CN215117017U

CN215117017U - 一种投影模组、深度相机及电子设备

Info

Publication number: CN215117017U
Application number: CN202121037058.5U
Authority: CN
Inventors: 黄杰凡
Original assignee: Orbbec Inc
Current assignee: Orbbec Inc
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-14

Abstract

本实用新型公开一种投影模组、深度相机及电子设备，包括光源、准直透镜、以及棱镜；其中，所述光源用于发射光束；所述准直透镜用于接收所述光源发射的光束，并对所述光束进行准直以输出准直光束；所述棱镜包括有多个折射面，用于将所述准直光束复制成多束并输出，以得到能量分布均匀的结构光光束。本实用新型投影模组、深度相机及电子设备可确保投射出的光束在整个视场各个区块上的能量分布均匀，以保障人眼安全。

Description

一种投影模组、深度相机及电子设备

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，具体涉及一种投影模组、深度相机及电子设备。

背景技术

深度相机一般是通过光源发出的光经投射模组向外投射出散斑图案，采集模组接收散斑图案，随后被用来生成深度图像。其中，投射模组通过光源发出的光经准直透镜系统、衍射光学元件(DOE)后向外发射出图案化的结构光，如：散斑图案。

在现有的结构光、双目或者SpotTOF深度相机中，一般是激光投射模组通过激光光源(例如：边发射激光器LD或者垂直腔面阵激光发射器VCSEL等)发出激光光束，激光光束经过准直镜进行准直汇聚后，再经过1片或者多片DOE进行衍射，把光束复制成若干份，形成图案化的结构光光束投射到目标物体上。

然而，由于DOE在受到灰尘、水汽、污垢等污染以后，其衍射性能会迅速降低，从而导致中间区域的光功率(光通量)会迅速上升，使用时容易对人眼安全构成危险。目前的解决方案是预留人眼安全的空间(如：光点的功率通常是人眼安全的1/10，或者更小)，但这将会导致整个视场的激光光点的能量上限严重受限，进而导致可侦测距离极大缩小。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种投影模组、深度相机及电子设备，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。

本实用新型为达上述目的提出以下技术方案：

一种投影模组，包括光源、准直透镜、以及棱镜；其中，所述光源用于发射光束；所述准直透镜用于接收所述光源发射的光束，并对所述光束进行准直以输出准直光束；所述棱镜包括有多个折射面，通过所述多个折射面将所述准直光束复制成多束并输出，以得到能量分布均匀的结构光光束。

在一些实施例中，所述棱镜包括有n²个折射面，其中n为大于或等于3的整数奇数。

在一些实施例中，所述棱镜为折射率大于1.64的塑料棱镜。

在一些实施例中，所述棱镜的所有折射面均设置在同一侧；其中，中间折射面为平面，所述平面的中心在所述准直透镜的光轴上，其余的折射面被设置成与中间折射面之间形成一夹角。

在一些实施例中，还包括光阑，所述光阑设置在所述准直透镜的最外侧，且所述光阑被设置成与所述棱镜重合。

在一些实施例中，所述中间折射面与其余的折射面之间的夹角满足：

其中，n为折射面个数的开方，θ为光束通过棱镜折射后的偏移角度。

在一些实施例中，所述准直透镜包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。

本实用新型实施例另一技术方案为：

一种深度相机，包括前述任一实施例技术方案所述的投影模组、采集模组以及处理器；其中，所述投影模组、所述采集模组以预设的基线距离安装在支架上。

在一些实施例中，所述采集模组包括图像传感器、滤光片以及透镜组；其中，所述透镜组由单个透镜或多个透镜组成。

本实用新型实施例又一技术方案为：

一种电子设备，包括存储器、处理器以及前述任一实施例技术方案所述的深度相机。

本实用新型技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本实用新型投影模组、深度相机及电子设备可确保投射出的光束在整个视场各个区块上的能量分布均匀，以保障人眼安全。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例的深度相机的示意图；

图2是本实用新型另一实施例投影模组的示意图；

图3是图2实施例投影模组的棱镜的光路示意图；

图4是图2实施例投影模组的棱镜的结构示意图；

图5是光线通过图4棱镜后形成斑点图案的示意图；

图6是图2实施例投影模组的准直透镜的示意图；

图7是图6实施例准直透镜的相对照度曲线；

图8是本实用新型另一实施例电子设备的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

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

本实用新型提供一种投影模组、深度相机以及电子设备，为便于理解，以下先对深度相机进行描述，然后再进一步对投影模组进行说明。

参照图1所示，图1为本发明实施例深度相机100的示意图，深度相机100包括投影模组10、采集模组20以及处理器30；其中，投影模组10、采集模组20以预设的基线距离安装在支架上；投影模组10用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，结构光图案经由采集模组20采集后通过处理器30的处理得到目标空间的深度图像。采集模组20包括图像传感器201(比如CCD、CMOS)、滤光片202(比如红外滤光片)以及透镜组203，所述透镜组203可由单个透镜或多个透镜组成。

具体的，投影模组10包括有投射光源，其中，投射光源可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，也可以是由多个光源组成的一维或二维光源阵列。投射光源所投射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。为了使得整体的投影模组体积较小，优选垂直腔面激光发射器阵列(VCSEL阵列)作为光源。当投影模组10用于向空间中投影散斑图案时，VCSEL阵列光源的排列二维图案为不规则图案，不规则排列的好处在于提高了散斑图案的不相关性。在一个实施例中，投射光源为红外激光光源，如940nm波段，投影模组10所投射的图案为红外激光散斑图案，散斑图案的散斑点可以按四边形或六边形图案排布，对应的，采集模组20为对应波段的红外相机。采集模组20采集到的散斑图案后，通过处理器30计算散斑图案与参考散斑图案之间的偏离值来得到深度图像。

参照图2所示，图2为本实用新型一实施例投影模组的示意图，投影模组包括光源101、准直透镜200、光阑204、以及棱镜3；其中，光源101用于发射光束；准直透镜200用于接收光源101发射的光束，并对所述光束进行准直以输出准直光束；光阑204用于改变经准直透镜准直的准直光束的中心光线方向，以使所述准直光束具有特定的空间角度分布；棱镜3包括有多个折射面，通过多个折射面将经过光阑后的准直光束复制成多束并输出，以得到能量分布均匀的结构光光束。

在一些实施例中，棱镜3包括有n²个折射面，其中n为大于或等于3的整数奇数；经过光阑204后的准直光束通过棱镜3复制得到n²束能量分布均匀的结构光光束。

参照图3所示，棱镜3的所有折射面均设置在同一侧，其中，中间折射面为平面，平面的中心在准直透镜200的光轴上，其余的折射面被设置成与中间折射面之间形成一夹角，每个面的夹角不同，其满足：

在一些实施例中，棱镜3除中间的折射面外，其余的折射面的面积相等，其中，中间折射面的面积根据投影模组在光阑201位置的能量分布而定。

在一些实施例中，光阑204设置在准直透镜200的最外侧，光阑204的位置与棱镜3重合。可以理解的是，相对于其他位置，在光圈附近所有光束分布是最均匀的，将光阑204设置成与棱镜3重合，如此设计使得棱镜3非中心平面以外的平面投射出的光束均匀，投影出的斑点形成的范围内光点能量分布均匀。

参照图4、图5所示，以具有9个折射面的棱镜为例进行说明，若棱镜有9个折射面300，则通过棱镜可以将光源形成的光斑数量扩大9倍；且当光源被布置成二维阵列的多个子光源，以用于发射与所述二维阵列对应的二维图案化光束时，棱镜可以将该二维图案化光束复制9倍后向外投射形成斑点图案，即斑点图案中每一块子斑点图案400均与VCSEL阵列光源排列成的二维图案相同。参照图4所示，棱镜的9个折射面300均设置在同一侧，如此可以避免发生串扰。在一些实施例中，棱镜为折射率大于1.64的塑料棱镜，采用塑料材质容易获得各种形状的棱镜，且便于降低成本。

参照图6所示，在一些施例中，准直透镜200包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3；具体地，参照图6所示，准直透镜200具有物方表面和像方表面，在本实用新型实施例中定义光束入射面S0为物方表面，而光束出射面为像方表面，透镜朝向物方表面的一面为物侧面，而朝向像方表面的一面为像侧面；其中，第一透镜L1和第三透镜L3具有正光焦度，第二透镜L2具有负光焦度。第一透镜L1的物侧面S1在近光轴处为凹面，像侧面S2在近光轴处为凸面，第二透镜L2的物侧面S3在近光轴处为凸面，像侧面S4在近光轴处为凹面，第二透镜L2的物侧面S3与像侧面S4至少有一面为非球面；第三透镜L3的物侧面S5与像侧面S6在近光轴处为凸面。

作为本实用新型一实施例，第一透镜L1、第二透镜L2、以及第三透镜L3构成的透镜组的光圈值Fno满足：Fno<2.2。

作为本实用新型一实施例，准直透镜200满足如下条件：

-0.12<f1/f2<-0.16；

-7<f2/f3<-3；

1.2<f12/f3<1.6；

-0.8<f1/f23<1.2；

1.52<Nd<1.95；

0.4<f/TL<0.6；

其中，f为准直透镜的有效焦距；f1为第一透镜L1的有效焦距；f2为第二透镜L2的有效焦距；f3为第三透镜L3的有效焦距；f12为第一透镜L1、第二透镜L2的组合焦距(单位：mm)，f23为第二透镜L2、第三透镜L3的组合焦距；Nd为透镜材料的在d-line(587nm)的折射率(即：相对于D光的折射率)，TL为光轴上第一透镜L1的物侧面至像侧面的距离。

在一些实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2均为塑料透镜，通过优化透镜参数，可降低透镜组焦距受温度过冷或过热的影响；第三透镜L3为玻璃透镜，以降低温度引起有效焦距EFL的变化以及焦点位置的变化。

如下表1、表2将提供本实用新型投影模组的准直透镜200的一种示例性设计参数，可以理解的是，该示例性设计参数仅用于示意，基于本实用新型原理的其他设计在本领域人员阅读本实用新型实施例之后是显而易见的，因此也属于本实用新型的范围内。

如下表1为一种示例性的准直透镜的表面系数：

表1透镜表面系数

上述各透镜的非球面曲线方程式表示如下：

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作为参考的位置值；c为透镜表面靠近光轴处的曲率，并为曲率半径(R)的倒数(即：c＝1/R)，R为透镜表面靠近光轴处的曲率半径，h为透镜表面距离光轴的垂直距离，k为圆锥系数(conic constant)，而A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆为高阶非球面系数。

如下表2为一种示例性的准直透镜的非球面系数设计：

表2非球面系数

表面	S1	S2	S3	S4
					A4	19.37E-03	7.17E-03	-2.66E-02	-1.32E-02
A6	2.81E-03	6.47E-04	-4.73E-03	1.90E-03
					A8	3.15E-03	-1.13E-05	-6.41E-04	-5.86E-04
A10	1.11E-04	-1.57E-06	-1.95E-05	3.41E-04

在上述的参数设计示例中，准直透镜能够在F/2.2处工作，光学畸变为-2.0％，透镜系统的光学畸变小。

图7所示为本实用新型实施例投影模组的准直透镜的相对照度曲线，相对照度(RI)是指成像面边缘照度和中心照度之比。图7中，坐标中心(0,0)为成像面中心，亮度最亮，为100％，随着向成像面的边缘移动，边缘的亮度逐渐变暗，在距离中心1.137mm处，亮度仍为90％以上，可见系统成像面具有足够的照度，即准直效果好。

参照图8所示，作为本实用新型另一实施例，还提供一种电子设备，所述电子设备可以是台式、桌面安装设备、便携式设备、可穿戴设备或车载设备以及机器人等。具体的，电子设备包括：存储器、处理器以及前述任一实施例所述的深度相机。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明创作的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims

1.一种投影模组，其特征在于：包括光源、准直透镜、以及棱镜；其中，所述光源用于发射光束；所述准直透镜用于接收所述光源发射的光束，并对所述光束进行准直以输出准直光束；所述棱镜包括有多个折射面，通过所述多个折射面将所述准直光束复制成多束并输出，以得到能量分布均匀的结构光光束。

2.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：所述棱镜包括有n²个折射面，其中n为大于或等于3的整数奇数。

3.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：所述棱镜为折射率大于1.64的塑料棱镜。

4.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：所述棱镜的所有折射面均设置在同一侧；其中，中间折射面为平面，所述平面的中心在所述准直透镜的光轴上，其余的折射面被设置成与所述中间折射面之间形成一夹角。

5.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：还包括光阑，所述光阑设置在所述准直透镜的最外侧，且所述光阑被设置成与所述棱镜重合。

6.如权利要求4所述的投影模组，其特征在于：所述中间折射面与其余的折射面之间的夹角满足：

7.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：所述准直透镜包括沿光束出射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。

8.一种深度相机，其特征在于：包括权利要求1-7任一项所述的投影模组、采集模组以及处理器；其中，所述投影模组、所述采集模组以预设的基线距离安装在支架上。

9.如权利要求8所述的深度相机，其特征在于：所述采集模组包括图像传感器、滤光片以及透镜组；其中，所述透镜组由单个透镜或多个透镜组成。

10.一种电子设备，其特征在于：包括存储器、处理器以及权利要求8所述的深度相机。