CN211085156U - 结构光三维传感装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种结构光三维传感装置，其包括结构光投射模组、摄像模组和将它们固定在一起的安装组件，其中投射模组包括模组壳体以及设置在该模组壳体内的激光发射元件、衍射光学元件和驱动芯片，驱动芯片用于驱动激光发射元件；摄像模组工作在投射模组的工作波长上，其包括模组壳体和设置在模组壳体内的成像镜头、图像传感器芯片和存储器芯片，存储器芯片用于存储当投射模组和摄像模组被固定到安装组件上之后所采集的参考图。根据本实用新型，有利于简化结构光三维传感装置的结构，方便传感装置的安装和使用。

Description

结构光三维传感装置

技术领域

本实用新型总体上涉及三维传感技术，具体地涉及一种结构光三维传感装置。

背景技术

结构光三维传感技术在消费电子、机器人、物流、工业检测等领域的应用越来越广泛。现有的结构光三维传感装置通常采用不同功能的、独立的模块(例如结构光投射模组和摄像模组)组装而成。然而，这些模块大多相互之间没有协调设计，造成结构光三维传感器体积较大，成本较高。此外，现有的结构光三维传感装置中，还需要在结构光投射模组和摄像模组之外为它们配置驱动电路、存储电路等，或者需要加载数据，进行设置和/或标定。这样造成结构光三维传感装置结构复杂、安装不便、成本高、使用起来不够便捷等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构光三维传感装置，其至少部分地克服了现有技术中的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供一种结构光三维传感装置，包括第一模组、第二模组和用于将它们固定在一起的安装组件。所述第一模组为结构光投射模组，其包括第一模组壳体以及设置在该第一模组壳体内的激光发射元件、衍射光学元件和驱动芯片，其中所述激光发射元件发射预定波长的激光，所述衍射光学元件接收所述激光并投射出结构光，所述驱动芯片用于驱动所述激光发射元件。所述第二模组为工作在所述预定波长的摄像模组，其包括第二模组壳体和设置在该第二模组壳体内的成像镜头、图像传感器芯片和存储器芯片，其中所述存储器芯片用于存储当所述第一模组和第二模组被固定到所述安装组件上之后，在所述第一模组的结构光投射之下，通过所述第二模组所采集的参考图。

优选地，所述第一模组还包括设置在所述第一模组壳体内的测光元件和/或测温元件。

在一些实施例中，所述第一模组壳体包括第一保持架和连接至第一保持架的一个开口端的第一基板，所述衍射光学元件安装在第一保持架的另一开口端；并且所述第一模组还包括第一柔性电路板，该第一柔性电路板包括设置在所述第一模组壳体内的主体部分和从主体部分延伸到所述第一模组壳体外的延伸部分。优选地，所述第一柔性电路板的主体部分和所述激光发射元件分别直接设置在所述第一基板的顶面上，所述第一基板的顶面形成有导电线路层，并且所述激光发射元件至少部分地通过第一基板电连接至所述第一柔性电路板。

在一些实施例中，所述第二模组壳体包括第二保持架和连接至第二保持架的一个开口端的第二基板，所述成像镜头安装在所述第二保持架的另一个开口端；所述第二模组还包括第二柔性电路板，该第二柔性电路板的一端设置在所述第二基板上，另一端延伸到第二模组壳体的外部，并且所述图像传感器芯片和存储器芯片与所述第二柔性电路板电连接。优选地，所述第二基板的顶面形成有导电线路层，并且所述第二模组的图像传感器芯片和存储器芯片至少部分地通过第二基板电连接至所述柔性电路板。

在一些优选的实施例中，所述安装组件包括散热底板，所述第一模组的第一基板与第二模组的第二基板通过焊接、导热胶粘接、机械夹持中的一种或多种方式被固定在所述散热底板上。

在另一些优选的实施例中，所述第一模组的第一基板和所述第二模组的第二基板为印刷电路板，和/或所述第一模组的第一基板和所述第二模组的第二基板为一体成型的同一块基板。

在一些实施例中，所述安装组件包括印刷电路板、设置在所述印刷电路板的背面的散热底板以及位于两者之间的导热介质层，并且所述第一模组和第二模组被固定安装到所述印刷电路板的正面上。

所述第一模组还可以包括第一柔性电路板，该第一柔性电路板的一端连接至所述激光发射元件和驱动芯片，另一端延伸到所述第一模组壳体的外部；所述第二模组还可以包括第二柔性电路板，该第二柔性电路板的一端连接至所述图像传感器芯片和存储器芯片，另一端延伸到所述第二模组壳体的外部。

优选地，所述预定波长的激光为红外激光。

在一些优选的实施例中，所述结构光三维传感装置还可以包括第三模组，该第三模组为红外泛光照明模组并包括发光元件和用于驱动该发光元件的驱动电路。

在另一些优选的实施例中，所述结构光三维传感装置还包括第三模组，该第三模组为红外泛光照明模组；并且所述安装组件还包括插接端口构件，该插接端口构件设置在所述印刷电路板上，并且与所述第一模组和第三模组电连接。

在一些实施例中，所述结构光三维传感装置还可以包括第四模组，该第四模组为可见光摄像模组，用于采集可见光图像。优选地，所述安装组件还包括插接端口构件，该插接端口构件设置在所述印刷电路板上，并且与所述第二模组和第四模组电连接。

优选地，所述结构光三维传感装置还包括罩构件，该罩构件罩设在所述安装组件上，使得所述第一模组和第二模组容置于其中，并且所述罩构件具有分别供所述第一模组和第二模组的工作光路通过以及供所述第一模组和第二模组的柔性电路板穿过的若干个开口。

根据本实用新型，将结构光投射模组、摄像头模组、投射模组驱动电路和摄像头存储电路集成在结构光三维传感器中，至少部分解决了以往结构光三维传感器集成度低、使用不便捷的等问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置的示意图；

图2和图3示出可用于图1所示结构光三维传感装置的结构光投射模组的一个示例的结构示意图，其中图2为侧视剖面图，图3为俯视剖面图；

图4、图5和图6示出了可用于图2和图3所示结构光投射模组的、顶面形成有导电线路层的基板的示例，其中图4示意性地示出基板顶面的导电线路层的一个示例的俯视图，图5和图6示出了该基板的层结构的不同示例；

图7和图8示出可用于图1所示结构光三维传感装置的摄像模组的一个示例的结构示意图，其中图7为纵向侧视剖视图，图8为俯视剖视图；

图9示出了可用于图7和图8所示摄像模组的、顶面形成有导电线路层的基板的示例；

图10为根据本实用新型第一实施例的结构光三维传感装置的结构示意图；

图11为根据本实用新型第二实施例的结构光三维传感装置的结构示意图；

图12和图13示出了根据本实用新型第三实施例的结构光三维传感装置的结构示意图，其中图12为侧视剖视图，图13为俯视图(去掉了罩构件)；和

图14为根据本实用新型第四实施例的结构光三维传感装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

图1示出根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置的示意图。如图所示，根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置包括至少一个结构光投射模组1、至少一个摄像模组2和用于将结构光投射模组1和摄像模组2固定组成一个整体的安装组件M。结构光投射模组1包括激光发射元件、衍射光学元件、驱动芯片和用于将它们固定组成一个整体的结构组件。图1中仅标示了结构光投射模组1中的驱动芯片1a。驱动芯片1a实现对激光发射元件的驱动和控制功能。在结构光投射模组1中集成驱动芯片1a，大大简化了整个传感装置的集成。摄像模组2工作于结构光投射模组1的激光波长下，其包括成像镜头、图像传感器芯片、存储器芯片和用于将它们固定成一个整体的另一结构组件。图1中仅标示了摄像模组2中的存储器芯片2a。存储器芯片2a用于实现对摄像模组2所拍摄到的结构光投射模组1投射的图案的参考图进行存储和读取的功能。安装组件M，将结构光投射模组1和摄像模组2固定，保持它们之间的相对位置和相对姿态固定。这样在结构光投射模组1的结构光投射下，通过摄像模组2拍摄到的参考图就是包含了相关位置和姿态信息的特定参考图。这样的参考图被存储的存储器芯片2a中，可以直接用于本结构光三维传感装置的标定和校正，而无需在传感装置的使用中另外加载数据和设置，使用更加便捷。根据本实用新型实施例，安装组件优选与各模组之间具有导热连接结构，实现更好的散热功能。

下面，将参照图2至图6介绍可用于根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置的结构光投射模组。图2和图3为这样的结构光投射模组10的一个示例的结构示意图。

如图2和图3所示，结构光投射模组10包括投射模组壳体11以及设置在该投射模组壳体11内的激光发射元件12、衍射光学元件13和驱动芯片14。激光发射元件12发射预定波长的激光，例如红外激光。例如，激光发射元件12可以采用VCSEL(垂直腔表面发射激光器)，但是本实用新型不限于此。衍射光学元件13接收激光并投射出结构光。驱动芯片14用于驱动激光发射元件12。例如，驱动芯片14可以根据预置的发光模式对作为激光发射元件的VCSEL进行控制。

优选地，如图3所示，结构光投射模组10还可以包括集成在投射模组壳体11内的测光元件16和/或测温元件17。测光元件16例如可以及时向驱动芯片的驱动电路反馈激光发射元件12的发光强度。测温元件17例如可以及时向驱动电路反馈投射模组的温度。这样，驱动芯片14的驱动电路可以根据发光强度信息、温度信息以及预置的发光模式对激光发射元件12进行控制。

返回参照图2，在图示示例中，投射模组壳体11包括保持架11a和基板11b，基板11b连接到保持架11a的一个开口端(图示下侧开口端)上。衍射光学元件13安装在保持架11a的另一开口端上。

此外，结构光投射模组10还可以包括柔性电路板15。如图2和图3所示，柔性电路板15包括设置在投射模组壳体11内的主体部分和从主体部分延伸到壳体11外部的延伸部分，用于与外部电源和/或设备连接。

基板11b可以是散热底板，主要为结构光投射模组10提供结构强度和增强的散热效果。基板11b也可以是印刷电路板，主要提供结构光投射模组10内的器件之间以及与外部电力和信号的连通。

然而，在一些实施例中，基板11b可以构造为既提供电连接的作用，又提高机械强度和散热效率。例如，图4、图5和图6示出了基板11b的示例，其中基板11b具有分层的结构，其顶面形成有导电线路层，下侧的层又提供散热功能。

例如，参见图4，其为基板11b的一个示例的俯视图，如图所示，基板11b的顶面的导电线路层中形成有导电线路w3以及位于两端的连接端子(例如焊盘)w1和w2。在采用这样的基板11b的实施例中，连接端子w2可以与柔性电路板15底面的连接端子电连接，而连接端子w1可以分别连接不同的器件，例如激光发射元件12、驱动芯片14、测光元件16和/或测温元件17等，从而使得激光发射元件12等至少部分地通过基板电连接至柔性电路板15，从而连通模组外部的电力和信号。

图5示出了以例如金属为基材的基板11b的一个示例，其中基板11b可以包括依次设置的导电线路层11b-1、绝缘层11b-2、以及金属散热层11b-3。图6示出了以例如绝缘陶瓷为基材的基板11b’的一个示例，其中基板11b’可以包括导电线路层11b’-1和陶瓷底板11b-2，在陶瓷底板11b’-2中形成有多个孔，并在孔内填充有散热系数大的材料，例如焊锡，从而形成散热柱11b’-3。

接下来，介绍可用于根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置的摄像模组的示例。图7和图8示出这样的摄像模组20的一个示例的结构示意图。摄像模组20为工作在结构光投射模组10所投射激光的预定波长下的摄像模组，如图所示，其包括摄像模组壳体21和设置在该摄像模组壳体21内的成像镜头22、图像传感器芯片23和存储器芯片24。存储器芯片24用于存储当结构光投射模组10和拍摄模组20被固定到结构光三维传感装置的安装组件上之后，在结构光投射模组10的结构光投射之下，通过摄像模组20所采集的参考图。

摄像模组20中集成了存储器芯片24，存储器芯片24中的存储电路可以保存用于结构光三维传感装置标定的参考图、标定数据以及结构光投射模组的许可证书等数据。存储器芯片24还可以保存工作时所必要的其他数据。应该理解的是，在本申请中，存储器芯片24不同于用于对摄像模组20拍摄的图像进行缓存的存储器件。本领域技术人员能够理解，存储器芯片24应该具有与其所要用于存储的参考图、标定数据以及其他数据相适应的构造和配置。

在图7所示示例中，摄像模组壳体21包括保持架21a和基板21b，基板21b连接至保持架21a的一个开口端。摄像模组20的成像镜头22例如可以安装在保持架21a的另一个开口端。

此外，类似于结构光投射模组10，摄像模组20还可以包括柔性电路板25。该柔性电路板25的一端设置/连接在基板21b上，另一端延伸到摄像模组壳体21的外部。摄像模组20的图像传感器芯片23和存储器芯片24与柔性电路板25电连接，以与外部电力和信号连通。

与结构光投射模组10中的基板11b类似，基板21b可以是散热底板，也可以是印刷电路板。在一些实施例中，例如参见图9，摄像模组20中的基板21b也可以在顶面形成有导电线路层，使得摄像模组20中的图像传感器芯片23和存储器芯片24至少部分地通过基板21b电连接至柔性电路板。

上面结合图2至图9介绍了可用于根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置的结构光投射模组和摄像模组。接下来，介绍根据本实用新型的不同实施例的三维传感装置。

图10为根据本实用新型第一实施例的结构光三维传感装置100的结构示意图。在第一实施例中，结构光三维传感装置100的安装组件M包括散热底板，结构光投射模组10的基板11b和摄像模组20的基板21b例如通过焊接、导热胶粘接、机械夹持或任何其他合适方式被固定在散热底板上，从而在基板11b和基板21b与安装组件M的散热底板之间形成散热通道，提高整个传感装置的散热效率。

图11为根据本实用新型第二实施例的结构光三维传感装置200的结构示意图。与图10所示第一实施例不同的是，在第二实施例中，结构光投射模组10的基板11b和摄像模组20的基板21b为一体成型的同一块基板。

应该理解，上述第一和第二实施例中，安装组件M可以进一步包括其他构件，例如罩设在模组10和20之上并起到遮蔽和/或保护作用的罩构件，但是在图中为清晰起见没有示出。

图12和图13示出了根据本实用新型第三实施例的结构光三维传感装置300的结构示意图。

根据第三实施例，除了结构光投射模组10(第一模组)和摄像模组20(第二模组)，结构光三维传感装置300可以进一步包括其它模组，例如图示示例中的第三模组30和第四模组40。

第三模组30例如可以为红外泛光照明模组30。根据本实用新型实施例，红外泛光照明模组30优选包括发光元件和用于驱动该发光元件的驱动电路。在图13所示的优选示例中，结构光投射模组10(第一模组)的柔性电路板15’具有第三端，该第三端连接至红外泛光照明模组30(第三模组)的发光元件和驱动电路。这样，根据本实用新型实施例的传感装置中的投射/照明模组共用柔性电路板，简化了传感装置内部的结构，同时使得与外部电力和信号的连接端口更加简洁，有利于使传感装置的安装和使用更加便捷。

红外泛光照明模组30能够与工作于红外光波长的摄像模组20配合工作。摄像模组20在通过红外泛光照明模组30提供的照明条件拍摄的图像，例如可以用于辅助进行图像识别等操作。

第四模组40例如可以为可见光摄像模组，用于采集可见光图像。

应该理解的是，图12和图13所示第三实施例的仅为示例性的，而非限制性的，根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置可以包括更多或更少的其它模组，或者包括与红外泛光照明模组和可见光摄像模组不同的其它模组。例如，结构光三维传感装置也可以包括除了结构光投射模组10以外的额外的结构光投射模组，用于投射不同于前者所投射的结构光的激光波长或图案的结构光。又例如，根据本实用新型实施例的结构光三维传感装置也可以包括除了摄像模组20以外的额外的摄像模组，用于对同一或者不同结构光投射模组所投射的结构光图案进行拍摄。

根据第三实施例，如图所示，结构光三维传感装置300的安装组件M可以包括印刷电路板M1、设置在所述印刷电路板的背面的散热底板M2以及位于两者之间的导热介质层M3。结构光投射模组10和摄像模组20被固定安装到印刷电路板M1的正面上。

此外，结构光三维传感装置300还可以包括罩构件C，该罩构件C罩设在安装组件M上，使得各个模组容置于其中。罩构件C具有分别供各模组的工作光路通过的开口(见图12)以及供各模组的柔性电路板穿过的开口。

图14为根据本实用新型第四实施例的结构光三维传感装置400的结构示意图。结构光三维传感装置400与图12所示根据第三实施例的结构光三维传感装置300具有大致相同的结构，不同之处在于：结构光三维传感装置400中，安装组件M还包括插接端口组件50，其设置在印刷电路板M1上，与结构光投射模组10和红外泛光照明模组30电连接；结构光投射模组10和红外泛光照明模组30不是通过柔性电路板与传感装置外部电连接，而是共用该插接端口组件50，以与外部实现电连接。

根据第四实施例，摄像模组20和摄像模组40可以各自通过柔性电路板与外部电连接。但是，在其它实施例中，摄像模组20和40也可以通过例如类似的插接端口组件而与外部电连接。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (16)

1.一种结构光三维传感装置，包括第一模组、第二模组和用于将它们固定在一起的安装组件，其特征在于：

所述第一模组为结构光投射模组，其包括第一模组壳体以及设置在该第一模组壳体内的激光发射元件、衍射光学元件和驱动芯片，所述激光发射元件发射预定波长的激光，所述衍射光学元件接收所述激光并投射出结构光，所述驱动芯片用于驱动所述激光发射元件；

所述第二模组为工作在所述预定波长的摄像模组，其包括第二模组壳体和设置在该第二模组壳体内的成像镜头、图像传感器芯片和存储器芯片，所述存储器芯片用于存储当所述第一模组和第二模组被固定到所述安装组件上之后，在所述第一模组的结构光投射之下，通过所述第二模组所采集的参考图。

2.如权利要求1所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第一模组还包括设置在所述第一模组壳体内的测光元件和/或测温元件。

3.如权利要求1所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第一模组壳体包括第一保持架和连接至第一保持架的一个开口端的第一基板，所述衍射光学元件安装在第一保持架的另一开口端；并且

所述第一模组还包括第一柔性电路板，该第一柔性电路板包括设置在所述第一模组壳体内的主体部分和从主体部分延伸到所述第一模组壳体外的延伸部分。

4.如权利要求3所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第一柔性电路板的主体部分和所述激光发射元件分别直接设置在所述第一基板的顶面上，所述第一基板的顶面形成有导电线路层，并且所述激光发射元件至少部分地通过第一基板电连接至所述第一柔性电路板。

5.如权利要求1-4中任一项所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第二模组壳体包括第二保持架和连接至第二保持架的一个开口端的第二基板，所述成像镜头安装在所述第二保持架的另一个开口端；

所述第二模组还包括第二柔性电路板，该第二柔性电路板的一端设置在所述第二基板上，另一端延伸到第二模组壳体的外部，并且所述图像传感器芯片和存储器芯片与所述第二柔性电路板电连接。

6.如权利要求5所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第二基板的顶面形成有导电线路层，并且所述第二模组的图像传感器芯片和存储器芯片至少部分地通过第二基板电连接至所述柔性电路板。

7.如权利要求5所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述安装组件包括散热底板，所述第一模组的第一基板与第二模组的第二基板通过焊接、导热胶粘接、机械夹持中的一种或多种方式被固定在所述散热底板上。

8.如权利要求5所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第一模组的第一基板和所述第二模组的第二基板为印刷电路板，和/或所述第一模组的第一基板和所述第二模组的第二基板为一体成型的同一块基板。

9.如权利要求1所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述安装组件包括印刷电路板、设置在所述印刷电路板的背面的散热底板以及位于两者之间的导热介质层，并且所述第一模组和第二模组被固定安装到所述印刷电路板的正面上。

10.如权利要求9所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述第一模组还包括第一柔性电路板，该第一柔性电路板的一端连接至所述激光发射元件和驱动芯片，另一端延伸到所述第一模组壳体的外部；

所述第二模组还包括第二柔性电路板，该第二柔性电路板的一端连接至所述图像传感器芯片和存储器芯片，另一端延伸到所述第二模组壳体的外部。

11.如权利要求10所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述预定波长的激光为红外激光。

12.如权利要求11所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述结构光三维传感装置还包括第三模组，该第三模组为红外泛光照明模组并包括发光元件和用于驱动该发光元件的驱动电路。

13.如权利要求9所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述结构光三维传感装置还包括第三模组，该第三模组为红外泛光照明模组；并且所述安装组件还包括插接端口构件，该插接端口构件设置在所述印刷电路板上，并且与所述第一模组和第三模组电连接。

14.如权利要求9-11中任一项所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述结构光三维传感装置还包括第四模组，该第四模组为可见光摄像模组，用于采集可见光图像。

15.如权利要求14所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述安装组件还包括插接端口构件，该插接端口构件设置在所述印刷电路板上，并且与所述第二模组和第四模组电连接。

16.如权利要求1-4、6-13中任一项所述的结构光三维传感装置，其特征在于，所述结构光三维传感装置还包括罩构件，该罩构件罩设在所述安装组件上，使得所述第一模组和第二模组容置于其中，并且所述罩构件具有分别供所述第一模组和第二模组的工作光路通过以及供所述第一模组和第二模组的柔性电路板穿过的若干个开口。

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