CN113589621A - 结构光投射器、摄像头模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构光投射器、摄像头模组及电子设备。所述结构光投射器包括：光源，用于发出光线；转折光学元件，设置于所述光源的一侧，用于将从其第一端口进入的所述光线转折至其第二端***出；第一衍射光学元件，设置于所述转折光学元件远离所述光源的一侧，用于对从所述转折光学元件转折出的所述光线进行聚焦和复制，以形成结构光。与现有技术相比，所述结构光投射器具有更薄的厚度。

Description

结构光投射器、摄像头模组及电子设备

技术领域

本发明涉及一种光学组件，特别是涉及一种结构光投射器、摄像头模组及电子设备。

背景技术

结构光投射器是3D结构光模组的关键器件，目前市场上的投射器主要由光源、准直镜、衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)堆叠构成，由于这几个器件都有一定的厚度，堆叠后的结构光投射器总厚度通常都会超过4mm。然而，消费类电子产品的尺寸越来越薄，使得现有的结构光投射器难以满足要求，因此，如何设计一种更薄的结构光投射器已成为相关技术人员亟需解决的技术问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构光投射器、摄像头模组及电子设备，用于解决现有技术中结构光投射器厚度过大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明的第一方面提供一种结构光投射器，所述结构光投射器包括：光源，用于发出光线；转折光学元件，设置于所述光源的一侧，用于将从其第一端口进入的所述光线转折至其第二端***出；第一衍射光学元件，设置于所述转折光学元件远离所述光源的一侧，用于对从所述转折光学元件转折出的所述光线进行聚焦和复制，以形成结构光。

于所述第一方面的一实施例中，所述转折光学元件为斜方棱镜，用于将从其第一端口进入的所述光线进行折射后，从其第二端口转折出所述光线。

于所述第一方面的一实施例中，所述斜方棱镜的侧面与顶面、侧面与底面的角度均为45°，且所述斜方棱镜在工作波长的折射率大于1.6。

于所述第一方面的一实施例中，所述斜方棱镜的顶面和底面镀有增透膜。

于所述第一方面的一实施例中，所述转折光学元件具有相互平行的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面用于将从所述转折光学元件第一端口进入的所述光线转折至所述转折光学元件的第二端***出。

于所述第一方面的一实施例中，所述光源为垂直腔面发射激光器，且所述垂直腔面发射激光器上具有多个发光点，所述发光点在空间分布上满足伪随机分布。

于所述第一方面的一实施例中，所述第一衍射光学元件的有效焦距为2-7mm，且所述第一衍射光学元件的散斑复制级次大于或等于3×3级次。

于所述第一方面的一实施例中，所述结构光投射器还包括：第二衍射光学元件，设置在所述第一衍射光学元件远离所述转折光学元件的一侧，用于对所述结构光进行复制，和/或对所述结构光的光强分布进行调整。

本发明的第二方面提供一种摄像头模组，所述摄像头模组包括：本发明第一方面任一项所述的结构光投射器，用于目标对象发射结构光以在所述目标对象上产生结构光图案；图像采集器，用于采集所述结构光图案；图像处理器，与所述图像采集器通信相连，用于对所述结构光图案进行处理以获取所述目标对象的深度图像。

本发明的第三方面提供一种电子设备，所述电子设备包括本发明第二方面所述的摄像头模组。

如上所述，本发明一个或多个实施例所述的结构光投射器具有以下有益效果：

所述结构光投射器包括转折光学元件，通过所述转折光学元件能够对光源发出的光线进行转折，从而在衍射光学元件有效焦距不变的情况下减小所述结构光投射器的厚度。

附图说明

图1显示为相关技术中结构光投射器的结构示意图。

图2显示为本发明所述结构光投射器于一具体实施例中的结构示意图。

图3显示为本发明所述结构光投射器于一具体实施例中斜方棱镜的结构示意图。

图4显示为本发明所述结构光投射器于一具体实施例中的结构示意图。

图5显示为本发明所述结构光投射器于另一具体实施例中的结构示意图。

元件标号说明

1 结构光投射器

11 光源

12 准直镜

13 衍射光学元件

2 结构光投射器

21 光源

22 斜方棱镜

23 第一衍射光学元件

24 第二衍射光学元件

251 第一直角棱镜

252 第二直角棱镜

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，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该特征。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，相关技术中的结构光投射器1主要由光源11、准直镜12和衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)13堆叠构成，由于这3个器件都有一定的厚度，堆叠后的结构光投射器1总厚度通常都会超过4mm。然而，消费类电子产品的尺寸越来越薄，使得所述结构光投射器1难以满足要求。针对这一问题，本发明提供一种结构光投射器，所述结构光投射器包括转折光学元件，通过所述转折光学元件能够对光源发出的光线进行转折，从而在衍射光学元件有效焦距不变的情况下减小所述结构光投射器的厚度。接下来将通过具体的实施例对本发明所述结构光投射器进行详细介绍。

实施例一

请参阅图2，显示为本发明实施例一中结构光投射器2的结构示意图，所述结构光投射器2包括光源21、斜方棱镜22和第一衍射光学元件23，本实施例中，所述转折光学元件为所述斜方棱镜22，所述斜方棱镜22设置于所述光源21和所述第一衍射光学元件23之间。

所述光源21例如为激光器或激光器阵列，用于发出光线。可选地，所述光源21还包括陶瓷基板。

所述斜方棱镜22用于将从其第一端口进入的所述光线进行折射后，从其第二端口转折出所述光线。其中，所述第一端口是指所述斜方棱镜22靠近所述光源21的端口，所述第二端口是指所述斜方棱镜22靠近所述第一衍射光学元件23的端口。所述转折是指对所述光线进行平移而不改变其传播方向。

所述第一衍射光学元件23用于对从所述斜方棱镜第二端口转折出的所述光线进行聚焦(准直)和复制，以形成结构光，所述结构光到达目标对象时会在目标对象表面产生结构光图案。

在具体应用中，所述光源21发出的光线经过所述斜方棱镜22后会发生转折，转折后的光线经过所述第一衍射光学元件23而形成结构光。由于所述第一衍射光学元件23具有一定的有效焦距，且所述第一衍射光学元件23的焦距越大在目标对象表面产生的结构光图案越密集，对目标物体的3D成像效果也就越好。基于此，本实施例所述结构光投射器2创新性地引入所述斜方棱镜22，以便通过对光线进行转折从而实现在所述第一衍射光学元件23有效焦距不变的前提下，使得所述结构光投射器2的厚度大大减小。经过实际测量发现，本实施例中所述斜方棱镜22的引入能够使得所述结构光投射器2的厚度小于3.5mm。

除此之外，本实施例通过在所述结构光投射器2中引入所述斜方棱镜22，使得所述光源21发出的光线到达所述第一衍射光学元件23的光程增加，因而所述第一衍射光学元件23能够较好地发挥聚焦(准直)功能。因此，本实施例所述结构光投射器2无需设置准直镜，有利于进一步减小所述结构光投射器2的厚度。

可选地，请参阅图3，所述斜方棱镜22的侧面与顶面之间的角度为45°，所述斜方棱镜22的侧面与底面之间的角度也为45°。此外，本实施例中所述斜方棱镜22在工作波长的折射率大于1.6。此时，所述斜方棱镜22能够保证所述光线在其侧面发生全反射而无需镀反光膜，有利于简化加工工艺和元件复杂度。同时，本实施例所述斜方棱镜22能够增加光线到达所述第一衍射光学元件23的光程而不会改变光线的方向。

在具体实施中，可以根据所述光源21的发光面积和单点发散角来选择所述斜方棱镜22的材料和尺寸。具体地，若所述光源21发光点的全发散角为θ，如果需要让所述斜方棱镜22的侧面满足入射光全反射，则所述斜方棱镜22的折射率n应当满足：

此外，所述第一衍射光学元件23的有效焦距与所述斜方棱镜22的尺寸和折射率相关，具体应用中可以根据所述光源21的发光参数来选择所述斜方棱镜22的材料和尺寸。

在组装时，所述第一衍射光学元件23可以先组装完成作为一个整体，之后与所述光源21进行组装。优选地，与所述光源21的模组组装可以采用AA(Active Alignment，主动调整)工艺来实现，以保证最终模组的散斑效果。

需要说明的是，具有上述配置的所述斜方棱镜22仅为本发明的一种优选方式，实际应用中也可以采用其他配置。例如，若光线在所述斜方棱镜22的侧面无法产生全反射，则可以在所述斜方棱镜22的侧面镀反光膜，以便保证光线在侧面不会发生透射。

可选地，所述斜方棱镜22的底面和顶面镀有增透膜，以减少甚至消除所述斜方棱镜22底面和顶面的反射光，从而增加其透光量，减少甚至消除杂散光的影响。

可选地，所述光源21为边发射激光器(EEL)。

可选地，所述光源21为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)和陶瓷基板，所述垂直腔面发射激光器上具有多个发光点，所述发光点的数量例如为大于100个，且所述发光点在空间分布上满足伪随机分布。

优选地，所述光源21发出的光线波长为800-1000nm。

可选地，所述第一衍射光学元件23的有效焦距为2-7mm，且所述第一衍射光学元件23的散斑复制级次大于或等于3×3级次，此时，所述第一衍射光学元件23能够有效地对转折之后的光线进行复制和聚焦(准直)。

可选地，请参阅图4，所述结构光投射器2还包括第二衍射光学元件24。所述第二衍射光学元件24设置于所述第一衍射光学元件23远离所述斜方棱镜22的一侧，用于对所述结构光进行复制，和/或对所述结构光的光强分布进行调整。

优选地，经所述第一衍射光学元件23形成的结构光为条纹结构光，其条纹光强在长边方向为平顶分布，其光强均匀性((Imax-Imin)/Mean)≤30％，和/或该条纹结构光中任一条纹的光强在短边方向为类高斯光强分布或平顶分布，上述光强分布可以通过定制所述第一衍射光学元件23实现。

根据以上描述可知，本实施例所述结构光投射器2能够通过所述第二衍射光学元件24对所述结构光进行复制，从而能够在目标对象上产生数量更多的结构光图案。与相关技术相比，本实施例所述结构光投射器2具有结构简单、成本低、体积小以及适于量产等优点。

可选地，本实施例所述光源21为水平腔面发射激光器，所述水平腔面发射激光器为可寻址阵列激光器，所述结构光投射器2还包括光源控制器，所述光源控制器与所述水平腔面发射激光器相连，用于控制所述水平腔面发射激光器的发光点及其发出的激光的强度，以实现所述结构光的相移和/或发光时序控制。

例如，所述光源控制器可用于对所述水平腔面发射激光器中各发光点的发光时序进行控制，以实现所述结构光的时序编码。具体地，所述光源控制器通过控制不同发光点的发光顺序，使得所述目标对象的表面在不同时刻具有不同的结构光图案，基于此种结构光图案进行三维重建后得到的图像具有较高的精度。

又例如，所述光源控制器可以通过控制所述水平腔面发射激光器中各发光点的电流值来实现光强在测试空间上的变换，进而实现所述结构光的相移。

根据以上描述可知，所述结构光投射器2还可以包含光源控制器，所述光源控制器能够实现所述结构光的相移和/或发光时序控制，进而能够得到更加精确的3D图像。

实施例二

请参阅图5，显示为本发明实施例二中结构光投射器2的结构示意图。本实施例与实施例一的区别在于，所述转折光学元件为相对设置且彼此间隔的直角棱镜251和252。其中，所述直角棱镜251具有一第一反射面，所述直角棱镜252具有一第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面相互平行，且二者相对于所述光源21和所述第一衍射光学元件23的倾斜角可以根据实际需求设置，例如为45°。本实施例中，光线自第一端口进入所述转折光学元件，其后在第一反射面发生反射并到达第二反射面，在第二反射面再次发生反射后完成光线的转折并从第二端口转折而出。其中，所述转折会使所述光线产生平移而不会改变光线的传播方向。

可选地，所述第一反射面通过在所述直角棱镜251的侧面上镀高反膜实现，所述第二反射面通过在所述直角棱镜252的侧面上镀高反膜实现。

可选地，所述第一衍射光学元件23胶合至所述直角棱镜251和252的底面上，从而进一步减小整体模组的厚度，有利于提升模组的一体性。

本实施例中，所述直角棱镜251和252同样能够起到增大光程的作用，使所述第一衍射光学元件23的有效焦距更大，散斑密度更高。

需要说明的是，实施例一中的可选方案同样适用于本实施例，为节省说明书篇幅，此处不做过多赘述。此外，本实施例仅以所述直角棱镜251和252为例进行了介绍，但本发明并不以此为限，凡是具有相互平行的第一反射面和第二反射面、且能够实现对光线进行转折的光学元件均可适用于本发明。

基于以上对所述结构光投射器2的描述，本发明还提供一种摄像头模组。所述摄像头模组包括图2、图4或图5所示的结构光投射器，并包括图像采集器和图像处理器。其中，所述结构光投射器用于向目标对象发射结构光以在所述目标对象上产生结构光图案，所述结构光图案例如为散斑或者条纹。所述图像采集器用于采集所述结构光图案，所述图像处理器与所述图像采集器通信相连，用于对所述结构光图案进行处理以获取所述目标对象的深度图像。

基于以上对所述结构光投射器的描述，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括本发明所述的摄像头模组。

针对现有结构光投射器的厚度难以满足超薄电子设备的要求这一问题，本发明一个或多个实施例中提供一种结构光投射器，所述结构光投射器包括转折光学元件，通过所述转折光学元件能够对光源发出的光线进行转折，从而在衍射光学元件有效焦距不变的情况下减小所述结构光投射器的厚度。

此外，本发明一个或多个实施例中，通过在所述结构光投射器中引入转折光学元件，使得光源发出的光线到达衍射光学元件的光程增加，因而所述衍射光学元件能够较好地发挥聚焦(准直)功能。因此，所述结构光投射器无需设置准直镜，有利于进一步减小所述结构光投射器2的厚度。

再者，本实施例中所述转折光学元件可以采用相对设置且相互间隔的直角棱镜实现，此时可以将第一衍射光学元件胶合至所述直角棱镜的底面，有利于进一步减小所述结构光投射器的厚度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

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，用于发出光线；

转折光学元件，设置于所述光源的一侧，用于将从其第一端口进入的所述光线转折至其第二端***出；

第一衍射光学元件，设置于所述转折光学元件远离所述光源的一侧，用于对从所述转折光学元件转折出的所述光线进行聚焦和复制，以形成结构光。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于：所述转折光学元件为斜方棱镜，用于将从其第一端口进入的所述光线进行折射后，从其第二端口转折出所述光线。

3.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于：所述斜方棱镜的侧面与顶面、侧面与底面的角度均为45°，且所述斜方棱镜在工作波长的折射率大于1.6。

4.根据权利要求3所述的结构光投射器，其特征在于：所述斜方棱镜的顶面和底面镀有增透膜。

5.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于：所述转折光学元件具有相互平行的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面用于将从所述转折光学元件第一端口进入的所述光线转折至所述转折光学元件的第二端***出。

6.根据权利要求1-5任一项所述的结构光投射器，其特征在于：所述光源为垂直腔面发射激光器，且所述垂直腔面发射激光器上具有多个发光点，所述发光点在空间分布上满足伪随机分布。

7.根据权利要求1-6任一项所述的结构光投射器，其特征在于：所述第一衍射光学元件的有效焦距为2-7mm，且所述第一衍射光学元件的散斑复制级次大于或等于3×3级次。

8.根据权利要求1-7任一项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：

第二衍射光学元件，设置在所述第一衍射光学元件远离所述转折光学元件的一侧，用于对所述结构光进行复制，和/或对所述结构光的光强分布进行调整。

9.一种摄像头模组，其特征在于，所述摄像头模组包括：

权利要求1-8任一项所述的结构光投射器，用于向目标对象发射结构光以在所述目标对象上产生结构光图案；

图像采集器，用于采集所述结构光图案；

图像处理器，与所述图像采集器通信相连，用于对所述结构光图案进行处理以获取所述目标对象的深度图像。

10.一种电子设备，其特征在于：所述电子设备包括权利要求9所述的摄像头模组。

Images