CN211878295U - 一种面光源投射模组、深度相机和电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种面光源投射模组、深度相机和电子设备，涉及光学技术领域，包括点光源和光学元件，其中，光学元件的入光面为球面；在光学元件的出光面排列形成有多个子凸面；点光源出射光束经光学元件的入光面准直后，由光学元件的出光面上形成的多个子凸面分别汇聚后出射多束汇聚光束。由于每个子凸面都具有一焦点，经过每一子凸面的平行光束经该子凸面后朝向其对应的焦点汇聚出射，并在焦点处汇聚且重新以一定的发散角发散。以此在空间内形成多个点光源发射的面阵发射光源，采用该种设置方式，可以有效的减少现有实际设置的点光源数量，进而减少结构光设备总体的散热量，改善结构光设备在长时间使用时因散热不良导致的损坏。

Description

一种面光源投射模组、深度相机和电子设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种面光源投射模组、深度相机和电子设备。

背景技术

随着结构光技术取得的巨大进步和飞速发展，结构光设备的应用正在日益普及。结构光技术(Structured Light)是一种主动式光学测量技术，其基本原理是由一投射模组向一被测物体(或被测目标)表面投射可控制的光点、光条或光面结构(即具有特殊结构的光，简称结构光)，并由一接收模组(如图像传感器)获得图像，通过系统几何关系，获得该被测物体的三维信息(即深度信息)。由于结构光测量设备及方法具有计算简单、精度高、便于操作的特点，因此结构光设备在实际三维轮廓测量、三维建模、三维场景还原、三维美颜、人脸识别、和/或动作追踪等等领域中被广泛使用。

然而上述结构光的光源形式为多个子光源二维呈阵列分布，实现对目标空间的投射。但是在实际的使用中，往往由于设置多个子光源在长时间使用时，产生的热量持续积聚，导致子光源器件收到损坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种面光源投射模组、深度相机和电子设备，以解决现有结构光因长时间使用导致散热不良的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：

本实用新型实施例的一方面，提供一种面光源投射模组，包括点光源和光学元件；光学元件的入光面为球面；在光学元件的出光面排列形成有多个子凸面；点光源出射光束经光学元件的入光面准直后，由光学元件的出光面上形成的多个子凸面分别汇聚后出射多束汇聚光束。

可选的，多个子凸面在光学元件的出光面呈二维阵列设置。

可选的，相邻两个子凸面在第一方向呈第一间距设置，在第二方向呈第二间距设置，其中，第一方向和第二方向平行于光学元件的出光面且相互垂直。

可选的，相邻两个子凸面在第一方向和第二方向均呈第一间距设置，其中，第一方向和第二方向平行于光学元件的出光面且相互垂直。

可选的，呈二维阵列设置的多个子凸面为深浮雕微透镜阵列。

可选的，每个子凸面的底面形状为圆形。

可选的，每个子凸面的底面形状为方形。

可选的，面光源投射模组还包括反射镜，反射镜位于点光源和光学元件之间；点光源出射的光束经反射镜反射后入射光学元件。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种深度相机，包括上述的任一种的面光源投射模组。

本实用新型实施例的再一方面，提供一种电子设备，包括上述的深度相机。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型提供了一种面光源投射模组，包括点光源和光学元件，其中，光学元件的入光面为球面；在光学元件的出光面排列形成有多个子凸面；点光源出射光束经光学元件的入光面准直后，由光学元件的出光面上形成的多个子凸面分别汇聚后出射多束汇聚光束。由于每个子凸面都具有一焦点，经过每一子凸面的平行光束经该子凸面后朝向其对应的焦点汇聚出射，并在焦点处汇聚且重新以一定的发散角发散。以此在空间内形成多个点光源发射的面阵发射光源，采用该种设置方式，可以有效的减少现有实际设置的点光源数量，进而减少结构光设备总体的散热量，改善结构光设备在长时间使用时因散热不良导致的损坏。

本实用新型还提供了一种深度相机，将上述的面光源投射模组应用在深度相机中，可以有效的降低深度相机中光源产生的热量，同时，由于光源数量的减少，有利于深度相机的中各部件的布设。

本实用新型还提供了一种电子设备，将上述的深度相机应用于电子设备中，可以降低深度相机在使用时所产生的热量，降低深度相机的散热要求，进而使得电子设备的长时间持续使用成为了可能，提高了电子设备的使用性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种面光源投射模组的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的一种面光源投射模组的结构示意图之二；

图3为本实用新型实施例提供的一种面光源投射模组的结构示意图之三；

图4为本实用新型实施例提供的一种面光源投射模组的结构示意图之四。

图标：100-点光源；200-光学元件；210-入光面；220-出光面；221-子凸面；300-模拟多点光源出射参考平面；400-反射镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本实用新型的保护范围内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

物体的三维形貌特征是物体最基本、最重要的特征之一。人类通过三维形貌特征确定物体的轮廓，进而实现对物体的认识、比较、记录以及复制。因此，实现物体的三维形貌特征测量有着重要的意义。现有技术中，一般使用深度相机来获知物体的三维形貌特征，测量方法存在多种。例如，结构光三维扫描方法。其是一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术，为后续的智能交互奠定基础。

深度相机往往采用多点光源出射光束的形式作为光源组件，例如垂直腔面激光发射器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)、边发射激光器等等。以VCSEL为例，其往往为二维阵列设置，从而以多点发射最终形成面光源。但在实际使用中，存在多种需要长时间持续运行的使用场景，例如监控等，在该种模式下，呈二维阵列设置的VCSEL需要进行长时间的持续工作，即持续不断的向光学组件出射光束，以利用时间飞行的方式实现物体的三维信息的感知。随着使用时间的加长，多个紧密设置且处于激发状态的VCSEL会积聚大量的热量，使得周围温度明显升高，降低各组件的使用寿命，甚至可能导致VCSEL散热不良、烧坏。本申请基于上述问题提出了一种面光源投射模组，利用点光源模拟多点光源出射光束，从而达到仿生制造面光源的目的，以此在降低光源产生热量的同时，达到原有多点光源出射所呈现的效果。

本实用新型实施例的一方面，提供一种面光源投射模组，包括点光源100和光学元件200；光学元件200的入光面210为球面；在光学元件200的出光面220排列形成有多个子凸面221；点光源100出射光束经光学元件200的入光面210准直后，由光学元件200的出光面220上形成的多个子凸面221分别汇聚后出射多束汇聚光束。

示例的，如图1所示，设置一点光源100，然后在点光源100的出光侧设置光学元件200。其中，点光源100的目的在于通过其出光侧向光学元件200出射光束(根据点光源100的出光原理，一般为具有一定角度的发散光束)；光学元件200则包括有入光面210和出光面220，点光源100对应设置在光学元件200的入光面210的一侧，同时，使得光学元件200的入光面210为球面，光学元件200的出光面220则以排列的形式形成有多个子凸面221。

如图1所示，当点光源100向光学元件200出射光束时，该光束一般呈一角度以发散的形式向光学元件200的入光面210传播，到达入光面210后，由球面形状的入光面210将其进行准直(点光源100位于球面形态的入光面210的焦点处)，准直后在光学元件200的内部形成平行光束，该平行光束传播至该光学元件200的出光面220，由于在出光面220上形成有多个子凸面221，因此，平行光束会在每一个子凸面221的汇聚作用下，分别出射对应的汇聚光束向与其对应的子凸面221的焦点汇聚。例如：图1中，在光学元件200的出光面220形成有五个或五排子凸面221(同时，五个或五排子凸面221完全填充于出光面220)，为便于描述，此处以五个为例。当平行光束分为五部分传播至五个子凸面221时，每一部分的平行光束均在对其对应的子凸面221的汇聚作用下，向外出射，出射后即形成五束汇聚光束，每一束汇聚光束均和其出射的子凸面221的焦点对应。

当多束汇聚光束分别出射至与其对应的子凸面221的焦点位置时，依据汇聚透镜以及光线的传播原理，在焦点处汇聚的光束会以发散的形式继续向空间内进行传播，进而模拟成为面光源进行投射。其中，根据等同原理，汇聚光束汇聚在每一个焦点的状态相当于一个点光源100，即模拟后新生成的点光源100数量与光学元件200出光面220上所形成的子凸面221的数量对应。进而实现通过点光源100的形式模拟多点光源100出射光束，从而达到仿生制造面光源的目的，以此来降低光源产生的热量，满足在需要光源长时间持续工作的散热要求。且本申请中面光源投射模组，可以从根本上解决光源在持续工作时因散热问题导致的损坏，同时避免了额外设置散热器去进行散热的繁琐以及不可控性。

需要说明的，第一，上述的在光学元件200的出光面220通过排列的方式形成有多个子凸面221，在本实施例中，对于排列的具体形式不做限定，其可以是成一定规则的排列，例如：线阵列、面阵列等等，也可以是无规则的排列，例如：随机排列等等。

第二，本申请中的点光源100数量可以是一个，也可以是两个、三个和四个等等，本申请对其个数不做限制，本领域技术人员可以根据实际设置的需求进行合理选择。需要注意的是，在选择时，应在同等条件下，选择少于现有阵列设置的光源的个数即可。

第三，本申请中光学元件200的出光面220包括多个子凸面221，对于其数量，可以是两个、三个、四个等等多种形式，本领域技术人员可以根据实际需求进行合理选择。同时，对于其曲率，即每一个的子凸面221的焦距可以是相同的，也可以是不同的。

可选的，多个子凸面221在光学元件200的出光面220呈二维阵列设置。

示例的，为了使得多个子凸面221在空间中能够模拟生成比较均匀的面光源，例如呈二维阵列设置的VCSEL阵列光源所呈现的效果，可以使得多个子凸面221在光学元件200的出光面220以二维阵列的方式进行排布，即M乘N，其中M和N均为正整数。例如图4所示，在第一方向上设置多个子凸面221，同时在第二方向上设置多个子凸面221。从而使得出射的汇聚光束更加均匀和整齐。此外，还可以通过将每一个子凸面221的曲率，即焦距设置为同一焦距，如图2所示，由于每一个子凸面221的焦距一致，则多个呈二维阵列排布的子凸面221的焦点所在的平面为同一平面，即形成模拟多点光源出射参考平面300，从而进一步的提高出光的均匀性，以便于模拟仿生制造形成VCSEL面光源。

可选的，相邻两个子凸面221在第一方向呈第一间距设置，在第二方向呈第二间距设置，其中，第一方向和第二方向平行于光学元件200的出光面220且相互垂直。

示例的，相邻的两个子凸面221沿第一方向可以呈第一间距进行设置，响铃两个子凸面221沿第二方向可以呈第二间距设置，其中，第一间距和第二间距应不相等。从而便于形成面光源中的线阵光源，灵活满足实际使用时需求。

可选的，相邻两个子凸面221在第一方向和第二方向均呈第一间距设置，其中，第一方向和第二方向平行于光学元件200的出光面220且相互垂直。

示例的，相邻两个子凸面221在第一方向和第二方向上的设置间距一致，即如图4所示，此时，形成的面光源的效果较为均匀，便于后续的使用。需要说明的是，本申请中的第一间距和第二间距的设置可以根据实际需求进行灵活设置，常规的设置间距可以是5微米至50微米之间。

可选的，呈二维阵列设置的多个子凸面221为深浮雕微透镜阵列。

示例的，本申请中的多个子凸面221的可以是采用深浮雕工艺通过在曝光过程中移动掩模，对光致抗蚀剂表面进行与掩模图形成比例的曝光，再经过显影、坚膜等程序，获得要刻蚀的微透镜阵列的浮雕形状，从而制作出连续浮雕微透镜阵列。连续深浮雕微透镜阵列以其大数值孔径、大浮雕深度、高填充因子、高衍射效率等显著优势在现代国防科学技术和工业领域中具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

可选的，每个子凸面221的底面形状为圆形。

示例的，每个子凸面221的底面形状为圆形，即从光学元件200的出光面220的正前方所看到的子凸面221的形状为圆形。圆形的子凸面221形成的工艺较为成熟，且通常根据填充形式的不同，有正方形填充，六边形填充等等。其中正方形的填充率一般为78.8％。六边形的填充率为90.7％。从而能够灵活满足实际使用时的需求多样化。

可选的，每个子凸面221的底面形状为方形。

示例的，每个子凸面221的底面形状还可以是方形，方形的微透镜阵列的填充率可以达到100％。其在制造微透镜的过程中，需要加工出方形边界，即相邻两个方形子凸面221之间通过方形边界进行连接。对于提高光学元件200的整体光学性能有着较为重要的影响。

可选的，面光源投射模组还包括反射镜400，反射镜400位于点光源100和光学元件200之间；点光源100出射的光束经反射镜400反射后入射光学元件200。

示例的，如图3所示，为了节省实际结构中面光源投射模组的横向尺寸，还可以在点光源100和光学元件200之间加入反射镜400，通过反射镜400改变点光源100的光束的传播路径，从而缩小本申请中的面光源投射模组的横向尺寸，使其尺寸的灵活性、多样性以及小型化都有着较为明显的提升。

反射镜400可以是平面反射镜400，也可以是反射棱镜，其中，反射棱镜大体上可分为简单棱镜、屋脊棱镜和复合棱镜。简单棱镜是指所有工作面均与主截面垂直的棱镜。它是由一块玻璃磨制而成的，分为一次反射、二次反射和三次反射形式的棱镜。此外，根据实际光源、光学元件200的布设位置的需要可以灵活调整反射镜400的反射角度，即调整空间中反射镜400的倾斜角度。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种深度相机，包括上述的任一种的面光源投射模组。

示例的，将上述的面光源投射模组应用在深度相机中，可以有效的降低深度相机中光源产生的热量，同时，由于光源数量的减少，有利于深度相机的中各部件的布设。

本实用新型实施例的再一方面，提供一种电子设备，包括上述的深度相机。

示例的，将上述的深度相机应用于电子设备中，可以降低深度相机在使用时所产生的热量，降低深度相机的散热要求，进而使得电子设备的长时间持续使用成为了可能，提高了电子设备的使用性能。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，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 (10)

1.一种面光源投射模组，其特征在于，包括点光源和光学元件；所述光学元件的入光面为球面；在所述光学元件的出光面排列形成有多个子凸面；所述点光源出射光束经所述光学元件的入光面准直后，由所述光学元件的出光面上形成的多个所述子凸面分别汇聚后出射多束汇聚光束。

2.如权利要求1所述的面光源投射模组，其特征在于，多个所述子凸面在所述光学元件的出光面呈二维阵列设置。

3.如权利要求2所述的面光源投射模组，其特征在于，相邻两个所述子凸面在第一方向呈第一间距设置，在第二方向呈第二间距设置，其中，所述第一方向和所述第二方向平行于所述光学元件的出光面且相互垂直。

4.如权利要求2所述的面光源投射模组，其特征在于，相邻两个所述子凸面在第一方向和第二方向均呈第一间距设置，其中，所述第一方向和所述第二方向平行于所述光学元件的出光面且相互垂直。

5.如权利要求2所述的面光源投射模组，其特征在于，呈二维阵列设置的多个所述子凸面为深浮雕微透镜阵列。

6.如权利要求1所述的面光源投射模组，其特征在于，每个所述子凸面的底面形状为圆形。

7.如权利要求1所述的面光源投射模组，其特征在于，每个所述子凸面的底面形状为方形。

8.如权利要求1所述的面光源投射模组，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜位于所述点光源和所述光学元件之间；所述点光源出射的光束经所述反射镜反射后入射所述光学元件。

9.一种深度相机，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的面光源投射模组。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的深度相机。

Images