CN214954356U

CN214954356U - 一种散斑投射器及电子设备

Info

Publication number: CN214954356U
Application number: CN202121017567.1U
Authority: CN
Inventors: 沈培逸; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Jiangxi Oumaisi Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Oumaisi Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2031-05-13

Abstract

本实用新型涉及3D感测技术领域，公开了一种散斑投射器及电子设备，该散斑投射器包括激光发射器、一级衍射光学元件以及二级衍射光学元件；一级衍射光学元件位于激光发射器的发光侧，设置有单个衍射区域；二级衍射光学元件位于一级衍射光学元件远离激光发射器一侧，设置有N个衍射子区域，且至少两个衍射子区域的衍射图案不同，一级衍射光学元件用于将激光发射器发射的激光分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应衍射子区域；或二级衍射光学元件包括N个衍射光学子元件，且至少两个衍射光学子元件的衍射图案不同，一级衍射光学元件用于将激光发射器发射的激光分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应衍射光学子元件。

Description

一种散斑投射器及电子设备

技术领域

本实用新型涉及3D感测技术领域，特别涉及一种散斑投射器及电子设备。

背景技术

随着3D视觉的发展，结构光技术被广泛用于获取物体平面与深度数据(如用于进行人脸识别)。结构光技术是通过散斑投射器将散斑图像投射到物体表面，再由相机接收物体表面反射的散斑信息，基于该散斑信息可计算物体位置和深度信息。

相关技术中，利用多发射孔的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)作为光源发射光束，进而通过单级衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements，DOE)对光束进行分束得到衍射图像，由于发射角度有限，需要将衍射图像进行复制得到散斑图像，扩大投射角度。

然而，复制得到的散斑图像中光斑是周期分布的，光斑分布的随机性较差，在进行物体位置和深度信息计算时较为复杂。

实用新型内容

本实用新型提供了一种散斑投射器及电子设备，上述散斑投射器可以提高投射光斑的随机性。

为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种散斑投射器，包括：激光发射器、一级衍射光学元件以及二级衍射光学元件；其中，所述一级衍射光学元件位于所述激光发射器的发光侧，所述一级衍射光学元件设置有单个衍射区域；所述二级衍射光学元件位于所述一级衍射光学元件远离所述激光发射器一侧，所述二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，且至少两个衍射子区域的衍射图案不同，所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射子区域；或者，所述二级衍射光学元件包括N个衍射光学子元件，且至少两个衍射光学子元件的衍射图案不同，所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射光学子元件；其中N为大于等于2的正整数。

上述散斑投射器，一级衍射光学元件将激光发射器发射的激光进行分束得到衍射光束，分别发射到二级衍射光学元件中对应的衍射子区域，至少两个衍射子区域的衍射图案不同，因此经过衍射子区域衍射形成的至少两个衍射图像不相同；或者发射到二级衍射光学元件中对应的衍射光学子元件，至少两个衍射光学子元件的衍射图案不同，因此经过衍射光学子元件衍射形成的至少两个衍射图像不相同；由于衍射图像不同，组成的散斑图像中光斑分布的随机性较高，基于该光斑形成的特征更容易进行物体位置和深度信息计算。

可选地，所述激光发射器为单点发光的激光器。

可选地，所述N为2～9之间的正整数。

可选地，若所述二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，则所述散斑投射器还包括：位于所述激光发射器和所述一级衍射光学元件之间的第一准直镜；和/或，分别位于所述一级衍射光学元件和各衍射子区域之间的N个第二准直镜；

或者，

若所述二级衍射光学元件包括N个衍射光学子元件，则所述散斑投射器还包括：位于所述激光发射器和所述一级衍射光学元件之间的第一准直镜；和/或，分别位于所述一级衍射光学元件和各衍射光学子元件之间的N个第二准直镜。

可选地，若二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，则各衍射光束与对应衍射子区域的入射面的垂直法线形成的角度均小于预设角度；或者

若所述二级衍射光学元件包括N个衍射光学子元件，则各衍射光束与对应衍射光学子元件的入射面的垂直法线形成的角度均小于预设角度。

可选地，所述预设角度为15°。

可选地，所述一级衍射光学元件与所述二级衍射光学元件之间的距离大于预设长度，所述预设长度是基于所述激光发射器发射的激光的波长得到的。

可选地，所述预设长度为所述激光发射器发射的激光的波长的500倍以上。

可选地，所述预设长度为所述激光发射器发射的激光的波长的1000倍。

本实用新型还提供一种电子设备，包括上述技术方案中提供的任意一种散斑投射器。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的第一种散斑投射器的结构示意图；

图2A为本实用新型实施例提供的衍射图像示意图；

图2B为本实用新型实施例提供的第一种散斑图像示意图；

图3A为本实用新型实施例提供的第二种散斑投射器的结构示意图；

图3B为本实用新型实施例提供的第三种散斑投射器的结构示意图；

图4A为本实用新型实施例提供的第一种一级DOE的衍射图案示意图；

图4B为本实用新型实施例提供的第二种散斑图像示意图；

图5A为本实用新型实施例提供的第二种一级DOE的衍射图案示意图；

图5B为本实用新型实施例提供的第三种散斑图像示意图；

图6为本实用新型实施例提供的入射角度示意图；

图7为本实用新型实施例提供的第四种散斑投射器的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的第五种散斑投射器的结构示意图。

图标：

301-激光发射器；302-一级DOE；303-二级DOE；304-第一准直镜；305-第二准直镜。

具体实施方式

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。

参阅图1所示，一些散斑投射器利用多发射孔的VCSEL作为光源发射光束，进而通过单级DOE对光束进行分束，得到如图2A所示的衍射图像。由于发射角度有限，需要将衍射图像衍射复制，扩大投射角度，得到如图2B所示的散斑图像。

参阅图2B可知，将衍射图像复制得到的散斑图像中光斑是周期分布的(如散斑图像的A区、B区、C区以及D区相同，光斑特征会在这四个区重复出现)，散斑图像中光斑分布的随机性较差。光斑分布不同，代表能使用的算法不同，因此，光斑分布的随机性较差，会造成在进行物体位置和深度信息计算时较为复杂。例如：部分光斑形成十字架型的特征，若在该特征重复出现，挑选处于正中心的解来做定位，可能出现中心定位不正确的情况。

本实用新型为了提高投射光斑的随机性，提供一种散斑投射器及电子设备，该散斑投射器包括：激光发射器、一级衍射光学元件以及二级衍射光学元件；其中，所述一级衍射光学元件位于所述激光发射器的发光侧，所述一级衍射光学元件设置有单个衍射区域；所述二级衍射光学元件位于所述一级衍射光学元件远离所述激光发射器一侧，所述二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，且至少两个衍射子区域的衍射图案不同，所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射子区域；或者，所述二级衍射光学元件包括N个衍射光学子元件，且至少两个衍射光学子元件的衍射图案不同，所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射光学子元件；其中N为大于等于2的正整数。

参阅图3A所示，本实用新型实施例提供的散斑投射器310，包括激光发射器301、一级DOE302以及二级DOE303；其中，所述一级DOE302位于所述激光发射器301的发光侧，所述一级衍射光学元件设置有单个衍射区域；所述二级DOE303位于所述一级DOE302远离所述激光发射器一侧。

所述二级DOE303设置有N个衍射子区域，图3A以4个衍射子区域为例进行说明，分别记作衍射子区域1、衍射子区域2、衍射子区域3以及衍射子区域4，实际应用中二级DOE303可以设置有更多或者更少的衍射子区域；且至少两个衍射子区域的衍射图案不同，因此，至少两个衍射子区域的衍射图案所构成的散斑分布不同。另外，各衍射子区域的面积大小可以相同，也可以不同，本实用新型对此不做具体限定。

所述一级DOE302用于将激光发射器发射的激光进行分束得到与所述衍射子区域一一对应的衍射光束。参阅图3A所示，一级DOE302将激光发射器发射的激光进行分束得到衍射光束A1、衍射光束A2、衍射光束A3以及衍射光束A4。

示例性的，一级DOE的衍射图案与二级DOE的衍射子区域的数量对应，就能将激光发射器发射的激光进行分束得到与衍射子区域一一对应的衍射光束。参阅图4A所示，二级DOE设置有4个衍射子区域时，一级DOE设计能将光束依照特定的角度一分为四，将激光发射器发射的激光进行分束得到4束衍射光束。

一级DOE302还用于将各衍射光束分别发射到对应的衍射子区域。以图3A为例，将衍射光束A1发射到二级DOE的衍射子区域1，将衍射光束A2发射到二级DOE的衍射子区域2，将衍射光束A3发射到二级DOE的衍射子区域3，将衍射光束A4发射到二级DOE的衍射子区域4。

由于二级DOE中至少两个衍射子区域的衍射图案不同，至少两个衍射子区域会将接收到的衍射光束衍射形成不同光斑分布的衍射图像。以二级DOE设置4个衍射子区域，且各衍射子区域的衍射图案均不同为例，参阅图4B所示，经二级DOE的衍射子区域1衍射形成第一衍射图像，衍射子区域2衍射形成第二衍射图像，衍射子区域3衍射形成第三衍射图像，衍射子区域4衍射形成第四衍射图像，这四个衍射图像中光斑分布均不相同，因此四个衍射图像组成的散斑图像中光斑分布的随机性较高。

上述二级DOE设置4个衍射子区域只是示例性说明，二级DOE中衍射子区域的具体数量可以根据实际应用场景设定，可选地，N为2～9之间的正整数。如图5A所示，一级DOE设计能将光束依照特定的角度1分为9，将激光发射器发射的激光进行分束得到9束衍射光束，二级DOE设置有9个图案各不相同的衍射子区域，二级DOE衍射形成的散斑图像如图5B所示。

参阅图3B所示，本实用新型实施例提供的散斑投射器320，散斑投射器320与上述散斑投射器310类似，区别仅在于所述二级DOE303包括N个衍射光学子元件，且至少两个衍射光学子元件的衍射图案不同，因此，至少两个衍射光学子元件的衍射图案所构成的散斑分布不同；所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射光学子元件。

图3B以4个衍射光学子元件为例进行说明，分别记作衍射光学子元件1、衍射光学子元件2、衍射光学子元件3以及衍射光学子元件4，实际应用中二级DOE303可以设置有更多或者更少的衍射光学子元件。另外，各衍射光学子元件的面积大小可以相同，也可以不同，本实用新型对此不做具体限定。

参阅图3B所示，一级DOE302将激光发射器发射的激光进行分束得到衍射光束A1、衍射光束A2、衍射光束A3以及衍射光束A4，将衍射光束A1发射到二级DOE的衍射光学子元件1，将衍射光束A2发射到二级DOE的衍射光学子元件2，将衍射光束A3发射到二级DOE的衍射光学子元件3，将衍射光束A4发射到二级DOE的衍射光学子元件4。

示例性的，一级DOE的衍射图案与二级DOE的衍射光学子元件的数量对应，就能将激光发射器发射的激光进行分束得到与衍射光学子元件一一对应的衍射光束。还是以上述图4A为例，二级DOE有4个衍射光学子元件时，一级DOE设计能将光束依照特定的角度一分为四，将激光发射器发射的激光进行分束得到4束衍射光束。

还是以上述图4B为例，经二级DOE的衍射光学子元件1衍射形成第一衍射图像，衍射光学子元件2衍射形成第二衍射图像，衍射光学子元件3衍射形成第三衍射图像，衍射光学子元件4衍射形成第四衍射图像，这四个衍射图像中光斑分布均不相同，因此四个衍射图像组成的散斑图像中光斑分布的随机性较高。

上述二级DOE有4个衍射光学子元件只是示例性说明，二级DOE中衍射光学子元件的具体数量可以根据实际应用场景设定，此处不再赘述。

参阅图1所示，一些散斑投射器利用多发射孔的VCSEL作为光源发射光束，然而在VCSEL的制作过程或者VCSEL的使用过程，部分发射孔可能会出现缺亮、亮度不均等问题，这就造成VCSEL发射亮度不均匀的光束，影响后续投射的光斑。

基于此，本实用新型中一些可选的实施方式中，激光发射器为单点发光的激光器，用于发射单束激光，避免了发射亮度不均匀的光束。

可选地，激光发射器可以为半导体激光器、边缘发射激光器或者光纤激光器中的任一项。

可选地，激光发射器发射的单束激光的波长范围为0.3um～15um，即可以发射波长在紫外光波长到远红外光波长之间的激光。

如果光束进入DOE的入射角度(参阅图6所示，入射角度α是光束与DOE的入射面的垂直法线形成的角度，如光束与DOE的入射面的中心垂直法线形成的角度)较大，DOE对该光束衍射的效果较差。

基于此，激光发射器发射的激光进入一级DOE的入射角度(激光发射器发射的激光与一级DOE的入射面的垂直法线形成的角度)小于预设角度。可选地，可在激光发射器和一级DOE之间设置准直镜，以使激光发射器发射的激光垂直进入一级DOE(此时激光发射器发射的激光进入一级DOE的入射角度接近0°)，一级DOE能够较好地对垂直光束进行衍射得到衍射光束。

参阅图7所示，本实用新型实施例提供的散斑投射器700，在上述散斑投射器310的基础上，还包括位于上述激光发射器301和上述一级DOE302之间的第一准直镜304。

同样，各衍射光束进入对应衍射子区域的入射角度(各衍射光束与对应衍射子区域的入射面的垂直法线形成的角度)均小于预设角度。

可选地，若二级DOE设置有N个衍射子区域，可在一级DOE和各衍射子区域之间设置准直镜，以使各衍射光束垂直进入对应衍射子区域(此时各衍射光束进入对应衍射子区域的入射角度接近0°)，各衍射子区域能够较好地对垂直光束进行衍射。

参阅图8所示，本实用新型实施例提供的散斑投射器800，在上述散斑投射器700的基础上，还包括位于上述一级DOE和各衍射子区域之间的第二准直镜305。

可选地，若二级DOE包括N个衍射光学子元件，可在一级DOE和各衍射光学子元件之间设置准直镜，以使各衍射光束垂直进入对应衍射光学子元件(此时各衍射光束进入对应衍射光学子元件的入射角度接近0°)，各衍射光学子元件能够较好地对垂直光束进行衍射。该实施例对应的散斑投射器与上述散斑投射器800类似，此处不再赘述。

光束进入DOE的入射角度小于15°时，DOE对光束衍射的效果较好。基于此，在一些可选的实施方式中，上述预设角度可以设置为15°。

本实用新型实施例提供的散斑投射器，是通过一级DOE将激光发射器发射的激光进行分束，并将得到的各衍射光束分别发射到二级DOE对应的衍射子区域，或者将得到的各衍射光束分别发射到二级DOE对应的衍射光学子元件。如果一级DOE与二级DOE距离较近，一级DOE难以将激光发射器发射的激光分开，即分束效果较差；并且在后续运算时不适于进行近似运算。

基于此，设置上述一级DOE与上述二级DOE之间的距离大于预设长度，所述预设长度是基于所述激光发射器发射的激光的波长得到的。

可选地，所述预设长度为所述激光发射器发射的激光的波长的500倍以上。当一级DOE与上述二级DOE之间的距离，大于激光发射器发射的激光的波长的500倍以上时，一级DOE更容易将激光发射器发射的激光分开。

本实用新型实施例还提供一种电子设备，包括上述技术方案中提供的任意一种散斑投射器。

本实用新型实施例中，上述电子设备还可包括接收目标物体的反射信息的接收模组；所述反射信息为所述散斑投射器射向目标物体的光线经所述目标物体反射的光线以及光斑所形成的图案。

具体地，电子设备可以为手机、平板电脑以及人脸识别设备等。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种散斑投射器，其特征在于，包括：激光发射器、一级衍射光学元件以及二级衍射光学元件；其中，所述一级衍射光学元件位于所述激光发射器的发光侧，所述一级衍射光学元件设置有单个衍射区域；所述二级衍射光学元件位于所述一级衍射光学元件远离所述激光发射器一侧，所述二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，且至少两个衍射子区域的衍射图案不同，所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射子区域；或者，所述二级衍射光学元件包括N个衍射光学子元件，且至少两个衍射光学子元件的衍射图案不同，所述一级衍射光学元件用于将所述激光发射器发射的激光进行分束得到N束衍射光束，并将各衍射光束分别发射到对应的衍射光学子元件；其中N为大于等于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述激光发射器为单点发光的激光器。

3.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述N为2～9之间的正整数。

4.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，若所述二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，则所述散斑投射器还包括：位于所述激光发射器和所述一级衍射光学元件之间的第一准直镜；和/或，分别位于所述一级衍射光学元件和各衍射子区域之间的N个第二准直镜；

或者，

5.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，若二级衍射光学元件设置有N个衍射子区域，则各衍射光束与对应衍射子区域的入射面的垂直法线形成的角度均小于预设角度；或者

6.根据权利要求5所述的散斑投射器，其特征在于，所述预设角度为15°。

7.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述一级衍射光学元件与所述二级衍射光学元件之间的距离大于预设长度，所述预设长度是基于所述激光发射器发射的激光的波长得到的。

8.根据权利要求7所述的散斑投射器，其特征在于，所述预设长度为所述激光发射器发射的激光的波长的500倍以上。

9.根据权利要求8所述的散斑投射器，其特征在于，所述预设长度为所述激光发射器发射的激光的波长的1000倍。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的散斑投射器。