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3D识别模组、3D识别装置及智能终端

阅读：795发布：2020-05-12

专利汇可以提供3D识别模组、3D识别装置及智能终端专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种3D识别模组、3D识别装置和智能终端，3D识别模组包括：投影单元，用于发射投影光；第一分光镜，设置于投影光的光路上；以及接收单元，所述接收单元设置有图像传感器；其中，投影光经所述第一分光镜反射或透射后投影至被测物并形成携带被测物表面信息的信息光，信息光经所述第一分光镜透射或反射后被所述图像传感器接收。上述3D识别模组能够通过调节所述转动轨道上的所述第一分光镜的转动角度，使投影光能够准确地投影至被测物表面。上述3D识别模组可通过调节所述第一分光镜，使投影光路与接收光路处于同一光轴上，实现对光路的调节。，下面是3D识别模组、3D识别装置及智能终端专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种3D识别模组，其特征在于，包括：
投影单元，用于发射投影光；
第一分光镜，设置于所述投影光的光路上；以及
接收单元，所述接收单元设置有图像传感器；
其中，所述投影光经所述第一分光镜反射或透射后投影至被测物并返回形成携带被测物表面信息的信息光，所述信息光经所述第一分光镜透射或反射后被所述图像传感器接收。
2.根据权利要求1所述的3D识别模组，其特征在于，所述3D识别模组还设置有第二分光镜及辅助单元，所述第二分光镜设置在所述第一分光镜至被测物间的光路上，被测物产生的红外光或经被测物反射的环境光经所述第二分光镜反射后被所述辅助单元接收，投影光依次经过所述第一分光镜和所述第二分光镜后投影至被测物，信息光依次经过所述第二分光镜和所述第一分光镜后被所述图像传感器接收。
3.根据权利要求2所述的3D识别模组，其特征在于，所述3D识别模组还包括设置于所述第一分光镜至所述图像传感器间的第一透镜、第一滤波片，所述辅助单元包括相机以及设置在所述相机和所述第二分光镜间的第二透镜、第二滤波片。
4.根据权利要求3所述的3D识别模组，其特征在于，所述相机为可见光相机或热红外相机，当所述相机为可见光相机时，所述第二滤波片为红外截止滤波片；当所述相机为热红外相机时，所述第二滤波片为窄带通滤波片。
5.根据权利要求3所述的3D识别模组，其特征在于，所述3D识别模组还包括转动轨道以及平移轨道，所述第一分光镜和第二分光镜设置在不同的转动轨道上，所述第一透镜和所述第二透镜设置在不同的所述平移轨道上；所述3D识别模组还包括控制系统，所述控制系统通过调节所述第一分光镜、所述第二分光镜的转动角度，以及所述第一透镜、所述第二透镜的位移量，进而控制所述3D识别模组中的光路。
6.根据权利要求5所述的3D识别模组，其特征在于，所述投影单元包括光源和衍射光学元件，所述衍射光学元件与所述光源间还设置有准直透镜，所述准直透镜、所述第一透镜和所述第二透镜设置在不同的所述平移轨道上，且所述准直透镜由所述控制系统控制位移量，所述光源所发出的光束经过所述准直透镜的准直作用后穿过所述衍射光学元件并形成结构光。
7.根据权利要求5所述的3D识别模组，其特征在于，所述投影单元包括光源和数字微镜器件，所述数字微镜器件、所述第一分光镜和所述第二分光镜设置在不同的所述转动轨道上，且所述数字微镜器件由所述控制系统控制转动角度，所述光源所发出的光束被所述数字微镜器件反射并形成结构光。
8.根据权利要求1所述的3D识别模组，其特征在于，所述投影单元所发射的投影光为脉冲光，脉冲光投影至被测物后被反射，反射后的脉冲光被所述图像传感器接收。
9.一种3D识别装置，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述3D识别模组以及收容所述3D识别模组的壳体，所述壳体上设置有开口，所述3D识别模组所发出的投影光及接收的信息光均通过所述开口。
10.一种智能终端，其特征在于，包括:
设备外壳；以及
权利要求1-8所示任一项3D识别模组或权利要求9所述的3D识别装置，所述3D识别模组或所述3D识别装置安装于所述设备外壳中。

说明书全文

3D识别模组、3D识别装置及智能终端

技术领域

[0001] 本发明涉及3D识别领域，特别是涉及一种3D识别模组、3D识别装置及智能终端。

背景技术

[0002] 近年来，随着3D识别技术的发展，市场对3D识别装置的外观结构以及识别功能的要求也随之上升。目前常见的3D识别装置大多为分开放置的具有独立光通道的发射端和接收端，即发射端与接收端具有各自的光轴，因此，在装置组装时就需要对发射端以及接收端进行严格的调整对位，使接收端具有合适的光束接收角度，从而减小偏差，达到所要的光学效果。

发明内容

[0003] 基于此，有必要针对3D识别装置中需要严格调整独立的发射端和接收端的对位关系的问题，提供一种3D识别模组、3D识别装置及智能终端。

[0004] 一种3D识别模组，包括：

[0005] 投影单元，用于发射投影光；

[0006] 第一分光镜，设置于投影光的光路上；以及

[0007] 接收单元，所述接收单元设置有图像传感器；

[0008] 其中，投影光经所述第一分光镜反射或透射后投影至被测物并形成携带被测物表面信息的信息光，信息光经所述第一分光镜透射或反射后被所述图像传感器接收。

[0009] 上述3D识别模组能够通过调节所述第一分光镜，使投影光路与接收光路处于同一光轴上，实现对光路的简化，无需考虑所述投影单元和所述接收单元的对位关系。这种投影与接收的同轴设置极大地缩小了所述3D识别模组的空间，并减少控制投影和接收光路的光学元件，降低生产成本。

[0010] 在其中一个实施例中，所述3D识别模组还设置有第二分光镜及辅助单元，所述第二分光镜设置在所述第一分光镜至被测物间的光路上，被测物产生的红外光或经被测物反射的环境光经所述第二分光镜反射后被所述辅助单元接收，投影光依次经过所述第一分光镜和所述第二分光镜后投影至被测物，信息光依次经过所述第二分光镜和所述第一分光镜后被所述图像传感器接收。

[0011] 上述辅助单元通过配备不同功能的所述相机，从而配合所述接收单元实现所述3D识别模组性能的进一步提升，以此满足应对不同环境下的3D识别需求。

[0012] 在其中一个实施例中，所述3D识别模组还包括设置于所述第一分光镜至所述图像传感器间的第一透镜、第一滤波片，所述辅助单元包括相机以及设置在所述相机和所述第二分光镜间的第二透镜、第二滤波片。

[0013] 在其中一个实施例中，所述相机为可见光相机或热红外相机，当所述相机为可见光相机时，所述第二滤波片为红外截止滤波片；当所述相机为热红外相机时，所述第二滤波片为窄带通滤波片。

[0014] 在环境光较大的情况下，可采用可见光相机对进入所述3D识别模组的光进行识别；在环境光较弱的情况下，可采用热红外相机对进入所述3D识别模组的热红外光进行识别。上述红外截止滤波片可过滤红外光，避免红外光对可见光相机成像的干扰；上述窄带通滤波片能够使红外光通过，同时过滤掉不在窄带通滤波片通光范围内的光。

[0015] 在其中一个实施例中，所述3D识别模组还包括转动轨道以及平移轨道，所述第一分光镜和第二分光镜设置在不同的转动轨道上，所述第一透镜和所述第二透镜设置在不同的所述平移轨道上；所述3D识别模组还包括控制系统，所述控制系统通过调节所述第一分光镜、所述第二分光镜的转动角度，以及所述第一透镜、所述第二透镜的位移量，进而控制所述3D识别模组中的光路。

[0016] 上述控制系统通过对所述第一分光镜、所述第二分光镜、所述第一透镜、所述第二透镜的位移量或角度进行调节，进而实现对所述3D识别模组中传输光路的统一调制以及聚焦成像。

[0017] 在其中一个实施例中，所述投影单元包括光源和衍射光学元件，所述衍射光学元件与所述光源间还设置有准直透镜，所述准直透镜、所述第一透镜和所述第二透镜设置在不同的所述平移轨道上，且所述准直透镜由所述控制系统控制位移量，所述光源所发出的光束经过所述准直透镜的准直作用后穿过所述衍射光学元件并形成结构光。

[0018] 当所述光源的光束透过衍射光学元件时能够产生结构光。

[0019] 在其中一个实施例中，所述投影单元包括光源和数字微镜器件，所述数字微镜器件、所述第一分光镜和所述第二分光镜设置在不同的所述转动轨道上，且所述数字微镜器件由所述控制系统控制转动角度，所述光源所发出的光束被所述数字微镜器件反射并形成结构光。

[0020] 采用数字微镜器件作为产生结构光的元件时，不需额外增加透镜对所述光源的光进行准直，且通过反射光束而产生结构光的方法能够使所述3D识别模组缩小体积。另外，通过调节数字微镜器件上的各微反射镜的角度，可以产生不同形状的结构光。

[0021] 在其中一个实施例中，所述投影单元所发射的投影光为脉冲光，脉冲光投影至被测物后被反射，反射后的脉冲光被所述图像传感器接收。上述实施例采用的是飞行时间测距法，不用依赖结构光元件，且深度计算精度不随距离改变而变化。

[0022] 一种3D识别装置，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述3D识别模组以及收容所述3D识别模组的壳体，所述壳体上设置有开口，所述3D识别模组所发出的投影光及接收的信息光均通过所述开口。

[0023] 上述3D识别装置能够在所述壳体中收容所述3D识别模组，不仅具有将3D识别模组中各元件实现一体化的作用，还具有保护各精密元件的作用。

[0024] 一种智能终端，包括:

[0025] 设备外壳；以及

[0026] 权利要求1-8所示任一项3D识别模组或权利要求9所述的3D识别装置，所述3D识别模组或所述3D识别装置安装于所述设备外壳中。

[0027] 上述智能终端在应用所述3D识别模组或所述3D识别装置后，无需在出厂时花费较大成本进行光路调节，同时，也避免了需要在所述智能终端上设置多个投影和接收开口，使所述智能终端具有更简易的外壳以及更佳的性能，另外，也使得智能终端在空间配置上具有更高的灵活性。附图说明

[0028] 图1为本发明一实施例所提供的3D识别模组的结构示意图；

[0029] 图2为本发明另一实施例所提供的3D识别模组的结构示意图；

[0030] 图3为本发明一实施例所提供的包括辅助单元的3D识别模组示意图；

[0031] 图4为本发明一实施例所提供的包括衍射光学元件的3D识别装置示意图；

[0032] 图5为本发明一实施例所提供的包括数字微镜器件的3D识别装置示意图；

[0033] 图6为本发明一实施例所提供的应用3D识别模组的智能终端示意图。

具体实施方式

[0034] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明的公开内容更加透彻全面。

[0035] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个原件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个原件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一原件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

[0036] 参见图1和图2所示，3D识别模组10包括投影单元120、第一分光镜130以及接收单元140。其中，投影单元120用于发射投影光，第一分光镜130设置于投影光的光路上，投影光经第一分光镜130反射或透射后投影至被测物表面，并形成携带被测物表面信息的信息光，信息光经再次经第一分光镜透射或反射后被接收单元140接收。

[0037] 如图1所示的实施例中，投影单元120发射的投影光经第一分光镜130反射后投影至被测物，由被测物反射回来的信息光透射过第一分光镜130后被接收单元140接收。如图2所示的另一个实施例中，投影单元120发射的投影光透射过第一分光镜130后投影至被测物，反射回来的信息光经第一分光镜130反射后被接收单元140接收。

[0038] 如图1和图2所示，投影单元120包括光源121和结构光元件122。光源121所发出的光束通过具有特殊光学参数的结构光元件122形成相应的结构光，结构光经第一分光镜130的作用下投影至被测物表面，且由于被测物表面具有深度差、弧度等因素，结构光经被测物表面反射后发生变形，形成变形架构光，反射后的变形结构光经第一分光镜130反射或透射后被接收单元120接收。在一些实施例中，上述由结构光元件122所产生的结构光为点状光斑、网状光斑、矩形光斑、条形光斑、曲线光斑中的一种或多种组合，根据实际需求而定。在一些实施例中，由于光源121所发出的光束具有较大的发散特性，光源121与结构光元件122间还可设置透镜，从而对光束进行准直。

[0039] 在一些实施例中，光源121为可见光激光器或红外激光器。根据实际需求以及考虑成本等问题，光源121还可以为非激光式的普通光源。在另一些实施例中，光源121可同时设置有可见光激光器和红外激光器，可见光激光器与红外光激光器相对第一分光镜130呈小角度地相邻设置，两者所发出的光束均能够在第一分光镜130转动至相应角度的情况下沿同一方向被第一分光镜130反射至被测物，这种同时设有两种激光器光源121的3D识别模组10能够在白天以及夜间进行3D识别工作。

[0040] 如图1、图2和图3所示的一些实施例中结构光元件122为DOE(Diffraction Optical Element，衍射光学元件)，结构光元件122与光源121间还设置有准直透镜123，准直透镜123设置于平移轨道101上，可通过调节准直透镜123的位移量实现对不同光源121发散光束的准直。在一些实施例中，根据使用情况的不同，可选择固定型的准直透镜123，即准直透镜123不设置于平移轨道101上，准直透镜123的位置固定不变，不能调节，以此简化内部结构以及降低成本。在另一些实施例中，由于一些光源121所发出的光束本身就具有良好的平行光特性，因此，在这些实施例中不需要设置准直透镜123。

[0041] 如图5所示的另一些实施例中，结构光元件122为DMD(Digital Micro Mirror Device，数字微镜器件)，光源121所发出的光束经由DMD反射形成结构光，并反射至第一分光镜130。采用DMD作为产生结构光的元件时，不需额外增加透镜对光源121所发出的光束进行准直，且通过DMD反射产生结构光的方法能够使3D识别模组10中光源121的设置位置有更多选择，在一定程度上能够缩小3D识别模组10的体积。另外，通过调节DMD上的各微反射镜的角度，可以在不更换结构光元件的前提下产生不同形状的结构光。

[0042] 另外，在一些实施例中，投影单元120还可以为TOF(Time of flight，飞行时间测距法)，此时，投影单元120所发射的投影光为脉冲光，脉冲光投影至被测物后被反射，反射后的脉冲光被接收单元140接收，通过探测并计算投影光中各像元点的光脉冲飞行往返时间来得到目标物中各点相对3D识别模组10的距离。

[0043] 由被测物反射形成的变形结构光以及脉冲光均携带了被测物表面信息，即上述各实施例中所述的信息光。

[0044] 如图1和图2所示的实施例中，接收单元140包括图像传感器143，以及由第一分光镜130至图像传感器143间依次设置的第一透镜141、第一滤波片142，由被测物反射回来的变形结构光经过第一分光镜130以及第一透镜141、第一滤波片142，并最终被图像传感器143接收。被图像传感器143接收的变形结构光将被传输至系统终端，并通过算法解析运算实现对被测物轮廓的还原。在一些实施例中，第一透镜141和第一滤波片142的位置可以替换。在另一些实施例中，第一透镜141设置于平移轨道101上，可通过移动第一透镜141使变形结构光聚焦于图像传感器143上。需要注意的是，在一些实施例中，由于随反射回来的变形结构光一同被接收的环境光对成像效果不会造成较大的干扰，滤波片142对最终的成像效果并不具备明显作用，接收单元140中可以不设置滤波片142。

[0045] 如图3所示的一个实施例中，3D识别模组10还包括第二分光镜150以及辅助单元160。第二分光镜150设置于第一分光镜130与被测物之间，且第二分光镜150的中心位于接收单元140与第一分光镜130的中心连线的延长线上。从被测物反射回的信息光穿过第二分光镜150以及第一分光镜130到达所述接收单元140，并被图像传感器143接收。同时，也有部分被测物表面释放的红外光或由被测物表面反射的可见光经第二分光镜150反射至辅助单元160，并被相机163接收。在一些实施例中，第二分光镜150可转动地设置于3D识别模组10中。

[0046] 在本发明实施例中，第一分光镜130和第二分光镜150均以平面型分光镜为例作说明。在其他可选的实施例中，第一分光镜130和第二分光镜150也可以为其他类型的分光镜，如楔形分束镜和分束立方体等，另外，楔形分束镜和分束立方体可以大大减少平面型分光镜前后表面的反射光干涉，从而可以实现更好的光学效果。

[0047] 辅助单元160包括相机163以及由相机163至第二分光镜150间依次设置的第二滤波片162和第二透镜161。在一些实施例中，第二透镜161设置在平移轨道101上，可通过固定在平移轨道101的不同位置，使入射的变形结构光聚焦到相机163上。与上述实施例中的接收单元140相同的是，在一些实施例中，辅助单元160中的第二滤波片162、第二透镜161的位置可以替换。另外，当外界到达辅助模组160的光不存在干扰相机163成像的因素时，辅助单元160也可不设置第二滤波片162。

[0048] 在一些实施例中，相机163为可见光相机，可见光相机可在环境光充足的情况下对被测物的表面彩色信息进行采集。同时，为防止反射回的变形结构光对采集可见光图像时产生干扰，辅助单元160与接收单元140的接收采集过程分开进行。将采集到的表面彩色信息传输至系统终端，并与接收单元140所接收到的变形结构光图像进行对比分析，提高识别的正确率。当相机163为可见光相机时，第二滤波片162为红外截止滤波片，红外截止滤波片可过滤红外光，避免红外光对可见光相机成像的干扰，此时，由于红外截止滤波片可过滤红外光的作用，光源121也可选用红外激光器，红外激光器所产生的红外光经被测物反射被接收单元140接收，不会影响可见光相机的成像效果。

[0049] 在另一些实施例中，相机163为热红外相机，热红外相机可根据被测物释放的红外线所携带的热量分布信息进行分析，根据采集到的热红外图像可轻易判断被测物是否具有生物特征。同时，当相机163为热红外相机时，第二滤波片162为窄带宽滤波片，窄带通滤波片能够使被测物释放的红外光通过，而将波长不在窄带通滤波片通光范围内的光过滤掉。

[0050] 同样的，3D识别模组10中也可同时设置有可见光相机和红外光相机，两者相对第二分光镜150呈小角度地相邻设置，并通过调节第二分光镜150的角度实现将红外光、可见光反射至相应的相机163中。

[0051] 在一些实施例中，3D识别模组10还包括平移轨道101以及转动轨道102。如图4所示的一个实施例中，第一分光镜130、第二分光镜150设置在不同的转动轨道102上，第一透镜141、第二透镜161设置在不同的平移轨道101上。同时，3D识别模组10还包括控制系统170，控制系统170通过调节第一分光镜130、所述第二分光镜150于转动轨道102上的转动角度，以及第一透镜141、第二透镜161的位移量，进而控制3D识别模组10中的光路。当投影单元
120存在准直透镜123时，准直透镜123也可安装于平移轨道101上，并由控制系统170统一调节。

[0052] 如图4和图5所示的一些实施例中，3D识别模组10被应用于3D识别装置20中，3D识别装置20包括壳体210以及设置于壳体210上的开口211。壳体210能够防止外界光干扰3D识别模组10的识别效果，同时，3D识别模组10所投影的投影光以及接收的信息光均通过开口211。在一些实施例中，开口211处还设置有一扩束透镜，实现对投影出的结构光扩束，以达到更大的投影面积，同时，也能将由被测物反射回来的变形结构光进行准直。

[0053] 如图6所述的一个实施例中，3D识别模组10也被应用于智能终端30，智能终端30包括设备外壳310，设备外壳上设置有通光孔。3D识别模组10设置于设备外壳内，且3D识别模组10的投影光通过通光孔投影至被测物。通过采用3D识别模组10，智能终端30在设备外壳310上无需分别设置投影和接收的通光孔，而是将投影、接收功能合在同一开口进行，使智能终端30具有更简易的外观以及更佳的性能，同时，也使得智能终端30在空间配置上具有更高的灵活性。

[0054] 现以图3所示的实施例对本发明的作用原理进行说明。当3D识别模组10接收到需要进行3D识别的指令时，光源121向结构光元件122发出光束，经过结构光元件122的光束被调整成结构光，该结构光射向第一分光镜130，在第一分光镜130的作用下反射至第二分光镜150，并透过第二分光镜150投影至被测物表面，由于被测物表面有特殊的深度差以及弧度等因素，结构光在被测物表面变形并被反射形成变形结构光。变形结构光依次经过第二分光镜150和第一分光镜130，到达接收单元140中的图像传感器143。随变形结构光一同进入3D识别模组10的还有经被测物表面反射的可见光，可见光经第二分光镜150反射至辅助单元160中的可见光相机中。图像传感器143及相机163将接收到的图像信息传递至系统终端，并通过算法解析计算图像信息，从而还原被测物的表面轮廓。

[0055] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0056] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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