CN213690092U - 低镜头高度的光学投影器以及深度相机模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低镜头高度的光学投影器以及深度相机模组，包括准直端支架、投影镜筒、光源模组、分束器件以及远心投射镜组；光源模组、分束器件设置在准直端支架内侧，投影镜筒连接准直端支架；光源模组，用于发射准直光束；分束器件，设置在光源模组的出光侧，用于接收准直光束并对准直光束衍射形成离散准直光束；远心投射镜组，包括顺次设置的凸透镜、反射器件以及透镜组件，用于使得离散准直光束入射并穿过凸透镜后经反射器件反射后从透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵。本实用新型中将入射的离散准直光束并进行反射后从透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵，缩短了整个远心投射镜组的光路长度，进而降低了光学投影器的高度。

Description

低镜头高度的光学投影器以及深度相机模组

技术领域

本实用新型涉及光学镜头，具体地，涉及一种低镜头高度的光学投影器以及深度相机模组。

背景技术

3D深度视觉作为一个崭新的技术，已经出现在手机、体感游戏、支付等消费级产品中，并且逐步渗透到安防、自动驾驶等新的领域。随着硬件端技术的不断进步，算法与软件层面的不断优化，3D深度视觉的精度和实用性得到大幅提升。

3D深度感知目前主要使用的方案有双目立体视觉，3D结构光和TOF方案。其中，双目立体视觉一般采用双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。3D结构光的原理是发射衍射光斑到物体上，传感器接收发生形变的光斑，从而根据光斑形变的量来判断深度信息。3D结构光具有较高的精度，适用于近距离的信息采集，如人脸识别、人脸支付等功能。TOF方案则是通过向被测目标连续发送光信号，然后传感器接收返回的光信号，再通过计算一系列光信号的飞行时间来得到被测目标的距离。

其中，3D结构光和TOF方案都需要一个发射端和一个接收端。一般的发射端包括激光光源，准直光路和DOE，或者是激光光源，准直光路，芯片和投影镜头。无论采用哪种方案从光源到出射位置都需要经过较长的距离的光路传播，因此会导致产品的厚度较大，不利于整个产品的小型化。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种低镜头高度的光学投影器以及深度相机模组。

根据本实用新型提供的低镜头高度的光学投影器，包括准直端支架、投影镜筒、光源模组、分束器件以及远心投射镜组；

所述光源模组、所述分束器件设置在所述准直端支架内侧，所述投影镜筒连接所述准直端支架；

光源模组，用于发射准直光束；

分束器件，设置在所述光源模组的出光侧，用于接收所述准直光束并对所述准直光束衍射形成离散准直光束；

远心投射镜组，包括顺次设置的凸透镜、反射器件以及透镜组件；所述透镜组件设置在所述投影镜筒内侧，所述凸透镜设置在所述准直端支架的端部且设置在所述分束器件的出光侧，所述反射器件设置在所述凸透镜和所述透镜组件之间；所述远心投射镜组用于使得所述离散准直光束入射并穿过所述凸透镜后经所述反射器件反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵。

优选地，所述透镜组件包括顺次设置的第一弯月透镜、第一隔圈、第二弯月透镜、第二隔圈以及第三弯月透镜；

所述第一弯月透镜的远离所述第二弯月透镜的一侧面为反射后离散准直光束的入射面；

所述第三弯月透镜的远离所述第二弯月透镜的一侧面为所述离散准直光束的投射面。

优选地，所述光源模组、所述分束器件、所述凸透镜的尺寸逐级递减；

所述第一弯月透镜、第一隔圈、第二弯月透镜、第二隔圈以及第三弯月透镜的尺寸逐级递减。

优选地，所述反射器件，用于将入射的所述离散准直光束反射至于入射方向呈90°后入射至所述透镜组件。

优选地，所述分束器件采用衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件。

优选地，所述光源模组包括：

光源，用于发出射光束；

凹透镜组，设置在所述光束的传播路径上，所述凹透镜组用于使得入射凹透镜组的光束在穿过凹透镜组后，所述光束的光线角度被扩展；

准直镜组，设置在凹透镜组的出光侧，所述准直镜组的焦点与凹透镜组的虚焦点重合，所述准直镜组用于能够使得光线角度被扩展的光束入射准直镜组后出射所述离散准直光束。

优选地，所述光源采用EEL激光器或LED光源；

所述反射器件采用平面反射镜或棱镜。

优选地，所述分束器件和所述透镜组件能够沿光轴方向移动。

优选地，所述分束器件与所述凸透镜的光轴在同一直线上；

所述第一弯月透镜、所述第二弯月透镜以及所述第三弯月透镜的光轴在同一直线上；

所述分束器件与所述凸透镜的光轴与所述第一弯月透镜、所述第二弯月透镜以及所述第三弯月透镜的光轴垂直。

根据本实用新型提供的深度相机模组，包括所述的低镜头高度的光学投影器，还包括成像模块；

所述成像模块，用于接收待拍摄物体反射的所述离散准直光束，并根据所述离散准直光束获得所述待拍摄物体表面的深度图像。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型中在远心投射镜组中设置反射器件，将入射的所述离散准直光束并进行反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵，缩短了整个远心投射镜组的光路长度，进而降低了光学投影器的高度，实现了深度相机的小型化设计，从而能够将包括光学投影器的深度相机应用在手机等对厚度有要求的电子设备上；

本实用新型中当分束器件的焦平面发生变化时，则可以对应移动透镜组件，实现分组调焦，从而便于光学投影器的调焦，从而能够匹配不同焦距的衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件而无需调整准直光路与凸透镜之间的位置关系。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器的一种光学原理示意图；

图3为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器的另一种光学原理示意图；

图4为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器焦距调整的示意图；

图5为本实用新型实施例中光源模组的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中光源模组的光学原理示意图；

图7为本实用新型实施例中远心投射镜组的结构示意图。

图中：

1为光源模组；2为分束器件；3为凸透镜；4为反射镜；5为第一弯月透镜；6为第二弯月透镜；7为第三弯月透镜；8为焦平面；9为透镜组件；11为光源；12为凹透镜组；13为准直镜组；14为准直端支架；15为投影镜筒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实施例中，本实用新型提供的低镜头高度的光学投影器，包括准直端支架、投影镜筒、光源模组、分束器件以及远心投射镜组；

所述光源模组、所述分束器件设置在所述准直端支架内侧，所述投影镜筒连接所述准直端支架；

光源模组，用于发射准直光束；

分束器件，设置在所述光源模组的出光侧，用于接收所述准直光束并对所述准直光束衍射形成离散准直光束；

远心投射镜组，包括顺次设置的凸透镜、反射器件以及透镜组件；所述透镜组件设置在所述投影镜筒内侧，所述凸透镜设置在所述准直端支架的端部且设置在所述分束器件的出光侧，所述反射器件设置在所述凸透镜和所述透镜组件之间；所述远心投射镜组用于使得所述离散准直光束入射并穿过所述凸透镜后经所述反射器件反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵。

本实用新型中在远心投射镜组中设置反射器件，将入射的所述离散准直光束并进行反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵，缩短了整个远心投射镜组的光路长度，进而降低了光学投影器的高度，从而能够将包括光学投影器的深度相机应用在手机等对厚度有要求的电子设备上。

以上是本实用新型的核心思想，为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器的结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的低镜头高度的光学投影器，包括准直端支架14、投影镜筒15、光源模组、分束器件2、反射镜4以及远心投射镜组；

所述光源模组1、所述分束器件设置在所述准直端支架14内侧，所述投影镜筒15连接所述准直端支架14；

光源模组1，用于发射准直光束；

分束器件2，设置在所述光源模组1的出光侧，用于接收所述准直光束并对所述准直光束衍射形成离散准直光束；

远心投射镜组，包括顺次设置的凸透镜、反射器件以及透镜组件；所述透镜组件设置在所述投影镜筒15内侧，所述凸透镜设置在所述准直端支架14的端部且设置在所述分束器件的出光侧，所述反射器件设置在所述凸透镜和所述透镜组件之间；所述远心投射镜组用于使得所述离散准直光束入射并穿过所述凸透镜后经所述反射器件反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵。

在本实用新型一实施例中，所述反射器件，用于将入射的所述离散准直光束反射至于与入射方向呈90°后入射所述透镜组件9。

在本实用新型一实施例中，所述透镜组件包括顺次设置的第一弯月透镜、第一隔圈、第二弯月透镜、第二隔圈以及第三弯月透镜；

所述第一弯月透镜的远离所述第二弯月透镜的一侧面为反射后离散准直光束的入射面；

所述第三弯月透镜的远离所述第二弯月透镜的一侧面为所述离散准直光束的投射面。

在本实用新型一实施例中，所述光源模组1、所述分束器件、第三隔圈、所述凸透镜的尺寸逐级递减；对应的准直端支架14的径向配合尺寸也逐级递减，因此可以采用自动化设备，通过吸气治具从小至大逐个将所述凸透镜、所述分束器件、所述光源模组1装配至所述准直端支架14中，最后对光源模组1进行点胶固定

所述第一弯月透镜、第一隔圈、第二弯月透镜、第二隔圈以及第三弯月透镜的尺寸逐级递减。对应的投影镜筒15的径向配合尺寸也逐级递减，因此可以采用自动化设备，通过吸气治具从小至大逐个将所述第三弯月透镜、所述第二隔圈、所述第二弯月透镜、所述第一隔圈以及所述第一弯月透镜装配至所述投影镜筒15中，最后对第一弯月透镜进行点胶固定。

在本实用新型一实施例中，所述第一弯月透镜、所述第二弯月透镜以及所述第三弯月透镜通过与投影镜筒15间隙配合，所述第一弯月透镜与所述投影镜筒15胶接。

在本实用新型一实施例中，所述投影镜筒15的后端螺纹连接所述准直端支架14，以实现投影镜筒15径向精度要求，螺纹可实现投影镜筒15的轴向移动，满足投影镜筒15在光轴方向精度要求。

所述凸透镜与所述准直端支架14的端部间隙配合且与所述准直端支架14胶接。

在本实用新型一实施例中，所述分束器件2采用衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件。衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件可以根据实际需求定制尺寸和图样，如果图样是散斑，则可通过增加或减小散斑数量来改变单个散斑的能量，进而自由改变所能投射的距离，适应不同场景。仅改变单一器件就可改变工作距离，而VCSEL方案中至少要同时改变激光器，光学透镜和衍射光学器件中的两个器件才能改变工作距离。

在本实用新型一实施例中，所述凸透镜3、所述第一弯月透镜5、所述第二弯月透镜6以及所述第三弯月透镜7均为非球面透镜，且均为塑料树脂透镜。

图2为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器的一种光学原理示意图，如图2所示，所述反射器件采用平面反射镜4，离散准直光束从凸透镜3出射后入射直角棱镜，在直角棱镜的斜面反射面进行全反射。

图3为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器的另一种结构示意图，如图3所示，所述反射器件采用直角棱镜。离散准直光束从凸透镜3出射后入射直角棱镜，在直角棱镜的斜面反射面进行全反射。全反射可通过提高直角棱镜的折射率来提高内反射率，也可在直角棱镜的斜面反射面镀增反膜以提高光线在直角棱镜斜面反射面的反射率。

在本实用新型一实施例中，所述分束器件2与所述凸透镜3的光轴在同一直线上；

所述第一弯月透镜5、所述第二弯月透镜6以及所述第三弯月透镜7的光轴在同一直线上；

所述分束器件2与所述凸透镜3的光轴与所述第一弯月透镜5、所述第二弯月透镜6以及所述第三弯月透镜7的光轴垂直。

图4为本实用新型实施例中低镜头高度的光学投影器焦距调整的示意图，如图4所示，所述分束器件2和所述透镜组件9能够沿光轴方向移动，从而能够进行焦距调整；如当衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件的焦平面8位于虚线处时，当凸透镜3与焦平面8之间发生位移，如图示的水平方向，则可通过图示的竖直方向移动调整透镜组件9的位置。其中，凸透镜3与衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件的焦平面8水平方向相对位置改变的原因，包括但不限于：准直光路与凸透镜3装配时产生的水平位移、由于改变衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件的焦距进而改变其实际焦平面8位置引起的焦平面8与凸透镜3相对位置的改变等。

具体的调焦方向为，当分束器件2的焦平面相对于凸透镜3距离减小时，则将所述透镜组件9向相对于反射镜4远离的方向移动；当分束器件2的焦平面相对于凸透镜3距离增大时，则将所述透镜组件9向相对于反射镜4靠近的方向移动；

更为具体的：当焦平面8相对于凸透镜3距离减小，即焦平面8在图中相对凸透镜3向右移动，那么透镜组件9需要在图中相对于反射镜4向上移动。当焦平面8相对于凸透镜3距离增加，即焦平面8在图中相对凸透镜3向左移动，那么透镜组件9需要在图中相对于反射镜4向下移动。

图5为本实用新型实施例中光源模组的结构示意图，如图5所示，所述光源模组包括：

光源11，用于发出射光束；

凹透镜组12，设置在所述光束的传播路径上，所述凹透镜组12用于使得入射凹透镜组12的光束在穿过凹透镜组12后，所述光束的光线角度被扩展；

准直镜组13，设置在凹透镜组12的出光侧，所述准直镜组13的焦点与凹透镜组12的虚焦点重合，所述准直镜组13用于能够使得光线角度被扩展的光束入射准直镜组13后出射所述离散准直光束。

在本实用新型一实施例中，所述光源11采用EEL激光器或LED光源。比采用VCSEL的光学投影系统更成熟稳定，能够克服VCSEL激光器波长热温漂效应所导致的系统在大功率驱动下不稳定的缺点，从而能够实现更大的输出功率，有利于实现更远的投射距离。

图6为本实用新型实施例中光源模组的光学原理示意图，如图5和图6所示，在本实用新型的一实施例中，光源模组1可以包括：发射出光束的光源11(在图6中表征为S)、凹透镜组12以及准直镜组13。其中，凹透镜组12设于光束的传播路径上并且被设置为：射入凹透镜组12的光束在穿过凹透镜组12后，其光线角度被扩展；准直镜组13，其位于凹透镜组12的输出侧，准直镜组13的焦点与凹透镜组12的虚焦点S’重合，由此可以使得凹透镜组12扩展的光束射入准直镜组13后，能够被准直镜组13折射成准直光束而从准直镜组13射出。

本实用新型提供的低镜头高度的光学投影器，准直光束经过衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件后形成预设图样，经过投影镜头之后，投射到被测空间，在被测物体上呈现出预设图样的离散准直光束。投离散准直光束在远心投射镜组内部经过折叠，纵向的总长度得到压缩，有利于产品做得轻薄，空间利用率高。

图7为本实用新型实施例中远心投射镜组的结构示意图，如图7所示，本实用新型提供的远心投射镜组，包括顺次设置的凸透镜3、反射器件以及透镜组件9；

所述凸透镜3，用于入射离散准直光束，其中远离所述反射器件的一侧面为入光侧；

所述反射器件，设置在所述凸透镜3的出光侧，用于将所述离散准直光束反射后入射所述透镜组件9；

所述透镜组件9，用于将所述离散准直光束从所述透镜组件9出射后以在成像面上形成散斑光点阵。

当进行本实用新型提供的低镜头高度的光学投影器的装配时，包括如下步骤：

通过自动调焦机台将所述投影镜筒15装配与准直端支架14上，通过自动点胶机台对所述投影镜筒15进行点胶固定；

将准直端支架14通过自动化机台贴装与激光器基板上，以相对于激光器基板固定的位置点胶固定，形成所述光学投影器。

再配合对应的成像模块，便能够进行3D成像的运用。

在本实用新型实施例中，本实用新型提供的深度相机模组，包括所述的低镜头高度的光学投影器，还包括成像模块；

所述成像模块用于接收待拍摄物体反射的所述离散准直光束，并根据所述离散准直光束获得所述待拍摄物体表面的深度图像。

本实用新型中在远心投射镜组中设置反射器件，将入射的所述离散准直光束并进行反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵，缩短了整个远心投射镜组的光路长度，进而降低了光学投影器的高度，实现了深度相机的小型化设计，从而能够将包括光学投影器的深度相机应用在手机等对厚度有要求的电子设备上；本实用新型中当分束器件的焦平面发生变化时，则可以对应移动透镜组件，实现分组调焦，从而便于光学投影器的调焦，从而能够匹配不同焦距的衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件而无需调整准直光路与凸透镜之间的位置关系。本实用新型还可以根据使用场景进行定制，通过改变镜头FOV可以改变被测物体的范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种低镜头高度的光学投影器，其特征在于，包括准直端支架、投影镜筒、光源模组、分束器件以及远心投射镜组；

所述光源模组、所述分束器件设置在所述准直端支架内侧，所述投影镜筒连接所述准直端支架；

光源模组，用于发射准直光束；

分束器件，设置在所述光源模组的出光侧，用于接收所述准直光束并对所述准直光束衍射形成离散准直光束；

远心投射镜组，包括顺次设置的凸透镜、反射器件以及透镜组件；所述透镜组件设置在所述投影镜筒内侧，所述凸透镜设置在所述准直端支架的端部且设置在所述分束器件的出光侧，所述反射器件设置在所述凸透镜和所述透镜组件之间；所述远心投射镜组用于使得所述离散准直光束入射并穿过所述凸透镜后经所述反射器件反射后从所述透镜组件出射以在成像面上形成散斑光点阵。

2.根据权利要求1所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述透镜组件包括顺次设置的第一弯月透镜、第一隔圈、第二弯月透镜、第二隔圈以及第三弯月透镜；

所述第一弯月透镜的远离所述第二弯月透镜的一侧面为反射后离散准直光束的入射面；

所述第三弯月透镜的远离所述第二弯月透镜的一侧面为所述离散准直光束的投射面。

3.根据权利要求2所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述光源模组、所述分束器件、所述凸透镜的尺寸逐级递减；

所述第一弯月透镜、第一隔圈、第二弯月透镜、第二隔圈以及第三弯月透镜的尺寸逐级递减。

4.根据权利要求1所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述反射器件，用于将入射的所述离散准直光束反射至于入射方向呈90°后入射至所述透镜组件。

5.根据权利要求1所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述分束器件采用衍射光学器件或具备光束整形功能的光学元件。

6.根据权利要求1所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述光源模组包括：

光源，用于发出射光束；

凹透镜组，设置在所述光束的传播路径上，所述凹透镜组用于使得入射凹透镜组的光束在穿过凹透镜组后，所述光束的光线角度被扩展；

准直镜组，设置在凹透镜组的出光侧，所述准直镜组的焦点与凹透镜组的虚焦点重合，所述准直镜组用于能够使得光线角度被扩展的光束入射准直镜组后出射所述离散准直光束。

7.根据权利要求6所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述光源采用EEL激光器或LED光源；

所述反射器件采用平面反射镜或棱镜。

8.根据权利要求1所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述分束器件和所述透镜组件能够沿光轴方向移动。

9.根据权利要求3所述的低镜头高度的光学投影器，其特征在于，所述分束器件与所述凸透镜的光轴在同一直线上；

所述第一弯月透镜、所述第二弯月透镜以及所述第三弯月透镜的光轴在同一直线上；

所述分束器件与所述凸透镜的光轴与所述第一弯月透镜、所述第二弯月透镜以及所述第三弯月透镜的光轴垂直。

10.一种深度相机模组，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的低镜头高度的光学投影器，还包括成像模块；

所述成像模块，用于接收待拍摄物体反射的所述离散准直光束，并根据所述离散准直光束获得所述待拍摄物体表面的深度图像。

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