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TWI749280B - 結構光發射模塊、結構光感測模塊及電子裝置 - Google Patents

結構光發射模塊、結構光感測模塊及電子裝置 Download PDF

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TWI749280B TW107146289A TW107146289A TWI749280B TW I749280 B TWI749280 B TW I749280B TW 107146289 A TW107146289 A TW 107146289A TW 107146289 A TW107146289 A TW 107146289A TW I749280 B TWI749280 B TW I749280B
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Abstract

一種結構光發射模塊，其包括：光源，用以產生雷射；繞射光學組件，設置於所述光源發出的雷射的光學路徑上，用於對雷射進行繞射；所述光源發出的雷射的光學路徑上未設置有透鏡。本發明還提供一種包括結構光發射模塊的結構光感測模塊以及包括該結構光感測模塊的電子裝置。本發明在減小習知結構光發射模塊的體積的同時降低了生產成本。

Description

結構光發射模塊、結構光感測模塊及電子裝置
本發明涉及結構光深度感測領域，特別涉及一種結構光發射模塊及使用該結構光發射模塊的結構光感測模塊及電子裝置。
結構光深度感測技術係利用結構光發射模塊主動對投射物或投射空間投射結構光進行特徵標定，結構光在投射物或投射空間表面發生反射後，被結構光接收模塊接收，藉由比對結構光發射模塊所投射的結構光的圖像及結構光接收模塊接收的結構光的圖像得到投射物或者投射空間中每一點的偏移量，從而計算投射物或投射空間的深度。結構光深度感測技術被廣泛應用於3D人臉辨識、手勢辨識、3D掃描器與精密加工等。然而，習知的結構光發射模塊均包含有透鏡，一般透鏡為多種不同折射率的材料製作且製作工藝複雜，從而限制結構光發射模塊製作成本的降低與尺寸的減小。
因此，有必要提供一種結構光發射模塊，其在降低製作成本與減小尺寸的同時，仍能對投射物或投射空間投射結構光進行特徵標定。
一種結構光發射模塊，其包括：光源，用以產生雷射；繞射光學組件，設置於所述光源發出的雷射的光學路徑上，用於對雷射進行繞射；所述光源發出的雷射的光學路徑上未設置有透鏡。
本發明還提供一種包括上述結構光發射模塊的結構光感測模塊。
本發明還提供一種電子裝置，供感測一空間目標，包括：主體和所述結構光感測模塊，其中所述結構光感測模塊可工作地安裝於所述主體，以供感測所述空間目標。
本發明提供的結構光發射模塊在保證能對投射物或投射空間投射結構光進行特徵標定的同時，藉由取消習知的結構光發射模塊中的透鏡的設置，以減小習知結構光發射模塊的體積並降低生產成本。
100:結構光感測模塊
10:結構光發射模塊
20:結構光接收模塊
30:處理器
40:記憶體
50:待檢測對象
60:空間目標
11:控制器
111:印刷電路板
112:柔性電路板
113:端口
12:光源
122:光源基板
121:點光源雷射發射器
13:定位支架
130:通孔
132:第一表面
131:第二表面
133:凹槽
14:繞射光學組件
21:基板
23:鏡筒
24:透鏡
22:感光組件
圖1為本發明實施例提供的結構光感測模塊的結構框圖。
圖2為圖1所示的結構光感測模塊的結構光發射模塊的結構示意圖。
圖3為圖2另一實施例的定位支架的結構示意圖。
圖4為圖2所示光源的結構示意圖。
圖5為圖1所示的結構光感測模塊的結構光接收模塊的結構示意圖。
圖6為本發明實施例提供的具有結構光感測模塊的電子裝置的結構示意圖。
以下將結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
請參閱圖1，本發明實施例的結構光感測模塊100包括結構光發射模塊10、結構光接收模塊20、處理器30及記憶體40。處理器30分別與結構光發射模塊10、結構光接收模塊20、記憶體40電性連接，記憶體40記憶體有結構光發射模塊10與結構光接收模塊20的參數資訊、結構光發射模塊10與結構光接收模塊20的距離資訊。
如圖1所示，結構光發射模塊10可產生不同編碼的結構光，並投射至待檢測物件50的表面，對待檢測物件50進行特徵標定。結構光在待檢測物件50的表面發生反射後被結構光接收模塊20接收。其中由結構光發射模塊10發射的結構光可攜帶有原始位置資訊的圖案，該圖案的原始位置資訊在結構光在待檢測物件50的表面發生反射後發生改變。
處理器30根據記憶體40記憶體有的結構光發射模塊10與結構光接收模塊20的距離資訊、結構光接收模塊20的焦距資訊、結構光發射模塊10投射的結構光的原始位置資訊與結構光接收模塊20接收的結構光帶有的改變後的原始位置資訊計算待檢測物件50的深度資訊，以完成對待檢測物件50的深度感測。其中結構光圖案被定義為複數區域，每一個區域可對應計算出一組待檢測物件50的深度資訊，多組待檢測物件50的深度資訊被結合計算以形成一具有待檢測物件50深度資訊的立體圖像。
請參閱圖2，結構光發射模塊10包括控制器11、設置於設置控制器11上且與控制器11電性連接的光源12以及設置於光源12遠離射控制器11一側的繞射光學組件14。光源12用於產生雷射。繞射光學組件14用於對光源12產生的雷射進行繞射。繞射光學組件14與控制器11之間設有一定位支架13以固定繞射光學組件14與控制器11的相對位置，且使固定繞射光學組件14與控制器11之間存在一固定間距。
控制器11包括一印刷電路板111、與印刷電路板111電性連接的柔性電路板112、以及與柔性電路板112電性連接的端口113。端口113與處理器30電性連接，以使處理器30可控制傳輸結構光發射模塊10投射到待檢測物件50表面的結構光資訊。控制器11用於控制光源12的開啟、關閉以及工作功率的大小，以產生不同編碼的結構光。
如圖2所示，定位支架13大致為板狀，其包括朝向光源12的第一表面132、朝向繞射光學組件14的第二表面131及貫穿第一表面132和第二表面131的通孔130。其中定位支架13可與控制器11直接接觸，形成一空腔，光源12位於空腔內並與控制器11直接接觸。本實施例中，通孔130為橫截面為圓形的直孔。其中光源12的幾何中心與繞射光學組件14的幾何中心對準。光源 12所產生的雷射藉由通孔130，直接照射致繞射光學組件14上，並生成一繞射光學圖像(具體為一散斑圖像)，投射至待檢測對象50的表面(圖未示)，以對待檢測物件50進行特徵標定。即，由光源12所產生的雷射照射至繞射光學組件14的光學路徑上不設有透鏡。且在其它實施例中，定位支架13的通孔130的橫截面可為其他形狀，如矩形。
在繞射光學組件14遠離定位支架13一側可設置一光柵(圖未示)，以擴大結構光發射模塊10的投射角度。
本實施例中，繞射光學組件14為一矩形結構，且其尺寸相對於定位支架13較為接近，即繞射光學組件14與定位支架13可在藉由兩者之間的表面塗覆光學膠(圖未示)進行貼合。
請參閱圖3，在一實施例中，繞射光學組件14為一矩形結構，但相對於定位支架13具有較小的尺寸，且定位支架13朝向繞射光學組件14的第二表面131設有一與繞射光學組件14結構相匹配的凹槽133，所述通孔130開設於凹槽133的底壁。即繞射光學組件14可被鑲嵌在凹槽133中，以固定繞射光學組件14與定位支架13的相對位置。
藉由取消結構光發射模塊10中從光源12到繞射光學組件14之間光學路徑上透鏡的設置，並在控制器11與繞射光學組件14之間設置一定位支架13以固定兩者的相對位置，在保證結構光發射模塊10可對待檢測物件50進行特徵標定的情況下，達到了減小結構光發射模塊10的整體體積的效果。
請參閱圖4，光源12包括光源基板122與設置在光源基板122上的複數點光源雷射發射器121，所述複數點光源雷射發射器121為垂直共振腔表面放射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSE)，並排列成點雷射發生器陣列。且複數點光源雷射發射器121可藉由控制器11進行選擇性開啟。即只開啟部分的點光源雷射發射器121。藉由選擇性開啟點雷射發生器陣列中的點光源雷射發射器121，可產生不同編碼的結構光。
本實施例中的，光源12產生的雷射為紅外光，其波長為800-900nm，以保證結構光接收模塊20接收待檢測物件50表面反射的結構光時不受太陽光 干擾，與此同時減小對結構光接收模塊20中的組件選擇的限制，以降低製作成本。
如圖4所示，本實施例中，相鄰兩行的點光源雷射發射器121兩兩對齊，相鄰兩列的點光源雷射發射器121兩兩對齊。在其他實施例中，點光源雷射發射器121可為不規則排布，且點光源雷射發射器121的數量可根據具體需要進行增設或減少。
請參閱圖5，結構光接收模塊20包括基板21、設置於基板上的鏡筒23。鏡筒23為套筒狀，鏡筒23包括一中空的通道及圍繞中空通道的側壁，通道內設有一透鏡24。且基板21上設有一感光組件22，感光組件22的幾何中心與透鏡24幾何中心對準。結構光在經過待檢測物件50的表面反射後在透鏡24上聚焦並投射在感光組件22上，感光組件22將接到的結構光的光學資訊轉換為電資訊並傳輸到處理器30。
感光組件22僅對特定波長的光進行回應。例如波長為800-900nm的紅外線。如圖1所示，即結構光接收模塊20中的感光組件22僅對結構光發射模塊10投射在待檢測物件50的表面發生反射並被結構光接收模塊20接收的結構光進行回應，並轉換為電信號，以確保根據所接收的結構光資訊可得出正確的待檢測物件50的深度資訊。
感光組件22可為互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)。
請參閱圖6，本發明實施例提供的電子裝置200包括主體201及結構光發射模塊10、結構光接收模塊20、處理器30、記憶體40。其中結構光發射模塊10、結構光接收模塊20、處理器30、記憶體40均被可工作地安裝於所述主體201。可以理解的是，處理器30和記憶體40可以集成於主體201的控制主機板。
結構光發射模塊10可投射有特徵圖案的結構光至空間目標60的表面並反射出一反射光束，其中所述反射光束被結構光接收模塊20接收。結構光接收模塊20可通訊地連接與處理器30，以供處理器30生成對應圖像。處理器30根據記憶體40記憶體有的結構光發射模塊10與結構光接收模塊20的距 離資訊、結構光接收模塊20的焦距資訊、結構光發射模塊10投射的結構光資訊以及結構光接收模塊20接收的反射光束的資訊進行空間目標的深度資訊計算。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，圖示中出現的上、下、左及右方向僅為了方便理解，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
10:結構光發射模塊
11:控制器
12:光源
13:定位支架
111:印刷電路板
112:柔性電路板
113:端口
130:通孔
132:第一表面
131:第二表面
14:繞射光學組件

Claims (8)

  1. 一種結構光發射模塊，其包括：控制器；光源，設置於所述控制器上且與所述控制器電性連接，所述控制器用於控制所述光源產生雷射；繞射光學組件，設置於所述光源發出的雷射的光學路徑上，用於對雷射進行繞射；其改良在於：所述光源發出的雷射的光學路徑上未設置有透鏡，所述光源與所述繞射光學組件之間設有定位支架，以使所述光源與所述繞射光學組件形成間隔，並固定兩者的相對位置，所述定位支架包括朝向所述光源的第一表面以及朝向所述繞射光學組件的第二表面以及貫穿所述第一表面和所述第二表面的通孔，所述定位支架與所述控制器直接接觸形成一空腔，所述光源位於所述空腔中並與所述控制器直接接觸，所述光源發射的雷射直接穿過所述通孔並照射在所述繞射光學組件上，所述定位支架朝向所屬繞射光學組件的表面設有一與所述繞射光學組件結構相匹配的凹槽，所述通孔開設於所述凹槽的底壁，所述繞射光學組件被鑲嵌在所述凹槽中。
  2. 如請求項1所述的結構光發射模塊，其中，所述結構光發射模塊用於向待檢測物件投射不同編碼的結構光。
  3. 如請求項1所述的結構光發射模塊，其中，所述繞射光學元件與所述光源相對設置，用於將所述光源的雷射形成一繞射圖像。
  4. 如請求項1所述的結構光發射模塊，其中，所述光源包括多個點光源，所述多個點光源為垂直腔面發射雷射器。
  5. 一種結構光感測模塊，其包括如請求項1-4中任意一項所述的結構光發射模塊。
  6. 如請求項5所述的結構光感測模塊，其中，所述結構光感測模塊還包括一結構光接收模塊，所述結構光發射模塊將一結構光投射至待檢測物件表面，並發生反射，所述結構光接收模塊則用於接收待檢測物件表面所反射的結構光。
  7. 如請求項6所述的結構光感測模塊，其中，所述結構光感測模塊還包括一處理器與一記憶體，所述處理器用根據所述記憶體內的參數資訊，所述結構光發射模塊投射的結構光的資訊及所述結構光接收模塊接收的結構光的資訊計算所述待檢測物件的深度。
  8. 一種電子裝置，供感測一空間目標，其中，包括：主體和如請求項5-7任意一項所述的結構光感測模塊，其中所述結構光感測模塊可工作地安裝於所述主體，以供感測所述空間目標。
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