投影模组、成像装置及电子装置
阅读：464发布：2020-05-08
专利汇可以提供投影模组、成像装置及电子装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种投影模组、成像装置及 电子 装置。投影模组包括 光源 、设置于光源上方的光罩和设置于光罩上方的投影透镜。光源包括第一中心。光罩包括第二中心，第二中心与第一中心沿投影模组的轴向对齐。投影透镜的光轴与第一中心和第二中心偏移设置。本发明实施方式的投影模组中，光源的中心和光罩的中心与投影透镜的光轴偏移设置，使得投影模组的光轴和接收模组的光轴在一定距离处交汇，此时交汇处接收到的投影图像最大，图像 质量 较佳。在这种情况下，可以减小投影模组的视场 角 ，将光源和光罩的面积设计得较小，利于成像装置小型化和降低成本。，下面是投影模组、成像装置及电子装置专利的具体信息内容。
1.一种投影模组，其特征在于，包括：
光源，所述光源包括第一中心；
设置于所述光源上方的光罩，所述光罩包括第二中心，所述第二中心与所述第一中心沿所述投影模组的轴向对齐；
设置于所述光罩上方的投影透镜，所述投影透镜的光轴与所述第一中心和所述第二中心偏移设置。
2.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述第一中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离为0.110mm-0.140mm。
3.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述投影模组包括扩散器，所述扩散器位于所述光源和所述光罩之间。
4.如权利要求3所述的投影模组，其特征在于，所述扩散器和所述光源间隔设置，所述扩散器和所述光罩间隔设置。
5.如权利要求3所述的投影模组，其特征在于，所述光源用于发射光线，所述扩散器用于将所述光源发射的光线扩散形成均匀光线，所述光罩用于将所述扩散器出射的均匀光线投射形成结构化光线，所述投影透镜用于投影所述结构化光线。
6.如权利要求5所述的投影模组，其特征在于，所述光罩包括透光区域和遮光区域，所述透光区域形成有结构化图案，所述结构化图案用于形成所述结构化光线。
7.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述光源包括垂直腔面发射激光器阵列，所述垂直腔面发射激光器阵列包括呈阵列分布的多个垂直腔面发射激光器。
8.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于，所述投影模组包括致动器，所述致动器用于调整所述第一中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离和所述第二中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离，所述第一中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离和所述第二中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离相同。
9.一种成像装置，其特征在于，包括接收模组和权利要求1-8任一项所述的投影模组，所述投影模组用于向待测物体投射光线，所述接收模组用于接收经所述待测物体反射的所述投影模组投射的光线并成像。
10.一种电子装置，其特征在于，包括壳体和权利要求9所述的成像装置，所述成像装置安装在所述壳体内。
投影模组、成像装置及电子装置
技术领域
背景技术
[0002] 在相关技术中，用于采集物体三维轮廓信息的成像装置包括投射模组和接收模组。成像装置可以通过结构光技术向物体投影特定的光信息，接收模组的图像传感器接收物体反射的光线，根据光信息的变化来计算物体的三维轮廓信息。其中，由于投影的图像必须涵盖到接收端的视场角范围，投影模组的视场角要比接收模组的视场角大。当待测物与成像装置距离太近时，接收的图像会不完整或接收到太边缘的图像而导致成像质量较差。为了使投影模组的视场角较大且保证成像质量，通常将投影模组的激光光源和光罩的面积设计得较大，这不利于成像装置小型化和降低成本。
发明内容
[0003] 本发明的实施方式提供了一种投影模组、成像装置及电子装置。
[0004] 本发明实施方式的投影模组包括光源、设置于所述光源上方的光罩和设置于所述光罩上方的投影透镜，所述光源包括第一中心；所述光罩包括第二中心，所述第二中心与所述第一中心沿所述投影模组的轴向对齐；所述投影透镜的光轴与所述第一中心和所述第二中心偏移设置。
[0005] 本发明实施方式的投影模组中，光源的中心和光罩的中心与投影透镜的光轴偏移设置，使得投影模组的光轴和接收模组的光轴在一定距离处交汇，此时交汇处接收到的投影图像最大，图像质量较佳。在这种情况下，可以减小投影模组的视场角，将光源和光罩的面积设计得较小，利于成像装置小型化和降低成本。
[0006] 在某些实施方式中，所述第一中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离为0.110mm-0.140mm。如此，使得投影模组的光轴和接收模组的光轴在一定距离处交汇。
[0007] 在某些实施方式中，所述投影模组包括扩散器，所述扩散器位于所述光源和所述光罩之间。如此，扩散器可以将光源发出的光线扩散并使得投影模组内的光线分布均匀。
[0008] 在某些实施方式中，所述扩散器和所述光源间隔设置，所述扩散器和所述光罩间隔设置。如此，扩散器可以作为一个独立的元件设置在光源与光罩之间，可以将光源发出的光线扩散并使得投影模组内的光线分布均匀。
[0009] 在某些实施方式中，所述光源用于发射光线，所述扩散器用于将所述光源发射的光线扩散形成均匀光线，所述光罩用于将所述扩散器出射的均匀光线投射形成结构化光线，所述投影透镜用于投影所述结构化光线。如此，光源发射的光线经扩散器扩散可以形成均匀光线，使得光罩形成的结构化光线效果更好。
[0010] 在某些实施方式中，所述光罩包括透光区域和遮光区域，所述透光区域形成有结构化图案，所述结构化图案用于形成所述结构化光线。如此，经光罩投射的光线可以形成与结构化图案对应的结构化光线，即光罩可以将光线投射形成结构化光线；投影透镜可以提高结构化光线投影的效果，达到相应的成像品质。
[0011] 在某些实施方式中，所述光源包括垂直腔面发射激光器阵列，所述垂直腔面发射激光器阵列包括呈阵列分布的多个垂直腔面发射激光器。如此，使用垂直腔面发射激光器阵列作为光源，可以满足光源小体积的需求，由多个垂直腔面发射激光器形成阵列分布可以保证结构化光线投影的连续性。
[0012] 在某些实施方式中，所述投影模组包括致动器，所述致动器用于调整所述第一中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离和所述第二中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离，所述第一中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离和所述第二中心与所述投影透镜的光轴的偏移距离相同。如此，致动器可以动态调整第一中心与投影透镜的光轴的偏移距离和第二中心与投影透镜的光轴的偏移距离以使接收模组接收到的投影图像质量较佳。
[0013] 本发明实施方式的成像装置包括接收模组和上述任一实施方式所述的投影模组，所述投影模组用于向待测物体投射光线，所述接收模组用于接收经所述待测物体反射的所述投影模组投射的光线并成像。
[0014] 本发明的实施方式的成像装置中，投影模组的光源的中心和光罩的中心与投影透镜的光轴偏移设置，使得投影模组的光轴和接收模组的光轴在一定距离处交汇，此时交汇处接收到的投影图像最大，图像质量较佳。在这种情况下，可以减小投影模组的视场角，将光源和光罩的面积设计得较小，利于成像装置小型化和降低成本。
[0015] 本发明的实施方式的电子装置包括壳体和上述任一实施方式所述的成像装置，所述成像装置安装在所述壳体内。
[0016] 本发明实施方式的电子装置中，投影模组的光源的中心和光罩的中心与投影透镜的光轴偏移设置，使得投影模组的光轴和接收模组的光轴在一定距离处交汇，此时交汇处接收到的投影图像最大，图像质量较佳。在这种情况下，可以减小投影模组的视场角，将光源和光罩的面积设计得较小，利于成像装置小型化和降低成本。
[0018] 本发明的上述和/或附加的方面和优点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：
[0019] 图1是现有技术的的成像装置的结构示意图；
[0020] 图2是本发明实施方式的投影模组的结构示意图；
[0021] 图3是本发明实施方式的成像装置的结构示意图；
[0022] 图4是本发明实施方式的光罩的结构示意图；
[0023] 图5是本发明实施方式的投影模组投影的结构化光线的示意图；
[0024] 图6是本发明实施方式的电子装置的结构示意图。
[0025] 主要元件符号说明：
[0026] 投影模组10、光源12、垂直腔面发射激光器122、光罩14、透光区域142、遮光区域144、投影透镜16、扩散器18、致动器11；
[0027] 成像装置100、接收模组20、成像透镜22、图像传感器24、滤光片26、处理器30；
[0028] 电子装置1000、壳体200。
具体实施方式
[0029] 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，其中自始至终相同或类似的标号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，而不能理解为对本发明的限制。
[0030] 在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0031] 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不同结构。为了简化本发明的公开，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。
[0032] 请参阅图1，在现有的成像装置中，投影模组110的光轴B1与接收模组120的光轴B2是平行的。也即是说，在投影模组110中，光源112的中心E和光罩114的中心F与投影透镜116的光轴对齐。然而，由于投影模组110所投射的图像必须涵盖到接收模组120的视场角范围，投影模组110的视场角要比接收模组120的视场角大以使投影模组110所投射的图像能够覆盖接收模组120的视场角范围。当待测物体与成像装置距离太近时，投影模组110所投射的图像(结构化光线)跟接收模组120的视场角范围有偏移，使得接收的图像不完整或接收到太边缘的图像而导致成像质量(光学调制传递函数MTF、畸变distortion)较差。
[0033] 为了使投影模组110的视场角较大且保证成像质量，通常将投影模组110的光源112和光罩114的面积设计得较大。然而，这不利于成像装置小型化和降低成本。
[0034] 因此，本发明实施方式提出了一种新的投影模组10。请参阅图2和图3，本发明实施方式的投影模组10应用于本发明实施方式的成像装置100。成像装置100包括投影模组10和接收模组20。投影模组10包括光源12、设置于光源12上方的光罩14(mask)和设置于光罩14上方的投影透镜16(projection lens)。光源12包括第一中心X。光罩14包括第二中心Y，第二中心Y与第一中心X沿投影模组10的轴向(平行于投影透镜16的光轴A1的方向)对齐。投影透镜16的光轴与第一中心X和第二中心Y偏移设置。其中，上方是指如图中光源12向上发射时对应的出射方向。
[0035] 本发明实施方式的投影模组10中，光源12的中心X和光罩14的中心Y与投影透镜16的光轴A1偏移设置，使得投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3在一定距离(如50cm)处交汇，此时，一方面，交汇处接收到的投影图像(结构化光线)最大，图像质量较佳，另一方面，在近距离范围内投影视场角也能更大的覆盖接收视场角，使得近距离成像效果更佳。也即，在这种情况下，尤其是针对于近距离成像时，可以相对于现有光轴平行设置方式减小投影模组10的视场角，将光源12和光罩14的面积设计得较小，利于成像装置100小型化和降低成本。
[0036] 可以理解，光源12的中心X和光罩14的中心Y与投影透镜16的光轴A1偏移设置，投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3会在一定距离处交汇。也即是说，光源12的中心X和光罩14的中心Y不在投影透镜16的光轴A1上，投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3形成一定角度的夹角。此时，投影模组10所投射的图像的中心更接近接收模组20的光轴，接收模组20接收到的投影图像范围最大，图像质量较佳。因此，在本发明中，可以不用将投影模组10的视场角设计得较大，从而可以将光源12和光罩14的面积设计得较小以获得小型化的成像装置100。较佳地，光源12的中心X和光罩14的中心Y往远离接收模组20的方向偏移。
[0037] 需要说明的是，第一中心X是指光源12的中心，第二中心Y是指光罩14的中心。例如，当光源12的平面形状为圆形时，第一中心X为圆心。又如，当光罩14的平面形状为方形时，第二中心Y为方形的两条对角线的交点。
[0038] 在某些实施方式中，第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离的范围为0.110-0.140mm，例如偏移距离可以为0.125mm，第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离为0.110-0.140mm。需要说明的是，上述偏移距离的范围是基于当前投影模组10及接收模组20较为常见尺寸配合状态下得到的一组较为优选的偏移距离范围，当然也可以基于不同交汇点的需求相应的设计调整，例如需要交汇点靠近成像装置100则可以偏移较大距离，交汇点远离成像装置100则可以偏移较小距离，本实施例对此不做限制。
[0039] 如此，使得投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3在一定距离处交汇。可以理解，第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离和第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离相同，可以为0.110mm、0.125mm、0.140mm或0.110-0.140mm之间的任意数值，较佳地，第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离和第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离均为0.125mm。第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离和第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离可以通过投影模组10的视场角和接收模组20的视场角来确定，或通过光源12的面积来确定。
[0040] 在某些实施方式中，投影模组10包括扩散器18(diffuser)。扩散器18位于光源12和光罩14之间。
[0041] 如此，扩散器18可以将光源12发出的光线扩散并使得投影模组10内的光线分布均匀。也即是说，光源12发出的光线经扩散器18扩散可以形成均匀光线。均匀光线指的是具有一定光型分布、密度以及均匀度的光线。
[0042] 具体地，扩散器18可以通过在材料层中增加散射材质制成，或通过在表面层做散射特性制成，或通过在表面设计衍射微结构制成，或通过在表面设计微透镜阵列(Micro Lens Array，MLA)折射微结构制成。扩散器18可以根据不同的用途和光学需求选择不同的设计以满足更多的场景需求，本实施例不做限制。
[0043] 在某些实施方式中，扩散器18和光源12间隔设置，扩散器18和光罩14间隔设置。
[0044] 如此，扩散器18可以作为一个独立的元件设置在光源12与光罩14之间，可以将光源12发出的光线扩散并使得投影模组10内的光线分布均匀。也即是说，投影模组10可以在原有元件的基础上，增加扩散器18，使得扩散器18将光源12发出的光线扩散并使得投影模组10内的光线分布均匀。
[0045] 在其它实施方式中，扩散器18设置在光罩14上。也即是说，扩散器18和光罩14一体设置，从而可以设计成一个元件。扩散器18设置在光罩14上可以不用增加元件数量，优化投影模组10的空间设置，有利于投影模组10的装配。在一些实施例中，投影模组10可以通过胶水将扩散器18和光罩14粘合，固定连接形成一体结构。
[0046] 在某些实施方式中，光源12用于发射光线。扩散器18用于将光源12发射的光线扩散形成均匀光线。光罩14用于将扩散器18出射的均匀光线投射形成结构化光线。投影透镜16用于投影结构化光线。
[0047] 如此，光源12发射的光线经扩散器18扩散可以形成均匀光线，使得光罩14形成的结构化光线效果更好；投影透镜16可以提高结构化光线投影的效果，达到相应的成像品质。例如，线宽、景深(Depth of Focus，DOF)和视场角(Field of View，FOV)等。可以理解，线宽对应结构化光线投影的精密程度，景深对应结构化光线投影的有效距离和清晰度，视场角对应结构化光线投影的范围。在一个例子中，结构化光线包括编码结构光。
[0048] 进一步地，投影透镜16包括至少一个光学透镜。在一个例子中，投影透镜16可以是一个光学透镜。在另一个例子中，投影透镜16可以是多个光学透镜的组合。
[0049] 在某些实施方式中，光罩14包括透光区域142和遮光区域144。透光区域142形成有结构化图案，结构化图案用于形成结构化光线。
[0050] 如此，经光罩14投射的光线可以形成与结构化图案对应的结构化光线，即光罩14可以将光线投射形成结构化光线。可以理解，光线无法透过遮光区域144，例如，遮光区域144可以遮挡或吸收光线。光线投射至光罩14时，在遮光区域144被遮挡，从形成结构化图案的透光区域142出射以形成结构化光线。其中，结构化图案包括但不限于格栅图案、点状图案或线条图案等。在图4的示例中，结构化图案为格栅图案，结构化光线(投影图像)呈格栅状分布(如图5所示)。在其它实施方式中，结构化图案还可以其它图案，在此不作具体限定。
[0051] 具体地，光罩14可以通过光罩14蚀刻技术制成。例如，在透光材质上覆盖一层遮光材质，通过光罩14蚀刻技术将透光区域142的遮光材质蚀刻掉，而保留遮光区域144的遮光材质。
[0052] 在某些实施方式中，光源12包括垂直腔面发射激光器阵列。垂直腔面发射激光器阵列包括呈阵列分布的多个垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)122。
[0053] 如此，使用垂直腔面发射激光器122阵列作为光源12，可以满足光源12小体积的需求，由多个垂直腔面发射激光器122形成阵列分布可以保证结构化光线投影的连续性。垂直腔面发射激光器122是一种小体积的半导体激光器，可以以较高的输出功率形成阵列分布，用于建立高效的激光光源。
[0054] 请参阅图3，在某些实施方式中，投影模组10包括致动器11。致动器11用于调整第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离和第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离。第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离和第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离相同。
[0055] 进一步，致动器11基于接收模组20的接收光线成像的结果进行偏移距离的调整。例如，若是接收模组20接收的图像不完整，则可以增大偏移距离以使得投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3的交汇点靠近接收模组20，扩大近距离接收视场角对应的投影覆盖范围。若是接收模组20接收的图像不清晰，则可以减小偏移距离以使得投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3的交汇点调整到待测物体附近，以实现更清晰的成像。具体反馈调节的次数以及算法在此不做限制。
[0056] 如此，致动器11可以动态调整第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离和第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离以使接收模组20接收到的投影图像质量较佳。
[0057] 请参阅图3，本发明实施方式的成像装置100包括接收模组20和上述任一实施方式的投影模组10。投影模组10用于向待测物体投射光线，接收模组20用于接收经待测物体反射的投影模组10投射的光线并成像。
[0058] 本发明的实施方式的成像装置100中，投影模组10的光源12的中心X和光罩14的中心Y与投影透镜16的光轴A1偏移设置，使得投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3在一定距离(如50cm)处交汇，此时交汇处接收到的投影图像(结构化光线)最大，图像质量较佳。在这种情况下，可以减小投影模组10的视场角，将光源12和光罩14的面积设计得较小，利于成像装置100小型化和降低成本。
[0059] 可以理解，本发明实施方式的成像装置100用于采集物体的三维轮廓信息。成像装置100通过投影模组10投影结构化光线至空间，结构化光线投影至空间中的物体时，物体的表面弧度或深度差异会造成结构化光线形成的投影图像变形。变形的投影图像经过接收模组20取像后，可以通过相关算法计算获得物体的3D(三维)轮廓信息。
[0060] 在某些实施方式中，接收模组20和投影模组10并排设置。如此，有利于投影模组10投影结构化光线并由接收模组20接收物体反射的光线。
[0061] 在某些实施方式中，接收模组20包括成像透镜22和图像传感器24。图像传感器24位于成像透镜22的像侧。成像透镜22用于将入射的光线汇聚到图像传感器24。
[0062] 如此，图像传感器24可以采集物体反射的光线，成像透镜22可以将光线汇聚到图像传感器24，有利于接收模组20接收投影模组10投影至物体后反射的结构化光线。
[0063] 进一步地，成像透镜22包括至少一个光学透镜。在一个例子中，成像透镜22可以是一个光学透镜。在另一个例子中，成像透镜22可以是多个光学透镜的组合。
[0064] 在某些实施方式中，接收模组20包括滤光片26，滤光片26位于成像透镜22和图像传感器24之间。
[0065] 如此，滤光片26可以滤除投影模组10投影的光线之外的其他光线，避免其他光线的干扰，从而图像传感器24采集光线形成的图像信息更加准确。在一个例子中，投影模组10可以投影红外线，滤光片26可以是红外滤光片，如此，红外滤光片可以滤除非红外光，避免非红外光对图像传感器24采集图像的干扰。
[0066] 请参阅图3，在某些实施方式中，成像装置100还包括处理器30，处理器30连接图像传感器24和致动器11。投影模组10投影结构化光线至空间中的待测物体，经待测物体反射后的结构化光线被接收模组20的图像传感器24接收形成图像，然后图像传感器24将图像传输至处理器30。处理器30可以分析图像的线宽、均匀度以及畸变等数据来判断成像装置100的成像质量。当成像质量较差时，处理器30发出驱动信号至致动器11以使致动器11驱动光源12和光罩14移动，使得第一中心X与投影透镜16的光轴A1的偏移距离以及第二中心Y与投影透镜16的光轴A1的偏移距离保持在最佳值，从而提高成像装置100下一次成像的质量。此时，第一中心X和第二中心Y在沿投影模组10的轴向对齐。当然，当投影模组10包括扩散器18时，致动器11也要驱动扩散器18移动以使扩散器18的中心与光源12的中心沿投影模组10的轴向对齐。
[0067] 需要说明的是，光源12、扩散器18、光罩14、投影透镜16均设置在镜筒内。致动器11可以为音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)，可以在光源12与镜筒的内侧壁之间、在扩散器18与镜筒的内侧壁之间以及在光罩14和镜筒的内侧壁之间各设置一个音圈电机，然后通过改变音圈电机内线圈的直流电流的大小来控制弹簧片的拉伸位置从而移动光源12、扩散器
18和光罩14。当然，在其它实施方式中，致动器11可以是MEMS致动器、磁致伸缩致动器、压电致动器。
18和光罩14。当然，在其它实施方式中，致动器11可以是MEMS致动器、磁致伸缩致动器、压电致动器。
[0068] 请参阅图6，本发明的实施方式的电子装置1000包括壳体200和上述任一实施方式的成像装置100。成像装置100安装在壳体200内。
[0069] 本发明实施方式的电子装置1000中，投影模组10的光源12的中心X和光罩14的中心Y与投影透镜16的光轴A1偏移设置，使得投影模组10的光轴A2和接收模组20的光轴A3在一定距离(如50cm)处交汇，此时交汇处接收到的投影图像(结构化光线)最大，图像质量较佳。在这种情况下，可以减小投影模组10的视场角，将光源12和光罩14的面积设计得较小，利于成像装置100小型化和降低成本。
[0071] 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。
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