一字线型激光投射器、相机组件和电子装置的制作方法

1.本实用新型涉及成像技术领域，具体地，涉及一种激光投射器以及具有其的相机组件和电子装置。


背景技术：

2.随着结构光的普及，一字线激光投射系统越来越多地应用于工业和消费电子行业中的深度检测和3d感知，这就要求一字线激光有更窄的宽度、更高的均匀性以及更高的亮度。同时系统越来越趋于小型化，传统的一字线激光投射系统多使用单模激光二极管(ld)作为一字线的光源。然而由于激光良好的单色性和相干性，当ld的光照射到一般物体的粗糙表面时，会因为光的干涉在物体表面形成散斑，从而在一字线光斑内部产生颗粒状结构，降低一字线质量，直接影响深度检测和3d感知的计算结果。目前常规的一字线型激光器输出的一字型光线在发散角、光斑均匀性及光斑边缘截止锐利程度等方面难以满足应用需求。此外，对于特定应用场景的对于一字线能量分布的特定需求，目前常规的一字线型激光器也较难满足。
3.因此，需要一种能够根据应用需要较容易地实现预设光强分布(均匀或不均匀)的一字线型激光投射器。


技术实现要素：

4.在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
5.本实用新型的第一方面提供了一种一字线型激光投射器，其包括：
6.基板组件；
7.多个激光光源，所述多个激光光源设置在所述基板组件上，用于发射激光，所述多个激光光源沿设定直线方向排列；
8.衍射光学元件，用于将所述多个激光光源所发射的激光沿平行于所述设定直线方向的方向扩散，以形成一字线型投射图案。
9.根据本实用新型，衍射光学元件可以使激光光源投射出一字线型投射图案，多个激光光源的投射图案将相互叠加、并在设定直线方向上相互错开，形成最终的一字线型投射图案。当采用衍射光学元件形成一字线时，可以容易地控制一字线型投射图案的能量分布(例如均匀或不均匀)，使最终的投射图案的能量分布满足预设能量分布要求。
10.可选地，所述激光光源为垂直腔面发射激光器元件。
11.在本实用新型中，激光光源为垂直腔面发射激光器元件，可以使投射器的体积较小。
12.可选地，所述激光光源的数量为7至25个，并且/或者所述多个激光光源大体等间
隔分布。
13.可选地，两个相邻的所述激光光源的距离为20μm至40μm，并且/或者所述多个激光光源的分布总宽度为150μm至600μm。
14.可选地，单个所述激光光源所发射的激光投射出的一字线型投射图案的视场角为40
°
至130
°
。
15.可选地，所述衍射光学元件平行于所述基板组件，所述激光光源与所述衍射光学元件之间的空气隙为2mm至5.5mm。
16.可选地，所述的一字线型激光投射器还包括准直镜，所述准直镜设置在所述激光光源与所述衍射光学元件之间。
17.进一步，其特征在于，所述准直镜的焦距为2mm至5.5mm。
18.在本实用新型中，当衍射光学元件不具备准直功能时，通过准直镜准直激光光源发射的光。
19.可选地，所述一字线型投射图案包括两端的过渡区域和位于两个所述过渡区域之间的中间区域，所述一字线型激光投射器构造为使得：所述过渡区域的投射角度为2
°
至8
°
，并且所述中间区域的投射光的强度的不均匀性小于30％。
20.当需要投射出光强分布均匀的一字线时，根据本实用新型的激光投射器可以投射出光斑均匀且光斑边缘截止锐利的一字线。
21.可选地，所述衍射光学元件包括2台阶、4台阶或8台阶的微纳结构。
22.在本实用新型中，衍射光学元件的加工精度能够满足投射需要。
23.可选地，所述衍射光学元件构造为使得所述一字线型投射图案的投射光的强度分布满足预设强度分布曲线。
24.根据本实用新型的激光投射器可以投射出能量分布满足预设能量分布要求的一字线。
25.可选地，所述一字线型投射图案包括两端的过渡区域和位于两个所述过渡区域之间的中间区域，所述一字线型激光投射器构造为使得：所述中间区域的投射光的强度按1/(cosα)a的归一化强度分布，其中a为取值范围为(0，1.5)的实数，α为所述一字线型投射图案上各点的衍射角度。
26.在本实用新型的一个具体实施方式中，衍射光学元件构造为使得一字线上的光强分布为中间低、两端高，光强按1/(cosα)a的归一化强度分布。
27.本实用新型的第二方面提供了一种相机组件，其包括：
28.上述的一字线型激光投射器；
29.图像采集器，用于采集由所述一字线型激光投射器所投射的图案形成的激光图像；和
30.处理器，用于处理所述激光图像以获得深度图像。
31.根据本实用新型的相机组件能够根据应用需要较容易地投射出光强分布满足预设光强分布要求(例如均匀或不均匀)的一字线，并对该一字线形成的激光图像进行拍摄和处理。
32.本实用新型的第三方面提供了一种电子装置，其包括：
33.外壳；和
34.上述的相机组件，所述相机组件设置至所述外壳并从所述外壳暴露以获得深度图像。
35.根据本实用新型的相机组件能够根据应用需要较容易地投射出光前分布满足预设光强分布要求(例如均匀或不均匀)的一字线，并对该一字线形成的激光图像进行拍摄和处理。
附图说明
36.本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施方式及其描述，用来解释本实用新型的原理。在附图中：
37.图1为根据本实用新型的第一实施方式的一字线型激光投射器的结构示意图；
38.图2为根据本实用新型的第二实施方式的一字线型激光投射器的结构示意图；
39.图3为根据本实用新型的一字线型激光投射器的单个激光光源的投射效果示意图；
40.图4为根据本实用新型的一字线型激光投射器的投射效果示意图，其中，为了说明的目的，将多个相叠加的单个激光光源形成的一字线型投射图案在空间中予以分解；
41.图5为根据本实用新型的一个具体实施方式的一字线型激光投射器的多个激光光源排列情况的说明图，其中有9个激光光源；
42.图6为图5的一字线型激光投射器的单个激光光源投射的一字线型投射图案的仿真示意图，其中投射距离为300mm；
43.图7为图5的一字线型激光投射器投射的一字线型投射图案的仿真示意图，其中投射距离为300mm；
44.图8为图5中的一字线型激光投射器的单个激光光源投射的一字线型投射图案的能量分布仿真示意图，其中能量值为各衍射级次在无穷远处的能量；
45.图9为图5中的一字线型激光投射器投射的一字线型投射图案的能量分布仿真示意图，其中能量值为各衍射级次在无穷远处的能量。
46.附图标记说明：
47.10：基板组件
48.20：激光光源
49.25：激光光束
50.30：衍射光学元件
51.40：准直镜
52.50：投射屏
53.60：单个激光光源的一字线型投射图案
54.65：多个激光光源叠加的一字线型投射图案
55.100：一字线型激光投射器
具体实施方式
56.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细
节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
57.为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本实用新型的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本实用新型实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本实用新型的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。
58.应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
59.本实用新型中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。
60.现在，将参照附图更详细地描述根据本实用新型的示例性实施方式。
61.本实用新型的第一方面提供一种一字线型激光投射器。
62.如图1所示，在第一实施方式中，一字线型激光投射器100包括基板组件10、多个激光光源20和衍射光学元件30(doe)。多个激光光源20设置在基板组件10上，用于发射激光。多个激光光源20沿设定直线方向x排列。衍射光学元件30用于将多个激光光源20所发射的激光沿平行于设定直线方向x的方向扩散，以形成一字线型投射图案。其中，多个激光光源20的分布总宽度为l，两个相邻的激光光源20的距离为d。可以理解的，衍射光学元件30自带准直功能。
63.优选地，激光光源20为垂直腔面发射激光器元件(vcsel)。当然，激光光源20也可以为例如led激光光源或边缘发射激光器(eel)。
64.如图2所示，在第二实施方式中，衍射光学元件30不带有准直功能，因此一字线型激光投射器100还包括准直镜40。准直镜40位于激光光源20和衍射光学元件30之间，用于将激光光源20发射的激光光束准直。
65.如图3所示，一字线型激光投射器100的其中一个激光光源20可以发出激光光束25。该激光光束25经过衍射光学元件30后在投射屏50形成一字线型投射图案60。或者说，衍射光学元件30构造为使激光光源20所发射的激光呈一字线型扩散。该一字线沿设定直线方向x扩散。其中，单个激光光源20所发射的激光投射出的一字线型投射图案60的视场角(fov)为θs，激光光源20与衍射光学元件30之间具有空气隙g。
66.如图4所示，当一字线型激光投射器100包括沿设定直线方向x间隔排列的多个激光光源20时，每一个激光光源20均形成自己的一字线型投射图案60，多个一字线型投射图案60则会在空间叠加，形成叠加后的一字线型投射图案65。多个一字线型投射图案60在设定直线方向x相互错位，使得叠加结果类似于将单个激光光源20的一字线型投射图案60在设定直线方向x上予以延长。单个激光光源20所发射的激光投射出的一字线型投射图案60的视场角(fov)为θs，多个激光光源20的一字线型投射图案60叠加后形成的一字线型投射
图案65具有视场角θf，θf》θs。可以理解的，多个激光光源20的分布总宽度为l越大，一字线投射图案65的视场角θf越大。
67.一字线型投射图案60或65的光强分布特性由衍射光学元件30控制。衍射光学元件30可以构造为使一字线型投射图案60的光强分布尽量均匀。如图4所示，多个一字线型投射图案60在设定直线方向x上相互错开，使得在叠加的一字线型投射图案65中，在相对位于中间的部分参与叠加的单个的一字线型投射图案60的数量多，在相对位于两端的部分参与叠加的单个的一字线型投射图案60的数量少。因此，叠加的一字线型投射图案65的光强分布曲线c大致呈梯形。如图4所示，一字线型投射图案60包括两端的过渡区域(过渡区域的视场角为θb)和位于该两个过渡区域之间的中间区域(中间区域的视场角为θu)，中间区域(参与叠加的单个的一字线型投射图案60的数量多)的光强高于过渡区域(参与叠加的单个的一字线型投射图案60的数量少)的光强，中间区域的光强基本为均匀分布，过渡区域的光强则越靠近两端越小。其中，各个视场角具有以下数量关系：
68.θb＝arctg(l/g)，
69.θf＝θs+θb，
70.θu＝θs-θb。
71.在图2所示的实施方式中，θb＝arctg(l/f)，其中f为准直镜40的焦距。优选地，准直镜40的焦距f为2mm至5.5mm。
72.在本实用新型中，优选地，一字线型激光投射器100构造为，使得过渡区域的投射角度(也即视场角θb)为2
°
至8
°
，并且中间区域的投射光的强度的不均匀性小于30％。
73.如图5至图9所示，在一字线型激光投射器100包括9个激光光源20的具体实施方式中，9个激光光源20等间隔分布，分布总宽度l为500μm(参见图5)。激光光源20与衍射光学元件30之间的空气隙g为5mm。单个激光光源20所发射的激光投射出的一字线型投射图案60的视场角θs为120
°
(参见图6)。单个激光光源20所发射的激光投射出的一字线型投射图案60的光强(能量)分布如图8所示。当9个激光光源20的投射光叠加后，将图6与图7进行比较，可以看到叠加的一字线型投射图案65的视场角明显大于120
°
。叠加的一字线型投射图案65的光强(能量)分布如图9所示。将图8与图9进行比较，可以看到多点叠加后的光强均匀性有显著提升。一字线型投射图案60和65的线宽张角小于0.05
°
。
74.在实际应用中，相机通常在近距离(例如10m以内)拍摄一字线。在这种情况下，由于光斑本身具有一定大小，一字线上相邻信号点之间会叠加从而存在相互卷积的作用。卷积会使得接收的一字线上各个信号点的光强更趋均匀。因此，在实际情况中，近距离接收的一字线其非均匀性远远低于在无穷远处投射的一字线(例如图9所示的仿真结果)的非均匀性。例如，如图5至图9所示的实施方式中，在近距离接收的情况下，其中过渡区域的视场角θb为5.7
°
，中间区域的非均匀性小于30％。
75.在本实用新型中，光强非均匀性的计算方法为：
76.(最大光强-最小光强)/(最大光强+最小光强)。
77.在本实用新型中，优选地，激光光源20的数量为7至25个。优选地，多个激光光源20等间隔分布。或者多个激光光源20大体等间隔分布。优选地，两个相邻的激光光源20的距离d为20μm至40μm。优选地，多个激光光源20的分布总宽度l为150μm至600μm。优选地，单个激光光源20所发射的激光投射出的一字线型投射图案60的视场角θs为40
°
至130
°
。优选地，衍
射光学元件30平行于基板组件10，使得多个激光光源20与衍射光学元件30的距离相等。优选地，激光光源20与衍射光学元件30之间的空气隙g为2mm至5.5mm。优选地，衍射光学元件30包括2台阶、4台阶或8台阶的微纳结构。
78.衍射光学元件30也可以构造为使得一字线型投射图案65的投射光的强度分布满足预设强度分布曲线。除上述均匀分布的形式外，例如，一字线型投射图案65的投射光的强度分布可以为，中间区域按1/(cosα)a的归一化强度分布，其中a为取值范围为(0，1.5)的实数，α为一字线上各点对应的衍射角度。
79.因此，根据本实用新型的一字线型激光投射器能够根据应用需要较容易地实现一字线的预设光强分布(例如均匀或不均匀)。
80.本实用新型的第二方面提供一种相机组件。在优选的实施方式中，该相机组件包括上述的一字线型激光投射器100、图像采集器和处理器。其中，图像采集器用于采集由一字线型激光投射器100所投射的图案形成的激光图像；处理器用于处理该激光图像以获得深度图像。根据本实用新型的相机组件能够根据应用需要较容易地投射出光强分布满足预设光强分布要求(例如均匀或不均匀)的一字线，并对该一字线形成的激光图像进行拍摄和处理。
81.本实用新型的第三方面提供一种电子装置。在优选的实施方式中，该电子装置包括外壳和上述的相机组件。其中，相机组件设置至外壳并从外壳暴露以获得深度图像。该电子装置例如为手机、手环、手表、平板电脑、智能眼镜、智能头盔、体感游戏设备等。根据本实用新型的电子装置能够根据应用需要较容易地投射出光强分布满足预设光强分布要求(例如均匀或不均匀)的一字线，并对该一字线形成的激光图像进行拍摄和处理。
82.除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本实用新型。
83.本实用新型已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施方式，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。