CN220171377U - 分体式激光投射模组、组装设备、深度相机及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请适用于激光技术领域，一种分体式激光投射模组，其特征在于，包括：基板组件，包括基板和电路板；光源，固定在基板表面并与电路板电连接，用于发射激光光束；准直透镜组件，包括镜筒、准直镜头和镜筒支架，镜筒支架固定在电路板上，镜筒与镜筒支架螺纹连接，准直透镜位于镜筒内并用于准直激光光束；光学分束衍射器，用于接收经准直的激光光束并分束以投影出对应的图案光束。在组装时，可以通过镜筒与镜筒支架进行螺纹转动组装，相较于现有的一体式激光模组，不需要单独开发较昂贵的激光模组封装设备，容易实现量产，不仅成本明显降低较多且良率也得到了有效提高。本申请还涉及一种分体式激光投射模组的组装设备，以及深度相机和电子设备。

Description

分体式激光投射模组、组装设备、深度相机及电子设备

技术领域

本申请属于激光技术领域，尤其涉及一种分体式激光投射模组、组装设备、深度相机及电子设备。

背景技术

随着计算机技术的不断发展，新型支付和识别设备也应运而生。而将人脸识别系统应用于新型支付和识别设备不仅可以提高效率还能保证安全性。目前，人脸识别系统的结构光投影模组，都是由垂直面阵型发射激光器（Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，VCSEL）、准直透镜（Collimate lens，CL）以及光学分束衍射器（DiffractiveOptical Elements，DOE）组成。现有的结构光投射模组都是将准直透镜与光学分束衍射器共用一个镜筒结构形成一体式的发射光学元件结构，然后在组装时使用全自动组装调轴（Active Alignment ，AA）设备完成一体式发射光学元件结构与VCSEL的封装与检测。然而，由于一体式发射光学元件结构的封装过程中需要AA设备以及配套的治夹具、点亮装置，且AA设备需要专门订制开发，定制费用较高且开发周期长，另外设备的维护保养也需要成本，以及AA设备需要专业技术人员进行操作，且组装精度要求较高，良率低。从而导致结构光投影模组不仅开发周期长、成本高，且很难保证良率。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种分体式激光投射模组，以解决现有技术的结构光投射模组开发周期长、成本高以及很难保证良率的问题，旨在降低结构光投射模组的开发难度，提高结构光投射模组的良率。

本申请实施例的第一方面提供了一种分体式激光投射模组，包括：基板组件，包括基板和电路板；光源，固定在基板表面并与电路板电连接，用于发射激光光束；准直透镜组件，包括镜筒、准直镜头和镜筒支架，镜筒支架固定在电路板上，镜筒与镜筒支架螺纹连接，准直透镜位于镜筒内并用于准直激光光束；光学分束衍射器，用于接收经准直的激光光束并分束以投影出对应的图案光束。

在一些实施例中，镜筒支架的内侧面具有螺纹结构，镜筒的外侧面具有螺纹结构；镜筒调节至最佳成像位置处与镜筒支架相对固定设置。

在一些实施例中，镜筒支架的内侧壁设置有固定结构，用于固定光学分束衍射器。

在一些实施例中，电路板开设有凹槽，光源放置在凹槽内并固定在基板上。

在一些实施例中，基板承载光源的位置处开设有散热孔，散热孔内注入散热材料，散热材料与基板的材料不相同。

在一些实施例中，还包括保护盖板，保护盖板设置在镜筒支架远离所述电路板的一端。

本申请实施例的第二方面提供了一种分体式激光投射模组的组装设备，包括：壳体；设置在壳体一端的底座，用于安装分体式激光投射模组；设置在壳体内另一端的相机，用于采集分体式激光投射模组投射在标定板上的散斑，得到散斑图案；设置在分体式激光投射模组与相机之间的标定板。

本申请实施例的第三方面提供一种深度相机，包括：第一方面提供的分体式激光投射模组、图像采集器和控制与处理器；分体式激光投射模组用于朝向目标场景投射图案光束；图像采集器用于采集被目标反射的图案光束；控制与处理器对图案光束进行处理以获得目标场景的深度图像。

在一些实施例中，图像采集器为红外摄像头。

本申请实施例的第四方面提供一种电子设备，包括第三方面所述的深度相机。本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请实施例提供的分体式激光投射模组，通过将准直透镜组件的镜筒与镜筒支架分体设计，镜筒与镜筒支架之间通过螺纹连接，在组装时，可以通过镜筒与镜筒支架进行螺纹转动组装，相较于现有的一体式激光模组，不需要单独开发较昂贵的激光模组封装设备，容易实现量产，不仅成本明显降低较多且良率也得到了有效提高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或相关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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种电子设备的示意图；

图2为现有的一体式激光模组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的分体式激光投射模组的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的分体式激光投射模组的组装设备的结构示意图；

图5A为镜筒调节至最佳成像位置处时光源发射的散斑图案的示意图；

图5B为组装完成的分体式激光投射模组发射的散斑图案的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

随着计算机技术以及新零售业的发展，在相当多的零售设备中，会设置有新型的支付模式，尤其多的情况会设置人脸支付系统。如图1所示的一种电子设备10，包括深度相机101、处理器102和壳体103，电子设备可以是手机、平板电脑、手提电脑、游戏机、门禁系统、货柜机等。深度相机101设置在壳体103内并从壳体暴露出以获取深度图像，壳体可以给深度相机提供防尘、防水、防摔等保护，壳体上开设有与深度相机对应的孔，以使光线从孔中穿出或穿入壳体。在一些实施例中，例如电子设备是门禁系统，可利用深度相机获取深度图像进行人脸识别后用于开锁，具体的，深度相机可输出红外图像或深度图像到处理器，处理器对图像进行处理以执行人脸检测、人脸识别、活体检测等算法后判断是否为预存储的人脸，并决定是否开锁。处理器可以是单独的应用芯片，集成有人脸识别算法以与深度相机相配合。或者，处理器也可以是电子设备的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)的一部分，集成到中央处理器中。

深度相机101包括激光投射模组1011、图像采集器1012以及控制与处理器1013，激光投射模组1011用于向目标空间投射激光图案，图像采集器1012用于采集被目标反射后的激光图案。在一个例子中，激光投射模组投射的激光为红外光，图像采集器为红外摄像头。控制与处理器1013与激光投射模组1011及图像采集器1012均连接，控制与处理器1013用于处理激光图案以获得深度图像。在一个实施例中，控制与处理器1013采用图像匹配算法计算出该激光图案中各像素点与参考图案中的对应各个像素点的偏离值，再根据该偏离值进一步获得该激光图案的深度图像。其中，图像匹配算法可为数字图像相关(DigitalImageCorrelation，DIC)算法。当然，也可以采用其它图像匹配算法代替DIC算法。

如图2所示，现有的一体式激光模组，包括基板组件、光源203、一体式镜筒205、准直透镜204和光学分束衍射器206，基板组件包括基板201以及承载在基板上的电路板202，基板201的材料可以是铜或陶瓷，光源通过导电银胶固定在基板表面并通过金线与两侧的电路板202电连接，准直透镜204和光学分束衍射器206依次设置在光源203的出射光路上，即光源发射的光束依次穿过准直透镜和光学分束衍射器，经准直透镜准直并且光学分束衍射器分束后投射出结构光图案。其中，准直透镜204与光学分束衍射器206共用一套镜筒结构，即先将准直透镜和光学分束衍射器固定在镜筒内，再将镜筒与电路板连接，使得电路板的一部分被镜筒罩住后镜筒与基板组件共同形成容纳腔，光源、准直透镜以及光学分束衍射器均位于容纳腔内。镜筒和电路板可以通过胶水粘在一起，也可以采用卡扣卡合连接。由于将准直透镜与光学分束衍射器共用一个镜筒结构形成一体式的发射光学元件结构，在组装时需使用全自动组装调轴（Active Alignment ，AA）设备完成一体式发射光学元件结构与光源的封装与检测。然而，由于一体式发射光学元件结构的封装过程中需要AA设备以及配套的治夹具、点亮装置，且AA设备需要专门订制开发，定制费用较高且开发周期长，另外设备的维护保养也需要成本，以及AA设备需要专业技术人员进行操作，且组装精度要求较高，良率低。从而导致结构光投影模组不仅开发周期长、成本高，且很难保证良率。

因此，本申请提出一种分体式激光投射模组，如图3所示，本申请实施例提供的一种分体式激光投射模组，包括基板组件、光源303、准直透镜组件和光学分束衍射器307，基板组件包括基板301以及承载在基板上的电路板302。准直透镜组件包括镜筒306、准直透镜305和镜筒支架304，镜筒支架304设置在基板组件上并与基板组件形成收容腔，镜筒支架304的内侧面形成有螺纹结构，镜筒306的外侧面同样设置有螺纹结构，使得镜筒和镜筒支架螺纹连接，准直透镜安装在镜筒内，用于对光源发射的光束进行准直出射。光学分束衍射器，用于接收准直光束并复制以及投影出与激光光束相对应的结构光图案。

具体地，光源303用于出射激光，一般光源303为激光器阵列芯片，即包括半导体衬底以及设置在半导体衬底上的激光器，优选地为垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL）。具体的，多个激光器以不规则的二维图案的形式排列在半导体衬底上形成二维激光器阵列。

基板301用于承载光源303、电路板302以及准直透镜组件。基板301的材料可以为塑料，比如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Glycol Terephthalate，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)中的至少一种。也即是说，基板301可以采用PET、PMMA、PC或PI中任意一种的单一塑料材质制成。如此，基板301质量轻且具有足够的支撑强度。在一些其他实施例中，基板301还可以为散热材料，例如陶瓷，陶瓷材料散热性好、稳定性高；或者，还可以由金属材料制成，例如铝、铜、金中的任一种或者合金材料，能够使得基板在承载光源的同时起到散热的作用，提高光源的使用寿命。在一种实现方式中，在基板301承载光源的部分开设有散热孔，在散热孔中注入导热硅脂或者导热材料（比如铜）以进行散热，优选地，散热孔中使用的材料可以与基板使用的材料不同相同，由此在提到导热性能的同时还可以降低成本。

电路板302可以是印刷电路板(FCB) 、柔性电路板(FPC)、软硬结合板的任意一种。在一个实施例中，光源两侧设置电路板302，光源通过导电银胶固定在基板表面并通过金线与两侧的电路302电连接。激光器包括阴极和阳极，阳极和阴极分别通过金线与电路板的正负极连接，电路板具体用于给激光器提供直流脉冲信号以进行供电。在一个实施例中，电路板的另一端可通过柔性电路板与连接器连接，用于与其他电子器件（比如电子装置的主板）连接。在另一个实施例中，电路板302上开设有凹槽，光源放置在凹槽内并固定在基板表面。

镜筒支架304设置在基板组件上并与基板组件形成收容腔，例如可以通过胶水粘贴将镜筒支架304粘贴在电路板302上，如图3所示，在一个实施例中，电路板的一端位于收容腔内，另一端从镜筒支架伸出用于与其他电子器件连接。在一个实施例中，由于光学分束衍射器也设置于镜筒支架304内侧且位于准直透镜的出射光方向，为了提高光学分束衍射器的稳定性，镜筒支架304的内侧壁上还设置有固定结构，固定结构可以是抵触面，使得光学分束衍射器的表面与抵触面相抵触，并可以采用胶水粘连加强固定防止脱落。光学分束衍射器通常为衍射光学元件，可以是由玻璃制成，也可以是由复合材料（如PET）制成。

在一些实施例中，镜筒支架304远离电路板的一端还可以设置有保护盖板，保护盖板与基板组将相对设置，使得收容腔形成一个闭合的容纳腔，准直透镜和光学分束衍射器均位于容纳腔内。在一个实施例中，保护盖板由透光材料制成，例如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)等。在另一个实施例中，保护盖板可以由金属材料制成，此时保护盖板上还设置有透光孔，使得经光学分束衍射器分束的光束能够经由透光孔出射到目标空间。如此，保护盖板能够有效的防止光学分束衍射器脱落，也可以避免光学分束衍射器裸露，容易出现破损或者脏污的情况。

本申请实施例提供的分体式激光投射模组相较于现有的一体式激光模组，通过将准直透镜组件的镜筒与镜筒支架分体设计，镜筒与镜筒支架之间通过螺纹连接，在具体使用时，可以通过使镜筒与镜筒支架进行螺纹转动组装，相较于现有的一体式激光模组，不需要单独开发较昂贵的激光模组封装设备，容易实现量产，不仅成本明显降低较多且良率也得到了有效提高。

进一步的，针对本申请实施例提供的分体式激光膜组，本申请还提供一种激光模组的组装设备。

请参阅图4，图4为本申请实施例提供的分体式激光投射模组的组装设备的结构示意图。本申请实施例提供的分体式激光投射模组的组装设备，包括：壳体401；设置在壳体401内一端的底座，用于放置分体式激光投射模组；设置在壳体401内另一端的工业相机403，用于采集分体式激光投射模组投射在标定板404上的散斑，得到散斑图案；以及上位机（未图示），用于接收工业相机403拍摄的散斑图案并进行分析，以分析激光模组组装的情况。其中，标定板404设置在分体式激光投射模组与工业相机403之间。壳体401为封闭的黑色光箱，保证分体式激光投射模组能够将散斑投影在标定板上。

在组装过程中，首先完成光源与基板组件之间的组装。具体的，先将基板与电路板贴片焊接组装在一起，即采用SMT工艺，再将光源贴附到基板后，进行光源与电路板之间的连接，例如利用金线将电路板与光源焊接在一起。然后将准直透镜通过镜筒与镜筒支架进行螺纹连接后，完成准直透镜与发射激光器的机械中心对齐，通常可采用自动化设备进行机械校准和对齐。进一步的调控光源朝向标定板发射出光束，并通过壳体上方安装的工业相机对其投射在标定板上的散斑进行采集生成散斑图案并传输给上位机，上位机接收散斑图案后计算散斑对比度，以判定出准直透镜与光源之间的成像位置是否最佳，若不合格，则转动镜筒与镜筒支架进行调解，若判定合格后，则说明此时准直透镜与光源之间的成像位置为最佳，即可固定准直透镜的位置，比如采用胶水将镜筒与镜筒支架固定。如图5A，图5A为成像位置最佳处工业相机采集的散斑图案的示意图。

将光学分束衍射器贴付到镜筒支架内对应的安装位置处并进行固定，可采用涂UV胶并进行照射固定。最后可接通电路板，给光源提供稳定的直流脉冲电流信号，通过壳体上方安装的工业相机对其投射在标定板上的衍射散斑图案进行采图，并传输至上位机，通过内置的计算机程序来自动校验全视场散斑图质量是否合格，以检验组装的激光模组是否合格。示例性地，如图5B，图5B为组装完成后合格的分体式激光投射模组发射的散斑图案的示意图。

本申请实施例提供的分体式激光投射模组的组装设备，可以通过分体式激光投射模组上方安装的工业相机对分体式激光投射模组投射在标定板上的原始散斑进行采集，并利用上位机计算散斑图案的散斑对比度，判定出最佳的准直镜头与发射激光器之间的成像位置，判定得到最佳的成像位置后，通过固定镜头筒与镜筒支架的螺纹转动完成组装，相较于现有的一体式激光模组，不需要单独开发较昂贵的激光模组封装设备，容易实现量产，不仅成本明显降低较多且良率也得到了有效提高。

Claims (10)

1.一种分体式激光投射模组，其特征在于，包括：

基板组件，包括基板和电路板；

光源，固定在所述基板表面并与所述电路板电连接，用于发射激光光束；

准直透镜组件，包括镜筒、准直镜头和镜筒支架，所述镜筒支架固定在所述电路板上，所述镜筒与所述镜筒支架螺纹连接，所述准直透镜位于所述镜筒内并用于准直所述激光光束；

光学分束衍射器，用于接收经准直的所述激光光束并分束以投影出对应的图案光束。

2.根据权利要求1所述的分体式激光投射模组，其特征在于，所述镜筒支架的内侧面具有螺纹结构，所述镜筒的外侧面具有螺纹结构；所述镜筒调节至最佳成像位置处与所述镜筒支架相对固定设置。

3.根据权利要求1所述的分体式激光投射模组，其特征在于，所述镜筒支架的内侧壁设置有固定结构，用于固定所述光学分束衍射器。

4.根据权利要求1所述的分体式激光投射模组，其特征在于，所述电路板开设有凹槽，所述光源放置在所述凹槽内并固定在所述基板上。

5.根据权利要求1所述的分体式激光投射模组，其特征在于，所述基板承载所述光源的位置处开设有散热孔，所述散热孔内注入散热材料，所述散热材料与所述基板的材料不相同。

6.根据权利要求1所述的分体式激光投射模组，其特征在于，还包括保护盖板，所述保护盖板设置在所述镜筒支架远离所述电路板的一端。

7.一种分体式激光投射模组的组装设备，其特征在于，所述设备包括：

壳体；

设置在所述壳体一端的底座，用于安装所述分体式激光投射模组；

设置在所述壳体内另一端的相机，用于采集所述分体式激光投射模组投射在标定板上的散斑，得到散斑图案；

设置在所述分体式激光投射模组与所述相机之间的标定板。

8.一种深度相机，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一项所述的分体式激光投射模组；

图像采集器和控制与处理器；

所述分体式激光投射模组用于朝向目标场景投射图案光束；

所述图像采集器用于采集被目标反射的所述图案光束；

所述控制与处理器对所述图案光束进行处理以获得目标场景的深度图像。

9.如权利要求8所述的深度相机，其特征在于，所述图像采集器为红外摄像头。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求8或9所述的深度相机。