CN108563032A - 结构光投射器、摄像组件和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光投射器、摄像组件和电子设备。结构光投射器包括光源、准直元件和衍射元件。光源用于发射激光。准直元件用于准直光源发射的激光。准直元件包括螺纹透镜。螺纹透镜的出光面为曲面。光源为边发射激光器，边发射激光器包括发光面，发光面朝向准直元件。衍射元件用于衍射经准直元件准直后的激光。本发明实施方式的结构光投射器、摄像组件和电子设备使用曲面的螺纹透镜作为准直元件以用来准直光源发射的激光，一方面可以减小结构光投射器的体积及制造成本，另一方面可以减小球面像差对激光准直的影响。

Description

结构光投射器、摄像组件和电子设备

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及一种结构光投射器、摄像组件和电子设备。

背景技术

结构光投射器一般由光源、准直元件和衍射元件组成。其中，准直元件用于准直光源发射的激光。现有的准直元件通常采用球面透镜作为准直透镜，该类透镜因其自身的球面结构，存在无法完全消除的球面像差，并且透镜的光圈越大，球面像差越严重。由于球面像差的存在，光源发射的激光经准直元件后，激光的品质会有不同程度的下降。

发明内容

本发明的实施例提供了一种结构光投射器、摄像组件和电子设备。

本发明实施方式的结构光投射器包括光源、准直元件和衍射元件。所述光源用于发射激光。所述准直元件用于准直所述光源发射的激光，所述准直元件包括螺纹透镜，所述螺纹透镜的出光面为曲面。所述光源为边发射激光器，所述边发射激光器包括发光面，所述发光面朝向所述准直元件。所述衍射元件用于衍射经所述准直元件准直后的激光。

本发明实施方式的摄像组件包括上述的结构光投射器、图像采集器和处理器。所述图像采集器用于采集由所述结构光投射器向目标空间中投射的激光图案。所述处理器用于处理所述激光图案以获得深度图像。

本发明实施方式的电子设备包括壳体和上述的摄像组件。所述摄像组件设置在所述壳体内并从所述壳体内暴露以获取深度图像。

本发明实施方式的结构光投射器、摄像组件和电子设备使用曲面的螺纹透镜作为准直元件以用来准直光源发射的激光，可以减小球面像差对激光准直的影响。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明某些实施方式的电子设备的结构示意图。

图2是本发明某些实施方式的摄像组件的结构示意图。

图3是本发明某些实施方式的结构光投射器的结构示意图。

图4至图6是本发明某些实施方式的结构光投射器中光源发射的激光的光路示意图。

图7至图9是本发明某些实施方式的结构光投射器的部分示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；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。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发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请一并参阅图1和图2，本发明提供一种电子设备3000。电子设备3000可以是智能手机、智能手环、智能手表、平板电脑、智能眼镜、智能头盔、体感游戏设备等。电子设备3000包括壳体2000和摄像组件1000。摄像组件1000设置在壳体2000内并从壳体2000暴露以获取深度图像。摄像组件1000包括结构光投射器100、图像采集器200和处理器300。结构光投射器100用于向目标空间中投射激光图案。图像采集器200用于采集结构光投射器100向目标空间中投射的激光图案。处理器300用于获取激光图案以获得深度图像。

具体地，结构光投射器100通过投射窗口901向目标空间中投射激光图案，图像采集器200通过采集窗口902采集被目标物体调制后的激光图案。图像采集器200可为红外相机，处理器300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(Digital Image Correlation，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3所示，结构光投射器100包括基板组件60和镜筒50。基板组件60包括基板62和设置在基板62上的电路板61。电路板61可以是硬板、软板或软硬结合板。镜筒50包括侧壁51和自侧壁51延伸的承载台52。侧壁51设置在电路板61上，并与电路板61围成收容腔53。

结构光投射器100还包括光源10、准直元件20和衍射元件30。光源10、准直元件20和衍射元件30均收容在收容腔53内，且准直元件20和衍射元件30沿光源10的发光光路依次排列。具体地，电路板61开设有过孔611，光源10承载在基板62上并收容在过孔611内。光源10用于发射激光。准直元件20用于准直光源10发射的激光。衍射元件30用于衍射经准直元件20准直后的激光以形成激光图案。

其中，光源10可为边发射激光器(edge-emitting laser，EEL)，具体地，光源10可为分布反馈式激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)。此时，光源10的发光面11朝向准直元件20。分布反馈式激光器的温漂较小，且为单点发光结构，无需设置阵列结构，制作简单，结构光投射器100的成本较低。分布反馈式激光器的激光在传播时，经过光栅结构的反馈获得功率的增益，要提高分布反馈式激光器的功率，需要通过增大注入电流和/或增加分布反馈式激光器的长度，由于增大注入式电流会使得分布反馈式激光器的功耗增大并且出现发热严重的问题，因此，为了保证分布式反馈激光器能够正常工作，需要增加分布反馈式激光器的长度。当分布反馈式激光器的长度增加时，结构光投射器100的高度也会随之增加。本发明实施方式的分布反馈式激光器收容在过孔611内，可减小分布反馈式激光器的长度增加对结构光投射器100的高度产生的影响，同时保证分布反馈式激光器能够正常工作。

准直元件20包括一片或多片螺纹透镜21。以图3所示的准直元件20包括一片螺纹透镜21为例，螺纹透镜21的放置方式可为：螺纹透镜21的入光面211朝向光源10，出光面212朝向衍射元件30。其中，入光面211刻录了由大到小的同心圆，出光面212为一曲面，该曲面可为圆柱面或抛物面。光源10与螺纹透镜21之间的距离小于或等于螺纹透镜21的焦距，如此，可以减小结构光投射器100的高度。

可以理解，现有的结构光投射器100中的准直元件20通常使用球面透镜作为准直透镜对激光进行准直。但球面透镜的制作工艺较为复杂，成本高，且因其自身的球面结构，存在无法完全消除的球面像差，导严重影响激光的准直效果。

本发明实施方式的准直元件20采用如图3所示的螺纹透镜21准直光源10发射的激光。从螺纹透镜21的剖面图看，螺纹透镜21的表面是由一些锯齿形凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间的角度不同，但都将光线集中至一处，形成中心焦点，也就是螺纹透镜21的主焦点。每个凹槽可看作一个独立的小透镜，把光线调整成平行光，从而消除球面像差。

其次，螺纹透镜21是在保留透镜表面的弯曲度不变的情况下，尽可能多的减少透镜的光学材料，因此，相比于球面透镜，螺纹透镜21的厚度较小。

此外，螺纹透镜21一般以聚烯烃材料注压而成的薄片作为加工毛坯，也可以是玻璃制作成的薄片作为加工毛坯，对毛坯薄片的一面进行抛光打磨形成光滑曲面，然后在毛坯薄片的另一面上刻录由小到大的同心圆，其中，刻录的同心圆纹理是根据光的干涉、衍射、相对灵敏度以及接收角度要求设计的。相比于球面透镜，螺纹透镜21的制造工艺更简单，无需双面抛光打磨，更加节省原料，具有体积小、重量轻、加工成本低及结构紧凑等特点。

再者，螺纹透镜21的出光面212为曲面，与平面螺纹透镜21相比，平面的螺纹透镜21在中心位置具有较高的透射率，而沿远离中心位置的方向，螺纹透镜21的透射率逐步降低。但曲面的螺纹透镜21无论是中心位置还是边缘位置均具有较高的透射率。另外，曲面的螺纹透镜21矫正球面像差的精度要高于平面的螺纹透镜21，曲面的螺纹透镜21的准直效果更优于平面的螺纹透镜21的准直效果。

结构光投射器100还包括保护罩70。保护罩70可以由透光材料制成，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。由于玻璃、PMMA、PC、及PI等透光材料均具有优异的透光性能，保护罩70可以不用开设透光孔。如此，保护罩70能够在防止衍射元件30脱落的同时，还能够避免衍射元件30裸露在镜筒50的外面，从而使得衍射元件30防水防尘。当然，在其他实施方式中，保护罩70可以开设有透光孔，透光孔与衍射元件30的面积最大的光学有效区相对以避免遮挡衍射元件30的光路。

本发明实施方式的结构光投射器100使用曲面的螺纹透镜21作为准直元件20以用来准直光源10发射的激光，一方面可以减小结构光投射器100的体积及制造成本，另一方面可以减小球面像差对激光准直的影响。

在某些实施方式中，准直元件20可包括至少一片螺纹透镜21和至少一片普通透镜的组合。其中，普通透镜可为凸透镜22、凹透镜23或微透镜阵列中的一种或多种，螺纹透镜21的入光面211刻录了由大到小的同心圆，出光面212为一曲面，该曲面可为圆柱面或抛物面。

具体地，如图4所示，准直元件20包括一片螺纹透镜21和一片凸透镜22。沿光源10的发光方向，凸透镜22、螺纹透镜21和衍射元件30依次排列。光源10发射的激光经凸透镜22后收缩并聚焦于凸透镜22的后焦面，随后激光向螺纹透镜21的方向扩散，扩散的激光经螺纹透镜21调制以平行光的形式向衍射元件30投射激光。其中，螺纹透镜21放置于凸透镜22的后方，并且其焦距应该等于或者近似等于激光经凸透镜22聚焦后形成的聚焦点到螺纹透镜21中心的距离。优选地，沿光源10的发光方向，螺纹透镜21的主焦点位置位于凸透镜22的后焦点位置的右侧，此种设置的好处是可以一定程度降低激光的球面像差的同时，减小整个准直元件20的体积，从而进一步减小结构光投射器100的高度。

再例如，如图5所示，准直元件20包括一片螺纹透镜21和一片凸透镜22。沿光源10的发光方向，凸透镜22、螺纹透镜21和衍射元件30依次排列。光源10发射的激光经凸透镜22折射后出现一定程度的收缩但无法形成聚焦，收缩后的激光经螺纹透镜21后，以平行光的方式投向衍射元件30。其中，螺纹透镜21的焦点位于光源10的左侧，且螺纹透镜21的左侧焦距应该大于凸透镜22的左侧焦距。优选地，沿光源10的发光方向，螺纹透镜21的主焦点位置位于凸透镜22的前焦点的位置的左侧，且螺纹透镜21的主焦点位于光源的位置的左侧。此种设置的好处是在保证结构光投射器100投射的激光图案清晰均匀的同时，最大限度地缩小准直元件20的高度，进一步地减小结构光投射器100的高度。

再例如，如图6所示，准直元件20包括一片螺纹透镜21和一片凹透镜23。光源10发射的激光经凹透镜23后出现不同程度的发散，并投向螺纹透镜21。发射的激光经螺纹透镜21调制后以平行光的形式向衍射元件30投射激光。其中，沿光源10的发光方向，螺纹透镜21的主焦点位置应该位于凹透镜23的前虚焦点位置的右侧。此种设置的好处是可以减小整个准直元件20的体积，从而进一步减小结构光投射器100的高度。

请参阅图3和图7，在某些实施方式中，结构光投射器100还包括固定件。具体地，光源10呈柱状，光源10远离基板62的一个端面形成发光面11。激光从发光面11发出，发光面11朝向准直元件20。光源10固定在基板62上。固定件可为封胶15，光源10通过封胶15粘接在基板62上，例如，光源10的与发光面11相背的一面粘接在基板62上。请结合图3和图8，光源10的侧面12也可粘接在基板62上，封胶15包裹住四周的侧面12，也可以仅粘接侧面12的某一个面与基板62或粘接某几个面与基板62。此时封胶15可为导热胶，以将光源10工作产生的热量传导至基板62中。由于边发射激光器通常呈细条状，当边发射激光器的发光面11朝向准直元件20时，边发射激光器竖直放置，此时边发射激光器容易出现跌落、移位或晃动等意外，因此通过设置封胶15能够将边发射激光器固定住，防止边发射激光器发射跌落、移位或晃动等意外。

请一并参阅图3和图9，在某些实施方式中，固定件还可为弹性的支撑架16。支撑架16的个数为两个或两个以上。多个支撑架16共同形成收容空间161。收容空间161用于收容光源10，多个支撑架16支撑住光源10，如此，可以防止光源10发生晃动。

进一步地，如图3所示，基板62开设有散热孔621。散热孔621内可以填充导热胶以为光源10散热。

此外，在某些实施方式中，基板62可以省略，光源10直接承载在电路板61上。如此，可以减小结构光投射器100的厚度。

本发明实施方式的结构光投射器100、摄像组件1000和电子设备3000使用曲面的螺纹透镜21作为准直元件20以用来准直光源10发射的激光，一方面可以减小结构光投射器100的体积及制造成本，另一方面可以减小球面像差对激光准直的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器包括：

光源，所述光源用于发射激光；

准直元件，所述准直元件用于准直所述光源发射的激光，所述准直元件包括螺纹透镜，所述螺纹透镜的出光面为曲面，所述光源为边发射激光器，所述边发射激光器包括发光面，所述发光面朝向所述准直元件；和

衍射元件，所述衍射元件用于衍射经所述准直元件准直后的激光。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述准直透镜包括至少一片螺纹透镜与至少一片普通透镜的组合，所述普通透镜包括凸透镜、凹透镜和微透镜阵列中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，沿所述光源的发光方向，所述螺纹透镜的主焦点位置位于所述凸透镜的后焦点位置的右侧。

4.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，沿所述光源的发光方向，所述螺纹透镜的主焦点位置位于所述凸透镜的前焦点以及所述光源的位置的左侧。

5.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，沿所述光源的发光方向，所述螺纹透镜的主焦点位置位于所述凹透镜的前虚焦点位置的右侧。

6.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括基板组件和镜筒，所述基板组件包括基板和设置在所述基板上的电路板，所述镜筒设置在所述电路板上并与所述电路板围成收容腔，所述准直元件、所述衍射元件均收容在所述收容腔内，且沿所述光源的发光光路依次设置，所述镜筒的侧壁向所述收容腔的中心延伸有承载台，所述衍射元件设置在所述承载台上。

7.根据权利要求6所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括固定件，所述固定件用于将所述边发射激光器固定在所述基板组件上。

8.根据权利要求7所述的结构光投射器，其特征在于，所述固定件包括封胶，所述封胶设置在所述边发射激光器与所述基板之间，所述封胶为导热胶。

9.根据权利要求7所述的结构光投射器，其特征在于，所述固定件包括设置在所述基板组件上的至少两个弹性的支撑架，至少两个所述支撑架共同形成收容空间，所述收容空间用于***述边发射激光器，至少两个所述支撑架用于支撑住所述边发射激光器。

10.一种摄像组件，其特征子在于，所述摄像组件包括：

权利要求1至9任意一项所述的结构光投射器；

图像采集器，所述图像采集器用于采集由所述结构光投射器向目标空间中投射的激光图案；和

处理器，所述处理器用于处理所述激光图案以获得深度图像。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

壳体；和

权利要求10所述的摄像组件，所述摄像组件设置在所述壳体内并从所述壳体内暴露以获取深度图像。