CN113740865A - 一种结构光投射模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构光投射模组及电子设备，该结构光投射模组包括：用于发射光线的发射单元；光线准直单元，光线准直单元包括用于对光线进行准直的准直透镜组；设于发射单元的发光侧的光线反射单元，光线反射单元用于对光线进行反射折叠；设于光线反射单元的透光侧的衍射单元，衍射单元用于将经反射折叠后的光线分成多个预设图案的散斑。通过设置反射单元，即光线准直单元及发射单元可与所述衍射单元垂直设置，以满足结构光投射模组轻薄化，同时通过设置光线准直单元对光线进行准直处理，使出射的光线的发散角及光斑大小满足后续衍射单元需求，可实现在入射激光源发散角与准直出射光斑大小相同的情况下，使的最终投射出的结构光的散斑密度更高。

Description

一种结构光投射模组及电子设备

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，特别涉及一种结构光投射模组及电子设备。

背景技术

现有的结构光设备通常由结构光投射模组及接收模组，组合而成。该技术涉及的结构光的基本原理，一般是由结构光投射模组产生具有一定的结构特殊信息的光学信号(即结构光)投射到目标对象，再由接收端获取目标对象的图像，以便下一步的测量等相关操作。

虽然目前结构光是现今三维成像中的研究热点，但是目前的结构光设计依然存在，厚度大，投影点列密度低等问题，不利于使用在现今追求薄化、高分辨率消费电子领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构光投射模组，旨在解决现有技术中结构光设计存在厚度大，不利于应用于现今追求轻薄化的电子设备中的技术问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：一种结构光投射模组，包括：

发射单元，所述发射单元用于发射光线；

光线准直单元，所述光线准直单元包括用于对所述光线进行准直的准直透镜组；

光线反射单元，所述光线反射单元设于所述发射单元的发光侧，所述光线反射单元用于对所述光线进行反射折叠；

衍射单元，所述衍射单元设于所述光线反射单元的透光侧，所述衍射单元用于将经反射折叠后的所述光线分成多个预设图案的散斑，并投射在所需获取信息的目标物上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过设置光线反射单元，对发射的光线进行折叠，即发射单元可与上述衍射单元及透镜组垂直设置，相当于减小了该结构光投射模组的厚度，有利于应用于现今追求轻薄化的电子设备中。

根据上述技术方案的一方面，所述准直透镜组包括设于所述发射单元及所述光线反射单元之间的若干块准直透镜，所述准直透镜用于准直所述光线。

根据上述技术方案的一方面，所述准直透镜组包括靠近所述发射单元一侧设置的第一透镜，靠近所述光线反射单元一侧设置的第三透镜，及设于所述第一透镜及所述第三透镜之间的第二透镜。

根据上述技术方案的一方面，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜的口径值D1、D2及D3分别满足：

0.8mm≤D1≤HZ-Hd-Δhmm，

0.8mm≤D2≤HZ-Hd-Δhmm，

0.8mm≤D3≤HZ-Hd-Δhmm，

其中，HZ为所述结构光投射模组的厚度，Hd为所述衍射单元的厚度，Δh为所述光线准直单元与所述衍射单元之间的装配间隙。

根据上述技术方案的一方面，所述光线反射单元包括设于所述光线准直单元与所述衍射单元之间的第一反射镜。

根据上述技术方案的一方面，所述发射单元采用VCSEL激光器，所述VCSEL激光器包括若干个激光发射源。

根据上述技术方案的一方面，所述光线准直单元还包括设于所述VCSEL激光器发光侧的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干个与所述激光发射源对应排布的微透镜，所述微透镜用于对所述光线进行预准直。

根据上述技术方案的一方面，所述微透镜的宽度DL满足：

DL≤0.75W1，其中，W1为相邻两个所述激光发射源的间距。

根据上述技术方案的一方面，所述微透镜包括一侧贴合所述VCSEL激光器的基底部及用于准直所述光线的弧面部，所述微透镜的总高度H1满足：

H2＜H1，其中，H2为所述基底部的厚度。

本发明的另一方面还提供了一种电子设备，包括上述技术方案中的结构光投射模组，所述电子设备包括：

采集模组，所述采集模组用于采集所述目标物反射的光束信息；

处理器，所述处理器用于根据所述光束信息进行计算获取所述目标物的位置、深度等信息。

附图说明

图1为本发明第一实施例中结构光投射模组的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中激光发射源的分布示意图；

图3为本发明第一实施例中VCSEL激光器及微透镜阵列的分布示意图；

图4为本发明第一实施例中VCSEL激光器及微透镜阵列的结构示意图；

图5为本发明第一实施例中DOE光学衍射元件的结构示意图；

图6为本发明第一实施例中结构光投射模组的结构示意图

图7为本发明第一实施例中结构光投射模组的光路结构示意图

图8为本发明第一实施例中经DOE光学衍射元件处理后形成的散斑图；

图9为本发明第二实施例中结构光投射模组的结构示意图；

图10为本发明第三实施例中结构光投射模组的结构示意图；

图11为本发明第四实施例中VCSEL激光器及微透镜阵列的分布示意图

图12为本发明第五实施例中DOE光学衍射元件的结构示意图；

主要元件符号说明：

VCSEL激光器	10	激光发射源	11
				微透镜阵列	20	第一透镜	31
第二透镜	32	第三透镜	33
				准直透镜组	30	第一反射镜	40
第二反射镜	41	DOE光学衍射元件	50
				衬底	51	台阶元件	52

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图8，所示为本发明第一实施例中的结构光投射模组，包括：

发射单元，所述发射单元用于发射光线；

光线反射单元，所述光线反射单元设于所述发射单元的发光侧，所述光线反射单元用于对所述光线进行反射折叠；

光线准直单元，所述光线准直单元包括用于对所述光线进行准直的准直透镜组；

衍射单元，所述衍射单元设于所述光线反射单元的透光侧，所述衍射单元用于将经反射折叠后的所述光线分成多个预设图案的散斑，并投射在所需获取信息的目标物上。

在本实施例中，所述光线反射单元包括设于所述光线准直单元与所述衍射单元之间的第一反射镜40，该第一反射镜40用于将经光线准直单元准直后的光线，进行反射折叠，使衍射单元与发射单元与光线准直单元均可相对所述衍射单元垂直设置。可以理解地，在本申请的其他实施例中，上述光线反射单元也可为镀增反射膜的光学棱镜等可实现反射功能的元件。

可以理解地，现有技术中的结构光投射模组，发射单元及与衍射单元通常为平行设置，同时为了提高获取参数的精度，发射单元与衍射单元中还设有对光线进行准直的若干块准直透镜，使结构光投射模组的厚度较大，不利于应用于现今追求轻薄化的电子设备中。

在本实施例中，所述光线准直单元包括设于所述发射单元及所述光线反射单元之间的透镜组。在本实施例中，由于发射单元与衍射单元之间设有反射单元，即所述光线准直单元也可与所述衍射单元垂直设置，在满足结构光投射模组轻薄化的同时，通过设置光线准直单元对光线进行准直处理，使出射的光线的发散角及光斑大小满足后续衍射单元需求，可实现在入射激光源发散角与准直出射光斑大小相同的情况下，使的最终投射出的结构光的散斑密度更高。

在本实施例中，所述光线准直单元包括设于所述微透镜阵列20一侧的准直透镜组30，所述准直透镜组30包括若干块准直透镜。

具体来说，本实施例中，所述发射单元采用VCSEL激光器10(Vertical-cavitySurface-emitting Laser)即垂直腔面发射激光器，所述VCSEL激光器10包括若干个激光发射源11。如图2所示，上述VCSEL激光器10采用VSCEL阵列激光发射源11，激光发射源11的点位非均匀性分布，激光发射源11主要工作于红外波段，其典型的波长为：850nm、940nm等。

在本实施例中，所述光线准直单元包括设于所述VCSEL激光器10发光侧的微透镜阵列20，所述微透镜阵列20包括若干个与所述激光发射源11对应排布的微透镜，所述微透镜用于对所述光线进行预准直。

具体来说，在本实施例中，通过设置微透镜阵列20对光线进行预准直，使得在进入后续准直透镜组30的发散角相对减小，实现更高效果的准直，以达到衍射单元的需求。

如图3所示，在本实施例中，所述微透镜阵列20采用矩形凸透镜，具体来说，本实施例中的微透镜阵列20利用填胶、压印在VCSEL激光器10上直接成型，可以理解地，在本申请的其他实施例中，也可与VCEEL激光器分离，单独成一个部件。此外，微透镜或微透镜阵列20的制作，也可由母版压印来完成，微透镜的模板可使用激光直写、光刻或超精密机床等制作。

其中，微透镜的面型可使用球面、非球面、自由曲面等，以达到准直VCSEL激光器10出射光线的目的。

如图4所示，在本发明的一些情况中，由于微透镜阵列20直接成型于VCSEL激光器10的表面，并考虑装配简易化，所述微透镜的宽度DL满足：

DL≤0.75W1，其中，W1为相邻两个所述激光发射源11的间距，且相邻两个所述激光发射源11的间距W1满足：W1≥22um。

进一步地，所述微透镜包括一侧贴合所述VCSEL激光器10的基底部及用于准直所述光线的弧面部，所述微透镜的总高度H1满足：

H2＜H1，其中，H2为所述基底部的厚度。

便于理解地，基底部上设有弧面部，微透镜的总高度H1为基底部的厚度H2加上弧面部的厚度，其中，弧面部的厚度可为负值，当H2＜H1，即弧面部突出于基底部，即该微透镜为凸透镜。此外，若H2＞H1，即弧面部的厚度为负值，该微透镜为凹透镜。具体来说，在本实施例中，所述微透镜的总高度H1为10～20um，所述基底部的厚度H2为9～18um。

此外，在本实施例中衍射单元包括DOE光学衍射元件50(Diffractive OpticalElements)，所述光线通过准直后，入射到衍射单元结构面的光线的有效尺寸决定结构光工作面的光斑尺寸。即光源面的尺寸越大，工作面的光斑尺寸越小，其尺寸的相互关系近似于倒数关系，即上述DOE光学衍射元件50的结构面尺寸应大于等于VCSEL激光器10所有激光发射源11所涉及的区域，其中DOE光学衍射元件50的工作区可以为矩形，圆形或椭圆形。

在本实施例中，DOE光学衍射元件50的厚度Hd约300um，结构光工作面位于DOE光学衍射元件50后0.2m～1.5m处，其光斑尺寸为1.5mm(800mm处)，DOE光学衍射元件50的结构面为矩形，其尺寸大于等于1.3mm*1.3mm。

如图5所示，其中，上述DOE光学衍射元件50可通过压印或刻蚀等表面加工工艺制作，在衬底51上制作台阶元件52(阶数可为2阶，4阶，8阶等)。在本实施例中DOE光学衍射元件50的阶数为4阶，衬底51指透明的光学衬底51材料，如：石英，硅，GaAs等。

在本实施例中，所述激光发射源11的发出的光线的发散角θ1为18°～28°，通过上述微透镜阵列20的准直，使发散角θ1满足：θ2＜θ1，其中，θ2为经过微透镜准直之后光线的发散角。

进一步地，在本实施例中，所述光线准直单元还包括设于所述微透镜阵列20及所述光线反射单元之间的若干块准直透镜，所述准直透镜用于准直所述光线。准直透镜结构由一系列透镜组成，面型采用球面、非球面、自由曲面等。材料使用聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃共聚物(Cyclo Olefin Polymers，COP)、光学玻璃等光学材料。

具体来说，所述准直透镜组30包括靠近所述微透镜阵列20一侧设置的第一透镜31，靠近所述光线反射单元一侧设置的第三透镜33，及设于所述第一透镜31及所述第三透镜33之间的第二透镜32。示例而非限定，在本发明的其他实施例中，准直透镜组30的透镜数量也可为二块或四块等。

便于理解地，如图6所示，在本实施例的一些情况中，为考虑到该结构光投射模组的厚度大小，即衍射单元所需的最小入射光斑限制，所述第一透镜31、第二透镜32及第三透镜33的口径值D1、D2及D3分别满足：

0.8mm≤D1≤HZ-Hd-Δhmm；

0.8mm≤D2≤HZ-Hd-Δhmm；

0.8mm≤D3≤HZ-Hd-Δhmm，其中，HZ为所述结构光投射模组的厚度，Hd为所述衍射单元的厚度，Δh为所述光线准直单元与所述衍射单元之间的装配间隙。

具体来说，在本实施例中，为便于装配，第一透镜31、第二透镜32及第三透镜33的口径值D1、D2及D3均为1.3mm，可以理解地，在本申请的其他实施例中，上述口径值D1、D2及D3分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm。

此外，由于光线准直单元的焦距与经光学衍射元件的光线行成的散斑的密度成正比，同时考虑光学衍射元件允许最大入射角，光线准直单元焦距F’为3.4～9.5mm，同时为保证结构光投射模组的轻薄化构造，所述结构光投射模组的厚度HZ为1.9mm～3.5mm。

如图7所示，具体来说，在本实施例中，VCSEL激光器10发出的发散角为22°光线A1经过微透镜阵列20初步准直后为发散角为9～18°的发散光,发散光A2经过准直透镜组30后转变为发散角为小于0.5°的平行光A3，A3经由光学衍射期间后生成具有一定结构特征的结构光。不同位置下的激光发射源11发出的光线最终投射到DOE光学衍射元件50接受面的平行光与光轴的夹角不同，单发散角均小于0.5°。

此外，如图8所示，在本实施例中，VCSEL激光器10面板上一处激光发射源11发出的光线，通过前部光学模组的准直入射到DOE光学衍射元件50，经DOE光学衍射元件50的调制，在后侧分束到预设计的各个级次，形成一定结构的散斑图，散斑图中光点可规则或不规则分布，在本实施例中，如图8所示，散斑图中光点呈规则的7*9阵列分布，此外，在VCSEL激光器10上多个激光发射源11的共同作用下，即可生成数量多于10000点的整体散斑图，满足获取目标物参数的精确度。

综上，本发明上述实施例当中的结构光投射模组，由于发射单元与衍射单元之间设有反射单元，即所述光线准直单元也可与所述衍射单元垂直设置，在满足结构光投射模组轻薄化的同时，通过设置光线准直单元对光线进行准直处理，使出射的光线的发散角及光斑大小满足后续衍射单元需求，可实现在入射激光源发散角与准直出射光斑大小相同的情况下，使的最终投射出的结构光的散斑密度更高。

请查阅图9，所示为本发明第二实施例中的结构光投射模组，本实施例当中的结构光投射模组与第一实施例当中的结构光投射模组的不同之处在于：所述反射单元还包括设于所述光线准直单元及所述发射单元之间的第二反射镜41。

在本实施例中，通过在第一实施例中光线准直单元与衍射单元之间设置第一反射镜40的基础上，在发射单元与光线准直单元之间还设有第二反射镜41，即将原本与DOE光学衍射元件50垂直放置的VCSEL激光器10，通过新增的第二反射镜41，在光线准直单元保持与衍射单元的前提下，将VCSEL激光器10设置成与DOE光学衍射元件50平行的，方便VCSEL激光器10的电路板放置，且可减少整体***的结构长度，有利于应用于现今追求轻薄化的电子设备中。

方便理解地，在本实施例中，光线的具体路径为：VCSEL激光器10发射光线，光线经过微透镜进行预准直，经第二反射镜41反射至准直透镜组30，经第一透镜31、第二透镜32及第三透镜33的准直处理后，经过第一反射镜40反射，最终照射在DOE光学衍射元件50上。

请查阅图10，所示为本发明第三实施例中的结构光投射模组，本实施例当中的结构光投射模组与第一实施例当中的结构光投射模组的不同之处在于：所述光线准直单元仅包括设于所述VCSEL激光器10与所述第一反射镜40之间的准直透镜组30。在本实施例中，所述VCSEL激光器10发射出的光线不经过上述微透镜阵列20的预准直，直接入射至准直模组。本实施例的结构光投射模组通过减少设置微透镜阵列20，可应用于对衍射单元发射出的散斑密度要求不高的结构光投射模组中，降低生产成本。

方便理解地，在本实施例中，光线的具体路径为：VCSEL激光器10发射光线，经第一透镜31、第二透镜32及第三透镜33的准直处理后，经过第一反射镜40反射，最终照射在DOE光学衍射元件50上。

请查阅图11，所示为本发明的第四实施例中的结构光投射模组，本实施例当中的结构光投射模组与第一实施例当中的结构光投射模组的不同之处在于：所述微透镜阵列20单独成型一个部件，所述微透镜阵列20与VCSEL激光器10分离设置。

请查阅图12，所示为本发明的第五实施例中的结构光投射模组，本实施例当中的结构光投射模组与第一实施例当中的结构光投射模组的不同之处在于：所述DOE光学衍射元件50的阶数为两阶，即所述衬底51上仅设有一层台阶元件52。

本发明的第六实施例提供了一种电子设备，包括上述实施例中的结构光投射模组，所述电子设备包括：

采集模组，所述采集模组用于采集所述目标物反射的光束信息；

处理器，所述处理器用于根据所述光束信息进行计算获取所述目标物的位置、深度等信息。

可以理解地，本实施例中的电子设备通过设置上述结构光投射模组，有利于实现该电子设备的轻薄化。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种结构光投射模组，其特征在于，包括：

发射单元，所述发射单元用于发射光线；

光线准直单元，所述光线准直单元包括用于对所述光线进行准直的准直透镜组；

光线反射单元，所述光线反射单元设于所述发射单元的发光侧，所述光线反射单元用于对所述光线进行反射折叠；

衍射单元，所述衍射单元设于所述光线反射单元的透光侧，所述衍射单元用于将经反射折叠后的所述光线分成多个预设图案的散斑，并投射在所需获取信息的目标物上。

2.根据权利要求1所述的结构光投射模组，其特征在于，所述准直透镜组包括设于所述发射单元及所述光线反射单元之间的若干块准直透镜，所述准直透镜用于准直所述光线。

3.根据权利要求2所述的结构光投射模组，其特征在于，所述准直透镜组包括靠近所述发射单元一侧设置的第一透镜，靠近所述光线反射单元一侧设置的第三透镜，及设于所述第一透镜及所述第三透镜之间的第二透镜。

4.根据权利要求3所述的结构光投射模组，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜的口径值D1、D2及D3分别满足：

0.8mm≤D1≤HZ-Hd-Δhmm，

0.8mm≤D2≤HZ-Hd-Δhmm，

0.8mm≤D3≤HZ-Hd-Δhmm，

其中，HZ为所述结构光投射模组的厚度，Hd为所述衍射单元的厚度，Δh为所述光线准直单元与所述衍射单元之间的装配间隙。

5.根据权利要求1所述的结构光投射模组，其特征在于，所述光线反射单元包括设于所述光线准直单元与所述衍射单元之间的第一反射镜。

6.根据权利要求1所述的结构光投射模组，其特征在于，所述发射单元采用VCSEL激光器，所述VCSEL激光器包括若干个激光发射源。

7.根据权利要求6所述的结构光投射模组，其特征在于，所述光线准直单元还包括设于所述VCSEL激光器发光侧的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干个与所述激光发射源对应排布的微透镜，所述微透镜用于对所述光线进行预准直。

8.根据权利要求7所述的结构光投射模组，其特征在于，所述微透镜的宽度DL满足：

DL≤0.75W1，其中，W1为相邻两个所述激光发射源的间距。

9.根据权利要求7所述的结构光投射模组，其特征在于，所述微透镜包括一侧贴合所述VCSEL激光器的基底部及用于准直所述光线的弧面部，所述微透镜的总高度H1满足：

H2＜H1，其中，H2为所述基底部的厚度。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的结构光投射模组，所述电子设备包括：

采集模组，所述采集模组用于采集所述目标物反射的光束信息；

处理器，所述处理器用于根据所述光束信息进行计算获取所述目标物的位置、深度等信息。

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