TWI740280B - 結構光投射裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種結構光投射裝置，其包括：光源，用於發射雷射光束；佈置在所述雷射光束的出射光路上的光路改變元件，所述光路改變元件用於改變所述雷射光束的傳播方向；以及佈置在所述雷射光束的經改變光路上的衍射光學元件，所述衍射光學元件用於生成結構光；其中：所述光路改變元件至少能三次改變所述雷射光束的傳播方向且經最後一次改變傳播方向後的雷射光束出射方向與從所述光源出射的方向平行。

Description

結構光投射裝置
本發明涉及深度相機技術領域，更為具體地，涉及一種用於深度相機的結構光投射裝置。
深度相機可以獲取目標的深度資訊借此實現3D掃描、場景建模、手勢交互，與目前被廣泛使用的RGB相機相比，深度相機正逐步受到各行各業的重視。例如利用深度相機與電視、電腦等結合可以實現體感遊戲以達到遊戲健身二合一的效果。
深度相機中的核心部件是光學投影模組，隨著應用的不斷擴展，光學投影模組將向越來越小的體積以及越來越高的性能上不斷進化。為實現深度資訊採集，採用結構光原理的深度相機包括產生特定類型結構光的結構光發射模組。結構光投射模組一般由光源、準直元件和衍射光學元件(diffractive optical elements，DOE)組成。光源射出時，通過一定距離的光程，才可以實現光斑最優化；但是為了增加光程距離也會相應增加產品的結構及體積，不便於輕小化、微型化設計。
有鑑於此，本發明提供一種空間利用率高的結構光投射裝置。
一種結構光投射裝置，其包括：光源，用於發射雷射光束； 佈置在所述雷射光束的出射光路上的光路改變元件，所述光路改變元件用於改變所述雷射光束的傳播方向；以及佈置在所述雷射光束的經改變光路上的衍射光學元件，所述衍射光學元件用於生成結構光；所述光路改變元件至少能三次改變所述雷射光束的傳播方向且經最後一次改變傳播方向後的雷射光束出射方向與從所述光源出射的方向平行。
較佳地，所述光路改變元件至少包括面向所述光源的第一反射部、與第一反射部呈一夾角連接的第二反射部以及與第一反射部平行設置的第三反射部，所述夾角的範圍介於90°<β<135°，所述光源發出的雷射光束依次經過第一反射部、第二反射部，及第三反射部改變光線傳播方向後入射至所述衍射光學元件。
較佳地，所述光路改變元件還包括第四反射部，所述第四反射部與所述第二反射部平行設置，所述光源發出的雷射光束依次經過第一反射部、第二反射部，第四反射部及第三反射部改變光線傳播方向後入射至所述衍射光學元件。
較佳地，所述結構光投射裝置還包括準直元件，所述準直元件設置在所述光源的出光光路上，所述光源發射的雷射光束經過所述準直元件後再入射至所述光路改變元件。
較佳地，所述結構光投射裝置包括一能透光的承載體，所述光路改變元件設置於所述承載體。
較佳地，所述承載體包括一空腔，所述空腔包括第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面，所述第一反射部、第二反射部，第三反射部及第四反射部依次形成於第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面。
較佳地，所述第一反射部、第二反射部，第三反射部及第四反射部為分別形成於所述第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面的反射塗層。
較佳地，所述第一反射部、第二反射部，第三反射部及第四反射部為分別貼設於第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面的反射鏡。
較佳地，所述承載體由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醯亞胺中的任意一種製作形成。
較佳地，所述準直元件與所述承載體為一體形成的結構。
本發明提供的結構光投射裝置，在不增加光路改變元件整體長度的基礎上，增加改變光線傳播方向的次數達到增加光程的效果，以實現光斑最優化，從而實現了結構光投射裝置的輕便化及體積微小化。
100:結構光投射裝置
1:光源
11:基板
2:準直元件
3:光路改變元件
4:衍射光學元件
5:承載體
M1,M2,M3,M4,M5:雷射光束
6:膠層
31:第一反射部
32:第二反射部
33:第三反射部
34:第四反射部
50:空腔
51:第一連接面
52:第二連接面
53:第三連接面
54:第四連接面
圖1為本發明第一實施方式提供的結構光投射裝置的示意圖。
圖2為本發明第二實施方式提供的結構光投射裝置的立體示意圖。
圖3為圖2供的結構光投射裝置的剖面圖。
下面將結合附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中 的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。
需要說明的是，當元件被稱為“固定於”、“設置於”或“安裝於”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當一個元件被稱為是“連接於”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至該另一個元件上。另外，連接即可以是用於固定作用也可以是用於電路連通作用。
需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水準”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
請參閱圖1，圖1為本發明第一實施例提供的一種結構光投射裝置100的示意圖。所述結構光投射裝置100應用於深度相機中，作用是用於人臉識別。所述結構光投射裝置100包括光源1、準直元件2、光路改變元件3及衍射光學元件4。
所述光源1用於發射雷射光束。光源1可以為單個光源，也可以為多個光源。其中，垂直腔面發射雷射器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)由於體積小、發散角小、穩定性等優點更宜於被應用於結構光投射裝置中。在一些實施例中，為了增加投射強度，選擇VCSEL陣列作為光源更佳。在本實施例中，所述光源1為二維VCSEL晶片，該VCSEL晶片包括至少一個VCSEL光源，能夠向外投射830nm或者950nm的紅外光束。VCSEL陣列光源可以通過分組控制來使每一個VCSEL的獨立發射，分組控制可以為任何形式， 比如獨立控制其中幾個子光源或者所有的光源同時打開，從而實現形狀不同、大小不同或密度不同的圖案。
在本實施方式中，所述光源1設置在基板11上。
所述準直元件2設置在所述光源1的出光光路上，所述光源1發射的雷射光束經過所述準直元件2後入射至所述光路改變元件3。
所述光路改變元件3用於改變所述光源1發出的雷射光束的傳播方向。所述光路改變元件3至少能三次改變所述雷射光束的傳播方向且經最後一次改變傳播方向後的雷射光束出射方向與從所述光源1出射的方向平行。
在本實施方式中，所述光路改變元件3至少包括面向所述光源1的第一反射部31、與第一反射部31呈一夾角連接的第二反射部32以及與第一反射部31平行設置的第三反射部33，所述夾角的範圍介於90°<β<135°。所述光源1發出的雷射光束依次經過第一反射部31、第二反射部32，及第三反射部33改變光線傳播方向後入射至所述衍射光學元件4。在本實施方式中，通過對第一反射部31及第二反射部32之間的夾角進行限制，避免光束經第一反射部31反射後入射至第三反射部33，而是使光束經第一反射部31反射後入射至第二反射部32，經第二反射部32反射後至第三反射部33。
所述光源1發出的雷射光束依次經過第一反射部31、第二反射部32，及第三反射部33的反射後入射至所述衍射光學元件4。
較佳地，所述光路改變元件3還包括第四反射部34，所述第四反射部34與所述第二反射部32平行設置。所述第一反射部31、第四反射部34，第三反射部33依次連接，第二反射部32的一端與所述第一反射部連接，第二反射部32的另一端不與第三反射部33連接。所述第二反射部32、第一反射部31、第四反射部34及第三反射部33大致形成“口”字型的結構。所述光源1發出的雷射光束依次經過第一反射部31、第二反射部32，第四反射部34及第三反射部33的反射，多次改變光線傳播方向後入射至所述衍射光學元件4。
所述衍射光學元件(DOE)4用於接收、分束所述準直元件2投射的平行光束，並通過鏡像疊加的方式向外投射能量分佈均勻、對比度高的圖案化光束。利用衍射光學元件4進行光束整形，可以高效地產生均勻光或結構光場。所述衍射光學元件4設置於所述光源1的相對側且面向所述第三反射部33。所述衍射光學元件4接收經所述光路改變元件3改變光路傳播方向後的雷射光束。所述衍射光學元件4可以是玻璃材質的衍射光學元件4，也可以是高分子聚合物(塑膠)材質的衍射光學元件4，一般通過電子束直寫技術或其他可行手段，在玻璃或塑膠材質的透明基片表面刻蝕深度為1um的不規則光柵製作而成。
在本實施方式中，所述光源1發出的雷射光束的光程L為：L=M1+M2+M3+M4+M5。現有技術中光源1發出的雷射光束到入射至衍射光學元件4光程為M1+M5，所以，在不增加所述結構光投射裝置100的體積的情況下，使雷射光束的光程增加一定的距離，能實現光斑最優化。
請參閱圖2，圖2為本發明第二實施方式提供的結構光投射裝置200的立體結構示意圖，第二實施例提供的結構光投射裝置200與第一實施例提供的結構光投射裝置100的結構基本相同。
也即，在本實施方式中，所述結構光投射裝置200也包括：光源1、準直元件2、光路改變元件3及衍射光學元件4。
其不同之處在於：本實施例中所述結構光投射裝置200還包括能透光的承載體5。所述承載體5通過膠層6固定在所述基板11上。所述光路改變元件3設置於所述承載體5。所述準直元件2與所述承載體5為一體形成的結構。
所述承載體5由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醯亞胺中的任意一種製作形成。
較佳地，所述承載體5包括一空腔50，所述空腔50包括依次連接的第一連接面51，第二連接面52、第三連接面53及第四連接面54。所述第一反射部31、第二反射部32，第三反射部33及第四反射部34分別形成於第一 連接面51，第二連接面52，第三連接面53及第四連接面54，但是第二反射部顯露部分靠近第三連接面53的所述第二連接面52。所述第二連接面52未設置第二反射部32的部分用於設置衍射光學元件4。
較佳地，所述第一反射部31、第二反射部32，第三反射部33及第四反射部34為分別形成於所述第一連接面51，第二連接面52，第三連接面53及第四連接面54的反射塗層。
較佳地，所述第一反射部31、第二反射部32，第三反射部33及第四反射部34為分別貼設於第一連接面51，第二連接面52，第三連接面53及第四連接面54的反射鏡。
綜上所述，本發明提供的結構光投射裝置100(200)，在不增加結構光投射裝置100(200)整體尺寸的基礎上，增加光線反射次數達到增加光程的效果，以實現光斑最優化。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附請求項而不是上述說明限定，因此旨在將落在請求項的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將請求項中的任何附圖標記視為限制所涉及的請求項。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。裝置請求項中陳述的多個裝置也可以由同一個裝置或系統通過軟體或者硬體來實現。第一，第二等詞語用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。
可以理解的是，以上實施例僅用來說明本發明，並非用作對本發明的限定。對於本領域的普通技術人員來說，根據本發明的技術構思做出的其它各種相應的改變與變形，都落在本發明請求項的保護範圍之內。
1:光源
11:基板
2:準直元件
4:衍射光學元件
6:膠層
M1,M2,M3,M4,M5:雷射光束
31:第一反射部
32:第二反射部
33:第三反射部
34:第四反射部
51:第一連接面
52:第二連接面
53:第三連接面
54:第四連接面

Claims (8)

  1. 一種結構光投射裝置，其包括：光源，用於發射雷射光束；佈置在所述雷射光束的出射光路上的光路改變元件，所述光路改變元件用於改變所述雷射光束的傳播方向；以及佈置在所述雷射光束的經改變光路上的衍射光學元件，所述衍射光學元件用於生成結構光；其中：所述光路改變元件至少能三次改變所述雷射光束的傳播方向且經最後一次改變傳播方向後的雷射光束出射方向與從所述光源出射的方向平行，所述光路改變元件至少包括面向所述光源的第一反射部、與第一反射部呈一夾角連接的第二反射部以及與第一反射部平行設置的第三反射部，所述夾角的範圍介於90°<β<135°，所述光源發出的雷射光束依次經過第一反射部、第二反射部，及第三反射部改變光線傳播方向後入射至所述衍射光學元件，所述光路改變元件還包括第四反射部，所述第四反射部與所述第二反射部平行設置，所述光源發出的雷射光束依次經過第一反射部、第二反射部，第四反射部及第三反射部改變光線傳播方向後入射至所述衍射光學元件。
  2. 如請求項1所述的結構光投射裝置，其中：所述結構光投射裝置還包括準直元件，所述準直元件設置在所述光源的出光光路上，所述光源發射的雷射光束經過所述準直元件後再入射至所述光路改變元件。
  3. 如請求項2所述的結構光投射裝置，其中：所述結構光投射裝置包括一能透光的承載體，所述光路改變元件設置於所述承載體。
  4. 如請求項3所述的結構光投射裝置，其中：所述承載體包括一空腔，所述空腔包括第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面，所述第一反射部、第二反射部，第三反射部及第四反射部依次形成於第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面。
  5. 如請求項4所述的結構光投射裝置，其中，所述第一反射部、第二反射部，第三反射部及第四反射部為分別形成於所述第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面的反射塗層。
  6. 如請求項4所述的結構光投射裝置，其中：所述第一反射部、第二反射部，第三反射部及第四反射部為分別貼設於第一連接面，第二連接面，第三連接面及第四連接面的反射鏡。
  7. 如請求項3所述的結構光投射裝置，其中：所述承載體由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醯亞胺中的任意一種製作形成。
  8. 如請求項4所述的結構光投射裝置，其中：所述準直元件與所述承載體為一體形成的結構。
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