具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用的制作方法

本发明涉及摄影电子设备领域，进一步涉及一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，更进一步涉及一通过产生编码光来生成固定图案的编码结构光的投影装置、电子设备及其应用。

背景技术：

随着科技的发展，摄影电子设备也越来越受到人们的青睐，自然而然地，人们对摄影电子设备的功能要求也越来越高。而对于摄影设备，诸如深度相机能够获取目标的深度信息，可以实现3d扫描、成像或建模等功能，因此，深度相机也逐渐应用在大量的摄影电子设备中，以使摄影电子设备增加更多功能，进而带给人们更好的体验。

结构光投影装置作为深度相机重要的部件之一，其投射质量的优劣直接影响着深度相机的成像质量。在现有技术中，深度相机的结构光投影装置通常采用光源形成一不规则图案并投射至空间目标，然后采集模组接收反射光线，并通过处理器生成所需的图像。但是由于常见结构光是通过光源排布上的不规则图案形成的，同时通过准直镜形成平行光并在衍射光学元件doe上复制并进行扩散，最终形成衍射结构光投射模组。且光源设计中往往采用简单的光斑，所以也称之为散斑结构光模组。因为光斑相互之间的区别很小，一般只有光斑大小、稀密之分和位置差异，故采集模组接收到图案后识别比较困难。

通常情况下，传统的深度相机的结构光投影装置为了保证发出的结构光能够准确的采集到空间目标的特征点a的信息，均是采用面光、线光或点光之间的任意结合来形成不规则的图案的结构光，去捕捉空间目标的特征点a的信息，因此，正是由于所述光源产生的相同光斑的不规则图案，光斑之间的区别点很小，进而无法保证所述结构光能够完全地被识别，进而导致无法获取到某些特征点a的信息或者特征点a的信息获取不全面等，进而影响摄影质量。

比如，目前常用的散斑光投影装置是由激光发射器发射出不规则的光束经过至少一片准直透镜准直，然后经过衍射光学元件(doe)进行分束、衍射作用而形成多个复制的不规则的图案，然后照射到空间目标，以此采集空间目标的特征信息，因此，所述散斑光投影装置发出的结构光是基于相同光斑进行的不规则排布的不规则图案，故在标定时可能会随着环境或者自身设备能力的限制而出现误差，进而会导致无法准确获取到空间目标的某些特征点深度信息，进而影响摄影质量。

另外，由于所述散斑结构光的不规则性，导致经过衍射光学元件进行分束、衍射作用而形成多个光束时，无法辨别每个光束之间的边界区域，进而导致在采集空间目标的特征信息时，无法识别对应的特征信息，进而影响成像质量。

通常情况下，为了确保能够尽可能地全面去获取空间目标的特征点信息，传统的结构光投影装置需要设置更多的光源，以发出尽量多的光束去投射到空间目标，因此，就会消耗大量的光源能量，并且增加磨损率，不仅影响成像效果，而且降低了设备的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，能够形成固定图案的编码结构光投射至空间目标的表面，进而更好地识别空间目标的深度信息，减小标定误差，提高识别精度，以保证三维成像质量。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，由具备编码图案的激光光源发出所述编码光，经过准直镜准直，doe复制扩散，以形成固定图案的编码结构光投射到空间目标。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，由面光源发出光束，通过一光掩膜形成所述编码光，经过准直镜准直，doe复制扩散，以形成固定图案的编码结构光投射到空间目标。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，其不会随着环境变化或者自身设备因素而影响所述编码结构光的固定图案，进而不会有误差产生，以保证投影质量的稳定性。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，其中所述光掩膜具有透光区进而使光束穿过所述光掩膜时，形成各种图案的编码光。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，其中所述编码光在经过准直、复制扩散形成多个所述固定图案的编码结构光，并且每个所述固定图案的编码结构光边界区域识别更加准确，以使在采集信息时，能够很清楚地识别出特征信息，以使图像的采集更加精准、快捷。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，其中所述结构光投影装置能够降低光源能源消耗，减少设备磨损率，增加使用寿命。

本发明的另一个目的在于提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，结构简单，实用性高，成本低。

依本发明的一个方面，本发明进一步提供一具备编码光的结构光投影装置，以供投影至一空间目标，其包括：一激光发射器、一光掩膜、一准直透镜系统和一衍射光学元件，其中所述激光发射器发出的光线经所述光掩膜形成一固定图案、经所述准直透镜系统后被准直、并且经所述衍射光学元件复制扩散后投影至该空间目标。

在一些实施例中，所述准直透镜系统位于所述光掩膜和所述衍射光学元件之间。

在一些实施例中，所述光掩膜包括透明的一基板和设置于所述基板的一不透光层，所述不透光层通过蚀刻工艺形成多个透光区，所述激光发射器发出的光束穿过所述多个透光区形成所述固定图案。

在一些实施例中，所述激光发射器发出光线的通光孔对着所述光掩膜的所述透光区。

在一些实施例中，其还包括一结构支撑件，其中所述结构支撑件具有一通道，其中所述激光发射器、所述光掩膜、所述准直镜系统和所述衍射光学元件被依次安装于所述通道。

在一些实施例中，其进一步包括一线路板，其中所述线路板电连接于所述激光发射器。

依据本发明的另一方面，本发明还提供一具备编码光的结构光投影装置，以供投影一空间目标，其包括：

一编码光源；

一准直镜系统；和

一衍射光学元件，其中所述编码光源发出具备编码图案的编码光，经过所述准直镜被准直，并经过所述衍射光学元件复制扩散后投射到所述空间目标。

在一些实施例中，所述准直透镜系统位于所述编码光源和所述衍射光学元件之间。

根据本发明的另外一方面，本发明还提供一具备编码光的结构光投影装置的相机模组，其包括：一采集模组和上述结构光投影装置，其中所述含光掩膜的结构光投影装置投射具有固定图案的编码结构光至所述空间目标的表面并被反射后被所述采集模组接收。

根据本发明的另外一方面，本发明还提供一电子设备，供摄影一空间目标，其包括：一设备主体和一个或多个上述相机模组，其中所述相机模组可工作地安装于所述设备主体，以供摄影所述空间目标。

根据本发明的另外一方面，本发明还提供一产生结构光的方法，其包括步骤：通过一激光发射器发出的光线经一光掩膜形成一固定图案、经一准直透镜系统后被准直、并且经一衍射光学元件复制扩散后形成一编码结构光。

在一些实施例中，所述光掩膜包括透明的一基板和设置于所述基板的一不透光层，所述不透光层通过蚀刻工艺形成多个透光区，所述激光发射器发出的光束穿过所述多个透光区形成所述固定图案。

根据本发明的另外一方面，本发明还提供一产生结构光的方法，其包括步骤：通过一编码光源发出具备固定图案的编码光、经一准直透镜系统后被准直、并且经一衍射光学元件复制扩散后形成一编码结构光。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的结构示意图。

图2a是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的部分结构示意图。

图2b是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的部分示意图。

图3是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的部分结构示意图。

图4是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的部分结构示意图。

图5是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的部分结构示意图。

图6是根据本发明的一个优选实施例的具备编码光的结构光投影装置的电子设备的结构示意图。

图7是根据本发明的第一变形实施例的具备编码光的结构光投影装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

根据本发明的构思，提供一具备编码光的结构光投影装置、电子设备及其应用，能够形成固定图案的编码结构光并投射到空间目标的表面，进而更好地获取空间目标的深度信息，进而更加精确标准，以保证三维投影质量。

如图1、图2a和图2b所示本发明的优选实施例的具备编码光的结构光投影装置100以供应用于一相机模组获取空间目标的深度信息，其中所述具备编码光的结构光投影装置100包括一激光发射器10、一光掩膜20、一准直镜系统30和一衍射光学元件40，其中所述激光发射器10发出的光线11经所述光掩膜20形成一固定图案、经所述准直透镜系统30后被准直、并且经所述衍射光学元件40复制扩散后投影至所述空间目标，以完成投影。也就是说，所述激光发射器10发出的光线11经过所述光掩膜20形成具备固定图案的编码光，然后所述编码光经过所述准直系统30被准直和所述衍射光学元件40复制扩散后形成具体固定图案的编码结构光，然后投射至所述空间目标，进而获取所述空间目标的深度信息。优选地，所述固定图案形状使得所述相机模组能够更精确地获取所述空间目标的深度信息，以提高三维投影的质量。

值得一提的是，所述准直透镜系统30位于所述光掩膜20和所述衍射光学元件40之间，以保证所述激光发射器10发射的光线能够依次穿过所述光掩膜20,、所述准直镜系统30和所述衍射光学元件40。

在本实施例中，所述激光发射器10发射出光线11并形成一初始光路111，其中所述光掩膜20被设置在所述初始光路111的光路路径方向上，以使所述初始光路111穿过所述光掩膜20并形成所述具有固定图案的一编码光112，即所述编码光112的横截面是所述固定图案。也就是说，所述初始光路111中的光线能够正面照射在所述光掩膜20，并通过所述光掩膜20形成具有固定图案的所述编码光112。优选地，所述光掩膜20能够完整地接受所述初始光路111中的光线的照射，以防止所述初始光路111从所述光掩膜20的侧面泄露出去，再者所述编码光112是由所述初始光路111中的光线穿过所述光掩膜20形成的，进而保证所述固定图案的形状是固定的形状。优选地，所述固定图案的形状使得所述相机模组的接收模组可以更精确地识别空间目标表面反射的结构光，从而能够更好地获取所述空间目标的深度信息，以获取所述空间目标的特征点信息。如图3所示，所述光掩膜20具有一图案区域23，其中所述图案区域23由多个不透光区231和多个透光区232构成，其中所述不透光区231阻止所述光束11通过，其中所述透光区232允许所述光束11通过。所述初始光路111穿过所述光掩膜20的所述透光区232并形成所述编码光112，其中所述固定图案的形状相似于所述透光区232的形状，其中所述透光区232的形状能够是十字形、圆形、方形等一或多组的组合，进而能够通过所述光掩膜20的所述图案区域23的形状结构来限定所述编码光112的横截面的形状，进而保证所述编码光112具有固定的形状。

优选地，所述激光发射器10具有多个激光光源优选为面光源，以发射出一组所述光束11，进而形成所述初始光路111。

需要说明的是，每个光源均具有一个通光孔以发出所述光线，即能够根据所述光掩膜20的所述透光区232的形状来排布所述光源的所述通光孔的位置。换句话说，所述光源的所述通光孔的位置对应于所述光掩膜20的所述透光区232的形状，以使从所述激光发射器10的所述通光孔发出的光线能够沿直线照射到所述透光区232，进而减少光线照射到所述不透光区231，以减少光能量的消耗。同时，减少了所述激光发射器10的所述光源的数量，降低光源能源消耗，减少设备磨损率，增加使用寿命。

值得一提的是，所述光线也能是多个激光发射器10形成的激光发射器阵列产生的光束，以适应更多的需求。

由此可以看出的是，所述编码光112的固定图案始终与所述光掩膜20的所述透光区232的形状一致，而所述光掩膜20的所述透光区232的形状可以根据需求设计；且所述光掩膜20材料稳定，故所述结构光投影装置100不会随着环境变化或者自身设备原因而影响所述编码结构光的固定图案，进而不会有误差产生，以保证投影质量的稳定性。

在本实施例中，所述光掩膜20包括一基板21和一不透光层22，其中所述基板21被设置在所述初始光路111的光路路径中，其中所述基板21是由一透光材料制成，优选为高纯度，低反射率，低热膨胀系数的石英玻璃。所述不透光层22被布置在所述基板21并形成所述图案区域23的所述不透光区231以阻止所述光束11穿过，其中所述不透光层22具有固定的形状并预留出所述透光区232以供所述光束11穿过所述透光区232以形成所述编码光112。也就是说，通过将所述不透光层22布置在所述基板21，以形成所述图案区域23，进而使所述初始光路111穿过所述图案区域23形成所述编码光112。

值得一提的是，所述不透光层22能够被人为布置在所述基板21，即所述不透光层22能够被设置成不同结构形状的图案，以使所述图案区域23的形状结构能够被人为设定，进而控制所述固定图案的形状，即所述编码光112的横截面的形状结构，以保证所述固定图案的形状固定，进而使所述编码结构光以固定图案的形式投射至所述空间目标，以增加识别精度。

优选地，通过蚀刻等工艺手段对所述不透光层22进行蚀刻，以形成具有固定图案的所述图案区域23的所述透光区232，进而得到对应所述空间目标的特征点的固定图案，其中所述初始光路111能够通过被蚀刻形成的所述透光区232，但却无法通过没有被蚀刻的所述不透光区231，以形成具有所述固定图案的所述固定光束112。通常情况下，通过蚀刻手段形成的所述固定图案的最小线宽分布在2-5um之间，各个透光区232可以是c型、十字型、三角形等形状或一或多组组合。值得说明的是，目前的蚀刻技术相当成熟、误差低，进而使所述光掩膜20的所述固定图案的精度很高，进而使所述编码光112的固定图案的精度也较高，能够确保所述固定图案的尺寸和形状符合设计要求，以能够使所述相机模组接收到空间目标反射的所述编码结构光形成的图案能够更加精确地被识别，进而提高对所述空间目标的特征信息获取的精确度，以提高三维成像质量。

此外，所述光掩膜20的热膨胀系数较低，进而不易发生热形变，稳定性高。也就是说，所述图案区域23的尺寸和形状均比较稳定，以此保证所述固定图案的稳定性，防止因热形变而影响所述固定图案的形状被改变，进而确保所述编码结构光的稳定性，以保证投射空间目标时的反射光线的稳定性，进而确保所述相机模组能够精确地识别所述空间目标的深度信息。

所述准直镜系统30被设置于所述编码光112的光路路径中，其中所述编码光112中的光线穿过所述准直镜系统30并被所述准直镜系统30准直，并形成一准直光路113，。也就是说，所述准直镜系统30仅对所述编码光112进行准直，而不影响所述固定图案的形状，以此保证所述固定图案的形状仍然稳定。

在本实施例中，所述准直镜系统30是一片准直透镜，也就是说，所述结构光投影装置100仅需要一片准直透镜即可满足对所述光束11的准直，以此更加满足人们的需求。

需要指出的是，如图4和图5所示，所述准直镜系统30能够被实施为两片准直透镜甚至更多。可以理解的是，所述准直镜系统30的准直透镜的个数并不对本发明造成限制，仅需满足准直效果即可。

所述衍射光学元件40被设置在所述准直光路113的光路路径，其中所述准直光路113中的光线穿过所述衍射光学元件40并被所述衍射光学元件40分束、衍射以复制扩散形成多个形状相似的编码结构光1141并组成一衍射光路114。也就是说，所述空间目标被处于所述衍射光路114中，以供所述编码结构光投射到所述空间目标的表面。因此，当所述具备固定图案的编码结构光1141照射到所述空间目标的表面时，会产生也具有固定形状的反射光线，进而在所述相机模组接收到所述反射光线时，能够更加精准地识别出所述空间目标的深度信息，以保证三维投影质量。相对于传统的散斑结构光投影装置，由于所述固定图案的编码结构光使得所述反射光线能够被所述相机模组的更精准的识别，进而使得三维投影质量更精确。

在本实施例中，所述衍射光学元件40是一类具有复制扩散光束效果的光学透镜，即doe。

值得一提的是，所述衍射光路114的所述编码结构光1141以扩散的形式发射出去，以尽量覆盖到空间目标，并且由于所述编码结构光1141被复制成多个，进而保证所述空间目标的特征点能够被所述编码结构光1141投射到并被识别。也就是说，当所述空间目标处于所述衍射光路114时，所述空间目标的特征点能够被至少一所述编码结构光1141对应投射，以此防止所述空间目标的特征点的信息没有被采集，进而防止影响摄影质量。

由此可见，由于所述编码结构光1141被所述衍射光学元件40复制形成多个，进而能够相对减少激光光源的数量，进而减少所述激光发射器10的功率的消耗，以更加节省能源。并且，相对于传统的散斑结构光，存在无法产生固定图案的结构光区投射空间目标的问题，本发明的所述具备编码光的结构光投影装置能够采用具有固定图案的所述编码结构光1141投射空间目标，进而标定效果更好，从而图案的识别更加精确。

需要指出的是，每相邻的所述衍射光路114中的所述编码结构光1141之间存在一边界区域11411，其中所述边界区域11411的形状类似于所述固定图案边界的图形，以此使得所述边界区域11411的形状能够被辨别。也就是说，在采集所述空间目标的特征点信息时，所述编码结构光1141之间的所述边界区域11411能够轻易地被辨别，进而保证所述空间目标的特征点信息能够被准确无误的辨别，进而保证成像质量。相对于传统的散斑光投影装置的不规则图案的结构光，存在无法准确的辨别出相邻结构光的边界之间的特征的情况，进而很大程度地导致对特征点信息的错误采集，进而影响成像质量。

在本实施例中，所述结构光投影装置100进一步包括一结构支撑件50，其中所述结构支撑件50具有一通道，其中所述激光发射器10、所述光掩膜20、所述准直镜系统30和所述衍射光学元件40被依次纵向地安装于所述通道，其中所述衍射光路114从所述通道射出，以照射至空间目标的表面。

所述具备编码光的结构光投影装置100进一步包括一线路板60，其中所述线路板60被电连接于所述激光发射器10以控制所述激光发射器10发出所述光束11，其中所述线路板60被安装于所述通道的底侧。优选地，所述线路板60配合所述结构支撑件50将所述通道的底侧封闭，以防止外界光线干扰所述光束11。

如图6所示，所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组和电子设备，其中所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组包括一采集模组200、一处理模块300和一所述具备编码光的结构光投影装置100，其中所述具备编码光的结构光投影装置投射具有固定图案的编码结构光至所述空间目标的表面并反射出一反射光束，其中所述反射光束被所述采集模组接收，其中所述采集模组可通讯地连接于所述处理模块，以供所述处理模块生成对应的图像。

所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组的电子设备包括一设备主体和一或多个所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组，其中所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组被可工作地安装于所述设备主体，以供将所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组生成对应的图像显示在所述设备主体，以满足人们的摄影需求。可以理解的是，所述处理模块可以集成于所述设备主体的控制主板。

所述具备编码光的结构光投影装置100产生编码结构光的方法，其包括以下步骤：通过所述激光发射器10发出的光线经所述光掩膜20形成所述具备固定图案的编码光112、经所述准直透镜系统30后被准直、并且经所述衍射光学元件40分束后形成所述编码结构光1141，以供投射到所述空间目标。

如图7所示本发明的第一变形实施例的具备编码光的结构光投影装置，本变形实施例的结构光投影装置100a与本发明的优选实施例的不同之处在于，所述具备编码光的结构光投影装置100a包括一编码光源10a，一准直镜系统30和一衍射光学元件40，其中所述编码光源10a发出具备编码图案的编码光11a，经过所述准直镜系统30被准直，并经过所述衍射光学元件40复制扩散后投射到所述空间目标，以完成三维投影。换句话说，所述编码光源10a发出所述编码光11a，然后经所述准直镜系统30准直、所述衍射光学元件40复制扩散形成固定图案的编码结构光12a，以投射到所述空间目标。优选地，所述编码结构光12a的固定图案的形状为人为设计，以能够精确地被识别，从而获取到所述空间目标的特征点信息，保证三维投影质量。

在本实施例中，所述准直透镜系统30位于所述编码光源10a和所述衍射光学元件40之间，以使所述编码光源10a发出的所述编码光11a能够依次经过所述准直镜系统30和所述衍射光学元件40，以形成所述编码结构光。

值得一提的是，所述编码光源10a是具备编码图案的光源，比如十字、三角形或者圆形等组合形成的图案排布的光源。也就是说，所述编码光源10a的编码图案是固定的，能够很轻易地被识别的，进而使形成的所述固定图案的编码结构光12a在照射到所述空间目标时，产生的反射光线也是固定形状的，进而使相机模组能够很轻易地根据接收到的反射光线辨别出空间目标的深度信息，进而提高投影质量。

在本实施例中，所述具备编码光的结构光投影装置100a进一步包括一结构支撑件50，其中所述结构支撑件50具有一通道，其中所述编码光源10a、所述准直镜系统30和所述衍射光学元件40被依次纵向地安装于所述通道，其中所述编码结构光12a从所述通道射出，以照射至空间目标的表面。

所述具备编码光的结构光投影装置100a进一步包括一线路板60，其中所述线路板60被电连接于所述编码光源10a以控制所述编码光源10a发出所述编码光11a，其中所述线路板60被安装于所述通道的底侧。优选地，所述线路板60配合所述结构支撑件50将所述通道的底侧封闭，以防止外界光线干扰所述编码光11a。

所述具备编码光的结构光投影装置100a产生编码结构光的方法，其包括以下步骤：通过所述编码光源10a发出所述具备固定图案的编码光11a、经所述准直透镜系统30后被准直、并且经所述衍射光学元件40分束后形成所述编码结构光12a，以供投射到所述空间目标。

可以理解的是，所述具备编码光的结构光投影装置100a的相机模组和电子设备，其中所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组包括一采集模组200、一处理模块300和一所述具备编码光的结构光投影装置100a，其中所述具备编码光的结构光投影装置投射具有固定图案的编码结构光12a至所述空间目标的表面并反射出反射光束，其中所述反射光束被所述采集模组接收，其中所述采集模组200可通讯地连接于所述处理模块300，以供所述处理模块300生成对应的图像。

所述具备编码光的结构光投影装置100a的相机模组的电子设备包括一设备主体和一或多个所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组，其中所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组被可工作地安装于所述设备主体，以供将所述具备编码光的结构光投影装置100的相机模组生成对应的图像显示在所述设备主体，以满足人们的摄影需求。可以理解的是，所述处理模块可以集成于所述设备主体的控制主板。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。