CN220154638U - 激光发射模组、深度相机及移动机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光发射模组、深度相机及移动机器人。激光发射模组用于移动机器人并用于发射线结构光，所述激光发射模组包括水平腔面发射激光器、扩线元件及固定元件。水平腔面发射激光器在第一方向和第二方向中的至少一个方向上发射准直光束，所述第一方向和所述第二方向为所述水平腔面发射激光器的发光面上两个相互垂直的方向。扩线元件设于所述水平腔面发射激光器的发光面一侧，并被配置为能够将所述水平腔面发射激光器发射的光线扩线形成线结构光。固定元件环绕所述扩线元件并连接于所述水平腔面发射激光器，以使得所述扩线元件和所述水平腔面发射激光器相对固定。上述激光发射模组，调节难度低，制作成本及尺寸小。

Description

激光发射模组、深度相机及移动机器人

技术领域

本申请涉及激光器件技术领域，特别是涉及一种激光发射模组、深度相机及移动机器人。

背景技术

移动机器人根据应用范围大致可分为工业机器人、探索机器人、服务机器人以及军事机器人。移动机器人通常设置有深度相机，深度相机可用于获取场景的深度信息，从而实现移动机器人的避障功能。以服务机器人中的扫地机器人为例，扫地机器人的深度相机通常包括激光发射模组以及激光接收模组，激光发射模组用于向场景发射激光，激光接收模组用于接收从场景反射的激光从而获取场景的深度信息。深度相机可采用线结构光进行深度检测。

然而，传统的扫地机器人等服务机器人的激光发射模组中通常需要同时设置准直元件和扩线元件，导致激光发射模组的调节难度大，且制造成本和尺寸增加。

发明内容

基于此，有必要针对激光发射模组的调节难度大，且制造成本和尺寸增加的问题，提供一种激光发射模组、深度相机及移动机器人。

一种激光发射模组，用于移动机器人并用于发射线结构光，所述激光发射模组包括：

水平腔面发射激光器，所述水平腔面发射激光器在第一方向和第二方向中的至少一个方向上发射准直光束，所述第一方向和所述第二方向为所述水平腔面发射激光器的发光面上两个相互垂直的方向；

扩线元件，设于所述水平腔面发射激光器的发光面一侧，并被配置为能够将所述水平腔面发射激光器发射的光线扩线形成线结构光；以及，

固定元件，环绕所述扩线元件并连接于所述水平腔面发射激光器，以使得所述扩线元件和所述水平腔面发射激光器相对固定。

上述激光发射模组，在移动机器人的激光发射模组中采用水平腔面发射激光器，水平腔面发射激光器在第一方向和第二方向的至少一个方向上具有良好的准直性能，从而使得激光发射模组无需设置准直镜对光束进行准直，仅需要设置扩线元件与水平腔面发射激光器相配合即可满足结构光的投射需求，准直镜的省略有利于降低激光发射模组的调节难度和制造成本。同时，置固定元件将扩线元件和水平腔面发射激光器相互连接，使得扩线元件、水平腔面发射激光器以及固定元件整体能够形成芯片级封装，从而能够有效降低激光发射模组的尺寸，使得激光发射模组能够更好地应用于移动机器人中。

在其中一个实施例中，所述水平腔面发射激光器发射的光束在所述第一方向上发散，在所述第二方向上准直。水平腔面发射激光器在其中一个方向上发散，在另一个方向上准直，有利于降低水平腔面发射激光器的设计和制造难度，同时也有利于使得发射的光线经扩线元件后更好地形成线结构光，降低扩线元件的扩线要求。

在其中一个实施例中，所述扩线元件的扩线方向对应于所述第一方向。扩线元件的扩线方向对应于水平腔面发射激光器的发散方向，使得扩线元件与水平腔面发射激光器能够更好地适配，既能够在第一方向上有效扩线光束，也有利于维持光束在第二方向上的准直性能。

在其中一个实施例中，所述扩线元件包括衍射光学元件。采用衍射光学元件进行扩线，扩线后的光线具有高均匀度等优势，有利于提升线结构光的质量。

在其中一个实施例中，所述固定元件包括相互连接的边框部和限位部，所述边框部环绕所述扩线元件的周侧设置并连接于所述水平腔面发射激光器，所述限位部设于所述扩线元件背向所述水平腔面发射激光器的一侧并抵接所述扩线元件。如此，固定元件能够为扩线元件提供稳定的固定作用，也能够维持激光发射模组外观的完整性。

在其中一个实施例中，所述水平腔面发射激光器包括依次层叠设置的N电极、基质、激发区以及P电极，所述水平腔面发射激光器还包括光栅，所述光栅设于所述激发区和所述P电极之间、所述N电极和所述基质之间或者所述基质和所述激发区之间。采用具有上述层结构的水平腔面发射激光器，能够发射在第一方向和第二方向的至少一个方向上准直性能良好的光线，从而无需设置准直镜也能够获得质量良好的线结构光。

在其中一个实施例中，所述水平腔面发射激光器具有水平腔，所述水平腔面发射激光器的出光方向垂直于所述水平腔的上表面或下表面，且所述水平腔面发射激光器发射的光束的横截面为条形或方形。激光发射模组能够适应不同设计和不同出光类型的水平腔面发射激光器，有利于降低水平腔面发射激光器的设计和制造难度。

在其中一个实施例中，所述激光发射模组包括多个所述水平腔面发射激光器，多个所述水平腔面发射激光器并排设置并能够朝同一侧发射激光，所述扩线元件设于所述水平腔面发射激光器的发光面一侧并覆盖多个所述水平腔面发射激光器的发光范围。设置不同数量的水平腔面发射激光器，使得激光发射模组能够提供不同尺寸的线结构光，有利于满足不同的应用场景，提升激光发射模组的适用性。

一种深度相机，包括激光接收模组以及如上述任一实施例所述的激光发射模组，所述激光发射模组用于朝目标物发射线结构光，所述激光接收模组用于接收从目标物反射的光线。

一种移动机器人，其特征在于，包括如上述的深度相机。

附图说明

图1为一些实施例中激光发射模组的结构示意图。

图2为图1所示的激光发射模组另一角度的结构示意图。

图3为图1所示的激光发射模组又一角度的结构示意图。

图4为一些实施例中水平腔面发射激光器的结构示意图。

附图标记：

10、激光发射模组；11、水平腔面发射激光器；111、N电极；112、基质；113、激发区；114、光栅；115、P电极；116、发光区域；117、正电极；118、负电极；119、散热结构；12、扩线元件；13、固定元件；131、边框部；132、限位部；1321、出光孔；14、第一方向；15、第二方向。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语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。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，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至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。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，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“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也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参见图1和图2，图1和图2分别示出了一些实施例中激光发射模组10不同角度的结构示意图。本申请提供的激光发射模组10可用于扫地机器人等移动机器人的深度相机中，深度相机还可包括激光接收模组，激光发射模组10可用于像目标物发射线结构光，激光接收模组能在接收从目标物发射的线结构光，从而获取目标物的深度信息，从而为移动机器人的避障功能提供信息基础。

在一些实施例中，激光发射模组10包括水平腔面发射激光器11(HorizontalCavity Surface Emitting Laser，HCSEL)、扩线元件12以及固定元件13。水平腔面发射激光器11用于发射激光，且水平腔面发射激光器11发射的激光光束在第一方向14和第二方向15中的至少一个方向上准直，第一方向14和第二方向15可以为水平腔面发射激光器11的发光面上两个相互垂直的方向。扩线元件12设于水平腔面发射激光器11的发光面一侧，并被配置为能够将水平腔面发射激光器11发射的光线扩线形成线结构光。例如，扩线元件12能够将水平腔面发射激光器11发射的激光光束在第一方向14上进行扩束，使得光束的横截面形成长度方向平行于第一方向14，宽度方向平行于第二方向15的长条形光斑，以满足深度相机的线结构光成像需求。固定元件13环绕扩线元件12设置，并连接于水平腔面发射激光器11，以使得扩线元件12和水平腔面发射激光器11相对固定。

上述激光发射模组10，在移动机器人的激光发射模组10中采用水平腔面发射激光器11，水平腔面发射激光器11在第一方向14和第二方向15的至少一个方向上具有良好的准直性能，例如在线结构光光斑的宽度方向上准直，从而使得激光发射模组10无需设置准直镜对光束进行准直，仅需要设置扩线元件12与水平腔面发射激光器11相配合即可满足结构光的投射需求，准直镜的省略有利于降低激光发射模组10的调节难度和制造成本。同时，设置固定元件13将扩线元件12和水平腔面发射激光器11相互连接，使得扩线元件12、水平腔面发射激光器11以及固定元件13整体能够形成芯片级封装，从而能够有效降低激光发射模组10的尺寸，使得激光发射模组10能够更好地应用于移动机器人中。

可以理解的是，水平腔面发射激光器11发射的激光光束可以在第一方向14和第二方向15两个方向上准直，进而经过扩线元件12在第一方向14上扩线形成准直性能良好的线结构光。在一些实施例中，水平腔面发射激光器11发射的激光光束也可仅在第一方向14和第二方向15的其中一个方向上准直，在另一个方向上发散，且发散的方向对应于扩线元件12的扩线方向，从而使得光束经过扩线元件12扩线后也能够形成准直性能良好的线结构光，同时还有利于降低水平腔面发射激光器11的设计和制造难度。例如，在一些实施例中，水平腔面发射激光器11发射的激光光束在第一方向14上发散，在第二方向15上准直，扩线元件12的扩线方向对应于第一方向14，扩线元件12能够将光束在第一方向14上扩线形成长度方向沿第一方向14的长条形光斑，满足线结构光的成像需求。

扩线元件12的类型不限，只要能够将水平腔面发射激光器11发射的激光光束在其中一个方向扩线形成线结构光射出即可。在一些实施例中，扩线元件12可以为衍射光学元件，采用衍射光学元件进行扩线，能够形成均匀性良好的线结构光，提升深度相机的检测精度。当然，在另一些实施例中，扩线元件12还可以为球面镜、非球面镜、二元光学元件等任意适用的光学元件，只要能够出射线结构光即可。

结合图1和图2所示，在一些实施例中，固定元件13包括相互连接的边框部131和限位部132，边框部131环绕扩线元件12的周侧设置并连接于水平腔面发射激光器11，限位部132设于扩线元件12背向水平腔面发射激光器11的一侧并抵接扩线元件12背向水平腔面发射激光器11的表面的周缘。将固定元件13设置为限位部132和边框部131的配合，能够在扩线元件12的周侧以及扩线元件12背向水平腔面发射激光器11的一侧对扩线元件12提供稳定的限位和固定作用，提升激光发射模组10的结构稳定性，同时也能够提升激光发射模组10的外观完整性。可以理解的是，在一些实施例中，边框部131可大致呈方体框形状并环绕扩线元件12的四周设置，限位部132可大致呈方体框形状，限位部132可沿扩线元件12背向水平腔面发射激光器11的表面的周缘设置。限位部132可视为围设形成一个出光孔1321，扩线元件12与出光孔1321相对的部分可视为扩线元件12的出光结构，扩线元件12的出光结构用于将水平腔面发射激光器11发射的激光光束扩线形成线结构光后射出。扩线元件12与限位部132相对的部分可视为扩线元件12的抵靠结构，扩线元件12的抵靠结构的周侧抵接于边框部131，扩线元件12的抵靠结构背向水平腔面发射激光器11的表面的周缘部分抵接于限位部132，以使得扩线元件12、固定元件13以及水平腔面发射激光器11三者形成外观完整的结构整体。

水平腔面发射激光器11的尺寸也不限，结合图2和图3所示，在一些实施例中，出光孔1321以及固定元件13在第一方向14和第二方向15所在的平面上的轮廓均大致呈正方形，固定元件13在第一方向14和第二方向15上的尺寸均为3.78mm，出光孔1321在第一方向14和第二方向15上的尺寸均为3.48mm。在一些实施例中，水平腔面发射激光器11背向扩线元件12的一侧还设有正电极117和负电极118，以使得外部电源能够通过正电极117和负电极118对水平腔面发射激光器11施加电压。在一些实施例中，激光发射模组10的厚度，即限位部132背向水平腔面发射激光器11的表面至正电极117或负电极118背向扩线元件12的表面之间的距离为1.28mm。

在一些实施例中，水平腔面发射激光器11背向扩线元件12的一侧还设有散热结构119，散热结构119可位于正电极117和负电极118之间，散热结构119能够加速水平腔面发射激光器11的热量传导效率，从而实现散热效果。散热结构119包括但不限于为热沉。

结合图3和图4，水平腔面发射激光器11的具体设置不限，只要能够发射在第一方向14和第二方向15的至少一个方向上准直的激光光束即可。在一些实施例中，水平腔面发射激光器11依次包括层叠设置的N电极111、基质112、激发区113、光栅114以及P电极115，各层结构整体形成水平腔面发射激光器11的水平腔，水平腔相背的两表面中的任意一者形成水平腔面发射激光器11的发光区域116。当然，光栅114还可设于水平腔面发射激光器11的其他位置，例如设于N电极111和基质112之间，或者设于基质112和激发区113之间。在一些实施例中，光栅114可以为高阶光栅，通过高阶光栅实现激光锁模，并通过高阶光栅耦合垂直输出光线，使得水平腔面发射激光器11能够发射质量良好且在第一方向14和第二方向15的其中一个方向发散，另外一个方向准直的激光光束。在一些实施例中，光栅114包括但不限于为二元光栅、线性光栅、曲线光栅、反射光栅、衍射光栅等中的一种或多种，光栅114可设于水平腔面发射激光器11的表面或内部。

在一些实施例中，本申请采用的水平腔面发射激光器11可以是表面出光，也可以是内部出光，当表面出光时，水平腔面发射激光器11可以是正面出光，也可以是背面出光。可以理解的是，水平腔面发射激光器11的出光方向垂直于水平腔相背的两表面的任意一表面，水平腔面发射激光器11发射的激光光束的横截面包括但不限于为条形或方形。无论水平腔面发射激光器11发射的激光光束是条形还是方形，水平腔面发射激光器11发射的激光光束均能够具有良好的均匀性，经过扩线元件12的扩线后能够形成质量良好的线结构光。

当然，根据不同的深度相机的检测需求，激光发射模组10中水平腔面发射激光器11的数量也可适应调整，激光发射模组10中可仅设有一个水平腔面发射激光器11，则扩线元件12的尺寸与水平腔面发射激光器11的发光区域116相适应。当需要激光发射模组10投射更大范围、更大尺寸的光斑时，激光发射模组10可包括多个水平腔面发射激光器11，多个水平腔面发射激光器11可并排设置并能够朝同一侧发射激光。当激光发射模组10包括多个水平腔面发射激光器11时，扩线元件12可设于多个水平腔面发射激光器11的发光面一侧并覆盖多个水平腔面发射激光器11的发光区域116范围。换言之，多个水平腔面发射激光器11可共用一个扩线元件12，扩线元件12能够将多个水平腔面发射激光器11发射的光线扩束形成一整体的线结构光射出。

本申请提供的移动机器人包括但不限于为工业机器人、探索机器人、服务机器人或军事机器人，例如可以是服务机器人中的扫地机器人。激光发射模组10应用于移动机器人中的深度相机中，激光发射模组10能够向目标物发射激光，例如向扫地机器人应用场景中的外部障碍物发射激光，深度相机中的激光接收模组设置有传感器，能够接收目标物反射激光，从而检测出扫地机器人与目标物之间的距离，使得扫地机器人能够避开外部障碍物顺利进行清洁作业。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光发射模组，其特征在于，用于移动机器人并用于发射线结构光，所述激光发射模组包括：

水平腔面发射激光器，所述水平腔面发射激光器在第一方向和第二方向中的至少一个方向上发射准直光束，所述第一方向和所述第二方向为所述水平腔面发射激光器的发光面上两个相互垂直的方向；

扩线元件，设于所述水平腔面发射激光器的发光面一侧，并被配置为能够将所述水平腔面发射激光器发射的光线扩线形成线结构光；以及，

固定元件，环绕所述扩线元件并连接于所述水平腔面发射激光器，以使得所述扩线元件和所述水平腔面发射激光器相对固定。

2.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述水平腔面发射激光器发射的光束在所述第一方向上发散，在所述第二方向上准直。

3.根据权利要求2所述的激光发射模组，其特征在于，所述扩线元件的扩线方向对应于所述第一方向。

4.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述扩线元件包括衍射光学元件。

5.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述固定元件包括相互连接的边框部和限位部，所述边框部环绕所述扩线元件的周侧设置并连接于所述水平腔面发射激光器，所述限位部设于所述扩线元件背向所述水平腔面发射激光器的一侧并抵接所述扩线元件。

6.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述水平腔面发射激光器包括依次层叠设置的N电极、基质、激发区以及P电极，所述水平腔面发射激光器还包括光栅，所述光栅设于所述激发区和所述P电极之间、所述N电极和所述基质之间或者所述基质和所述激发区之间。

7.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述水平腔面发射激光器具有水平腔，所述水平腔面发射激光器的出光方向垂直于所述水平腔的上表面或下表面，且所述水平腔面发射激光器发射的光束的横截面为条形或方形。

8.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述激光发射模组包括多个所述水平腔面发射激光器，多个所述水平腔面发射激光器并排设置并能够朝同一侧发射激光，所述扩线元件设于所述水平腔面发射激光器的发光面一侧并覆盖多个所述水平腔面发射激光器的发光范围。

9.一种深度相机，其特征在于，包括激光接收模组以及如权利要求1-8任一项所述的激光发射模组，所述激光发射模组用于朝目标物发射线结构光，所述激光接收模组用于接收从目标物反射的光线。

10.一种移动机器人，其特征在于，包括如权利要求9所述的深度相机。