一种激光投射模组、深度相机及电子设备的制作方法

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一种激光投射模组、深度相机及电子设备
【技术领域】
1.本技术涉及光学测距与成像技术领域，尤其涉及一种激光投射模组、深度相机及电子设备。

背景技术：

2.随着3d(3-dimension，三维)传感技术的不断发展与进步，越来越多的电子设备开始搭载3d传感技术，这不仅体现在传统的手机、平板电脑等行业，还体现在机器人(比如扫地机器人、送餐/送货机器人等)行业，特别是在当下新冠病毒肺炎疫情全球蔓延期间，送餐/送货机器人的应用更是创下历史新高。在电子设备中3d传感技术主要体现在深度成像，这通常由设置在电子设备内的激光投射模组和激光接收模组实现，其中，激光投射模组用于向目标区域发射出射光束，激光接收模组用于接收出射光束经目标区域反射的反射光束，并根据反射光束生成目标区域的深度图像，从而实现深度成像功能。
3.相关技术中，激光投射模组通常包括光源、准直透镜和光学衍射元件，其中，光源发出的光经准直透镜准直后入射至衍射光学元件，衍射光学元件将入射的光复制若干份后投射至目标区域以形成相应的散斑光场。但是，激光投射模组的视场角通常较小，主要原因有两点：第一，视场角越大，其衍射效率及最终投射出的散斑光场的能量分布下降越多；第二，视场角越大，其最终投射出的散斑光场周边的散斑密度就越小，从而导致在指定大小的匹配窗口上散斑密度无法满足算法的需求，进而导致算法无法匹配。简言之，激光投射模组较小的视场角严重限制了其在各种电子设备中的应用。
4.因此，有必要对上述激光投射模组的结构进行改进。

技术实现要素：

5.本技术提供了一种激光投射模组、深度相机及电子设备，旨在解决相关技术中激光投射模组难以满足大视场角的需求的问题。
6.为了解决上述技术问题，本技术实施例第一方面提供了一种激光投射模组，该激光投射模组包括用于投射出射光束至目标区域以形成相应的出射光场的激光投射器，激光投射器包括沿竖直方向堆叠设置的两个，两个激光投射器的光心在水平方向上重合，两个激光投射器交错设置以使两个激光投射器于水平方向上的视场范围相互拼接，使得激光投射模组于水平方向上的视场角大于单个激光投射器于水平方向上的视场角；其中，竖直方向指示两个激光投射器之间的连线方向，水平方向与竖直方向垂直。
7.在一些实施例中，激光投射器包括光源、准直元件和衍射光学元件，其中，光源用于发射出射光束，准直元件用于对出射光束进行准直以投射至衍射光学元件，衍射光学元件用于将入射的出射光束复制若干份以投射至目标区域形成相应的出射光场。
8.在一些实施例中，光源为包括呈阵列排布的多个子光源的光源阵列，其中，多个子光源优选为呈不规则的阵列排布。
9.在一些实施例中，两个激光投射器内的光源阵列中多个子光源的阵列排布形状不
同。
10.在一些实施例中，两个激光投射器内的光源阵列中多个子光源的阵列排布形状相同，且一个激光投射器内的光源阵列相对于另一个激光投射器内的光源阵列倾斜预设角度设置。
11.在一些实施例中，激光投射模组于水平方向上的视场角等于单个激光投射器于水平方向上视场角的两倍。
12.本技术实施例第二方面提供了一种深度相机，该深度相机包括本技术实施例第一方面所述的激光投射模组、采集器及控制与处理器，其中，控制与处理器用于：控制激光投射模组向目标区域发射出射光束，以及控制采集器接收出射光束经目标区域反射的反射光束，并根据反射光束生成目标区域的深度图像。
13.本技术实施例第三方面提供了一种电子设备，该电子设备包括本技术实施例第二方面所述的深度相机。
14.从上述描述可知，与相关技术相比，本技术的有益效果在于：
15.采用两个激光投射器构成一个激光投射模组，这两个激光投射器上下堆叠在一起，使得两个激光投射器的光心在竖直方向(即两个激光投射器之间的连线方向)上重合，并且这两个激光投射器在上下堆叠时交错设置，使得两个激光投射器于水平方向(与竖直方向垂直)上的视场范围相互拼接，以达到激光投射模组于水平方向上的视场角大于单个激光投射器于水平方向上的视场角的目的，相对于传统激光投射模组仅包括一个激光投射器而言，采用两个激光投射器的激光投射模组于水平方向上的视场角得到了大幅度的提升，从而拓展了激光投射模组在更多种电子设备中的应用。
【附图说明】
16.为了更清楚地说明相关技术或本技术实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本技术实施例的描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1(a)为现有激光投射模组的结构示意图；
18.图1(b)为本技术实施例提供的激光投射模组的结构示意图；
19.图2为本技术实施例提供的激光投射器的结构示意图；
20.图3为本技术实施例提供的两个激光投射器中光源阵列的第一对比图；
21.图4为本技术实施例提供的两个激光投射器中光源阵列的第二对比图；
22.图5为本技术实施例提供的深度相机的结构示意图。
【具体实施方式】
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加明显、易懂，下面将结合本技术实施例以及相应的附图，对本技术进行清楚、完整地描述，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。应当理解的是，下面所描述的本技术的各个实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即基于本技术的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申
请保护的范围。此外，下面所描述的本技术的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.图1(a)为现有激光投射模组的结构示意图。在现有方案中，为了提高激光投射模组的视场角，特别是水平视场角，通常会利用两个激光投射器10向空间区域101投射散斑图案光束，这两个激光投射器10沿水平方向(x方向)左右紧邻放置，且出射光方向为z方向，这种放置方式中，两个激光投射器10的光心1021、1022在水平方向上具有一定的间距，导致投射出的光束在空间区域101中存在无照明区域1012，且空间区域101中的1011对应为两个光束的重叠区域，则整个视场中光束分布不均匀，从而导致应用该激光投射模组的深度相机测量的精度不高。为了解决这个问题，本技术实施例提供了图1(b)所示出的一种激光投射模组，该激光投射模组仍然包括现有激光投射模组中的两个激光投射器10，并且每个激光投射器10均用于投射出射光束至目标区域以形成相应的出射光场，其中，出射光束为散斑图案光束。
25.具体地，两个激光投射器10在竖直方向(如图1(a)所示，垂直x方向和z方向所在平面的方向，即垂直纸面的方向)上堆叠设置(即一个激光投射器10设置于另一个激光投射器10上)，两个激光投射器10的光心1021和1022在水平方向上重合(由于两者在水平方向上重合，所以图1(b)仅标出了1021)，且两个激光投射器10在堆叠时交错设置以使两个激光投射器10于水平方向上的视场范围相互拼接，使得激光投射模组于水平方向上的视场角大于单个激光投射器10于水平方向上的视场角。图1(b)中两个实线箭头之间的区域1031表示一个激光投射器10在水平方向上的视场范围，两个虚线箭头之间的区域1032表示另一个激光投射器10在水平方向上的视场范围，结合图1(a)所示，现有的设置过程中，若将两个激光投射器10仅沿竖直方向堆叠，则两个激光投射器10投射出的视场范围在竖直方向上也是重叠的，且并不能起到扩大水平方向上视场的效果，因此，将两个激光投射器10交错设置，即使得两个激光投射器10投射出的光束在竖直方向上不重叠。
26.在本技术实施例中，两个激光投射器10在堆叠时交错设置，而不是对齐设置，其目的在于使得两个激光投射器10的投射方向互成一定的角度，因为只有这样两个激光投射器10在水平方向上的视场范围才能实现拼接。两个激光投射器10的光心在水平方向上重合，而不是错开，其目的在于当激光投射模组与目标区域之间的距离发生变化时，激光投射模组在目标区域上投射出的出射光场中各散斑块之间在水平方向上的距离仍然能够保持不变。此外，如果两个激光投射器10于水平方向上的视场范围仅拼接而不交叠，那么激光投射模组于水平方向上的视场角等于单个激光投射器10于水平方向上视场角的两倍；如果两个激光投射器10于水平方向上的视场范围存在交叠，那么激光投射模组于水平方向上的视场角小于单个激光投射器10于水平方向上视场角的两倍，但却依然大于单个激光投射器10于水平方向上的视场角；优选的是，两个激光投射器10于水平方向上的视场范围仅拼接而不交叠，使得激光投射模组于水平方向上的视场角等于单个激光投射器10于水平方向上视场角的两倍。
27.在实际应用中，激光投射模组最为典型的应用场景就是深度成像，可以通过本技术实施例提供的激光投射模组向目标区域发射出射光束，之后可以根据出射光束经目标区域反射的反射光束生成目标区域的深度图像，从而实现深度成像功能。
28.本技术实施例采用两个激光投射器10构成一个激光投射模组，这两个激光投射器
10上下堆叠在一起，使得两个激光投射器10的光心在水平方向上相互重合，并且这两个激光投射器10在上下堆叠时交错设置，使得两个激光投射器10于水平方向上的视场范围相互拼接，以达到激光投射模组于水平方向上的视场角大于单个激光投射器10于水平方向上的视场角的目的，相对于传统激光投射模组仅包括一个激光投射器10或者两个激光投射器左右放置时，采用两个激光投射器10的激光投射模组于水平方向上的视场角得到了大幅度的提升，且投射出的光束更均匀，从而拓展了激光投射模组在更多种电子设备中的应用。经过实验验证，本技术实施例提供的激光投射模组在水平方向上的视场角可以达到100
°
以上。
29.在一些实施例中，请进一步参阅图2，图2为本技术实施例提供的激光投射器的结构示意图。激光投射器10包括光源11、准直元件12以及衍射光学元件13，其中，光源11用于发射出射光束，准直元件12用于对出射光束进行准直以投射至衍射光学元件13，衍射光学元件13用于将入射的出射光束复制若干份以投射至目标区域形成相应的出射光场。当然，在其它实施例中，激光投射器10还可以包括本领域内常用的其它结构，比如电路板14和外壳15等，电路板14用于承载光源11及实现激光投射器10正常工作的各种电路，而外壳15用于容纳、支撑、保护电路板14、光源11、准直元件12以及衍射光学元件13等光器件。
30.在本实施例中，准直元件12可以由至少一个准直透镜组成，而光源11可以采用包括呈阵列排布的多个子光源111的光源阵列(参阅图3或图4)，对于光源阵列中多个子光源111阵列排布的形状，其可以为任意形状，包括但不限于矩形、梯形、圆形、椭圆形和多边形，本实施例对此不做唯一限定。优选的是，子光源111可以采用垂直腔面发射激光器(vcsel)，其具备体积小、功耗低等优良特性，有利于激光投射模组被集成在微型的电子设备中。此外，本实施例中光源阵列内的多个子光源111呈不规则的阵列排布，因为只有光源阵列内多个子光源111的阵列排布是不规则的，经过准直元件12准直及衍射光学元件13复制后才能向目标区域投射出散斑图案光束。
31.作为一种实施方式，请进一步参阅图3，图3为本技术实施例提供的两个激光投射器中光源阵列的第一对比图。两个激光投射器10进行出射光束的准直时准直径相同，两个激光投射器10采用相同结构的衍射光学元件13，但是两个激光投射器10内的光源阵列中多个子光源111的阵列排布形状互不相同。在图3中，图3(1)为一个激光投射器10内的光源阵列中多个子光源111的阵列排布形状，图3(2)为另一个激光投射器10内的光源阵列中多个子光源111的阵列排布形状。
32.如果两个激光投射器10内的光源阵列中多个子光源111的阵列排布形状相同，那么激光投射模组在目标区域上投射出的散斑光场中，两个激光投射器10相应的两个光场区域中会出现两个相似的散斑块，每个散斑块内散斑的分布均与光源阵列中多个子光源111的阵列分布一致，这就导致在进行相似性匹配时会出现误识别的现象，进而导致视差计算错误，因此本实施方式中两个激光投射器10内的光源阵列中多个子光源111的阵列排布形状互不相同，目的是使得激光投射模组在目标区域上投射出的散斑光场中，两个激光投射器10相应的两个光场区域中不会有相似的散斑块产生，提高了散斑光场的随机性。
33.作为另一种实施方式，请进一步参阅图4，图4为本技术实施例提供的两个激光投射器中光源阵列的第二对比图。相较上一个实施方式，本实施方式给出了提高散斑光场随机性的另一种方式，为：两个激光投射器10进行出射光束的准直时准直径相同，两个激光投射器10采用相同结构的衍射光学元件13，两个激光投射器10内的光源阵列中多个子光源
111的阵列排布形状相同，但是一个激光投射器10内的光源阵列相对于另一个激光投射器10内的光源阵列倾斜预设角度设置。在图4中，图4(1)为一个激光投射器10内的光源阵列以其外壳15为参照的放置状态，图4(2)为另一个激光投射器10内的光源阵列以其外壳15为参照的放置状态，可以看出图4(2)中的光源阵列是倾斜放置的，而为了便于理解，我们可以将图4(1)中光源阵列相对于其外壳15的放置状态称为正向放置状态，而将图4(2)中光源阵列相对于其外壳15的放置状态称为倾斜放置状态。
34.需要说明的是，上述实施方式仅作为本实施例的优选实现，其并非是对两个激光投射器10内光源阵列的设置形式的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。
35.请参阅图5，图5为本技术实施例提供的深度相机的结构示意图。本技术实施例还提供了一种深度相机，该深度相机包括发射器、采集器以及控制与处理器，且控制与处理器用于：控制发射器向目标区域发射出射光束，以及控制采集器接收出射光束经目标区域反射的反射光束，并根据反射光束生成目标区域的深度图像；其中，发射器包括本技术实施例提供的前述激光投射模组。
36.前文中提到，激光投射模组(即发射器)内的光源11可以采用包括呈不规则的阵列排布的多个子光源111的光源阵列，此种情况下控制与处理器会控制光源阵列中的全部子光源111发光以向目标区域投射散斑图案光束。可以理解的是，深度相机主要用于获取目标区域的深度图像，其需要对目标区域进行扫描，所以本技术实施例需要控制光源阵列中的全部子光源111发光，而不是控制光源阵列中的部分子光源111发光。
37.由上可见，本技术实施例提供的深度相机，其内的发射器采用了本技术实施例提供的前述激光投射模组，如此设计可以在水平方向上获得更大的视场角以满足深度相机在各种不同应用场景下的需求。
38.此外，本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括本技术实施例提供的前述深度相机。可以理解的是，当电子设备需要具有深度成像的功能时，其设置本技术实施例提供的前述深度相机即可；示例性地，对于扫地机器人、送餐/送货机器人等电子设备，其需要具有深度成像功能，此种情况下其需要设置本技术实施例提供的前述深度相机，目的是对周边的环境进行预先性地感知，也就是说深度相机会实时检测周围的环境以判断有无障碍物，以便对下一步的动作和行进路径进行规划。
39.需要说明的是，本技术内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
40.还需要说明的是，在本技术内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术内
容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本技术内容中所定义的一般原理可以在不脱离本技术内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术内容将不会被限制于本技术内容所示的这些实施例，而是要符合与本技术内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：

1.一种激光投射模组，包括激光投射器，所述激光投射器用于投射出射光束至目标区域以形成相应的出射光场；其特征在于，所述激光投射器包括沿竖直方向堆叠设置的两个，两个所述激光投射器的光心在水平方向上重合；两个所述激光投射器交错设置以使两个所述激光投射器于水平方向上的视场范围相互拼接，使得所述激光投射模组于所述水平方向上的视场角大于单个所述激光投射器于所述水平方向上的视场角；其中，所述竖直方向指示两个所述激光投射器之间的连线方向，所述水平方向与所述竖直方向垂直。2.如权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述激光投射器包括光源、准直元件和衍射光学元件，其中，所述光源用于发射所述出射光束，所述准直元件用于对所述出射光束进行准直以投射至所述衍射光学元件，所述衍射光学元件用于将入射的所述出射光束复制若干份以投射至所述目标区域形成相应的所述出射光场。3.如权利要求2所述的激光投射模组，其特征在于，所述光源为包括呈阵列排布的多个子光源的光源阵列。4.如权利要求3所述的激光投射模组，其特征在于，所述多个子光源呈不规则的阵列排布。5.如权利要求4所述的激光投射模组，其特征在于，两个所述激光投射器内的所述光源阵列中多个所述子光源的阵列排布形状不同。6.如权利要求4所述的激光投射模组，其特征在于，两个所述激光投射器内的所述光源阵列中多个所述子光源的阵列排布形状相同，且一个所述激光投射器内的所述光源阵列相对于另一个所述激光投射器内的所述光源阵列倾斜预设角度设置。7.如权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述激光投射模组于所述水平方向上的视场角等于单个所述激光投射器于所述水平方向上视场角的两倍。8.一种深度相机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的激光投射模组、采集器及控制与处理器，其中，所述控制与处理器用于：控制所述激光投射模组向目标区域发射出射光束，以及控制所述采集器接收所述出射光束经所述目标区域反射的反射光束，并根据所述反射光束生成所述目标区域的深度图像。9.如权利要求8所述的深度相机，其特征在于，所述激光投射模组内的光源为包括呈不规则的阵列排布的多个子光源的光源阵列，所述控制与处理器具体用于控制所述光源阵列中的全部所述子光源发光以使所述激光投射模组向所述目标区域投射散斑图案光束。10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的深度相机。

技术总结

本申请提供了一种激光投射模组、深度相机及电子设备。其中，激光投射模组包括激光投射器，激光投射器用于投射出射光束至目标区域以形成相应的出射光场，激光投射器包括沿竖直方向堆叠设置的两个，两个激光投射器的光心在水平方向上重合，两个激光投射器交错设置以使两个激光投射器于水平方向上的视场范围相互拼接，使得激光投射模组于水平方向上的视场角大于单个激光投射器于水平方向上的视场角。本申请能够有效地提升激光投射模组于水平方向上的视场角，从而拓展了激光投射模组在更多种电子设备中的应用。子设备中的应用。子设备中的应用。