CN111694161A - 光发射模组、深度相机及电子设备 - Google Patents

光发射模组、深度相机及电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光发射模组、深度相机及电子设备。光发射模组包括光源及光学组件。光源用于发射激光。光学组件包括第一光学元件及第二光学元件。经第一光学元件出射的激光形成面光，经第二光学元件出射的激光形成散斑，面光及散斑均用于深度计算。本申请实施方式的光发射模组、深度相机及电子设备，通过光发射模组的第一光学元件将光源所发射的激光形成面光，第二光学元件将光源所发射的激光形成散斑，使光发射模组既能够发射具有高空间分辨率的可用于近距离深度测量的均匀面光，又能够发射具有较高能量的可用于远距离深度测量的散斑，在不增大光发射模组的功耗且不缩小光发射模组的视场角的情况下，可以使得光发射模组具有更大的测距范围。

Description

光发射模组、深度相机及电子设备
技术领域
本申请涉及深度测距技术领域，特别涉及一种光发射模组、深度相机及电子设备。
背景技术
手机等电子设备中可以装配有飞行时间深度相机，以实现场景的深度信息的测量。飞行时间深度相机通常包括光发射器和光接收器，光发射器用于向场景中发射光线，光接收器用于接收由场景中的物体反射回的光线，根据光发射器发射光线的时刻及光接收器接收到光线的时刻之间的时间差即可计算出场景的深度信息。然而，现有的飞行时间深度相机的测距范围较小。
发明内容
本申请实施方式提供了一种光发射模组、深度相机及电子设备。
本申请实施方式的光发射模组包括光源及光学组件。所述光源用于发射激光。所述光学组件包括第一光学元件及第二光学元件。经所述第一光学元件出射的所述激光形成面光，经所述第二光学元件出射的所述激光形成散斑，所述面光及所述散斑均用于深度计算。
本申请实施方式的深度相机包括光发射模组及光接收模组。所述光接收模组用于接收所述光发射模组发射的激光。所述光发射模组包括光源及光学组件。所述光源用于发射激光。所述光学组件包括第一光学元件及第二光学元件。经所述第一光学元件出射的所述激光形成面光，经所述第二光学元件出射的所述激光形成散斑，所述面光及所述散斑均用于深度计算。
本申请实施方式的电子设备包括壳体及深度相机。所述深度相机与所述壳体结合。所述深度相机包括光发射模组及光接收模组。所述光接收模组用于接收所述光发射模组发射的激光。所述光发射模组包括光源及光学组件。所述光源用于发射激光。所述光学组件包括第一光学元件及第二光学元件。经所述第一光学元件出射的所述激光形成面光，经所述第二光学元件出射的所述激光形成散斑，所述面光及所述散斑均用于深度计算。
本申请实施方式的光发射模组、深度相机及电子设备，通过光发射模组的第一光学元件将光源所发射的激光形成面光，第二光学元件将光源所发射的激光形成散斑，使光发射模组既能够发射具有高空间分辨率的可用于近距离深度测量的均匀面光，又能够发射具有较高能量的可用于远距离深度测量的散斑，在不增大光发射模组的功耗且不缩小光发射模组的视场角的情况下，可以使得光发射模组具有更大的测距范围。
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，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点可以从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请某些实施方式的光发射模组的结构示意图；
图2是本申请某些实施方式的深度相机的结构示意图；
图3是本申请某些实施方式的光发射模组投射的包含面光的激光图案的示意图；
图4是本申请某些实施方式的光发射模组投射的包含散斑的激光图案的示意图；
图5是本申请某些实施方式的光发射模组投射的同时包含面光及散斑的激光图案的示意图；
图6是本申请某些实施方式的光发射模组的结构示意图；
图7是本申请某些实施方式的光发射模组的结构示意图；
图8是本申请某些实施方式的光发射模组的结构示意图；
图9是本申请某些实施方式的光发射模组的结构示意图；
图10是本申请某些实施方式的光发射模组同时投射的包含面光及散斑的激光图案的示意图；
图11是本申请某些实施方式的光发射模组的结构示意图；
图12是本申请某些实施方式的电子设备的结构示意图。
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，相同或类似的标号自始至终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，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的实施方式的限制。
请参阅图1，本申请实施方式提供一种光发射模组10。光发射模组10包括光源11及光学组件13。光源11用于发射激光。光学组件13包括第一光学元件131及第二光学元件133。经第一光学元件131出射的激光形成面光，经第二光学元件133出射的激光形成散斑，面光及散斑均用于深度计算。
本申请实施方式的光发射模组10通过光发射模组10的第一光学元件131将光源11所发射的激光形成面光，第二光学元件133将光源11所发射的激光形成散斑。如此，光发射模组10既能够发射具有高空间分辨率的可用于近距离深度测量的均匀面光，又能够发射具有较高能量的可用于远距离深度测量的散斑。在不增大光发射模组10的功耗且不缩小光发射模组10的视场角的情况下，可以使得光发射模组10具有更大的测距范围。
请参阅图1及图2，本申请实施方式还提供一种深度相机100。深度相机100包括光发射模组10及光接收模组20。光发射模组10包括光源11、光学组件13、基板19、支架15及驱动器17。
光源11用于发射激光，激光可以是红外激光、紫外激光等，在此不作限制。光源11可以是垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，也可以是边发射激光器，例如分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)等。需要说明的是，当光源11为边发射激光器时，光源11中边发射激光器的数量可以是一个或多个，在此不作限制。
请参阅图1、图3、图4及图5，光学组件13设置在光源11的发光光路上。光学组件13包括第一光学元件131及第二光学元件133。在一个例子中，如图1所示，沿光源的出光方向，第一光学元件131及第二光学元件133依次设置。
经第一光学元件131出射的激光形成面光(图3所示)。第一光学元件131包括相背的第一面1311和第二面1313，第一面1311相对于第二面1313更靠近光源11。其中，第一光学元件131可以是扩散片等能够对激光光束起到扩散和匀光作用的光学元件，在此不作限制。扩散片的表面具有微纳米尺寸的颗粒状结构，光线穿过扩散片后可以形成均匀的面光。在本申请的实施方式中，当第一光学元件131为扩散片时，可以是第一面1311上形成有微纳米尺寸的颗粒状结构，也可以是第二面1313上形成有微纳米尺寸的颗粒状结构，还可以是第一面1311和第二面1313上均形成有微纳米尺寸的颗粒状结构，在此不作限制。可以理解，在近距离场景的测量时，通常对图像的精度以及空间分辨率具有较高的要求。因此，利用第一光学元件131将光源11发射的激光进行扩散和均匀化，有利于使得激光均匀的投射到被测场景中，被测场景中的各物体可以被激光均匀覆盖，光接收模组20可以接收到由被测场景中较多的点反射的激光，可以提高空间分辨率。
经第二光学元件133出射的激光形成散斑(图4所示)。如图1所示，在一个例子中，第二光学元件133可以包括多个微透镜1335，且多个微透镜1335设置在第一光学元件131的第二面1313上。其中，微透镜1335的数量、排布方式及焦距可由开发人员根据测距范围及图像的空间分辨率等因素确定。例如，多个微透镜1335的数量可以为10x10、50x50、100x100等，在此不作限制。多个微透镜1335可以按照一定规律均匀排布在第二面1313上，也可以随机排布在第二面1313上，在此也不作限制。可以理解，在远距离场景的测量时，由于被测物体距离较远，光源11发射的激光传播到被测物体时能量已大大衰减，无法获得较高精度的深度信息。为获得扩大光发射模组10的测距范围，可以采用增大光发射模组10光功率来实现，然而，这一方式将导致光发射模组10产生较多的热量，影响光发射模组10的工作性能。可以通过采用缩小视场角的方案来保证光发射模组10的工作性能，同时扩展光发射模组10的测距范围，然而这一方式不能满足用户对远距离深度测量的成像范围的需求。因此，本申请实施方式的光发射模组10采用第二光学元件133将光源11所发射的激光进行汇聚形成散斑，使得光发射模组10能够发射具有较高能量的可用于远距离深度测量的散斑，在不增大光发射模组10的功耗且不缩小光发射模组10的视场角的情况下，可以使得光发射模组10具有更大的测距范围。
进一步地，为了使得光发射模组10既能够投射均匀的面光以用于近距离场景测量，又能够投射具有较高能量的散斑以用于远距离场景的测量，第二光学元件133中，任意两个相邻的微透镜1335之间的间距需要大于预定距离，以使得可以有部分被扩散片扩散后的均匀的面光可以通过相邻的两个微透镜1335之间的间隙直接出射。
此外，多个微透镜1335可以具有相同的曲率。如此，多个微透镜1335的焦距相同，经过多个微透镜1335汇聚后的多个散斑可以在空间中的某一与光源11的光轴垂直的平面上聚焦，可以优化光发射模组10的投射效果。
在本申请实施方式中，光发射模组10中的光源11发射激光，激光射入第一光学元件131后，激光被扩散形成面光。随后，部分激光射入多个微透镜1335中，其余部分激光通过相邻的两个微透镜1335之间的间隙直接出射。由于微透镜1335对光线的汇聚作用，则经过微透镜1335的激光汇聚形成较高能量的散斑投射到被测场景中，经过相邻的微透镜1335之间的间隙直接出射的激光仍旧以均匀面光的形式投射到被测场景中(图5所示)。如此，光发射模组10既能够用于近距离场景测量，又能够远距离场景的测量，在不增大光发射模组10的功耗且不缩小光发射模组10的视场角的情况下，可以使得光发射模组10具有更大的测距范围。
请参阅图1，基板19用于承载光源11。基板19可以包括电路板及加强板，在此不作限制。电路板可以是印刷电路板、柔性电路板、软硬结合板中的任意一种，在此也不作限制。当基板19包括电路板及加强板时，电路板设置在光源11及加强板之间，电路板可以与光源11电连接以为光源11供电。加强板可以用于支撑电路板及光源，以提升光发射模组10的结构的稳定性。
请再参阅图1，支架15设置于基板19上，支架15可以用于固定光学组件13。在一个例子中，支架15包括内侧壁153及自内侧壁153延伸的凸台151。凸台151用于承载光学组件13。如图1所示，光学组件13设置在凸台151上，且第一光学元件131的第一面1311与凸台151抵触。第一光学元件131可以通过胶合、焊接等方式与凸台151固定连接，在此不作限制。将光学组件13设置在凸台151上，可以避免在光发射模组10摔落或受到撞击时，光学组件13朝向光源11所在方向掉落的问题，提升光发射模组10的结构的稳定性。
请还参阅图1，驱动器17用于驱动光源11发射激光。其中，驱动器17可以是独立的驱动芯片，驱动器17可以为光源11提供驱动电流或驱动电压。驱动器17可以设置在基板19的电路板上，或者设置在深度相机100(图2所示)的主板上，在此不作限制。
请参阅图2，光接收模组20用于接收光发射模组10发射的激光。具体地，光接收模组10接收到的激光包括经过第一光学元件131后出射且由被测物体反射回的面光、以及经过第一光学元件131和第二光学元件133后出射且由被测物体反射回的散斑。其中，面光可以用于近距离物体的深度计算，散斑可以用于远距离物体的深度计算。基于接收到的面光和/或散斑计算得到的深度信息可以形成深度图像。
综上，本申请实施方式的光发射模组10及深度相机100通过光发射模组10的第一光学元件131将光源11所发射的激光形成面光，第二光学元件133将光源11所发射的激光形成散斑。如此，光发射模组10既能够发射具有高空间分辨率的可用于近距离深度测量的均匀面光，又能够发射具有较高能量的可用于远距离深度测量的散斑。在不增大光发射模组10的功耗且不缩小光发射模组10的视场角的情况下，可以使得光发射模组10具有更大的测距范围。
请参阅图6，在某些实施方式中，第一光学元件131与第二光学元件133之间的相对位置关系也可以是：沿光源11的出光方向，第二光学元件131与第一光学元件133依次设置。此时，第二光学元件133可以包括多个微透镜1335，多个微透镜1335可以设置在第一面1311上。在本申请实施方式中，光发射模组10内的光源11发射激光，部分激光射入多个微透镜1335后再经过第一光学元件131出射以形成投射到被测场景中的散斑，其余部分激光经过相邻的两个微透镜1335之间的间隙射入第一光学元件131中，以形成投射到被测场景中的均匀的面光。本申请实施方式光发射模组10将多个微透镜1335装配到光发射模组10内侧，不仅可以避免灰尘及使用过程中微透镜1335与其余元器件之间的碰撞对微透镜1335的表面的损坏，还可以削弱水汽凝附在微透镜1335的表面时对散斑形状和光强分布的影响。
请参阅图7，在某些实施方式中，当第一光学元件131与第二光学元件133之间的相对位置关系为沿光源11的出光方向，第二光学元件133及第一光学元件131依次设置时，第二光学元件133除了包括多个微透镜1335以外，还可以包括基底1339。基底1339包括相背的两面，其中一面相较于另一面更靠近第一光学元件131。多个透镜1335可以设置在基底1339靠近第一光学元件131的一面上(如图7所示)，也可以设置在基底1339的远离第一光学元件131的一面上(图未示)，在此不作限制。支架15包括内侧壁153及自内侧壁153延伸的两个凸台151。其中一个凸台151用于支撑第一光学元件131，另一个凸台151用于支撑第二光学元件133。通过设置两个凸台151来分别支撑第一光学元件131和第二光学元件133，可以避免第一光学元件131和第二光学元件133朝光源11的方向脱落，有利于提升光发射模组10的结构的稳定性。在本申请实施方式中，光发射模组10内的光源11发射激光，部分激光经过基底1339及多个微透镜1335后再经过第一光学元件131出射以形成投射到被测场景中的散斑，其余部分激光经过基底1339及相邻的两个微透镜1335之间的间隙后射入第一光学元件131中，以形成投射到被测场景中的均匀的面光。本申请实施方式的光发射模组10中，第一光学元件131与第二光学元件133分开加工装配，可以降低制造成本和加工难度；同时，将多个微透镜1335装配到光发射模组10内侧，不仅可以避免灰尘及使用过程中微透镜1335与其余元器件之间的碰撞对微透镜1335表面的损坏，还可以削弱水汽凝附在微透镜1335的表面时对散斑形状和光强分布的影响。
请参阅图8，在一个例子中，当第一光学元件131与第二光学元件133之间的相对位置关系为沿光源11的出光方向，第一光学元件131及第二光学元件133依次设置时，第二光学元件133除了包括多个微透镜1335以外，还可以包括基底1339。基底1339包括相背的两面，其中一面相较于另一面更靠近第一光学元件131。多个透镜1335可以设置在基底1339靠近第一光学元件131的一面上(图8所示)，也可以设置在基底1339的远离第一光学元件131的一面上(图未示)，在此不作限制。支架15包括内侧壁153及自内侧壁153延伸的两个凸台151。其中一个凸台151用于支撑第一光学元件131，另一个凸台151用于支撑第二光学元件133。通过设置两个凸台151来分别支撑第一光学元件131和第二光学元件133，可以避免第一光学元件131和第二光学元件133朝光源11的方向脱落，有利于提升光发射模组10的结构的稳定性。在本申请实施方式中，光发射模组10内的光源11发射激光，激光射入第一光学元件131后被扩散形成面光。随后，部分激光射入多个微透镜1335中再经基底1339出射以形成投射到被测场景中的散斑，其余部分激光射入相邻的两个微透镜1335之间的间隙中再经基底1339出射，以形成投射到被测场景中的均匀的面光。本申请实施方式的光发射模组10中，第一光学元件131与第二光学元件133分开加工装配，可以降低制造成本和加工难度；同时，将多个微透镜1335装配到光发射模组10内侧，不仅可以避免灰尘及使用过程中微透镜1335与其余元器件之间的碰撞对微透镜1335表面的损坏，还可以削弱水汽凝附在微透镜1335的表面时对散斑形状和光强分布的影响。
请参阅图1及图9，在某些实施方式中，光源11可以包括第一发光区域111及第二发光区域113，第一光学区域111和第二发光区域113可以被独立控制，使得第一光学区域111和第二发光区域113可以被同时或分时开启。光学组件13的第一光学元件131与第二光学元件133处于同一水平面上，且第一发光区域111与第一光学元件131对准，第二发光区域113与第二光学元件133对准。第一光学元件131的一侧固定于支架15的凸台151上，另一侧与第二光学元件133相连；第二光学元件133的一侧固定于支架15的凸台151上，另一侧与第一光学元件131相连。其中，第一光学元件131与第二光学元件133的连接方式可以采用胶合、焊接等方式进行固定连接，在此不作限制。
请参阅图9及图10，在一个例子中，第一光学元件131与第一发光区域111相对，第二光学元件133与第二发光区113相对。第二光学元件133包括基底1339及设置在基底1339上的多个微透镜1335，微透镜1335设置在基底1339的远离光源11的一面上。当然，在其他例子中，微透镜1335也可以设置在基底1339的靠近光源11的一面上，在此不作限制。
具体地，在进行近距离拍摄时，由于距离较近，光源11发射的激光传播到被测物体时能量衰减较少，则不需要通过第二光学元件133对激光进行汇聚以提升投射到被测场景中的激光的能量。因此，在进行近距离测量时，驱动器17只驱动第一发光区域111发射激光，第一发光区域111发射的激光穿过与之相对应的第一光学元件131后，激光被扩散形成面光并投射到被测场景中，光接收模组20可以接收到由被测场景中的物体反射回的面光，根据反射回的面光可以计算得到高空间分辨率的深度图像。在进行远距离拍摄时，由于被测物体距离较远，光源11发射的激光传播到被测物体时能量已大大衰减，无法获得较高精度的深度信息。因此，进行远距离拍摄时，驱动器17只驱动第二发光区域113发射激光，第二发光区域113发射的激光穿过与之相对应的第二光学元件133，通过第二光学元件133的多个透镜1335汇聚后形成散斑并投射到被测场景中，光接收模组20可以接收到由被测场景中的物体反射回的散斑，根据反射回的散斑可以计算得到精度较高的深度图像。由此，光发射模组10的测量距离得到了提升，测距范围得到了增大。
请参阅图10及图11，在另一个例子中，第二光学元件133包括相背的第三面1331或第四面1333，第三面1331相较于第四面1333更靠近光源11，第三面1331及第四面1333的至少一面上设置有衍射光栅1337。其中，衍射光栅1337可以设置在第二光学元件133的第三面1331上，也可以设置在第四面1333上，或是在第三面1331与第四面1333上均设置有衍射光栅1337，在此不作限制。衍射光栅1337具有分光作用，可以对经过衍射光栅1337的激光进行衍射，使经过衍射光栅1337的激光形成散斑。
具体地，在进行近距离拍摄时，由于距离较近，光源11发射的激光传播到被测物体时能量衰减较少，则不需要通过第二光学元件133对激光进行汇聚以提升投射到被测场景中的激光的能量。因此，在进行近距离测量时，驱动器17只驱动第一发光区域111发射激光，第一发光区域111发射的激光穿过与之相对应的第一光学元件131后，激光被扩散形成面光并投射到被测场景中，光接收模组20可以接收到由被测场景中的物体反射回的面光，根据反射回的面光可以计算得到高空间分辨率的深度图像。在进行远距离拍摄时，由于被测物体距离较远，光源11发射的激光传播到被测物体时能量已大大衰减，无法获得较高精度的深度信息。因此，在进行远距离拍摄时，驱动器17只驱动第二发光区域113发射激光，第二发光区域113发射的激光穿过与之相对应的第二光学元件133，通过第二光学元件133上设置的衍射光栅1337分光后形成散斑并投射到被测场景中，光接收模组20可以接收到由被测场景中的物体反射回的散斑，根据反射回的散斑可以计算得到精度较高的深度图像。由此，光发射模组10的测量距离得到了提升，测距范围得到了增大。
请参阅图12，本申请实施方式还提供一种电子设备1000。电子设备1000包括壳体500及上述的深度相机100。深度相机100与壳体500结合。例如，壳体500形成有收容空间(图未示)，深度相机100收容在收容空间内。
其中，电子设备1000可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、智能穿戴设备(如智能手环、智能手表、智能头盔、智能眼镜)、虚拟现实设备等，在此不作任何限制。在本发明的具体实施例中，电子设备1000为手机。
本申请实施方式的电子设备1000中设置深度相机100。深度相机100内的光发射模组10通过第一光学元件131将光源11所发射的激光形成面光，第二光学元件133将光源11所发射的激光形成散斑，使光发射模组10既能够发射具有高空间分辨率的可用于近距离深度测量的均匀面光，又能够发射具有较高能量的可用于远距离深度测量的散斑。在不增大光发射模组10的功耗且不缩小光发射模组10的视场角的情况下，可以使得光发射模组10具有更大的测距范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“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。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申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种光发射模组，其特征在于，包括：
光源，所述光源用于发射激光；
光学组件，所述光学组件包括第一光学元件及第二光学元件，经所述第一光学元件出射的所述激光形成面光，经所述第二光学元件出射的所述激光形成散斑，所述面光及所述散斑均用于深度计算。
2.根据权利要求1所述的光发射模组，其特征在于，沿所述光源的出光方向，所述第二光学元件及所述第一光学元件依次设置。
3.根据权利要求2所述的光发射模组，其特征在于，所述第一光学元件包括相背的第一面和第二面，所述第一面相对于所述第二面更靠近所述光源，所述第二光学元件包括多个微透镜，所述多个微透镜设置在所述第一面上。
4.根据权利要求2所述的光发射模组，其特征在于，沿所述光源的出光方向，所述第一光学元件及所述第二光学元件依次设置。
5.根据权利要求4所述的光发射模组，其特征在于，所述第一光学元件包括相背的第一面和第二面，所述第一面相对于所述第二面更靠近所述光源，所述第二光学元件包括多个微透镜，所述多个微透镜设置在所述第二面上。
6.根据权利要求2或4所述的光发射模组，其特征在于，所述第二光学元件包括基底及设置在所述基底上的多个微透镜。
7.根据权利要求6所述的光发射模组，其特征在于，所述多个微透镜设置在所述基底靠近所述第一光学元件的一面上，或设置在所述基底远离所述第一光学元件的一面上。
8.根据权利要求1所述的光发射模组，其特征在于，所述光源包括第一发光区域及第二发光区域，所述第一发光区域与所述第一光学元件对准，所述第二发光区域与所述第二光学元件对准。
9.根据权利要求8所述的光发射模组，其特征在于，所述第二光学元件包括基底及设置在所述基底上的多个微透镜；或
所述第二光学元件包括相背的第三面或第四面，所述第三面相较于所述第四面更靠近所述光源，所述第三面及所述第四面的至少一面上设置有衍射光栅。
10.一种深度相机，其特征在于，包括：
权利要求1-9任意一项所述的光发射模组；及
光接收模组，所述光接收模组用于接收所述光发射模组发射的激光。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
壳体；及
权利要求10所述的深度相机，所述深度相机与所述壳体结合。
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