CN209895097U - 一种投影器和深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学及电子技术领域，提供了一种投影器和深度相机；其中，投影器包括沿光路依次设置的激光光源、聚焦透镜、光束偏转元件以及非准直DOE；所述激光光源用于发射发散光束；所述聚焦透镜用于接收所述发散光束并对其进行聚焦以生成非准直光束；所述光束偏转元件，接收来自聚焦透镜的光束后对其进行反射，以改变光束的传播方向；所述非准直DOE，用于在接收经所述光束偏转元件反射后的光束后，对其进行衍射并投射至预设空间形成结构光图案。本实用新型的技术方案能在提高投影器的集成度减小体积的同时，提高激光的利用率，减少能量损失。

Description

一种投影器和深度相机

技术领域

本实用新型属于光学及电子技术领域，尤其涉及一种投影器和深度相机。

背景技术

随着科学技术的发展，3D成像技术正逐渐成为新一代人机交互技术的核心，而3D成像的深度相机目前也正快速朝着体积越来越小、功耗越来越低的方向发展，这就使得深度相机作为内置元器件嵌入到其他电子设备，例如手机、平板电脑等中，就逐渐成为可能。

投影器是基于结构光技术的深度相机的核心元器件之一，也是影响深度相机性能最为主要的因素。投影器一般由光源、透镜以及其他光学元件构成，用于将光源发出的光束，经透镜聚集以及其他光学元件的调制作用后，向目标空间中投影出结构光图案，该结构光图案被深度相机的成像模组采集后可进一步计算出深度图像。

然而，在现在的电子设备对外观、体积的不断追求小型化和薄型化的压力下，其内置元器件的设计和安装等也面临着巨大的挑战，若深度相机想要更合适的内置在电子设备中，就还需解决现有的深度相机因各元器件之间布局不够合理而导致的体积较大、集成度不高以及能耗较大等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种投影器，其旨在解决现有的投影器集成度低、体积大、能耗大的问题。

本实用新型提供一种投影器，包括沿光路设置的激光光源、聚焦透镜、光束偏转元件，非准直DOE；

其中，所述激光光源用于发射发散光束；

所述聚焦透镜，用于接收所述发散光束并对其进行聚焦以生成非准直光束；

所述光束偏转元件，接收来自聚焦透镜的光束后对其进行反射，以改变光束的传播方向；

所述非准直DOE，用于在接收经所述光束偏转元件反射后的光束后，对其进行衍射并投射至预设空间形成结构光图案。

可选地，所述光束偏转元件设于所述聚焦透镜的焦点处。

可选地，所述非准直DOE设于所述聚焦透镜的焦点处。

可选地，所述激光光源包括单个光源或者多个光源组成的阵列，其中光源包括激光二极管、边缘发射激光二极管、垂直腔面发射激光器中的至少一种。

可选地，所述聚焦透镜还包括光束整形聚焦透镜，用于接收且聚焦所述发散光束并将其整形为平顶光束输出。

可选地，所述光束整形聚焦透镜包括非球面聚焦透镜、衍射型光学器件、透镜组中的一种或几种。

可选地，所述光束偏转元件包括反射镜或微机电***中的至少一种。

本实用新型还提出一种深度相机，该深度相机包括：

前述的投影器，用于投影结构光图案；

成像模组，用于采集所述结构光图案；以及

处理器，分别与所述投影器和所述成像模组连接。

可选地，所述深度相机还包括彩色相机模组，用于采集彩色图案。

可选地，所述处理器还用于根据所述结构光图案计算出深度图案，并将所述深度图案与所述彩色图案进行融合以获得彩色深度图像。

基于此结构设计，由于本投影器可通过聚焦透镜将激光光源发出的发散光束聚集，然后再将聚集后的光束通过光束偏转元件的反射而改变方向，故非准直DOE就可以尽可能地邻近光束偏转元件设置，从而可以有效缩短光束的传播路径，从而使得投影器中各元器件的布局更集成化，投影器的体积可设计得更小，进而更有利于集成在深度相机中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的投影器一实施例的光路结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的投影器另一实施例的光路结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的深度相机的功能模块示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				110	激光光源	120	聚焦透镜
130	光束偏转元件	140	非准直DOE
				100	投影器	200	成像模组
300	处理器	400	彩色相机模组

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

还需要说明的是，本实用新型实施例中的左、右、上和下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”和“外”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供一种投影器。

请参阅图1，在本实用新型的一实施例中，该投影器100可用于深度相机中，包括沿光路依次设置的激光光源110、聚焦透镜120、光束偏转元件130以及非准直DOE140；激光光源110用于发射发散光束；聚焦透镜120用于接收发散光束并对其进行聚焦以生成非准直光束；光束偏转元件130，接收来自聚焦透镜120的光束后对其进行反射，以改变光束的传播方向；非准直DOE140用于在接收经光束偏转元件130反射后的光束后，对其进行衍射并投射至预设空间形成结构光图案。

基于此结构设计，由于本投影器100可通过聚焦透镜120将激光光源110发出的发散光束聚集，然后再将聚集后的光束通过光束偏转元件130的反射而改变方向，故非准直DOE140就可以尽可能地邻近光束偏转元件130设置，从而可以有效缩短光束的传播路径，从而使得投影器100中各元器件的布局更集成化，投影器100的体积可设计得更小，进而更有利于集成在深度相机中。

请参阅图1，在本实用新型的实施例中，聚焦透镜120还包括光束整形聚焦透镜，用于接收且聚焦发散光束并将其整形为平顶光束输出，由于平顶光束具有在光斑横截面内能量分布均匀的优点，故本投影器100还可通过光束整形聚焦透镜而达到提高激光的利用率以减少能量损失的技术效果。具体地，光束整形聚焦透镜包括非球面聚焦透镜、衍射型光学器件、透镜组中的一种或几种。其中，在一实施例中，透镜组可以是衍射型光学器件和非球面聚焦透镜等光学元件的组合，由激光光源110发出的发散光束经过衍射型光学器件匀化后再经过一个非球面聚焦透镜，最终可在该非球面聚焦透镜的焦面上形成非准直的平顶光束。

如图1所示，在本实用新型的实施例中，光束整形聚焦透镜可为单片非球面聚焦透镜。当然，于其他实施例中，光束整形聚焦透镜还可以为曲面球透镜、平凸透镜、其他聚焦镜片或组合聚焦镜片。然而，在本实施例中，由于利用单个透镜的前后两个面代替了透镜组的多个透镜，故光线在透镜内只需折射两次，如此，相较于透镜组来说，采用单个透镜的设计可使激光能量损失较小，而且，单片非球面聚焦透镜对发散光束也有较好的聚焦整形作用，可有效提高聚焦光斑的质量。此外，在实际应用中，由于激光光束会产生一定的热量，故可优选热吸收系数相对较小的Zn或Se材料来制作透镜，以使透镜能在适宜的温度范围内工作，进而确保本投影器100的正常使用。

为提高透镜的透光性，可在光束整形聚焦透镜的入光侧和/或出光侧的表面镀上高透射膜层。在本实用新型的其中一实施例中，可在光束整形聚焦透镜的入光侧和出光侧的两个表面上均镀有高透射膜层。该高透射膜层的透光率至少在95％以上，优选99％以上，从而可以让聚焦透镜120能接收更多的由激光光源110发出的发散光束，提高透镜的光学性能。

在本实用新型的其中一实施例中，光束偏转元件130包括反射镜或微机电***(Micro Electro Mechanical System，MEMS)中的至少一种。然本设计不限于此，于其他实施例中，光束偏转元件130还可以是其他类型的可改变激光光束的传播路径的器件。光束偏转元件130设于聚焦透镜120的焦点处，如此，原本较大的光束偏转元件130就可以设计成反射面积很小的光束偏转元件130，从而可有效减小投影器100的整体厚度，并进一步降低本投影器100的体积。当然，在其中一些实施例中，光束偏转元件130也可设于聚焦透镜120的焦点以内或焦点以外的一定范围内，在此不做特别限制。

请参阅图2，在本实用新型的实施例中，非准直DOE140可设于聚焦透镜120的焦点处。此设置可使非准直DOE140的有效衍射区域比较小，进而降低设计与制造的难度，使得本投影器100更易于集成在深度相机中。当然，在其中一些实施例中，非准直DOE140也可设于聚焦透镜120的焦点以内或焦点以外的一定范围内，在此不做特别限制。在此需特别说明的是，图1和图2所示的另一实施例的主要不同在于，在图1中，光束偏转元件130位于聚焦透镜120的焦点处，在该焦点处聚焦的光线经光束偏转元件130偏转后再呈发散状进入非准直DOE140；而在图2中，光束偏转元件130位于聚焦透镜120的焦点前方，未完全聚焦的光束经经光束偏转元件130反射偏转后再聚焦在一起，而非准直DOE140正好设置在该光束聚焦处。

在本实用新型的实施例中，激光光源110由于在方向性、亮度、单色性及相干性等方面具有良好的特性，故被广泛应用于工业、军事、通信、医学和科学研究等诸多领域，通常情况下，由激光光源110发出的激光光束的空间形态大多呈高斯分布，其光斑横截面内能量分布的均匀性低于平顶光束。激光光源110包括单个激光光源110，或者由多个激光光源110组成的阵列；其中，激光光源110包括激光二极管、边缘发射激光二极管、垂直腔面发射激光器中的至少一种。在一些实施例中，激光光源110可为垂直腔面发射激光器，该类激光器具有体积小、功耗小、发散角小等特点。而当激光光源110选为边发射激光器时，为了让聚焦透镜120能接收更多的发散光束，可将聚焦透镜120设于激光光源110发射光束的一侧。通常，激光光源110产生的光可以为可见光、红外、紫外、不可见光等，且激光光源110也支持不同图像组成的编码投射方案，例如但不限于散斑状、块状、十字状、条纹状、特定符号等图像。但由于红外散斑图案具备高度不相关性以及分布均匀的优点，本实施例可将激光光源110投影出的结构光图案设为红外散斑图案。

可以理解的是，为增强本投影器100的散热性，在本实用新型的实施例中，激光光源110的热点处贴设有散热片(未图示)。可以理解，散热片的设置不仅可以避免激光光源110的工作温度过高，也可延长本投影器100的使用寿命，同时还可加速深度相机的散热，进而更有利于将深度相机集成到各种电子设备，例如但不限于移动终端上。此外，散热片优选采用铝制材料，且其体积是非常小的，因而并不会对本投影器100和深度相机的体积增加有实质性影响。

本实用新型还提出一种深度相机，该深度相机包括前述的投影器100、成像模组200和处理器300，投影器100用于向目标空间投射结构光图案；成像模组200用于采集结构光图案；处理器300分别与投影器100和成像模组200连接，用于控制投影器100和成像模组200的运行。该投影器100的具体结构参照上述实施例，由于本深度相机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

进一步地，在本实用新型的实施例中，成像模组200包括图像传感器以及其它光学元件的组合，且图像传感器上设置有滤光片。其中，图像传感器可以但不限于是CCD或CMOS等；而滤光片的设置可以仅允许投影器100投射的光束通过，以避免环境光的干扰。例如，当结构光图案为红外散斑图案时，就可以在图像传感器的入光面设置红外滤光片，以实现仅采集该红外散斑图案的目的。

进一步地，在本实用新型的实施例中，为进一步实现深度相机的多功能化，深度相机还包括外壳(未图示)、呈平板设置的安装板(未图示)和用于采集彩色图案的彩色相机模组400；投影器100、成像模组200以及彩色相机模组400均安装在安装板上，且彩色相机模组400位于投影器100和成像模组200之间，并邻近投影器100；外壳上对应投影器100、成像模组200以及彩色相机模组400分别开设有窗口。其中，彩色相机模组400可以但不限于是RGB相机模组等，这样，配置了彩色相机模组400的集成深度相机就可以拥有同步获取深度图案以及RGB图案的能力。在此还需说明的是，成像模组200采集的结构光图案和彩色相机模组400采集的彩色图像可以进一步传输给处理器300，处理器300则根据接收到的结构光图案计算出深度图案，并将深度图案与彩色图案进行融合以获得彩色深度图像，进而可实现根据彩色深度图像进行人脸检测、人脸识别、安全支付等操作，大大拓宽了深度相机的应用范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投影器，其特征在于，包括沿光路设置的激光光源、聚焦透镜、光束偏转元件，非准直DOE；

其中，所述激光光源用于发射发散光束；

所述聚焦透镜，用于接收所述发散光束并对其进行聚焦以生成非准直光束；

所述光束偏转元件，接收来自聚焦透镜的光束后对其进行反射，以改变光束的传播方向；

所述非准直DOE，用于在接收经所述光束偏转元件反射后的光束后，对其进行衍射并投射至预设空间形成结构光图案。

2.如权利要求1所述的投影器，其特征在于，所述光束偏转元件设于所述聚焦透镜的焦点处。

3.如权利要求1所述的投影器，其特征在于，所述非准直DOE设于所述聚焦透镜的焦点处。

4.如权利要求1所述的投影器，其特征在于，所述激光光源包括单个光源或者多个光源组成的阵列，其中光源包括激光二极管、边缘发射激光二极管、垂直腔面发射激光器中的至少一种。

5.如权利要求1所述的投影器，其特征在于，所述聚焦透镜还包括光束整形聚焦透镜，用于接收且聚焦所述发散光束并将其整形为平顶光束输出。

6.如权利要求5所述的投影器，其特征在于，所述光束整形聚焦透镜包括非球面聚焦透镜、衍射型光学器件、透镜组中的一种或几种。

7.如权利要求1所述的投影器，其特征在于，所述光束偏转元件包括反射镜或微机电***中的至少一种。

8.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1至7中任一项所述的投影器，用于投影结构光图案；

成像模组，用于采集所述结构光图案；以及

处理器，分别与所述投影器和所述成像模组连接。

9.如权利要求8所述的深度相机，其特征在于，所述深度相机还包括彩色相机模组，用于采集彩色图案。

10.如权利要求9所述的深度相机，其特征在于，所述处理器还用于根据所述结构光图案计算出深度图案，并将所述深度图案与所述彩色图案进行融合以获得彩色深度图像。

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