CN216646799U - 一种投射模组、成像装置以及光学设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种投射模组、成像装置以及光学设备，其中，上述投射模组包括光源和光学组件，其中，所述光源的光轴与所述投射模组的光场中轴不重合；所述光源用于发射激光；所述光学组件用于准直所述光源发射的激光以形成散斑图案，所述散斑图案沿所述投射模组的光场中轴呈非对称分布。本申请提供的投射模组能够使散斑图案沿所述投射模组的光场中轴呈非对称分布，进而在减少成像装置的无效光场的同时，减少成像装置的组装难度和控制难度。

Description

一种投射模组、成像装置以及光学设备

技术领域

本申请属于光学领域，尤其涉及一种投射模组、成像装置以及光学设备。

背景技术

基于单目结构光的成像装置，其投射模组(简称TX模组)常会造成无效光场的出现，而结构光的精度和成像装置中TX模组和接收模组(简称RX模组)之间的基线相关，基线越长则精度越高，但基线的增长也会增加无效光场。同时，由于无效光场位于TX模组的输出光场的边缘，边缘处所需的输出功率往往大于光场中轴附近所需的输出功率，因此，无效光场的增加也会造成功耗的浪费。

为了解决上述问题，现有的方式一般通过倾斜组装TX模组，使TX模组往RX模组的方向倾斜，进而减少无效光场。但是，倾斜组装TX模组将给大模组设备的组装带来挑战，为了保证精度，需要精密的组装设备，同时也对大模组设备的控制带来不利因素。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种投射模组、成像装置以及光学设备，在减少成像装置的无效光场的同时，减少成像装置的组装难度和控制难度。

为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种投射模组，包括光源和光学组件，所述光源的光轴与所述投射模组的光场中轴不重合；所述光源用于发射激光；所述光学组件用于准直所述光源发射的激光以形成散斑图案，所述散斑图案沿所述投射模组的光场中轴呈非对称分布。

本申请实施例第二方面提供一种成像装置，所述成像装置包括本申请实施例第一方面所述的投射模组，以及接收模组；所述接收模组用于采集所述投射模组投射在目标对象上的散斑图案。

本申请实施例第三方面提供一种光学设备，包括运算装置以及本申请实施例第二方面所述的成像装置，所述运算装置用于根据所述成像装置的接收模组采集到的散斑图案，计算得到目标对象的深度信息。

本申请提供的投射模组的有益效果在于：本申请的实施方式中，TX模组中光源的光轴与TX模组的光场中轴不重合，使得TX模组中光学组件准直光源发射的激光后形成的散斑图案沿光场中轴呈非对称分布，进而在TX模组不需要倾斜设置的情况下，使输出光场中远离RX模组一侧的边缘向RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘的平行线靠近，甚至达到与RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘平行的效果，从而减少成像装置的无效光场。随着无效光场的减少，TX模组的发光功率也相应减少，进而降低了成像装置工作时所需的功耗。并且，由于TX模组不需要倾斜设置，可以减少成像装置的组装难度和控制难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的成像装置的工作原理的第一示意图；

图2是本申请实施例提供的成像装置的工作原理的第二示意图；

图3是本申请实施例提供的成像装置的工作原理的第三示意图；

图4是本申请实施例提供的TX模组的第一结构示意图；

图5是本申请实施例提供的TX模组的第二结构示意图；

图6是本申请实施例提供的TX模组的第三结构示意图；

图7是本申请实施例提供的TX模组的第四结构示意图；

图8是本申请实施例提供的TX模组的第五结构示意图；

图9是本申请实施例提供的成像装置的结构示意图；

图10是本申请实施例提供的光学设备的结构示意图；

其中，图中各附图标记：

41-光源；42-光学组件；421-准直镜；422-衍射光学元件；

423-带准直功能的衍射光学元件；9-成像装置；91-TX模组；

92-RX模组；10-运算装置。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

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。

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申请和简化描述，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申请的限制。

如图1所示，基于单目结构光的成像装置中，TX模组出射的散斑图案沿光场中轴呈对称分布。由于TX模组和RX模组之间的基线的存在，其成像装置的输出光场中会出现阴影部分所示的无效光场，也即，无效光场形成的散斑不能够被RX模组采集到。而结构光的精度和成像装置中TX模组和RX模组之间的基线相关，基线越长则精度越高，但基线的增长也会增加无效光场。并且，输出光场中中心光斑比边缘光斑传播的距离远，光斑的大小随距离增大而增大，同时RX模组存在相对照度(shading)，边缘部分被接收时的相对能量更弱，因此，TX模组输出光场边缘处所需的输出功率往往需要大于光场中轴附近所需的输出功率，才能够弥补光斑尺寸增大以及反射接收能力下降造成的光功率密度降低，进而保证RX模组采集到的散斑图案中边缘散斑和中心散斑的对比度一致。而无效光场位于TX模组的输出光场的边缘，因此，无效光场的增加也会造成功耗的浪费。

为了解决上述问题，如图2所示，现有的方式一般通过倾斜组装TX模组，使TX模组往RX模组的方向倾斜，使得TX模组的输出光场中远离RX模组一侧的边缘与RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘平行，进而减少无效光场。如果最远工作距离不远，RX模组的FOV足够大，如图3所示，还可以通过适配最远工作距离的视场(Field of view，FOV)来提高光场利用效率。

但是，倾斜组装TX模组将给大模组设备的组装带来挑战，为了保证精度，需要精密的组装设备，同时也对大模组设备的控制带来不利因素。

基于此，本申请提供了一种TX模组，可用于成像装置中，通过对TX模组中光源位置进行调整，使得TX模组出射的散斑图案沿光场中轴呈非对称分布，进而在TX模组不需要倾斜设置的情况下，使输出光场中远离RX模组一侧的边缘向RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘的平行线靠近，甚至达到与RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘平行的效果，从而减少成像装置的无效光场。随着无效光场的减少，TX模组的发光功率也相应减少，进而降低了成像装置工作时所需的功耗。并且，由于TX模组不需要倾斜设置，可以减少成像装置的组装难度和控制难度。

为了说明本申请的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图4示出了本申请实施例提供的一种TX模组的结构示意图，该TX模组可以设置于成像装置中，可适用于在减少成像装置的无效光场的同时，减少成像装置的组装难度和控制难度的情形。

具体的，上述TX模组可以包括光源41和光学组件42，光源41的光轴与TX模组的光场中轴不重合。其中，光源41用于发射激光；光学组件42用于准直光源41发射的激光以形成散斑图案，TX模组最终形成的散斑图案沿TX模组的光场中轴呈非对称分布。

在本申请的一些实施方式中，上述光场中轴可以指TX模组输出光场的中轴，即垂直于TX模组光输出面，且经过光输出面中心的直线。当上述光学组件42包括衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)时，考虑到衍射光学元件坐标需中心对称设计的需求，上述光场中轴可以为衍射光学元件的中心轴，也即垂直于衍射光学元件且经过衍射光学元件中心的直线。

在本申请的一些实施方式中，光源41的光轴可以与TX模组的光场中轴平行，光学组件42的中轴可以与TX模组的光场中轴重合。在一些实施方式中，整个光源41可以偏心设置于TX模组内，在另一些实施方式中，也可以是光源41中发光孔位置(发光面中心)偏心设置于TX模组内，从而实现光源41的光轴可以与TX模组的光场中轴平行。

基于实际应用的不同需求，在本申请的一些实施方式中，上述光源41可以为激光器组成的发光阵列，具体可以包括垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lase，VCSEL)、边缘发射激光器(Edge Emitting Lasers，EEL)、分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)以及半导体激光器(Laser Diode，LD)中的至少一种。

同样的，基于实际应用的不同需求，在本申请的一些实施方式中，上述光学组件42可以为用于准直光源41发射的激光的准直镜(Collimator)。并且，光源41位于准直镜的焦点上，以使光源41的激光能够打在准直镜上。

在本申请的另一些实施方式中，上述光学组件42还可以用于准直光源发射的激光，并对准直后的激光进行衍射，形成散斑图案。具体的，上述光学组件42可以为带准直功能的衍射光学元件，或者，上述光学组件42可以包括准直镜和衍射光学元件，其中，准直镜位于光源41和衍射光学元件之间。

为了方便说明，图5示出了本申请提供的TX模组的一种具体结构示意图，其中，光源41为VCSEL阵列，光学组件42包括准直镜421和衍射光学元件422。其中，准直镜421的中心轴、衍射光学元件422的中心轴以及TX模组的光场中轴三者共线对齐，而光源41的光轴与TX模组的光场中轴不重合。

由于光源41的光轴和准直镜421的中心轴(也即TX模组的光场中轴)不重合，光源41出射的激光经过准直镜421的准直后将形成沿光场中轴呈非对称分布的激光。而准直后的激光经过衍射光学元件422的衍射，也将形成沿光场中轴呈非对称分布的散斑图案。

实际应用中，可以根据成像装置的设计需求，例如散斑图案的设计需求，调整光源41发光面的面积、光源41的光轴与TX模组光轴中轴之间的相对位置关系等，从而达到减小无效光场的效果。

具体的，衍射光学元件422可以看成一个复杂的二维光栅，衍射过程符合二维光栅定理。由于二维光栅和与一维光栅原理相同，以下将二维光栅简化为一维光栅，结合图5分析其原理。

在光源41发光面长度c以及光源41一侧边缘与TX模组的光场中轴之间的距离b已知的情况下，结合准直镜421的焦距f，可以计算出该侧边缘与准直镜的连线与光场中轴之间的夹角

夹角γ也即衍射光学元件422零级衍射一侧边界对应的出射角。同理另一侧边缘与准直镜的连线与光场中轴之间的夹角

同时也可以计算出零级衍射散斑图案的大小和分布。

以零级衍射和正负一级衍射的散斑块边缘重叠为例，通过中心光束正入射光栅方程和边缘光束斜入射的光栅方程，可以计算得到各衍射光束的角度关系。以边缘和中心光束为例进行说明，利用公式

可以求出一级衍射边界对应的出射角θ和ω。相应的，也可以计算出一级衍射散斑图案的大小和分布，以此类推。

基于上述原理，实际应用中可以根据所需的散斑分布，计算相应的各级衍射的出射角，从而确定光源41出射光发光面的面积、光源41的光轴与TX模组光轴中轴之间的相对位置关系等，完成TX模组的组装。

本申请的实施方式中，TX模组中光源41的光轴与TX模组的光场中轴不重合，使得TX模组中光学组件42准直光源41发射的激光后形成的散斑图案沿光场中轴呈非对称分布，进而在TX模组不需要倾斜设置的情况下，使输出光场中远离RX模组一侧的边缘向RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘的平行线靠近，甚至达到与RX模组视场中靠近TX模组一侧的边缘平行的效果，从而减少成像装置的无效光场。随着无效光场的减少，TX模组的发光功率也相应减少，进而降低了成像装置工作时所需的功耗。并且，由于TX模组不需要倾斜设置，可以减少成像装置的组装难度和控制难度。

此外，TX模组的主要成本往往来自于光源41，而本申请所提供的TX模组可以减少光源41发光面的长度，进而减少TX模组的成本。

具体的，假设为了满足减少无效光场的需求，TX模组输出光场的出射范围为H×V＝(20°+30°)×60°，准直镜焦距已知为5.0mm，用3×3的阵列的设置衍射光学元件，要求有效的散斑数量要求是10K。现有的方案由于其散斑图案沿TX模组的光场中轴呈对称分布，因此出射范围应为H×V＝(30°+30°×60°，则零级衍射一侧边界对应的出射角α＝60°/3/2＝10°，结合准直镜焦距可得光源发光面的长度为c＝1.763mm。此时，由于无效光场的存在，整个TX模组输出散斑点数就需要增加至12K，才能满足有效散斑点数10K的需求。

而本申请的方案出射范围可以为H×V＝(20°+30°)×60°，因此计算可得光源发光面的长度为c＝1.466mm。因此相较于现有技术，本申请实现同一散斑图案效果所需光源的发光面面积可以降低6.4％，有效地节约了光源的成本。同时，随着无效光场的减少，本申请所需的发光孔数量随之减少，因此TX模组工作时所需的输出功率随之降低。

在本申请的另一些实施方式中，本申请提供的TX模组还可以有如图6至图8所示的几种结构。

具体的，如图6所示，TX模组的光源41为VCSEL阵列，光学组件42为准直镜421。其中，准直镜421的中心轴和TX模组的光场中轴共线对齐，而光源41的光轴与TX模组的光场中轴不重合。光源41出射的激光经过准直镜421的准直后将形成沿光场中轴呈非对称分布的散斑图案。

如图7所示，TX模组的光源41为EEL、DFB或LD等单点激光器，光学组件42包括准直镜421和衍射光学元件422。其中，准直镜421的中心轴、衍射光学元件422的中心轴以及TX模组的光场中轴三者共线对齐，而光源41的光轴与TX模组的光场中轴不重合，实现发光孔位置偏心。光源41出射的激光经过准直镜421的准直后将形成沿光场中轴呈非对称分布的激光。而准直后的激光经过衍射光学元件422的衍射，也将形成沿光场中轴呈非对称分布的散斑图案。

如图8所示，TX模组的光源41由VCSEL、EEL、DFB以及LD中的任意一种或多种组成，光学组件42为带准直功能的衍射光学元件423。光源41出射的激光经过衍射光学元件423准直并衍射后形成沿光场中轴呈非对称分布的散斑图案。并且，光源41的发光孔位置(发光面中心)偏心，也可以实现光轴与投射模组的光场中轴不重合，达到散斑图案沿投射模组的光场中轴呈非对称分布的效果。

图9示出了本申请实施例提供的一种成像装置9的结构示意图，该成像装置9包括TX模组91，以及RX模组92。其中，TX模组的具体结构及工作原理可以参考图1至图8的描述，在此不再赘述。RX模组用于采集TX模组投射在目标对象上的散斑图案。

其中，目标对象可以为投影屏幕，也可以是TX模组的输出光场即RX模组的视场中的任意一个对象。

实际应用中，上述成像装置可以为3D深度传感器。

图10示出了本申请实施例提供的一种光学设备的结构示意图，该光学设备可以包括运算装置10以及图9所述的成像装置9，其中，运算装置10可以用于根据成像装置9的RX模组采集到的散斑图案，计算得到目标对象的深度信息。

其中，上述光学设备可以是连接或安装有3D深度传感器的智能设备，例如可以是连接了3D深度传感器的工控机、安装有3D深度传感器的机器人、无人机等。

上述运算装置10可以由处理器、存储器以及计算机程序构成。其处理器能够执行存储于存储器中的计算机程序，以实现深度信息的计算。

上述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

上述存储器可以是内部存储单元，例如硬盘或内存；上述存储器也可以是外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，上述存储器还可以既包括内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及运算装置10所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

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

Claims (10)

1.一种投射模组，其特征在于，包括光源和光学组件，所述光源的光轴与所述投射模组的光场中轴不重合；

所述光源用于发射激光；

所述光学组件用于准直所述光源发射的激光以形成散斑图案，所述散斑图案沿所述投射模组的光场中轴呈非对称分布。

2.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述光源的光轴与所述投射模组的光场中轴平行。

3.如权利要求1所述的投射模组，其特征在于，所述光学组件的中轴与所述投射模组的光场中轴重合。

4.如权利要求1至3任意一项所述的投射模组，其特征在于，所述光源为激光器组成的发光阵列，所述激光器包括垂直腔面发射激光器、边缘发射激光器、分布式反馈激光器以及半导体激光器中的至少一种。

5.如权利要求1至3任意一项所述的投射模组，其特征在于，所述光学组件为准直镜，所述准直镜用于准直所述光源发射的激光。

6.如权利要求1至3任意一项所述的投射模组，其特征在于，所述光学组件用于准直所述光源发射的激光，并对准直后的激光进行衍射，形成所述散斑图案。

7.如权利要求6所述的投射模组，其特征在于，所述光学组件为带准直功能的衍射光学元件；

或者，所述光学组件包括准直镜和衍射光学元件，所述准直镜位于所述光源和所述衍射光学元件之间。

8.如权利要求5所述的投射模组，其特征在于，所述光源位于所述准直镜的焦点上。

9.一种成像装置，所述成像装置包括如权利要求1至8任意一项所述的投射模组，以及接收模组；

所述接收模组用于采集所述投射模组投射在目标对象上的散斑图案。

10.一种光学设备，包括运算装置以及权利要求9所述的成像装置，所述运算装置用于根据所述成像装置的接收模组采集到的散斑图案，计算得到目标对象的深度信息。

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