激光投射模组的制作方法

1.本发明总体上涉及三维传感技术，具体而言涉及可应用于三维传感装置的激光投射模组。


背景技术：

2.光学三维传感技术主要有三种：双目立体视觉、结构光技术和tof(time of flying,飞行时间)技术。不同技术的性能不同，适合的应用场合也可能不一样。在消费电子领域(例如手机)，目前应用最广泛的是结构光技术和tof技术。结构光技术的原理是采用激光光源，投射出经过编码的图案化的光场，光场的图案随着物体表面形貌发生不同的形变，图像传感器将形变后的图案拍下来，基于三角定位法，可以通过计算形变量来得到对应的视差，从而进一步得到深度信息。tof技术的原理是采用激光光源发射脉冲光或经高频强度调制的连续波到物体上，然后接收从物体反射回去的光，通过探测光的飞行(往返)时间来计算被测物体的深度信息。
3.结构光技术和tof技术都需要基于能够投射出预定光场的激光投射模组来实现。结构光技术需要投射出图案化的光场，tof技术通常采用泛光光场，也可以采用图案化的光场，例如激光点阵。
4.传统的三维传感技术中，用于投射图案化光场和用于投射泛光光场的投射模组各自采用不同的光源和光学器件，形成为分立的部件，在三维传感技术的应用中二者组合使用，造成系统集成度低、体积大、成本高等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种激光投射模组，其至少部分地克服了现有技术的不足。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种激光投射模组，其包括激光光源和衍射光学元件，衍射光学元件在来自激光光源的激光光束的照射下投射出预定的光场，其中，激光投射模组具有第一工作模式和第二工作模式，在第一工作模式下，来自激光光源的激光光束以第一入射状态照射衍射光学元件，并且衍射光学元件投射出第一光场，第一光场至少包括图案化的光场；在第二工作模式下，来自激光光源的激光光束以不同于第一入射状态的第二入射状态照射衍射光学元件，并且衍射光学元件投射出第二光场，第二光场包括匀光光场。
7.第一光场可以为激光点阵光场。
8.优选地，激光光源包括激光器阵列，激光器阵列发出的激光形成光源点阵；并且第一光场为激光点阵光场，该激光点阵光场具有以光源点阵为单元进行周期排列而形成的阵列形式。
9.优选地，激光光源包括垂直腔表面发射激光器的阵列。
10.在一些实施例中，激光光源与衍射光学元件中的至少一者构造为能够沿光轴方向移动，以改变衍射光学元件相对于激光光源的工作距离，使得激光投射模组在第一工作模
式和第二工作模式之间切换。
11.优选地，在第一工作模式下，衍射光学元件与激光光源相距第一工作距离；在第二工作模式下，衍射光学元件与激光光源相距第二工作距离，并且第二工作距离小于第一工作距离。
12.优选地，第一工作距离与第二工作距离的差值在0.2～3mm的范围内。
13.衍射光学元件可以具有针对发散光设计的衍射结构。优选地，衍射光学元件具有非周期性的衍射结构，或者具有周期大于来自激光光源的激光光束在衍射光学元件上照射的光斑大小的衍射结构。
14.在另一些实施例中，激光投射模组还包括折射光学元件，该折射光学元件设置在激光光源与衍射光学元件之间，折射光学元件改变入射到其上的光的方向，并且折射光学元件构造为能够沿光轴方向移动，以改变照射到衍射光学元件上的光的入射状态，使得激光投射模组在第一工作模式和第二工作模式之间切换。
15.优选地，在第一工作模式下，折射光学元件定位成使得照射到衍射光学元件上的光为准直光；在第二工作模式下，折射光学元件定位成使得照射到衍射光学元件上的光为非准直光。
16.优选地，衍射光学元件具有针对准直光设计的周期性的衍射结构。
17.根据本发明实施例提供了一种具有不同工作模式(投射模式)的激光投射模组，其中通过改变入射到衍射光学元件上的激光光束的入射状态，可以分别投射出包括图案化光场的第一光场和包括匀光光场的第二光场，从而将投射图案化光场和投射匀光光场的功能集于一身。
附图说明
18.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
19.图1为根据本发明实施例一的激光投射模组的示意图；
20.图2为可用于根据本发明实施例的激光投射模组的激光器阵列的光源点阵的示意图；
21.图3示出了利用根据本发明实施例的激光投射模组投射出的第一光场的示例；
22.图4示出了利用根据本发明实施例的激光投射模组投射出的第二光场的示例；
23.图5为根据本发明实施例二的激光投射模组的示意图；以及
24.图6为根据本发明实施例三的激光投射模组的示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.图1、图5和图6分别示出了根据本发明不同实施例的激光投射模组。如以下将分别
结合各图详细介绍的，根据本发明实施例的激光投射模组包括激光光源10和doe(diffractive optical element,衍射光学元件)20，衍射光学元件20在来自激光光源10的激光光束lb的照射下投射出预定的光场，其中激光投射模组具有第一工作模式和第二工作模式：在第一工作模式下，来自激光光源10的激光光束以第一入射状态照射衍射光学元件20，并且衍射光学元件投射出第一光场lf1，该第一光场lf1至少包括图案化的光场；在第二工作模式下，来自激光光源10的激光光束lb(或激光光束lb1、lb2)以不同于第一入射状态的第二入射状态照射衍射光学元件20，并且衍射光学元件20投射出第二光场lf2，该第二光场lf2包括匀光光场。
28.这里，“图案化的光场”指的是在目标投射平面(可以是假想的平面)ap上形成一定的照射图案的光场，照射图案例如可以包括点、线条、特定外形的区块以及它们的组合以及/或者排布形成的图案。
29.在优选实施例中，图案化光场可以为激光点阵光场。激光点阵光场可以包括周期性排布的激光点阵，也可以为至少具有一定非周期性的散斑点阵。具有一定非周期性的散斑点阵例如可以包括周期性排布的多个散斑点阵单元，每个散斑点阵单元中具有非周期性排布的多个散斑点。
30.在一些实施例中，图案化光场可以为形成点阵加线条(例如十字交叉的至少两条直线)的照射图案的光场。在另一些实施例中，图案化光场也可以为单纯包括线条图案的光场。
31.根据本发明实施例，第一光场包括图案化光场，但是并不限于单纯包括图案化光场，例如第一光场可以在提供图案化光场的同时提供一定的泛光照明。
32.根据本发明实施例的激光投射模组中，通过改变入射到衍射光学元件上的激光光束的入射状态提供不同的工作模式(投射模式)，以分别投射出包括图案化光场的第一光场和包括匀光光场的第二光场，从而将投射图案化光场和投射匀光光场的功能集于一身。由于衍射光学元件既用作图案发生器，又用作匀光器，所以有利于简化激光投射模组的结构，降低成本。
33.首先，结合图1介绍根据本发明实施例一的激光投射模组100。图1为激光投射模组100的示意图。如图1所示，激光投射模组100中，衍射光学元件20构造为能够沿光轴方向移动，以改变衍射光学元件20相对于激光光源10的工作距离，使得激光投射模组100在第一工作模式和第二工作模式之间切换。
34.优选地，激光光源10可以包括vcsel(vertical cavity surface emitting laser,垂直腔表面反射激光器)激光器。当然，本发明在此方面并不受限制，激光光源10也可以包括其它类型的激光器构成，例如ld(laser diode，激光二极管)等。优选地，激光光源10可以包括由多个激光器构成的激光器阵列，例如包括vcsel激光器阵列。激光器阵列发出的激光形成光源点阵。仅作为示例，图2示出了可用于激光投射模组的激光器阵列的光源点阵的一个示例。
35.应该理解的是，尽管图1中示出激光光源10与衍射光学元件20之间没有设置其它光学元件，但是只要通过沿光轴方向移动光学元件能够改变入射到衍射光学元件20上的激光光束的入射状态，本发明并不限于激光光源与衍射光学元件之间没有其它光学元件的设置。例如，在激光光源10与衍射光学元件20两者之间可以设置有用于控制从激光光源10发
出的激光光束的发散角度的光束整形元件，该光束整形元件构造为能够沿光轴方向移动，以改变光束整形元件相对于激光光源10的工作距离，从而改变入射到衍射光学元件20上的激光光束的入射状态，使得激光投射模组100在第一工作模式和第二工作模式之间切换。可以理解，根据本实施例，在仅衍射光学元件20发生移动的情况下，照射到衍射光学元件20上的激光光束lb为非准直光束。
36.在图1所示示例中，衍射光学元件20沿光轴方向移动，从而在第一工作模式下，衍射光学元件20与激光光源10相距第一工作距离l1；在第二工作模式下，衍射光学元件20与激光光源10相距第二工作距离l2。第二工作距离l2不同于第一工作距离l1。尽管来自激光光源10的光束lb本身没有发生变化，但是由于衍射光学元件20相对于激光光源10的距离变化了，所以对于衍射光学元件20上相同的点，照射到其上的光的入射状态变化了。例如，在图1所示示例中，对于衍射光学元件20上的相同点a，在第一工作距离l1下光入射于其上，而在第二工作距离l2下，没有光入射于其上。又例如，对于衍射光学元件20上的相同点b，在第一工作距离l1下和在第二工作距离l2下，光入射于其上的入射角是不同的，而且如果光束lb沿光束横截面的光强分布不均匀，那么在不同工作距离下入射于点b处的光的强度也可能是不同的。总之，可以看到，根据本实施例，通过改变衍射光学元件20相对于激光光源10的工作距离，可以改变激光光束lb照射衍射光学元件20的入射状态，从而在第一工作模式和第二工作模式之间进行切换。
37.为了便于理解，图3和图4分别示出了利用根据本发明实施例的激光投射模组投射出的第一光场和第二光场的示例。图3所示示例中，第一光场为激光点阵光场，该激光点阵光场具有以作为激光光源的激光器阵列的光源点阵(例如图2所示光源点阵)为单元进行周期排列(例如3
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3阵列排列)而形成的阵列形式。图4示出的第二光场为大致矩形且基本上均匀的匀光光场。应该理解，这仅仅是示例性的，而非限制性的。
38.根据本发明图1所示的实施例，用于激光投射模组的衍射光学元件20是针对于发散光并根据所要投射的第一光场设计而成，特别是根据图案化光场，例如激光点阵光场，设计而成；衍射光学元件20可以进一步考虑所要投射的第二光场进行优化。设计而成的衍射光学元件20对应于所要投射的第一光场具有最佳工作距离，即第一工作距离l1。当衍射光学元件20相对于激光光源10的距离偏离第一工作距离l1时，第一光场的照射图案发生弥散，直到距离变化为第二工作距离l2时投射出基本上均匀的匀光光场。更为具体来说，在利用计算机辅助程序设计如图1所示实施例中的衍射光学元件20时，将入射光场的参数设置为具有与vcsel激光光源相符的发散角度，将衍射光学元件的目标图设置为3
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3的点阵，该3
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3的目标图点阵与vcsel激光器阵列所形成的光源点阵相卷积可得到如图3所示的激光点阵光场，并且根据激光投射模组的尺寸需求确定衍射光学元件20与激光光源之间的工作距离，即第一工作距离，根据以上设定的各种参数利用计算辅助程序可以计算得出衍射光学元件20特定的相位分布，并由此加工制造出衍射光学元件20。由于该实施例中的衍射光学元件20是针对发散光设计并以第一工作距离作为距离参数设计投射出点阵，可以理解为衍射光学元件20在第一工作距离工作时可以投射出清晰的激光点阵光场，即，衍射光学元件20在第一工作距离工作时可以将vcsel激光器阵列所形成的光源点阵以与3
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3点阵相卷积的形式进行清晰成像。也就是说，第一工作距离是衍射光学元件20对应于所要投射的第一光场，即激光点阵光场，所具有的最佳工作距离，当衍射光学元件20的工作距离偏离第一
工作距离时，所投射出的激光点阵光场中的激光点将发生弥散，随着工作距离偏离的增大激光点的尺寸将会随之增大弥散成光斑，投射出的激光点阵光场将变得模糊，当工作距离偏离一定程度时光斑尺寸的增大会使得相邻的光斑相叠加覆盖整个目标视场从而形成匀光光场，此时的工作距离即为第二工作距离。在此需要指出，如本领域技术人员容易想到的那样，第二工作距离的值可以在一定的数值区间内进行选择。此外，为了减小激光投射模组的整体尺寸，特别是沿光轴方向的尺寸，第二工作距离l2优选小于第一工作距离l1。
39.在第一光场为激光点阵光场的一些实施例中，第一工作距离例如可以在1.5mm～5mm的范围内。考虑到结构的紧凑性和设计的灵活性，第一工作距离l1与第二工作距离l2的差值优选在0.2～3mm的范围内。在图3和图4所示的实施例中，第一工作距离l1，即投射出图3所示的激光点阵光场时衍射光学元件20与激光光源10之间的距离为2.1mm，第二工作距离l2，即投射出图4所示的匀光光场时衍射光学元件20与激光光源10之间的距离为1.5mm。
40.图5示意性地示出了根据本发明实施例二的激光投射模组200。如图5所示，根据本发明实施例二的激光投射模组200具有与根据本发明实施例一的激光投射模组100具有基本上相同的结构，不同之处在于，在激光投射模组200中，激光光源10而非衍射光学元件20被构造为能够沿着光轴方向移动，从而改变衍射光学元件20相对于激光光源10的工作距离，使得激光投射模组200在第一和第二工作模式之间切换。
41.类似于激光投射模组100，只要通过沿光轴方向移动光学元件能够改变入射到衍射光学元件20上的激光光束的入射状态，激光投射模组200并不限于激光光源与衍射光学元件之间没有其它光学元件的设置。例如，在激光光源10与衍射光学元件20两者之间可以设置有用于控制从激光光源10发出的激光光束的发散角度的光束整形元件。可以理解，根据本实施例，在仅激光光源10发生移动的情况下，照射到衍射光学元件20上的激光光束lb为非准直光束。
42.在图5所示示例中，激光光源10沿光轴方向移动，从而在第一工作模式下，衍射光学元件20与激光光源10相距第一工作距离l1；在第二工作模式下，衍射光学元件20与激光光源10相距第二工作距离l2。第二工作距离l2不同于第一工作距离l1。由于衍射光学元件20相对于激光光源10的距离变化了，所以对于衍射光学元件20上相同的点，照射到其上的光的入射状态变化了。例如，在图5所示示例中，对于衍射光学元件20上的相同点c，在第一工作距离l1下光入射于其上，而在第二工作距离l2下，没有光入射于其上。又例如，对于衍射光学元件20上的相同点d，在第一工作距离l1下和在第二工作距离l2下，光入射于其上的入射角是不同的，而且如果光束lb沿光束横截面的光强分布不均匀，那么在不同工作距离下入射于点d处的光的强度也可能是不同的。总之，可以看到，根据本实施例，通过改变衍射光学元件20相对于激光光源10的工作距离，可以改变激光光束lb照射衍射光学元件20的入射状态，从而在第一工作模式和第二工作模式之间进行切换。
43.激光投射模组200的激光光源10、衍射光学元件20、第一和第二工作距离的设计以及所希望投射的第一和第二光场的情况可以与激光投射模组100中的相同或类似，在此不再赘述。
44.应该理解，尽管没有示出，但是根据本发明其它实施例的激光投射模组中，激光光源10和衍射光学元件20可以均构造为能够沿着光轴方向移动，以改变两者之间的距离，从而在第一工作模式和第二工作模式之间进行切换。
45.在根据本发明实施例一和实施例二的激光投射模组中，优选衍射光学元件具有针对发散光设计的衍射结构。特别是，衍射光学元件优选具有非周期性的衍射结构，或者具有周期大于来自激光光源的激光光束在衍射光学元件上照射的光斑大小的衍射结构。
46.图6为根据本发明实施例三的激光投射模组300的示意图。如图6所示，激光投射模组300除了激光光源10和衍射光学元件20之外，还包括折射光学元件(例如透镜)30。根据本实施例，折射光学元件30设置在激光光源10与衍射光学元件20之间，折射光学元件30改变入射到其上的光的方向，并且折射光学元件30构造为能够沿光轴方向移动，以改变照射到衍射光学元件20上的光的入射状态，使得激光投射模组在第一工作模式和第二工作模式之间切换。
47.在图6所示示例中，折射光学元件30沿光轴的移动，改变照射到衍射光学元件20上的激光光束的会聚状态，使得在第一工作模式下，照射到衍射光学元件20上的光为准直光(图6所示光束lb1)；在第二工作模式下，照射到衍射光学元件20上的光为非准直光(图6所示光束lb2)。
48.应该理解，在其它实现方式中，根据本实施例，折射光学元件30沿光轴方向的移动可以使得在第一工作模式下照射到衍射光学元件20上的光为非准直光，而在第二工作模式下照射到衍射光学元件20上的光为准直光；或者，折射光学元件30沿光轴方向的移动可以使得在第一和第二工作模式下照射到衍射光学元件20上的光为相对于衍射光学元件20入射状态不同的非准直光，例如具有不同的发散角。
49.在其中第一工作模式下照射到衍射光学元件20上的光为准直光的实施例中，衍射光学元件20优选具有针对准直光设计的小周期密排的周期性衍射结构。
50.为了驱动根据本发明实施例的激光投射模组中的激光光源10、衍射光学元件20以及/或者折射光学元件30等光学器件的移动，可以采用纯机械驱动、电磁驱动或静电驱动等不同的驱动方式。作为示例，可以采用音圈马达利用电磁力来驱动光学器件的移动。相应的驱动装置可以与需要移动的光学器件直接固定连接，也可以通过中间的可活动支架与光学器件连接，从而对光学器件的移动进行控制。应该理解的是，根据本发明实施例的激光投射模组可以集成或者不集成这样的驱动装置。在激光投射模组不包括驱动装置的情况下，驱动装置可以在使用激光投射模组的设备中与激光投射模组装配在一起，从而驱动上述光学器件。
51.以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。