CN218006330U - 一种光投射模组及3d扫描设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光投射模组及3D扫描设备。光投射模组包括光源和光投射器件，光投射器件具有左侧投射区域、右侧投射区域和位于此两者之间的中部投射区域；中部投射区域用于投射入射的光束以形成中部出射光场，其投射方向与光源的光路方向一致；左侧投射区域用于投射入射的光束以形成左侧出射光场，其投射方向沿远离右侧投射区域的方向；右侧投射区域用于投射入射的光束以形成右侧出射光场，其投射方向沿远离左侧投射区域的方向；中部出射光场、左侧出射光场和右侧出射光场的水平视场角至少一个为120°、垂直视场角至少一个为90°。本申请提升了光投射模组的可靠性和使用寿命，减小了光投射模组的制造成本和空间占用。

Description

一种光投射模组及3D扫描设备

【技术领域】

本申请涉及3D扫描技术领域，尤其涉及一种光投射模组及3D扫描设备。

【背景技术】

相关技术中，如果想要实现目标物体的3D扫描，那么便需要设置一个光投射模组，以投射出用于对目标物体进行3D扫描的光。目前，实现全空间范围3D扫描的光投射模组通常包括两种类型，分别为机械型和MEMS型。机械型是指采用单点的激光光源，同时结合机械转动的方式去实现水平方向上360°、垂直方向上270°的大视场角扫描；但是，机械型对机械旋转轴的可靠性提出了非常高的要求，从而限制了光投射模组的可靠性和使用寿命。MEMS型是指采用MEMS扫描镜对目标物体进行3D扫描，其虽然既可以在一维层面实现视场角的扩大，也可以在二维层面实现视场角的扩大，但是单个MEMS扫描镜却很难达到100°以上的视场角，而为了实现更大的视场角，便只能采用多个MEMS扫描镜相互拼接的形式，从而增加了光投射模组的制造成本。此外，不管是机械型还是MEMS型，都需要从不同的角度对目标物体进行扫描，之后再对所有角度下的扫描结果进行拼接，这种方式极大地降低了扫描、建模的速度；而且，机械型和MEMS型都占用了光投射模组较大的空间，从而为光投射模组整体体积的缩小带来了极大的阻碍。

因此，有必要对上述光投射模组的结构进行改进。

【实用新型内容】

本申请提供了一种光投射模组及3D扫描设备，旨在解决相关技术中光投射模组的可靠性、使用寿命较低，制造成本、空间占用较大的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种光投射模组，包括光源和光投射器件；其中，所述光投射器件设置在所述光源的光路上，所述光投射器件具有左侧投射区域、右侧投射区域和位于所述左侧投射区域与所述右侧投射区域之间的中部投射区域；所述光源用于发射光束；所述中部投射区域用于将入射的所述光束投射至外部空间以形成相应的中部出射光场，且所述中部投射区域的投射方向与所述光源的光路方向一致；所述左侧投射区域用于将入射的所述光束投射至外部空间以形成相应的左侧出射光场，且所述左侧投射区域的投射方向沿远离所述右侧投射区域的方向；所述右侧投射区域用于将入射的所述光束投射至外部空间以形成相应的右侧出射光场，且所述右侧投射区域的投射方向沿远离所述左侧投射区域的方向；其中，所述中部出射光场、所述左侧出射光场和所述右侧出射光场的水平视场角至少一个为120°、垂直视场角至少一个为90°。

本申请实施例第二方面提供了一种3D扫描设备，包括本申请实施例第一方面所述的光投射模组。

从上述描述可知，与相关技术相比，本申请的有益效果在于：

将光投射器件划分为多个投射区域，即左侧投射区域、中部投射区域和右侧投射区域。在实际应用中，中部投射区域会将入射的光束投射至外部空间以形成相应的中部出射光场，且中部投射区域的投射方向与光源的光路方向一致；左侧投射区域会将入射的光束投射至外部空间以形成相应的左侧出射光场，且左侧投射区域的投射方向沿远离右侧投射区域的方向；右侧投射区域会将入射的光束投射至外部空间以形成相应的右侧出射光场，且右侧投射区域的投射方向沿远离左侧投射区域的方向；其中，中部出射光场、左侧出射光场和右侧出射光场的水平视场角至少一个为120°、垂直视场角至少一个为90°。可以理解的是，以二维平面上的“上、下、左、右”四个方向作为参考，中部投射区域的投射方向为“上”，左侧投射区域的投射方向为“左”，右侧投射区域的投射方向为“右”，同时结合“中部出射光场、左侧出射光场和右侧出射光场的水平视场角至少一个为120°、垂直视场角至少一个为90°”可知，本申请通过光源和光投射器件能够满足缩小模组体积的同时增大光投射模组的视场角，当三个出射光场的水平视场角均至少为120°、垂直视场角均至少为90°时，即可实现了水平方向上360°、垂直方向上270°的近全视场角的照明，一方面不需要设置机械型光投射模组中的机械旋转轴，即可以忽略机械型光投射模组对机械旋转轴提出的可靠性要求，从而提升了光投射模组的可靠性和使用寿命；另一方面也不需要设置MEMS型光投射模组中的多个MEMS扫描镜，从而减小了光投射模组的制造成本和空间占用。

【附图说明】

为了更清楚地说明相关技术或本申请实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本申请实施例的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，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本申请实施例提供的光投射模组的第一结构示意图；

图2为本申请实施例提供的左侧出射光场、中部出射光场与右侧出射光场的视场角拼接示意图；

图3为本申请实施例提供的光投射模组的第二结构示意图；

图4为本申请实施例提供的光投射模组的第三结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本申请的目的、技术方案以及优点更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例以及相应的附图，对本申请进行清楚、完整地描述，其中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解的是，下面所描述的本申请的各个实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，也即基于本申请的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

3D(3-Dimension，三维)扫描是一项集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，其主要用于对目标物体进行扫描，以获得目标物体的深度、色彩等信息，并根据所获得的这些信息去建立目标物体的3D模型。3D扫描的重要意义在于能够将目标物体的立体信息转换为计算机所直接处理的数字信号，为实物数字化提供了非常方便、快捷的手段。近些年来，3D扫描凭借其速度快、精度高和非接触式测量等优异特性，已然被广泛应用于工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量和刑事鉴定等诸多场合。

相关技术中，如果想要实现目标物体的3D扫描，那么便需要设置一个光投射模组，以投射出用于对目标物体进行3D扫描的光。目前，实现全空间范围3D扫描的光投射模组通常包括两种类型，分别为机械型和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)型。机械型是指采用单点的激光光源，同时结合机械转动的方式，以实现水平方向上360°、垂直方向上270°的大视场角扫描；比如，BLK360(一种3D扫描仪)在水平和垂直方向上分别设置了一个独立的机械旋转轴，以分别在水平和垂直方向上进行2D(2-Dimension，二维)扫描，并以此实现了水平方向上360°、垂直方向上270°的大视场角扫描；但是，这种类型的光投射模组对机械旋转轴的可靠性提出了非常高的要求，从而限制了光投射模组的可靠性和使用寿命。MEMS型是指采用MEMS扫描镜对目标物体进行3D扫描，其虽然既可以在一维层面实现视场角的扩大，也可以在二维层面实现视场角的扩大，但是单个MEMS扫描镜却很难达到100°以上的视场角，而为了实现更大的视场角，便只能采用多个MEMS扫描镜相互拼接的形式，从而增加了光投射模组的制造成本。此外，不管是机械型还是MEMS型，都需要从不同的角度对目标物体进行扫描，之后再对所有角度下的扫描结果进行拼接，这种方式极大地降低了3D扫描、建模的速度；而且，机械型和MEMS型都占用了光投射模组较大的空间，不利于光投射模组整体体积的缩小。为此，本申请实施例提供了一种光投射模组，该光投射模组可以应用于具有3D扫描功能的任何3D扫描设备，比如3D打印机、3D扫描仪和3D传感摄像头等。

请参阅图1和图2，图1为本申请实施例提供的光投射模组的第一结构示意图，图2为本申请实施例提供的左侧出射光场、中部出射光场与右侧出射光场的视场角拼接示意图。本申请实施例提供的光投射模组包括光源10和光投射器件20；其中，光投射器件20设置在光源10的光路上，光投射器件20具有左侧投射区域21、右侧投射区域22和位于左侧投射区域21与右侧投射区域22之间的中部投射区域23。

具体地，光源10用于向光投射器件20的方向发射光束(即图1中带箭头的实线)。中部投射区域23用于将入射的光束(即中部投射区域23所接收到的光束)投射至外部空间以形成相应的中部出射光场C，且中部投射区域23的投射方向与光源10的光路方向一致；左侧投射区域21用于将入射的光束(即左侧投射区域21所接收到的光束)投射至外部空间以形成相应的左侧出射光场A，且左侧投射区域21的投射方向沿远离右侧投射区域22的方向；右侧投射区域22用于将入射的光束(即右侧投射区域22所接收到的光束)投射至外部空间以形成相应的右侧出射光场B，且右侧投射区域22的投射方向沿远离左侧投射区域21的方向；其中，中部出射光场C、左侧出射光场A和右侧出射光场B的水平视场角(即在水平方向上的视场角)至少一个为120°、垂直视场角(即在垂直方向上的视场角)至少一个为90°。

在实际应用中，左侧投射区域21、中部投射区域23与右侧投射区域22之间的投射工作相互独立，互不干扰。如图2所示，以二维平面上的“上、下、左、右”四个方向作为参考，由于中部投射区域23的投射方向与光源10的光路方向一致、左侧投射区域21的投射方向沿远离右侧投射区域22的方向、右侧投射区域22的投射方向沿远离左侧投射区域21的方向，所以中部投射区域23的投射方向为“上”、左侧投射区域21的投射方向为“左”、右侧投射区域22的投射方向为“右”，同时结合“中部出射光场C、左侧出射光场A和右侧出射光场B的水平视场角至少一个为120°、垂直视场角至少一个为90°”可知，本实施例通过光源10和光投射器件20能够实现了水平方向上360°、垂直方向上270°的近全视场角的照明(有利于提升扫描、建模的速度)，一方面不需要设置机械型光投射模组中的机械旋转轴，即可以忽略机械型光投射模组对机械旋转轴提出的可靠性要求，从而提升了光投射模组的可靠性和使用寿命；另一方面也不需要设置MEMS型光投射模组中的多个MEMS扫描镜，从而减小了光投射模组的制造成本和空间占用。

作为一种实施方式，请进一步参阅图3，图3为本申请实施例提供的光投射模组的第二结构示意图。中部投射区域23可以包括扩束元件40，扩束元件40用于对入射的光束进行扩束以投射至外部空间形成相应的中部出射光场C。此处，有必要进行说明，本文中的扩束元件40泛指本领域内常用的具备扩束功能的光学器件，比如漫射体(diffuser)和波浪片等。

进一步地，左侧投射区域21与右侧投射区域22的具体构成可以相同，也可以不同，但是在本文中，左侧投射区域21与右侧投射区域22采用相同的结构组成。以左侧投射区域21为例，其可以包括光路偏转元件30和扩束元件40；其中，光路偏转元件30邻近中部投射区域23设置，扩束元件40设置在光路偏转元件30远离中部投射区域23的一侧。右侧投射区域22亦然。

具体地，光路偏转元件30用于对入射的光束进行光路偏转，使得入射的光束投射至扩束元件40；比如，正如图3所示，光路偏转元件30可以对入射的光束进行90°的光路偏转，使得入射的光束由原本的垂直方向转换为水平方向，从而扩大光投射模组在水平方向上的视场角。扩束元件40用于对入射的光束进行扩束以投射至外部空间形成相应的出射光场，这与中部投射区域23内的扩束元件40所起的作用是一致的，即左侧投射区域21内的扩束元件40用于在外部空间投射出左侧出射光场A，右侧投射区域22内的扩束元件40用于在外部空间投射出右侧出射光场B。此处，有必要进行说明，本文中的光路偏转元件30泛指本领域内常用的具备光路偏转功能的光学器件，比如反射镜等；其中，反射镜的倾斜角度可以根据相应出射光场的视场角的所需范围确定。

此外，我们可以通过对左侧投射区域21中扩束元件40的微结构进行调整的方式，实现对扩束元件40投射出的左侧出射光场A的视场角的偏转，比如当扩束元件40采用漫射体时，我们便可以对漫射体的微结构进行调整。在一个示例中，请进一步参阅图4，图4为本申请实施例提供的光投射模组的第三结构示意图；我们在对左侧投射区域21中扩束元件40的微结构进行调整后，使得扩束元件40投射出的左侧出射光场A的视场角向上偏转，当然我们也可以使得扩束元件40投射出的左侧出射光场A的视场角向下偏转，相较向上偏转而言，只不过是扩束元件40微结构的调整方式不同而已。同理，我们也可以通过对右侧投射区域22中扩束元件40的微结构进行调整的方式，实现对扩束元件40投射出的右侧出射光场B的视场角的偏转，此处不再赘述。

应当理解的是，本实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对左侧投射区域21、中部投射区域23和右侧投射区域22的具体构成的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。

作为一种实施方式，仍然参阅图3，光源10可以包括多个，且左侧投射区域21、中部投射区域23和右侧投射区域22分别对应于至少一个光源10，这就意味着每个投射区域所入射的光束均由相应的光源10提供，此时光源10的类型可以包括但不限于LED(Light-Emitting，发光二极管)、VCSEL((Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直共振腔面射型激光)和EEL(Edge Emitting Lase，边缘发射激光器)中的任一种，其泛指本领域内常用的可以发射红外波段(或其它波段)光束的光学有源器件。

作为另一种实施方式，光源10可以为光芯片，此时光芯片上设有多个相互间隔的发光簇，且左侧投射区域21、中部投射区域23和右侧投射区域22分别对应于至少一个发光簇，这就意味着每个投射区域所入射的光束均由相应的发光簇提供。在本实施方式中，每一个发光簇均包括众多的发光点，而每个发光簇所包括的发光点的数量可以根据实际需求确定，比如根据实际需要的光功率确定等。

应当理解的是，上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对光源10的具体构成的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。

在一些实施例中，仍然参阅图3，为了避免光源10和光投射器件20受外界影响，甚至出现损毁的现象，本申请实施例提供的光投射模组除了包括光源10和光投射器件20以外，还可以包括壳体50和支架60。具体地，壳体50具有容置腔51以及连通容置腔51与外部空间的开口，支架60架设于壳体50的开口处，光源10设置在容置腔51内，光投射器件20设置在支架60上。可以理解的是，本实施例设置壳体50和支架60的目的在于：保护光源10和光投射器件20，以减弱外界环境对光源10和光投射器件20的干扰；容置光源10、支撑光投射器件20。

需要说明的是，本申请内容中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本申请内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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申请内容。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，本申请内容中所定义的一般原理可以在不脱离本申请内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请内容将不会被限制于本申请内容所示的这些实施例，而是要符合与本申请内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光投射模组，其特征在于，包括光源和光投射器件；其中，所述光投射器件设置在所述光源的光路上，所述光投射器件具有左侧投射区域、右侧投射区域和位于所述左侧投射区域与所述右侧投射区域之间的中部投射区域；

所述光源用于发射光束；

所述中部投射区域用于将入射的所述光束投射至外部空间以形成相应的中部出射光场，且所述中部投射区域的投射方向与所述光源的光路方向一致；

所述左侧投射区域用于将入射的所述光束投射至外部空间以形成相应的左侧出射光场，且所述左侧投射区域的投射方向沿远离所述右侧投射区域的方向；

所述右侧投射区域用于将入射的所述光束投射至外部空间以形成相应的右侧出射光场，且所述右侧投射区域的投射方向沿远离所述左侧投射区域的方向；

其中，所述中部出射光场、所述左侧出射光场和所述右侧出射光场的水平视场角至少一个为120°、垂直视场角至少一个为90°。

2.如权利要求1所述的光投射模组，其特征在于，所述中部投射区域包括扩束元件，所述扩束元件用于对入射的所述光束进行扩束以投射至外部空间形成相应的中部出射光场。

3.如权利要求1所述的光投射模组，其特征在于，所述左侧投射区域和所述右侧投射区域均包括光路偏转元件和扩束元件；其中，所述光路偏转元件邻近所述中部投射区域设置，所述扩束元件设置在所述光路偏转元件远离所述中部投射区域的一侧；

所述光路偏转元件用于对入射的所述光束进行光路偏转，使得入射的所述光束投射至所述扩束元件；

所述扩束元件用于对入射的所述光束进行扩束以投射至外部空间形成相应的出射光场。

4.如权利要求3所述的光投射模组，其特征在于，所述光路偏转元件为反射镜。

5.如权利要求2或3所述的光投射模组，其特征在于，所述扩束元件为漫射体和波浪片中的任一种。

6.如权利要求1所述的光投射模组，其特征在于，所述光源包括多个，所述左侧投射区域、所述中部投射区域和所述右侧投射区域分别对应于至少一个所述光源。

7.如权利要求6所述的光投射模组，其特征在于，所述光源的类型包括LED、VCSEL和EEL中的任一种。

8.如权利要求1所述的光投射模组，其特征在于，所述光源为光芯片，所述光芯片上设有多个相互间隔的发光簇，所述左侧投射区域、所述中部投射区域和所述右侧投射区域分别对应于至少一个所述发光簇。

9.如权利要求1所述的光投射模组，其特征在于，还包括壳体和支架；其中，所述壳体具有容置腔和连通所述容置腔与外部空间的开口，所述支架架设于所述壳体的所述开口处，所述光源设置在所述容置腔内，所述光投射器件设置在所述支架上。

10.一种3D扫描设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光投射模组。

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