接，该变化最终会被控制运算模块30监测到，根据预定的程式判断产生预定的对策，如降低激光光源100的发光功率或者关闭运行。具体电子硬件实现过程和方式多样，本实施例不做详述。由于监测的是衍射光学元件DOE 300的电气特性，该方式不受环境光干扰，区别于使用光线传感器监测的方式。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，包括：

镜筒；

置于所述镜筒一端的电路板，所述电路板上设有至少一照明光源；

和位于所述镜筒另一端的衍射光学元件；

所述的镜筒内嵌入设置有导线，导线的两端分别与所述的电路板和衍射光学元件电气连接，用于传递衍射光学元件内的异常电气特性。

2.如权利要求1所述的含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，所述的照明光源与衍射光学元件间设有至少一准直透镜。

3.如权利要求1所述的含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，所述衍射光学元件上具有用于光线衍射的微结构图案，微结构图案外具有与所述导线导通的导电回路。

4.如权利要求3所述的含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，所述的导电回路为环形的导电薄膜，所述导电薄膜的侧边引出连接有两触点，所述两触点与导线电气连接。

5.如权利要求4所述的含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，所述的两触点为分布在衍射光学元件两对侧的金属焊盘。

6.如权利要求5所述的含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，所述镜筒的端部内壁设有安装所述衍射光学元件的台阶，台阶壁面上的导线具有与金属焊盘位置对应的金属端子。

7.如权利要求1所述的含激光安全保护的结构光投射模组，其特征在于，所述的镜筒与导线通过一体注塑成型。

8.一种3D成像装置，其特征在于，包括：

权利要求1～7任一项中所述的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；

图像接收模块，用于获取投射出去的结构光图案；

控制运算模块，根据获取的结构光图案计算深度信息。

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