CN109254476B - 一种光学投影方法、感测方法及物体三维信息应用方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于光学和电子技术领域，光学投影方法，其用于在一被测目标物上投射出用于感测的预设光图案，所述光学投影方法包括如下步骤：沿第一方向发出用于感测的光束；将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向；及将所述光束的光场进行重新排布，以形成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束。本申请还提供一种基于所投射的预设图案进行感测的感测方法以及基于所获取的被测目标物三维信息的物体三维信息应用方法。

Description

一种光学投影方法、感测方法及物体三维信息应用方法

技术领域

本申请属于光学技术领域，尤其涉及一种光学投影方法、感测方法及物体三维信息应用方法。

背景技术

现有的三维(Three Dimensional,3D)感测***因需要确保足够的投射光程通常会做得比较厚，不符合当前电子设备薄型化的设计趋势。而如果为了满足薄型化设计而压缩3D感测***的内部光程的话又会影响其感测效果。

发明内容

本申请所要解决的技术问题在于提供一种光学投影方法、感测方法及物体三维信息应用方法，可以在保持足够光程的前提下满足薄型化设计需求。

本申请实施方式提供一种光学投影方法，其用于在一被测目标物上投射出用于感测的预设光图案，所述光学投影方法包括如下步骤：沿第一方向发出用于感测的光束；将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向；及将所述光束的光场进行重新排布，以形成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束。

在某些实施方式中，所述将光束的光场进行重新排布先于或后于所述将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向。。

在某些实施方式中，所述光学投影方法进一步包括步骤：

对光束进行准直；或/和

对光束进行扩束。

在某些实施方式中，所述对光束进行准直先于或/和后于所述将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向。

在某些实施方式中，所述对光束进行准直先于所述将光束的光场进行重新排布。

在某些实施方式中，所述调整光束使其满足预设的孔径要求先于或/和后于所述将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向。

在某些实施方式中，所述调整光束使其满足预设的孔径要求先于所述将光束的光场进行重新排布。

在某些实施方式中，所述第一方向与第二方向垂直。

在某些实施方式中，所述光束通过光学组件来改变投射方向。所述光学组件包括反射面，利用全反射原理或在所述反射面上设置反射材料的方法将沿第一方向的光束反射至沿第二方向投射。

在某些实施方式中，所述光学组件包括光路偏转部，所述光路偏转部包括所述反射面、入光侧表面、和出光侧表面，光束从所述入光侧表面进入所述光路偏转部，并在所述光路偏转部中沿第一方向传输，当传输到所述反射面时发生全反射或被反射材料反射后而沿第二方向传输。

在某些实施方式中，所述光路偏转部为梯形棱镜或三棱镜。

在某些实施方式中，所述光束通过光学组件中具有光学准直和/或扩束功能的光学结构或光学元件来调制发散角度和孔径。

在某些实施方式中，所述光束为红外或近红外光，波长范围为750nm至1650nm。

在某些实施方式中，发出所述光束的光源为多个不规则分布的发光单元组成的发光阵列，所述光束的光场通过在基板上对应设置的光学微结构进行重新排布，所述光学微结构复制出多个所述不规则分布的发光单元发出的光束组来形成能够在被测目标物上投射出不规则分布图案的图案光束。

在某些实施方式中，发出所述光束的光源为均匀发光的面光源或多个均匀排布的发光单元所组成的发光阵列，所述光束的光场通过在基板上对应设置的光学微结构进行重新排布，所述光学微结构将均匀光场重新排布形成能够在被测目标物上投射出不规则分布图案的图案光束。

在某些实施方式中，发出所述光束的光源为多个均匀排布的发光单元所组成的发光阵列，所述光束的光场通过在基板上对应设置的光学微结构进行重新排布，所述光学微结构将沿条纹方向排列的发光单元的光场相互融合以形成规则排布的条纹图案。

在某些实施方式中，发出所述原始光束的光源包括用于投射泛光光束的第一发射部和用于投射图案光束的第二发射部，所述第一发射部为面光源或均匀分布的多个发光单元阵列，所述第二发射部为不规则分布的多个发光单元阵列或均匀分布的多个发光单元阵列，所述光束的光场通过在基板上对应设置的光学微结构进行重新排布，对应所述第一发射部所发出光束的光路设置具有扩散光学作用的光学微结构以将第一发射部发出的光强均匀的光束进一步扩散为发散角度更广具有的均匀光强的泛光光束，对应所述第二发射部所发出光束的光路设置具有衍射、折射或反射作用的光学微结构以将第二发射部所发出的光束形成能够投射预设图案的图案光束。

在某些实施方式中，所述光束的光场通过直接形成在所述反射面上的光学微结构进行重新排布。

在某些实施方式中，所述光学微结构选自衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。

本申请实施方式还提供一种感测方法，用于感测被测目标物的空间信息，所述感测方法包括如下步骤：如前述光学投影方法的步骤；获取投射在被测目标物上的预设图案的光图像；分析所述预设图案的光图像得出被测目标物的三维信息；及根据所获得的被测目标物上所述预设图案覆盖范围内各个位置处的三维信息建构出被测目标物的三维模型。

本申请实施方式还提供一种物体三维信息应用方法，该方法包括如下步骤：如前述感测方法的步骤；及根据所构建的被测目标物的三维模型来执行相应的功能。

在某些实施方式中，所执行的功能包括根据被测目标物的三维模型对被测目标物的身份进行识别；或根据所构建的被测目标物的三维模型实时显示被测目标物被调整后的三维效果；或根据所构建的被测目标物的三维模型来实现体感交互；或根据所构建的视场范围内的三维场景模型通过机器学习技术判断设备后续的操作。

本申请实施方式所提供的光学投影方法、感测方法及物体三维信息应用方法通过将投影光路进行部分偏转以减少物体三维信息感测光学***沿投影方向的厚度，有利于使用该光学***的各种设备的薄型化设计。

本申请实施方式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，或通过本申请实施方式的实践了解到。

附图说明

图1是本申请第一实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图2是本申请第二实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图3是本申请第三实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图4是本申请第四实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图5是本申请第五实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图6是本申请第六实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图7是本申请第七实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图8是本申请第八实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图9是本申请第九实施方式提供的光学组件的结构示意图。

图10是本申请第十实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。

图11是本申请第十一实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。

图12是本申请第十二实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。

图13是本申请第十三实施方式提供的光学投影模组的结构示意图。

图14是图13中光学投影模组的光源的结构示意图。

图15是本申请提供的一种光学投影方法的步骤流程图。

图16是本申请第十四实施方式提供的感测装置的结构示意图。

图17是本申请提供的一种感测方法的步骤流程图。

图18是本申请第十五实施方式提供的设备的结构示意图。

图19是本申请提供的一种物体三维信息应用方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述，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或排列顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述技术特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，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，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接或相互通信；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之间的相互作用关系。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申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或示例用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文仅对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复使用参考数字和/或参考字母，这种重复使用是为了简化和清楚地表述本申请，其本身不指示所讨论的各种实施方式和/或设定之间的特定关系。此外，本申请在下文描述中所提供的各种特定的工艺和材料仅为实现本申请技术方案的示例，但是本领域普通技术人员应该意识到本申请的技术方案也可以通过下文未描述的其他工艺和/或其他材料来实现。

进一步地，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下文的描述中，提供许多具体细节以便能够充分理解本申请的实施方式。然而，本领域技术人员应意识到，即使没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本申请的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本申请之重点。

如图1所示，本申请第一实施方式提供了一种光学组件1，用于将一光源10发出的原始光束转换成具有预设图案的图案光束，并投射所述图案光束至一被测目标物上，以感测被测目标物的三维信息。所述预设图案可以为多个不规则分布的光斑，也可以为多条规则排布的条纹，当然，所述预设图案也可为其它合适的图案，本申请对所述预设图案并不做具体的限制。

根据感测原理及应用场景，所述原始光束可以为具有特定波长的光束。在本实施方式中，所述原始光束，例如，为红外或近红外光，波长范围为750纳米(Nanometer,nm)至1650nm。然，所述原始光束也并不局限于红外或近红外光，例如也可为紫外光等等其它合适的光束。

目前，3D感测技术大规模应用于智能终端、增强现实(Augmented Reality,AR)/虚拟现实(Virtual Reality,VR)、智能安防、机器人视觉、自动驾驶、自动化医疗等多个领域。所述图案光束为在感测被测目标物的3D信息的过程中投射到被测目标物上的光束，可以在被测目标物上投射出预设的光图案用来感测被测目标物的3D信息。所获取的被测目标物的3D信息具有多种应用，比如可以利用所述3D信息实现脸部识别等功能。需要说明的是，本申请全文对此3D信息的应用并不做具体的限制。

所述光学组件1包括光束调整部12、光路偏转部14及图案生成部16。所述光源10发出的原始光束经过光束调整部12和光路偏转部14的调整后入射至图案生成部16，以生成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束。

所述光束调整部12用于调整从所述光源10发出的原始光束，使得后续入射到图案生成部16上的光束基本保持准直并满足预设的孔径要求。所述光束调整部12根据光源10发出的原始光束特点可以包括一个或多个光学结构120，比如：如果光源10所发出原始光束的发散角比较大，则需要设置光学准直结构120将原始光束转换为近似平行的准直光线，可使得转换后的光束所覆盖的范围不会随光程变化而明显变化；如果光源10所发出原始光束的孔径过小则需要设置光学扩束结构120将原始光束的孔径扩大，以便可以覆盖全所述图案生成部16。所述光学结构120可以为一个或多个独立的光学元件，也可以直接形成在光学组件1的其他光学元件的表面上。

所述光学结构120可以为但不局限于非球面结构。只要所述光学结构120可以实现所需的功能，例如但不局限于准直或扩束等，可采用各种合适形状的光学结构120。

所述光路偏转部14用于改变投射光路的方向，以满足投射光路沿特定方向的光程设计要求。为了满足光学模组薄型化的设计要求，所述光路偏转部14将投射光路由光源10的出射方向偏转特定角度后再投射出去，以减少整个光学模组沿最终投射方向上的厚度。

所述光路偏转部14包括沿光路依次设置的入光侧140、反射面142及出光侧144。所述入光侧140朝向光源10设置，用于导入光源10所发出的原始光束。所述反射面142用于将入射的光束朝向光路偏转部14的出光侧144反射。所述反射面142的倾斜角度根据光路偏转部14所要偏转的光路角度进行设置。所述出光侧144朝向反射面142设置，用于将经过反射面142偏转后的光束投射出去。

在本实施方式中，所述光路偏转部14包括反射棱镜，其将光源10沿第一方向X出射的光束偏转大致90度后沿第二方向Y投射出去。所述入光侧140为反射棱镜朝向光源10的其中一侧表面。所述反射面142为反射棱镜的斜面，与第一方向X大致呈45度设置。所述出光侧144为反射棱镜朝向出射方向的表面，与所述入光侧140表面大致垂直。所述光束调整部12包括具有光学准直作用的光学结构120，分别直接形成在所述反射棱镜的入光侧140表面和出光侧144表面上。所述反射棱镜为集成了准直和偏转光路功能的一体化光学元件。

所述反射棱镜相较于空气为光密介质。相应地，当光源10发出的光束从空气中入射至反射棱镜时发生折射，能够进一步对入射的光束起到准直作用。

因此，在本实施方式中，通过在光源10的出光侧设置光路偏转部14来实现投射光路的方向偏转，能够对边缘扩散的光束起到会聚作用。

所述第一方向X和所述第二方向垂直。其中，所述第一方向例如为水平方向，所述第二方向Y例如为竖直方向。可变更地，所述第一方向X例如也可为竖直方向，所述第二方向X例如为水平方向。本申请对第一方向X和第二方向Y并不做具体的限制。

可以理解的是，在本实施方式中，根据所述光源10的发光特性以及所述光束调整部12的一对光学结构120所要求的光程长度，所述反射棱镜可以大致为三棱柱体或梯形棱柱体。例如：当上述所要求光程较短时，所述反射棱镜的入光侧140表面、反射面142与出光侧144表面相互接壤大致形成三棱柱体。当上述所要求的光程较长时，所述入射棱镜的入光侧140表面与反射面142之间沿光路方向相隔一段光程所需要的距离，所述反射棱镜大致为梯形棱柱体。

所述反射棱镜可利用全反射原理将入射光束朝向光路偏转部14的出光侧144反射。然而，可变更地，除了全反射原理，也可通过在反射面142设置反射物质来实现反射功能，例如贴反射膜等等。

进一步地，在某些实施方式中，所述反射面142与第一方向X也可呈其它合适角度设置，并不局限于45度。

所述反射棱镜也可被替换为具有相同功能的其它合适元件，并不局限于棱镜，只要用于将光源10沿第一方向X出射的光束偏转大致90度后沿第二方向Y投射出去即可。

所述光源10出射的光束也并不需要严格限定为沿第一方向X，也可以与第一方向X呈一定倾斜角度的出射光束。相应地，光束的偏转角度也并非限定于90度。

可以理解的是，所述光学组件1还可以包括一个或多个具有其他功能的光学元件，可对应所述光学偏转部14的入光侧140或出光侧144进行设置以补足所述光源10的光学特性与投射光束需满足的光学要求之间的差距。例如：如果光源10所发出的原始光束较窄无法覆盖全所述图案生成部16，则所述光学组件1还可以包括一个或多个具有扩束功能的光学元件用来扩展光束以覆盖全所述图案生成部16。

所述图案生成部16用于将入射的光束形成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束。所述图案生成部16通过对应设置的光学微结构163对入射光束的光场进行重新排布来实现上述功能，所述光学微结构163包括但不限于衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。

以形成不规则分布光斑的预设图案为例，如果所述光源10为多个不规则分布的发光单元组成的发光阵列，所发出的光束本身已包括了不规则分布的多个子光束，则所述图案生成部16通过所述光学微结构163复制多个所述不规则分布的发光单元发出的光束组，并在预设的扩展角度范围内展开而形成投射在被测目标物上不规则分布的光斑图案。如果所述光源10发射出的光束为强度均匀分布的光束，则所述图案生成部16可通过所述光学微结构163将光束进行重新排布，打散成能够投射出不规则图案的图案光束。在本实施方式中，所述图案生成部16为设置在光学偏转部14出光侧144的衍射光学元件(DiffractiveOptical Element,DOE)。所述DOE为独立的光学元件，包括透明基板160及形成在透明基板上作为光学微结构163的衍射光学纹路。其中，所述不规则图案例如包括随机的、伪随机的和准周期的图案。

可变更地，所述图案生成部16也可以通过在透明基板上形成透射图案的方法来投射出具有预设图案的图案光束。例如，所述透射基板上形成由不透光材料制成的图案层，所述图案层上对应需要透光的位置镂空以让光束投射出去形成具有预定图案的光束。

所述图案生成部16并不限于上述实施方式，也可为其它合适的结构，只要能够实现将入射的光束形成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束即可。

如图2所示，本申请第二实施方式提供了一种光学组件2，其与第一实施方式中的光学组件1基本相同，主要区别在于所述光束调整部22包括具有光学准直作用的一对光学结构贴片220，分别粘接在反射棱镜的入光侧240表面及出光侧244表面上，而并非直接形成在所述反射棱镜的入光侧240表面及出光侧244表面上的一体结构。

在本实施方式中，所述反射棱镜为直角梯形棱镜，其中直角梯形棱镜的斜面用作反射面。可变更地，所述反射棱镜例如也可为三角形棱镜或其它合适形状的棱柱体。

所述光学结构贴片220可以为但不局限于非球面结构。只要所述光学结构贴片220可以实现所需的光学功能，例如准直或扩束等功能，各种合适形状的光学结构贴片220都是可以的。

如图3所示，本申请第三实施方式提供了一种光学组件3，其与第一实施方式中的光学组件1基本相同，主要区别在于所述光束调整部32包括一对独立的透镜320，分别对应反射棱镜的入光侧340表面及出光侧344表面设置。所述透镜320可沿投射光路的不同位置设置而不直接固定在反射棱镜的入光侧340表面或出光侧344表面上。

在本实施方式中，所述反射棱镜为直角梯形棱镜，其中直角梯形棱镜的斜面用作反射面。可变更地，所述反射棱镜例如也可为三角形棱镜或其它合适形状的棱柱体。

所述透镜320可以为但不局限于具有光学准直或扩束等作用的透镜。例如，所述透镜320为非球面透镜、球面透镜、或其它各种合适形状的透镜。

如图4所示，本申请第四实施方式提供了一种光学组件4，其与第三实施方式中的光学组件3基本相同，主要区别在于所述光束调整部42包括一对独立的透镜420，均对应反射棱镜的入光侧340表面设置。所述图案生成部46为直接形成在所述光学偏转部44的出光侧344表面上的光学微结构463。所述光学微结构463对入射光束的光场进行重新排布以形成可投射预设图案的图案光束。所述光学微结构463包括但不限于衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。

在本实施方式中，所述反射棱镜为直角梯形棱镜，其中直角梯形棱镜的斜面用作反射面。可变更地，所述反射棱镜例如也可为三角形棱镜或其它合适形状的棱柱体。

所述透镜420可以为但不局限于具有光学准直或扩束等作用的透镜。所述透镜420，例如，可以为非球面透镜、球面透镜、或其它各种合适形状的透镜。

如图5所示，本申请第五实施方式提供了一种光学组件5，其与第四实施方式中的光学组件4基本相同，主要区别在于所述光束调整部52包括直接形成在反射棱镜的入光侧540表面上的光学结构520。所述图案生成部56为形成在所述光学偏转部54的出光侧544表面上的光学微结构563。所述光学微结构563对入射光束的光场进行重新排布以形成可投射预设图案的图案光束。所述光学微结构563包括但不限于衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。

所述光学结构520可以为但不局限于非球面形状的光学结构。只要所述光学结构520可以实现所需功能，例如具有光学准直或扩束等功能，各种合适形状的光学结构520都是可以的。

可以理解的是，所述光束调整部52还可以包括一个或多个对应反射棱镜的入光侧540表面设置的光学透镜522。所述光学透镜522可沿投射光路的不同位置进行设置，以配合形成在入光侧540表面上的光学结构520来实现预设的光学调整效果。

如图6所示，本申请第六实施方式提供了一种光学组件6，其与第三实施方式中的光学组件3基本相同，主要区别在于所述光路偏转部64包括反射镜642，通过所述反射镜642的反射来改变投射光路的方向从而实现光路偏转。所述光束调整部62包括一对独立透镜620，分别对应反射镜的入光侧640和出光侧644设置。

所述透镜620可以为但不局限于为非球面透镜，只要所述透镜620可以实现所需功能，例如具有光学准直或扩束等功能，各种合适形状的透镜620都是可以的。

可变更地，在其它实施方式中，对于上述各实施方式的光学组件1-6中的光束调整部12-62也都是可以被省略的。

如图7所示，本申请第七实施方式提供了一种光学组件7，其与第一实施方式中的光学组件1基本相同，主要区别在于所述反射面742为兼具光束调整功能和反射功能的曲面结构。所述光束调整功能包括但不限于准直或扩束等功能。因此，所述反射面742在改变投射光路的方向的同时还可以实现一部分所述光束调整部72的功能，从而可以减少所述光束调整部72的元件数量或光学结构的设置。当然，所述反射面742上用于改变投射光路的反射功能可以通过全反射原理或设置反射膜层的方法来实现。

如图8所示，本申请第八实施方式提供了一种光学组件8，其与第三实施方式中的光学组件3基本相同，主要区别在于所述光束调整部82的独立透镜对应所述光学偏转部84的入光侧840表面设置。所述图案生成部86设置在所述光束调整部82与所述光学偏转部84之间。所述光源83发出的原始光束依次经过光束调整部82和图案生成部86的调制后形成能够投射出预设图案的图案光束后经由光学偏转部84改变方向再投射出去。

如图9所示，本申请第九实施方式提供了一种光学组件9，其与第八实施方式中的光学组件8基本相同，主要区别在于所述图案生成部96为直接形成在所述光学偏转部94的反射面942上的光学微结构963。所述光学微结构963对入射光束的光场进行重新排布以形成可投射预设图案的图案光束。所述光学微结构963包括但不限于衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。入射至反射面942上的光束在被反射的同时在所述光学微结构963的作用下重新排布光场形成能够投射出预设图案的图案光束射出。

可扩展地，上述各个实施方式的光学组件中的光束调整部对应被省略也是可行的。如此，包括所述光学组件的光学模组的厚度同样也可以实现减薄。

进一步地，上述各个实施方式的光学组件中额外增加某些元件也是可以的，均应落入本申请的保护范围。

如图10所示，本申请第十实施方式提供了一种光学投影模组81，其包括光源80及如上述第一至第七实施方式所述的光学组件1。所述光源80发出的光束经过所述光学组件1后在被测目标物上投射出预设图案，以用于感测被测目标物的三维信息。

所述光源80为半导体激光器。优选地，所述光源80为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，可在一半导体基底800上通过光刻或蚀刻等工艺制成。

在本实施方式中，所述光源80为单孔宽面型VCSEL。所述单孔宽面型VCSEL只有一个发光孔，发光孔径较大，数十倍于一般阵列式VCSEL的单个发光单元的发光孔径。所述单孔宽面型VCSEL发出的光束经过所述光束调整部12的调制后呈大致平行出射的面光源。所述图案生成部16，例如，可以通过对应设计的光学微结构163将所述面光源所发出的均匀光场进行重新排布，以形成能够在被测目标物上投射出不规则图案的图案光束。其中，所述不规则图案例如包括随机的、伪随机的和准周期的图案。

如图11所示，本申请第十一实施方式提供了一种光学投影模组91，其与第八实施方式中的光学投影模组81基本相同，主要区别在于所述光源90为多个VCSEL发光单元组成的发光阵列，包括形成在同一个半导体基底900上不规则分布的多个VCSEL发光单元902，可投射出不规则分布的光斑图案。所述图案生成部16，例如，可通过对应设计的光学微结构163复制出多个所述不规则分布的光斑图案并投射在被测目标物上。

如图12所示，本申请第十二实施方式提供了一种光学投影模组101，其与第八实施方式中的光学投影模组81基本相同，主要区别在于所述光源100为多个VCSEL发光单元组成的发光阵列，包括形成在同一个半导体基底1000上按照相同间隔均匀排布的多个VCSEL发光单元1002，可投射出均匀分布的光斑图案。所述图案生成部16通过对应设计的光学微结构163将所述均匀分布的光斑图案打散成不规则分布的光斑图案并投射在被测目标物上。所述图案生成部16，例如，还可以通过对应设计的光学微结构163将沿预设方向排列的发光单元的光场相互融合以形成规则排布的条纹图案。

如图13和图14所示，本申请第十三实施方式提供了一种光学投影模组111，其与第八实施方式中的光学投影模组81基本相同，主要区别在于所述光源110包括可分别独立控制发光的第一发射部112及第二发射部114。所述第一发射部112发出第一光束用于形成光强均匀分布的泛光光束。所述泛光光束投射至被测目标物上用于识别所述被测目标物是否为符合预设特征的特定对象。比如，所述泛光光束可用于识别所述被测目标物是否为人脸。所述第二发射部114发出的第二光束用于形成在被测目标物上投射预设图案的图案光束。所述预设图案用于感测所述被测目标物的三维信息。所述第一发射部112与第二发射部114可形成在同一个半导体基底115上以集成为整体结构。在本实施方式中，所述第一光束和第二光束的波长相同，波长范围为750nm至1650nm。

在本实施方式中，所述第一发射部112包括一个或多个用于发射第一光束的第一发光体1120。所述第二发射部114包括一个或多个用于发射第二光束的第二发光体1140。所述第一发光体1120和第二发光体1140形成在同一个半导体基底115上。所述半导体基底114上定义出位于半导体基底114中部的第一发光区域122以及围绕所述第一发光区域122设置的第二发光区域102。所述第一发光体1120在第一发光区域102内按照预设的相同间隔均匀分布。所述第二发光体1140在第二发光区域122内不规则地排布。

所述第一发光体1120和第二发光体1140可以为半导体激光器。优选地，在本实施方式中，所述第一发光体1120和第二发光体1140均为VCSEL。

在本实施方式中，所述位于半导体基底114中部的第一发光区域122为矩形。所述第二发光区域102对应设置在第一发光区域122的四个边角处。所述第一发光体1120在第二发光区域102的四个边角沿着第二发光区域102每个边角的两条侧边按照相同间隔均匀排布多层，所述第一发光区域122即为图12中所述虚线围成的包覆住第一发光区域102每一个直角的四个直角框条形区域。所述第二发光体102在第一发光区域122内不规则地排布，用于在点亮时发出光强不规则分布的第二光束。

可以理解的是，所述每一个第一发光区域102内的多个均匀分布的第一发光体1120也可以由一个单孔宽面型VCSEL替代。即，每个第一发光区域102为一个单孔宽面型VCSEL作为面光源发出强度均匀的第一光束。

所述半导体基底115上设置有与所述第一发光体1120连接的第一焊盘104，所述第一焊盘104用于与外部电路连接来控制第一发光体1120的发光。所述半导体基底115上设置有与所述第二发光体1140连接的第二焊盘124，所述第二焊盘124用于与外部电路连接来控制第二发光体1140的发光。因此，所述第一发光体1120和第二发光体1140可通过不同的控制信号分别独立工作。

对应地，所述图像生成部16包括扩散部161及图案化部162。所述扩散部161对应光源结构100的第一发光区域102设置，用于将第一发光区域102中所述第一发光体1120发出的第一光束扩散形成光强均匀分布的泛光光束。所述图案化部162对应光源结构100的第二发光区域122设置，用于将第二发光区域122中所述第二发光体1140发出的第二光束通过对应设置的光学微结构163复制多个所述不规则分布的第二发光体1140发出的光束组，并在预设的扩展角度范围内展开而形成投射在被测目标物上不规则分布的光斑图案。所述图案光束投射在被测目标物上所形成的图案会因被测目标物的深度变化而产生对应形变，通过分析投射在被测目标物上的预设图案的形状变化情况可获取所述被测目标物的三维信息。

如图15所示，本申请还提供一种使用所述光学投影模组81投射出预设图案的光学投影方法。所述光学投影方法包括如下步骤：

步骤S01，发出用于感测的光束。所述光束要求不受可见光的干扰并且应尽量减少对被测目标物造成影响。在本实施方式中，所述光束为红外或近红外光，波长范围为750nm至1650nm。

所述光束可由半导体激光器，比如VCSEL发出。根据光源10的不同设置，所述光束的光学特性也各不相同。比如：如果所述光源10为多个不规则分布的发光单元组成的发光阵列时，所述光束为多个不规则分布的子光束组成的光束组。如果所述光源10为多个规则排布的发光单元组成的发光阵列时，所述光束为多个规则分布的子光束组成的光束组。如果所述光源10为单孔宽面型VCSEL时，所述光束为光强均匀分布的面光源。

步骤S02，调整所述光束使其满足预设的发散角度和孔径要求。因所述光束在入射到形成图案光束的光学元件上时需要满足特定的光斑尺寸要求，所以所述光束在入射到形成图案光束的图案生成部16前的传播过程中需要满足预设的发散角度和孔径要求。

调整光束的方式包括对所述光束进行准直或扩束，通过在光束的光路中设置具有准直或扩束功能的光束调整元件，比如：透镜、光栅、DOE及其组合，来实现。所述光束调整元件的配置可根据光源的发光特性对应设计，其位置并不局限于投影光路中的特定位置，只需要在所述光束入射到形成图案光束的图案生成部16前将光束调整至满足预设条件即可。

步骤S02例如具体包括：

对光束进行准直；或/和

对光束进行扩束。

其中，对光束进行例如扩束可在进行准直之前。

可以理解的是，若光源10的发光特性已满足投影光束关于发散角度和/或孔径大小的要求，则所述光源10所发出的光束无需再进行调整，可省略该步骤S02。

步骤S03，改变光束的投射方向，以在保持光程不变的前提下满足投影光路沿特定方向的长度要求。所述光束方向的改变角度以及改变光束的位置可根据应用场景的要求进行调整。在本实施方式中，所述光束方向由光源10的发射方向改变大致90度。所述光源10可沿第一方向X发射光束后再改变为沿第二方向Y射出，通过选择改变所述光束的位置则可在保持光程不变的前提下控制光路沿第二方向Y的光程长短，满足投影光学模组薄型化的要求。

如前所述，所述第一方向和所述第二方向垂直。其中，所述第一方向X可以为但不局限于水平方向，所述第二方向Y可以为但不局限于竖直方向。

改变光束方向的方式可采用光学组件或光学元件来实现。所述光学组件包括反射面，在所述反射面上利用全反射原理或设置反射材料的方法将沿第一方向的光束反射至沿第二方向投射。

所述光学组件包括光路偏转部，所述光路偏转部包括所述反射面、入光侧表面、和出光侧表面，光束从所述入光侧表面进入所述光路偏转部，并在所述光路偏转部中沿第一方向传输，当传输到所述反射面时发生全反射或被反射材料反射后而沿第二方向传输。

所述光路偏转部包括但不限于反射棱镜和反射镜。所述反射棱镜的形状根据光束反射前的光程长度可以为三棱柱体或梯形棱柱体。

可以理解的是，因为光路方向的改变并不会影响光路的其他光学特性，调整光路传播特性可以在改变光路方向前或后进行，如果是通过光学组件实现光路调整的还可以分别在改变光路方向前或后分别进行，所以所述步骤S02和步骤S03并无特定的前后顺序。

步骤S04，将所述光束的光场进行重新排布，形成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束。所述光束的光场通过在透明基板160上对应设置的光学微结构163进行重新排布。所述光学微结构163包括但不限于衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。

在上述光学投影方法中，额外增加或减少某些步骤也是可以的。例如，省略步骤S2也是可行的。

步骤S04例如先于或后于步骤S03进行。

步骤S02例如先于或/和后于步骤S03进行。

步骤S02例如先于步骤S04进行。所述光学微结构163的设置与对应光源10相互搭配以投射出不同需求的图案光束。例如：对于需要投射出不规则分布光斑的图案光束的情况，所述光源10可以为包括不规则分布的多个VCSEL发光单元的发光阵列，对应搭配所述光学微结构163复制多个所述不规则分布的发光单元发出的光束组来形成能够在被测目标物上投射出不规则分布光斑的图案光束。所述光源10也可以是光强均匀的光源，比如：面光源或多个均匀排布的VCSEL发光单元所组成的发光阵列，对应搭配所述光学微结构163将均匀光场重新排布以形成能够在北侧目标物上投射不规则分布图案的图案光束。

对于需要投射出规则排布的条纹的情况，所述光源10可以为均匀发光的发光体，比如：多个均匀排布的VCSEL发光单元所组成的发光阵列，对应搭配所述光学微结构163将沿条纹方向排列的发光单元的光场相互融合以形成规则排布的条纹图案。

对于需要集成发射泛光和预设图案光束的情况，如图12所示，所述光源10可以包括用于投射泛光的第一发射部112和用于投射图案光束的第二发射部114。所述第一发射部112可以为面光源或均匀分布的多个发光单元阵列。所述第二发射部114可以为不规则分布的多个VCSEL发光单元或均匀分布的多个VCSEL发光单元阵列。对应所述第一发射部112所发出光束的光路设置具有扩散光学作用的光学微结构163以将第一发射部112发出的光强均匀的光束进一步扩散为发散角度更广且光强均匀分布的泛光光束。对应所述第二发射部114所发出光束的光路设置具有衍射、折射或反射作用的光学微结构163以将第二发射部114所发出的光束形成能够投射出预设图案的图案光束。

如图16所示，本申请第十四实施方式提供了一种感测装置50，其用于感测被测目标物的空间信息。所述空间信息包括但不限于被测目标物表面的三维信息、被测目标物在空间中的位置信息、被测目标物的尺寸信息等其他与被测目标物相关的三维立体信息。所感测到的被测目标物的空间信息可被用于识别被测目标物或构建被测目标物的三维立体模型。

所述感测装置50包括如上述第十至第十三实施方式所提供的光学投影模组81及感测模组500。所述光学投影模组81用于投射特定光束至被测目标物上进行感测识别。所述感测模组500用于感测所述光学投影模组81在被测目标物上投射的特定图像并通过分析所述特定图像获取的被测标的物的相关空间信息。

在本实施方式中，所述感测装置50为感测被测目标物表面的三维信息并据此识别被测目标物身份的3D脸部识别装置。

所述特定光束包括强度均匀的泛光光束以及可以在被测目标物上投射出预设图案的图案光束。所述感测模组500根据所感测到的泛光光束在被测目标物上形成的图像来识别所靠近的被测目标物是否为脸部。所述感测模组500根据所感测到的图案光束在被测目标物上投射出的预设图案的形状变化来分析出被测目标物表面的三维信息并据此对被测目标物进行脸部识别。

如图17所示，本申请还提供一种基于所投影的预设图案进行感测的感测方法，用于感测被测目标物的空间信息。所述感测方法与上述光学投影方法相类似，其区别在于所述感测方法还包括如下步骤：

步骤S05，获取投射在被测目标物上的预设图案的光图像。可通过图像传感器配合相关的镜头模组来实现。

步骤S06，分析所述预设图案的光图像得出被测目标物的三维信息。

将所获取的被测目标物的预设图案与投射在平面上的该预设图案参考图相互比对，并通过分析被测目标物上预设图像与预设图像参考图在对应位置上的偏差情况得出被测目标物在该对应位置处的三维信息。

步骤S07，根据被测目标物的三维信息建构被测目标物的三维模型。

根据投射在被测目标物上的预设图案所覆盖范围内各个位置处的三维信息建构出被测目标物的三维模型。

如图18所示，本申请第十五实施方式提供一种设备60，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、触控交互屏、门、交通工具、机器人、自动数控机床等。所述设备60包括至少一个上述第十三实施方式所提供的感测装置50。所述设备60用于根据该感测装置50的感测结果来对应执行相应的功能。所述相应功能包括但不限于识别使用者身份后解锁、支付、启动预设的应用程序、避障、识别使用者脸部表情后利用深度学习技术判断使用者的情绪和健康情况中的任意一种或多种。

在本实施方式中，所述感测装置50为感测被测目标物表面的三维信息并据此识别被测目标物身份的3D脸部识别装置。所述设备60为装有所述3D脸部识别装置的手机、笔记本电脑、平板电脑、触控交互屏等电子终端、门、交通工具、安检、出入境等涉及进出权限的设备。

如图19所示，本申请还提供一种基于所获取的被测目标物三维信息的应用方法。所述应用方法与上述感测方法相类似，其区别在于所述应用方法还包括如下步骤：

步骤S08，根据所构建的被测目标物的三维模型来执行相应的功能。

具体地，可以根据被测目标物的三维模型对被测目标物的身份进行识别，比如：在手机、电脑、触控交互屏等电子终端、门、交通工具、安检、出入境等涉及进出权限的关卡设备上利用被测目标物的三维模型来执行识别被测目标物的身份的功能。

还可以根据所构建的被测目标物的三维模型来辅助设计，比如实时显示被测目标物调整后的三维效果。

还可以根据所构建的被测目标物的三维模型来实现体感交互，比如根据识别出的被测目标物在立体空间中的肢体动作来触发对应的操作。

还可以根据所构建的视场范围内的三维场景模型通过机器学习技术判断设备后续的操作，比如：自动控制汽车运行，自动控制机器人作业等。

与现有的3D感测光学***相比，本申请所提供的光学投影方法、感测方法及物体三维信息应用方法，可以在保持足够光程的前提下满足薄型化设计需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种光学投影方法，其用于在一被测目标物上投射出用于感测的预设光图案，所述光学投影方法包括如下步骤：

沿第一方向发出用于感测的光束；

将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向；及

将所述光束的光场进行重新排布，以形成能够在被测目标物上投射出预设图案的图案光束；

其中，

发出原始光束的光源包括用于投射泛光光束的第一发射部和用于投射图案光束的第二发射部，所述第一发射部与第二发射部可形成在同一个半导体基板上以集成为整体结构，所述第一发射部为面光源或均匀分布的多个发光单元阵列，所述第二发射部为不规则分布的多个发光单元阵列或均匀分布的多个发光单元阵列，所述光束的光场通过在基板上对应设置的光学微结构进行重新排布，对应所述第一发射部所发出光束的光路设置具有扩散光学作用的光学微结构以将第一发射部发出的光强均匀的光束进一步扩散为发散角度更广具有的均匀光强的泛光光束，对应所述第二发射部所发出光束的光路设置具有衍射、折射或反射作用的光学微结构以将第二发射部所发出的光束形成能够投射预设图案的图案光束。

2.如权利要求1所述的光学投影方法，其特征在于，所述将光束的光场进行重新排布先于或后于所述将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向。

3.如权利要求2所述的光学投影方法，其特征在于，所述光学投影方法进一步包括步骤：

对光束进行准直；或/和

对光束进行扩束。

4.如权利要求3所述的光学投影方法，其特征在于，所述对光束进行准直先于或/和后于所述将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向。

5.如权利要求4所述的光学投影方法，其特征在于，所述对光束进行准直先于所述将光束的光场进行重新排布。

6.如权利要求3所述的光学投影方法，其特征在于，所述对光束进行扩束先于或/和后于所述将所述光束的投射方向由第一方向改变为与第一方向不同的第二方向。

7.如权利要求6所述的光学投影方法，其特征在于，所述对光束进行扩束先于所述将光束的光场进行重新排布。

8.如权利要求1所述的光学投影方法，其特征在于，所述第一方向与第二方向垂直。

9.如权利要求1所述的光学投影方法，其特征在于，所述光束通过光学组件来改变投射方向，所述光学组件包括反射面，在所述反射面上利用全反射原理或设置反射材料的方法将沿第一方向的光束反射至沿第二方向投射。

10.如权利要求9所述的光学投影方法，其特征在于，所述光学组件包括光路偏转部，所述光路偏转部包括所述反射面、入光侧表面、和出光侧表面，光束从所述入光侧表面进入所述光路偏转部，并在所述光路偏转部中沿第一方向传输，当传输到所述反射面时发生全反射或被反射材料反射后而沿第二方向传输。

11.如权利要求10所述的光学投影方法，其特征在于，所述光路偏转部为梯形棱柱体或三棱柱。

12.如权利要求1所述的光学投影方法，其特征在于，所述光束为红外或近红外光，波长范围为750nm至1650nm。

13.如权利要求9所述的光学投影方法，其特征在于：所述光束的光场通过直接形成在所述反射面上的光学微结构进行重新排布。

14.如权利要求1或13所述的光学投影方法，其特征在于，所述光学微结构选自衍射光学纹路、微透镜阵列、光栅及其组合。

15.如权利要求1所述的光学投影方法，其特征在于，所述半导体基板上定义出位于半导体基板中部的第一发光区域以及围绕所述第一发光区域设置的第二发光区域，所述第一发射部选自位于第一发光区域和第二发光区域的其中一个，所述第二发射部选自其中的另外一个。

16.一种感测方法，用于感测被测目标物的空间信息，所述感测方法包括如下步骤：

如权利要求1-15中任意一项所述的光学投影方法的步骤；

获取投射在被测目标物上的预设图案的光图像；

分析所述预设图案的光图像得出被测目标物的三维信息；及

根据所获得的被测目标物上所述预设图案覆盖范围内各个位置处的三维信息建构出被测目标物的三维模型。

17.一种物体三维信息应用方法，该方法包括如下步骤：

如权利要求16所述的感测方法的步骤；及

根据所构建的被测目标物的三维模型来执行相应的功能。

18.如权利要求17所述的物体三维信息应用方法，其特征在于，所执行的功能包括根据被测目标物的三维模型对被测目标物的身份进行识别；或

根据所构建的被测目标物的三维模型实时显示被测目标物被调整后的三维效果；或

根据所构建的被测目标物的三维模型来实现体感交互；或

根据所构建的视场范围内的三维场景模型通过机器学习技术判断设备后续的操作。