本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种结构光投射器、深度相机和电子设备。
背景技术：
结构光投射器由光源、准直元件和衍射光学元件(diffractiveopticalelements，doe)组成。准直元件中一般包括有透镜，当环境温度变化时，透镜会产生温漂现象，温漂较大的时候透镜的焦点甚至会发生改变，从而影响结构光投射器向目标空间中投射的激光图案的精确度。
技术实现要素：
本发明实施方式提供一种结构光投射器、深度相机和电子设备。
本发明实施方式的结构光投射器，包括：
光源，所述光源用于发射激光；
准直元件，所述准直元件用于准直所述激光，所述准直元件包括一个或多个透镜，一个或多个所述透镜设置在所述光源的发光光路上，所述透镜均包括多个光学有效区和与多个所述光学有效区相接的非光学有效区，所述光学有效区采用玻璃材质制成，所述非光学有效区采用塑料材质制成；及
衍射光学元件，所述衍射光学元件用于衍射所述准直元件准直后的激光以形成激光图案。
在某些实施方式中，所述光源包括衬底及设置在所述衬底上的发光元件；
所述准直元件与所述发光元件及所述衬底间隔；或者
所述准直元件与所述发光元件集成在所述衬底上。
在某些实施方式中，所述准直元件包括第一透镜，所述第一透镜包括相背的第一入光面和第一出光面，所述光学有效区处的所述第一入光面均为凹面，所述光学有效区处的所述第一出光面均为凸面。
在某些实施方式中，所述准直元件包括多个透镜，多个所述透镜共轴依次设置在所述光源的发光光路上。
在某些实施方式中，多个所述透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜包括相背的第一入光面和第一出光面，所述第二透镜包括相背的第二入光面和第二出光面，所述第一出光面的顶点与所述第二入光面的顶点抵触，所述光学有效区处的所述第一入光面均为凹面，所述光学有效区处的所述第二出光面均为凸面。
在某些实施方式中，所述光学有效区处的所述第一出光面和所述光学有效区处的所述第二入光面均为凸面。
在某些实施方式中，多个所述透镜包括第一透镜、第二透镜、及第三透镜，所述第一透镜包括相背的第一入光面和第一出光面，所述第二透镜包括相背的第二入光面和第二出光面，所述第三透镜包括相背的第三入光面和第三出光面，所述光学有效区处的所述第三入光面均为凹面，所述光学有效区处的所述第三出光面均为凸面。
在某些实施方式中，所述光学有效区处的所述第一入光面均为凸面，所述光学有效区处的所述第一出光面均为凹面，所述光学有效区处的所述第二入光面均为凹面，所述光学有效区处的所述第二出光面均为凹面。
在某些实施方式中，所述光源为垂直腔面发射激光器，所述光源包括衬底及设置在所述衬底上的发光元件阵列，所述准直元件的每个所述光学有效区与每个所述发光元件对应。
在某些实施方式中，所述光源为边发射激光器，所述光源包括发光面，所述发光面朝向所述准直元件。
本发明实施方式的深度相机，包括：
上述任一实施方式所述的结构光投射器；
图像采集器，所述图像采集器用于采集经所述衍射光学元件后向目标空间中投射的激光图案；和
分别与所述结构光投射器、及所述图像采集器连接的处理器，所述处理器用于处理所述激光图案以获得深度图像。
本发明实施方式的电子设备，包括：
壳体；及
上述任一实施方式所述的深度相机，所述深度相机设置在所述壳体内并从所述壳体暴露以获取深度图像。
本发明实施方式的结构光投射器、深度相机和电子设备中，准直元件的透镜的多个光学有效区由玻璃材质制成，非光学有效区由塑料材质制成，解决了环境温度变化时透镜会产生温漂现象的问题，且成本较低。
本发明实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点可以从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明某些实施方式的结构光投射器的结构示意图；
图2至图4是本发明某些实施方式的结构光投射器的部分结构示意图；
图5至图9是本发明某些实施方式的结构光投射器的部分结构示意图；
图10至图12是本发明某些实施方式的结构光投射器的准直元件的结构示意图；
图13是本发明某些实施方式的深度相机的结构示意图；
图14是本发明某些实施方式的电子设备的结构示意图；
主要元件及符号说明：
结构光投射器100、基板组件10、基板11、散热孔111、电路板12、过孔121、镜筒20、收容腔21、顶部22、底部23、通孔24、承载台25、保护罩30、抵触面31、透光孔32、光源40、发光面41、侧面42、衬底43、发光元件44、发光元件阵列45、准直元件50、光学有效区50a、非光学有效区50b、第一透镜51、第一入光面511、第一出光面512、第二透镜52、第二入光面521、第二出光面522、第三透镜53、第三入光面531、第三出光面532、衍射光学元件60、衍射出射面61、衍射入射面62、封胶70、支撑块80、深度相机400、投射窗口401、采集窗口402、图像采集器200、处理器300、电子设备1000、壳体500。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的实施方式的限制。
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明的实施方式和简化描述，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发明的实施方式的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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发明的实施方式中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1，本发明实施方式的结构光投射器100包括基板组件10、镜筒20、保护罩30、光源40、准直元件50、及衍射光学元件60。
基板组件10包括基板11及承载在基板11上的电路板12。基板11的材料可以为塑料，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneglycolterephthalate，pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，pmma)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)、聚酰亚胺(polyimide，pi)中的任意一种或多种。如此，基板11的质量较轻且具有足够的支撑强度。电路板12可以是硬板、软板或软硬结合板。电路板12上开设有过孔121。光源40通过过孔121固定在基板11上并与电路板12电连接。基板11上可以开设有散热孔111，光源40或电路板12工作产生的热量可以由散热孔111散出，散热孔111内还可以填充导热胶，以进一步提高基板组件10的散热性能。
镜筒20设置在基板组件10上并与基板组件10共同形成收容腔21。光源40、准直元件50、及衍射光学元件60均收容在收容腔21内。准直元件50与衍射光学元件60依次设置在光源40的发光光路上。镜筒20包括相背的顶部22及底部23。镜筒20形成有贯穿顶部22及底部23的通孔24。底部23承载在基板组件10上，具体可通过胶水固定在电路板12上。镜筒20的内壁向通孔24的中心延伸有环形承载台25，衍射光学元件60承载在承载台25上。
保护罩30设置在顶部22上，保护罩30包括与基板11相对的抵触面31。保护罩30及承载台25分别从衍射光学元件60的相背两侧抵触衍射光学元件60。抵触面31为保护罩30的与衍射光学元件60相抵触的表面。结构光投射器100利用保护罩30抵触衍射光学元件60以使衍射光学元件60收容在收容腔21内，并防止衍射光学元件60沿出光方向脱落。
在某些实施方式中，保护罩30可由金属材料制成，例如纳米银丝、金属银线、铜片等。保护罩30开设有透光孔32。透光孔32与通孔24对准。透光孔32用于出射衍射光学元件60投射的激光图案。透光孔32的孔径大小小于衍射光学元件60的宽度或长度中的至少一个以将衍射光学元件60限制在收容腔21内。
在某些实施方式中，保护罩30可由透光材料制成，例如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，pmma)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)、聚酰亚胺(polyimide，pi)等。由于玻璃、pmma、pc、及pi等透光材料均具有优异的透光性能，保护罩30可以不用开设透光孔32。如此，保护罩30能够在防止衍射光学元件60脱落的同时，避免衍射光学元件60裸露在镜筒20的外面，对衍射光学元件60起到防水、防尘的作用。
光源40用于发射激光。光源40可以是垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，vcsel)或者边发射激光器(edge-emittinglaser，eel)。在如图1所示的实施例中，光源40为边发射激光器，具体地，光源40可以为分布反馈式激光器(distributedfeedbacklaser，dfb)。光源40用于向收容腔21内发射激光。请结合图2，光源40整体呈柱状，光源40远离基板组件10的一个端面形成发光面41，激光从发光面41发出，发光面41朝向准直元件50且发光面41与准直元件50的准直光轴垂直，准直光轴穿过发光面51的中心。光源40固定在基板组件10上，具体地，光源40可以通过封胶70粘结在基板组件10上，例如光源40的与发光面41相背的一面粘接在基板组件10上。请结合图1和图3，光源40的侧面42也可以粘接在基板组件10上，封胶70包裹住四周的侧面42，也可以仅粘结侧面42的某一个面与基板组件10或粘结某几个面与基板组件10。此时封胶70可以为导热胶，以将光源40工作产生的热量传导至基板组件10中。
上述的结构光投射器100的光源40采用边发射激光器，一方面边发射激光器较vcsel阵列的温漂较小，另一方面，由于边发射激光器为单点发光结构，无需设计阵列结构，制作简单，结构光投射器100的光源40成本较低。
分布反馈式激光器的激光在传播时，经过光栅结构的反馈获得功率的增益。要提高分布反馈式激光器的功率，需要通过增大注入电流和/或增加分布反馈式激光器的长度，由于增大注入电流会使得分布反馈式激光器的功耗增大并且出现发热严重的问题，因此，为了保证分布反馈式激光器能够正常工作，需要增加分布反馈式激光器的长度，导致分布反馈式激光器一般呈细长条结构。当边发射激光器的发光面41朝向准直元件50时，边发射激光器呈竖直放置，由于边发射激光器呈细长条结构，边发射激光器容易出现跌落、移位或晃动等意外，因此通过设置封胶70能够将边发射激光器固定住，防止边发射激光器发生跌落、位移或晃动等意外。
在某些实施方式中，光源40也可以采用如图4所示的固定方式固定在基板组件10上。具体地，结构光投射器100包括多个支撑块80，支撑块80可以固定在基板组件10上，多个支撑块80共同包围光源40，在安装时可以将光源40直接安装在多个支撑块80之间。在一个例子中，多个支撑块80共同夹持光源40，以进一步防止光源40发生晃动。
请结合图5，准直元件50用于准直光源40发射的激光。准直元件50固定在镜筒20上，承载台25位于准直元件50与衍射光学元件60之间。准直元件50包括一个或多个透镜，一个或多个透镜设置在光源40的发光光路上，每个透镜均包括多个光学有效区50a和与多个光学有效区50a相接的非光学有效区50b。光学有效区50a采用玻璃材质制成，非光学有效区50b采用塑料材质制成。由于本发明实施方式的准直元件50的透镜的多个光学有效区50a由玻璃材质制成，非光学有效区50b由塑料材质制成，解决了环境温度变化时透镜会产生温漂现象的问题，且成本较低。
每个光学有效区50a可为圆形，非光学有效区50b与多个光学有效区50a相接并使得透镜整体呈圆形，准直元件50通过非光学有效区50b与承载台25抵触。
在某些实施方式中，光源40包括衬底43和设置在衬底43上的发光元件44，发光元件44通过衬底43固定在基板组件10上。
具体地，该光源40可以为垂直腔面发射激光器。可以理解，vcsel是一种垂直表面出光的新型激光器，即vcsel的发光方向与衬底43垂直，可以较容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，且由于其较之于边发射激光器拥有更小的体积，从而更加便于被集成到小型电子元器件中；同时vcsel与光纤的耦合效率高，从而不需要复杂昂贵的光束整形系统，且制造工艺与发光二极管兼容，大大降低了生产成本。
请参阅图6，发光元件44的数量可以为一个，一个发光元件44与准直元件50的多个光学有效区50a对应，一个发光元件44发射的激光穿过准直元件50的多个光学有效区50a，以实现光束的准直。如此，能够提高结构光投射器100向目标空间中投射的案激光图案的不相关性，从而提高获取该激光图案的深度图像的速度及精度。进一步地，准直元件50可与发光元件44及衬底43间隔，或者准直元件50与发光元件44集成在衬底43上。
请再次参阅图5，发光元件44的数量可以为多个(即发光元件阵列45)，每个发光元件44与准直元件50的一个光学有效区50a对应，每个发光元件44发射的激光穿过对应的光学有效区50a，以实现光束的准直。进一步地，准直元件50可与发光元件阵列45及衬底43间隔(如图7所示)，或者准直元件50与发光元件阵列45集成在衬底43上(如图8所示)。
需要指出的是，当光源为dfb时，衬底43即可为基板11，一个dfb或多个dfb形成的发光元件阵列45在基板11上的排布与发光元件44在衬底43上的阵列排布相同，在此不再赘述。
另外，上述多个发光元件44(即发光元件阵列45)整体上可为规则分布或不规则分布。其中，规则分布可以是如图5所示的呈矩阵分布(行列纵横交错，且行列互相垂直)，或者是如图9所示的呈圆环状分布，或者是呈平行四边形分布(行列纵横交错，且行列之间夹角不为90度)，或者是沿着预定方向等间距分布；或者是任意具有一定规律的分布，在此不作限制。可以理解，在同一个半导体衬底43上制造规则分布的多个发光元件44可以大幅提高制造效率。
请一并参阅图1及图10，在某些实施方式中，准直元件50可仅包括第一透镜51，第一透镜51包括相背的第一入光面511和第一出光面512。第一入光面511为第一透镜51靠近光源40的表面，第一出光面512为第一透镜51靠近衍射光学元件60的表面。光学有效区处50a的第一入光面511为凹面，光学有效区处50a的第一出光面512为凸面。第一透镜51的面型可以为非球面、球面、菲涅尔面、或二元光学面。光阑设置在光源40与第一透镜51之间，用于对光束起限制作用。
在某些实施方式中，准直元件50可包括多个透镜，多个透镜共轴依次设置在光源40的发光光路上。每个透镜的面型可以为非球面、球面、菲涅尔面、二元光学面中的任意一种。
例如：请一并参阅图1及图11，多个透镜可包括第一透镜51和第二透镜52。第一透镜51和第二透镜52共轴依次设置在光源40的发光光路上。第一透镜51包括相背的第一入光面511和第一出光面512。第一入光面511为第一透镜51靠近光源40的表面，第一出光面512为第一透镜51靠近衍射光学元件60的表面。第二透镜52包括相背的第二入光面521和第二出光面522。第二入光面521为第二透镜52靠近光源40的表面，第二出光面522为第二透镜52靠近衍射光学元件60的表面。第一出光面512的顶点与第二入光面521的顶点抵触，光学有效区处50a的第一入光面511为凹面，光学有效区处50a的第二出光面522为凸面。光阑设置在第二入光面521上，用于对光束起限制作用。进一步地，光学有效区处50a的第一出光面512和第二入光面521可均为凸面。如此，便于第一出光面512的顶点与第二入光面521的顶点抵触。第一出光面512的曲率半径小于第二入光面521的曲率。
请一并参阅图1及图12，多个透镜还可包括第一透镜51、第二透镜52、及第三透镜53。第一透镜51、第二透镜52、及第三透镜53共轴依次设置在光源40的发光光路上。第一透镜51包括相背的第一入光面511和第一出光面512。第一入光面511为第一透镜51靠近光源40的表面，第一出光面512为第一透镜51靠近衍射光学元件60的表面。第二透镜52包括相背的第二入光面521和第二出光面522。第二入光面521为第二透镜52靠近光源40的表面，第二出光面522为第二透镜52靠近衍射光学元件60的表面。第三透镜53包括相背的第三入光面531和第三出光面532。第三入光面531为第三透镜53靠近光源40的表面，第三出光面532为第三透镜53靠近衍射光学元件60的表面。光学有效区处50a的第三入光面531为凹面，光学有效区处50a的第三出光面532为凸面。光阑设置在第三出光面532上，用于对光束起限制作用。进一步地，光学有效区处50a的第一入光面511可为凸面，光学有效区处50a的第一出光面512为凹面，光学有效区处50a的第二入光面521为凹面，光学有效区处50a的第二出光面522为凹面。
请再次参阅图1，衍射光学元件60用于衍射准直元件50准直后的激光以形成激光图案。衍射光学元件60包括相背的衍射出射面61和衍射入射面62。保护罩30可以通过胶水粘贴在顶部22上，抵触面31与衍射出射面61抵触，衍射入射面62与承载台25抵触，从而衍射光学元件60不会沿出光方向从收容腔21脱落。衍射光学元件60可以由玻璃材质制成，也可以由复合塑料(如pet)制成。
在组装上述的结构光投射器100时，沿着光路从镜筒20的底部23依次向通孔24内放入准直元件50、及安装好光源40的基板组件10。光源40可以先安装在基板组件10上，然后再将安装有光源40的基板组件10与底部23固定。逆着光路的方向从顶部22将衍射光学元件60放入通孔24并承载在承载台25上，然后再安装保护罩30，并使得衍射光学元件60的衍射出射面61与保护罩30抵触，衍射入射面62与承载台25抵触。结构光投射器100结构简单，组装方便。
请参阅图13，本发明实施方式的深度相机400包括上述任一实施方式的结构光投射器100、图像采集器200、及处理器300。图像采集器200用于采集经衍射光学元件50后向目标空间中投射的激光图案。处理器300分别与结构光投射器100、及图像采集器200连接。处理器300用于处理激光图案以获得深度图像。
具体地，结构光投射器100通过投射窗口401向外投射向目标空间中投射的激光图案，图像采集器200通过采集窗口402采集被目标物体调制后的激光图案。图像采集器200可为红外相机，处理器300采用图像匹配算法计算出该激光图案中各像素点与参考图案中的对应各个像素点的偏离值，再根据该偏离值进一步获得该激光图案的深度图像。其中，图像匹配算法可为数字图像相关(digitalimagecorrelation，dic)算法。当然，也可以采用其它图像匹配算法代替dic算法。
本发明实施方式的深度相机400中，准直元件50的透镜的多个光学有效区50a由玻璃材质制成，非光学有效区50b由塑料材质制成，解决了环境温度变化时透镜会产生温漂现象的问题，且成本较低。
请参阅图14，本发明实施方式的电子设备1000包括壳体500及上述实施方式的深度相机400。深度相机400设置在壳体500内并从壳体500暴露以获取深度图像。电子设备1000包括但不限于为手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手环、智能手表、智能头盔、智能眼镜等。壳体500可以给深度相机400提供防尘、防水、防摔等保护。
本发明实施方式的电子设备1000中，准直元件50的透镜的多个光学有效区50a由玻璃材质制成，非光学有效区50b由塑料材质制成，解决了环境温度变化时透镜会产生温漂现象的问题，且成本较低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式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方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。