红外3D探测发射端模组及深度相机

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，具体而言，涉及一种红外3D探测发射端模组及深度相机。

背景技术

3D成像技术是新一代人机交互技术的核心，其除了拥有对目标物体进行2D成像能力之外还可以获取目标物体的深度信息，根据深度信息可以进一步实现3D扫描、场景建模、手势交互等功能。随着移动终端设备对3D成像技术的硬性需求，深度相机将会被广泛应用于移动终端设备中。

其中，红外3D探测发射端模组是基于结构光深度相机中的核心设备，其主要是对光源组发射出光束经过准直后，出射多束方向不同的平面光，再配合光束整形器，最终形成点阵投影器，把上万个点投影到被测物体上。通过对这些点进行识别以还原被测物体的三维信息。通常，结构光投影模组的大小、耗能以及性能决定了深度相机的体积、功耗以及性能。然而，现有的红外3D探测发射端模组的整体体积较大，且其大范围投影区域内光强分布的均匀性也难以得到保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外3D探测发射端模组及深度相机，该红外3D探测发射端模组及深度相机能够提升红外3D探测发射端模组的集成度，进而缩小红外3D探测发射端模组的整体体积。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的一方面，提供一种红外3D探测发射端模组，该红外3D探测发射端模组包括光源组和依次沿光源组的出光方向设置的准直镜和光束整形器，其中，准直镜上划分有至少两个第一光学区域，光源组包括至少两组，每组光源组与一个第一光学区域对应；光源组用于朝向对应的第一光学区域发射光束；准直镜通过第一光学区域对光束进行准直和偏转，以呈预设角度出射平行光束；光束整形器用于对自第一光学区域出射的光束进行整形，并将整形后的整形光束投射至待测物体上。该红外3D探测发射端模组能够提升红外3D探测发射端模组的集成度，进而缩小红外3D探测发射端模组的整体体积。

可选地，光束整形器为衍射光学元件。

可选地，光源组包括至少一个点光源或者至少一个光源阵列。

可选地，光源组为线光源或者面光源。

可选地，相邻两个第一光学区域之间部分交叠形成有交叠区域，交叠区域能够分别对相邻两个第一光学区域各自对应的光源组入射的光束进行准直和偏转。

可选地，红外3D探测发射端模组还包括至少两个光调制器，光调制器与光源组一一对应。

可选地，光束整形器上划分有至少两个第二光学区域，且第二光学区域与第一光学区域一一对应。

可选地，准直镜上设有两个或三个第一光学区域。

可选地，每个第一光学区域内的各点位置对光束的偏转作用相同。

本发明的一方面，提供一种深度相机，该深度相机包括上述的红外3D探测发射端模组。该深度相机能够提升红外3D探测发射端模组的集成度，进而缩小红外3D探测发射端模组的整体体积。

本发明的有益效果包括：

本申请提供了一种红外3D探测发射端模组，该红外3D探测发射端模组包括光源组和依次沿光源组的出光方向设置的准直镜和光束整形器，其中，准直镜上划分有至少两个第一光学区域，光源组包括至少两组，每组光源组与一个第一光学区域对应；光源组用于朝向对应的第一光学区域发射光束；准直镜通过第一光学区域对光束进行准直和偏转，以呈预设角度出射平行光束；光束整形器用于对自第一光学区域出射的光束进行整形，并将整形后的整形光束投射至待测物体上。这样，在使用时，每组光源组发射的光束，会照射到准直镜与该光源组对应的第一光学区域上，从而通过该第一光学区域的准直(或收束)和特定方向的偏折，入射至光束整形器，然后，再通过光束整形器对光束进行整形，最后将整形后的光束投射至待测物体上。本申请通过将准直镜进行区域划分(即划分为至少两个第一光学区域)，可以在不需要真实的焦点的情况下依然能够实现远场衍射，相比于现有技术中需要借助普通准直镜达到成像的效果，从而对光路的纵向长度有限制而言(现有技术通常需要光源到准直镜的距离约等于焦距)，本申请提出从远场衍射来设计新型准直镜的思路，可以突破这个限制，以小于焦距的纵向长度，实现同样的光学效果，因此本申请在光路集成性上有进一步的提高，可以有效缩小红外3D探测发射端模组的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的红外3D探测发射端模组的光路示意图之一；

图2为本发明实施例提供的光源组和准直镜的结构示意图之一；

图3为本发明实施例提供的光源组和准直镜的结构示意图之二；

图4为本发明实施例提供的光源组和准直镜的结构示意图之三；

图5为图4的出射光斑示意图；

图6为本发明实施例提供的发散型准直镜对应的远场衍射的光路图；

图7为本发明实施例提供的任意偏折的准直镜对应的远场衍射的光路图；

图8为现有技术提供的普通准直镜远场衍射的光路图；

图9为本发明实施例提供的光源组和准直镜的光路示意图；

图10为本发明实施例提供的红外3D探测发射端模组的并联光路示意图；

图11为本发明实施例提供的红外3D探测发射端模组的并联光路的出射光斑示意图；

图12为本发明实施例提供的交叠区域的示意图；

图13为本发明实施例提供的红外3D探测发射端模组的光路示意图之二；

图14为本发明实施例提供的红外3D探测发射端模组的光路示意图之三。

图标：10-光源组；20-准直镜；21-第一光学区域；22-交叠区域；30-光束整形器；31-第二光学区域；L-光源组和准直镜的间距；EFL-等效焦距。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供一种红外3D探测发射端模组，该红外3D探测发射端模组包括光源组10和依次沿光源组10的出光方向设置的准直镜20和光束整形器30，其中，准直镜20上划分有至少两个第一光学区域21，光源组10包括至少两组，每组光源组10与一个第一光学区域21对应；光源组10用于朝向对应的第一光学区域21发射光束；准直镜20通过第一光学区域21对光束进行准直和偏转，以呈预设角度出射平行光束；光束整形器30用于对自第一光学区域21出射的光束进行整形，并将整形后的整形光束投射至待测物体上。该红外3D探测发射端模组能够提升红外3D探测发射端模组的集成度，进而缩小红外3D探测发射端模组的整体体积。

其中，每组光源组10均与一个第一光学区域21对应。同时，需要说明的是，在本实施例中，光源组10可以包括至少一个点光源或者至少一个光源阵列。需要说明的是，本申请提供的红外3D探测发射端模组通常是应用于红外波段的，这样则要求光源组10发出的光束对应属于红外波段。例如，当光源组10包括一个点光源时，则应该是一个第一光学区域21对应一个点光源，如图2所示；当光源组10包括两个点光源时，则应该是一个第一光学区域21对应两个点光源，如图3所示；当光源组10包括一个光源阵列时，则应该是一个第一光学区域21对应一个光源阵列，如图4所示，对应地，通过图4所示的红外3D探测发射端模组的结构，可以得到如图5所示的光斑图。

当然，当多个点光源对应一个第一光学区域21时，对应地，光源组10也应该包括多个光源。例如，可以是光源组10包括三个点光源、四个点光源或者五个点光源等。

还有，上述光源组10也可以为线光源或者面光源。同上，当光源组10为线光源或者面光源时，也可以包括一个或多个。

准直镜20设于光源组10的出光方向上，其用于对光源组10出射的光束进行准直和偏转。具体地，在本实施例中，该准直镜20上划分有至少两个第一光学区域21，如图1所示(图1示出的是准直镜20被划分为三个第一光学区域21的情况)。

需要说明的是，本申请对准直镜20的区域的划分数量不做限定，本领域技术人员可以根据情况而定，例如将准直镜20划分为两个第一光学区域21、三个第一光学区域21或者四个第一光学区域21等。

准直镜20上的多个第一光学区域21分别用于对与各自对应的光源组10发生的光束进行准直和偏转，从而使得以预设角度出射平行光束。

光束整形器30用于对第一光学区域21出射的光束进行整形，并将整形后的光束投射至待测物体上，例如进行人脸识别时，对应地，则是将整形后的光束投射至人脸上。可选地，光束整形器30可以为衍射光学元件或者折射光学元件等，以实现多种光学功能。

需要说明的是，本申请提供的新型的准直镜20(即为划分有至少两个第一光学区域21的准直镜20)，其在空间上具有准直的效果，但是并非得具有真实的焦点。因为红外3D探测发射端模组的工作距离相比于其本身的结构尺寸来说大很多，因此其属于光的远场衍射。所以，对于本申请的准直镜20的设计和评测，应该以远场衍射的斑点分布来判断。

如图6至图8所示，图6为发散型准直镜20对应的远场衍射的光路图，图7为任意偏折的准直镜20对应的远场衍射的光路图，图8为普通准直镜远场衍射的光路图。可以看出，图6和图7示出的两种新型准直镜20和图8示出的普通准直镜形成的远场衍射是基本一致的，对于结构光这种使用远场衍射的应用都是可行的方案。也就是说，通过本申请提供的红外3D探测发射端模组其可以不用依赖“焦距”，只要能在远场衍射中出现需要的图案即可。本申请提供的划分有第一光学区域21的准直镜20，其甚至可以是发散的，随意排布的，如图6和图7所示，这些都可以得到同样符合条件的远场衍射。

但同时，本申请通过对准直镜20进行合理的区域的划分(即第一光学区域21的划分)，其可以实现压缩整个红外3D探测发射端模组的体积的效果。如图9所示，该每组光源组10发射的光束经过各自对应的第一光学区域21的准直和偏转之后，光束都朝向中心光轴传播，来自不同第一光学区域21的光束的会聚点即为等效焦点(并非真实的焦点)，这时准直镜20和该等效焦点的距离则为等效焦距EFL。而普通的准直镜则会以未准直的光束会聚于中心光轴的焦点处，其具有真实的焦点。这样一来，本申请通过具有至少两个第一光学区域21的准直镜20可以避免现有技术中因具有真实焦点而导致的整个红外3D探测发射端模组的体积较大的问题。

另外，需要说明的是，示例地，如图1所示，当将准直镜20划分为三个第一光学区域21时，则对应地，每个第一光学区域21对光束的偏转方向可以相同也可以不同。

例如，当需要三个第一光学区域21对各自区域的光束的偏转方向不同时，则对应地，可以通过对三个第一光学区域21的各自结构进行单独设计以实现不同方向的偏转。由于第一光学区域21对光束的偏转方向不同则对应的第一光学区域21自身的结构也不同，因此，关于每个第一光学区域21自身的结构的设计应该遵循实际情况而定，在实际应用时，本领域技术人员可根据每个第一光学区域21的偏转方向对对应的第一光学区域21的结构进行设计，故本申请对第一光学区域21的结构不做限制。

当然，在本实施例中，上述每个第一光学区域21内的各点位置对光束的偏转作用也可以相同。

请再结合参照图10和图11所示，图10中示出了两组光源组10分别对应两个第一光学区域21，且准直镜20的两个第一光学区域21的偏转角度相同(具体地，其偏转角度都为0°，即不偏转)，这样，则可以对应得到两路并联的光路。其中，这两路并联的光路的远场衍射光强分布应该是相同的。又由于这两路光路互不相干，因此他们的远场衍射可以直接按照光强进行叠加(如图11所示)，这样可以得到衍射级点阵，而该衍射级点阵各衍射级光强则为两个光路对应衍射级的和。如此，便可以形成一种互补型机制，当一个光路出现误差时，可以由其他光路去补偿。只有当所有光路都出现一样的误差时，才会在最后的光效上有明显的表现。

在此基础上，可以对应地将光束整形器30也进行区域划分，即，光束整形器30上划分有至少两个第二光学区域31，且第二光学区域31与第一光学区域21一一对应，如图14所示。其中，每个第二光学区域31各自的结构可以相同也可以不同。

其中，当每个第二光学区域31各自的结构不同时，则通常这每个第二光学区域31的加工误差或任意随机误差出现造成的影响一般也不相同，如此一来，则可以使得本申请提供的红外3D探测发射端模组很难出现同一种光学误差。这时，上述并联的光路结构带来的互补效应便可以极大地提高了光学系统的均匀性和稳定性。

综上所述，本申请提供了一种红外3D探测发射端模组，该红外3D探测发射端模组包括光源组10和依次沿光源组10的出光方向设置的准直镜20和光束整形器30，其中，准直镜20上划分有至少两个第一光学区域21，光源组10包括至少两组，每组光源组10与一个第一光学区域21对应；光源组10用于朝向对应的第一光学区域21发射光束；准直镜20通过第一光学区域21对光束进行准直和偏转，以呈预设角度出射平行光束；光束整形器30用于对自第一光学区域21出射的光束进行整形，并将整形后的整形光束投射至待测物体上。这样，在使用时，每组光源组10发射的光束，会照射到准直镜20与该光源组10对应的第一光学区域21上，从而通过该第一光学区域21的准直(或收束)和特定方向的偏折，入射至光束整形器30，然后，再通过光束整形器30对光束进行整形，最后将整形后的光束投射至待测物体上。本申请通过将准直镜20进行区域划分(即划分为至少两个第一光学区域21)，可以在不需要真实的焦点的情况下依然能够实现远场衍射，相比于现有技术中需要借助普通准直镜达到成像的效果，从而对光路的纵向长度有限制而言(现有技术通常需要光源组和准直镜的间距L离约等于焦距)，本申请提出从远场衍射来设计新型准直镜20的思路，可以突破这个限制，以小于焦距的纵向长度，实现同样的光学效果，因此本申请在光路集成性上有进一步的提高，可以有效缩小红外3D探测发射端模组的体积。

还有，在本实施例中，可选地，如图12所示，相邻两个第一光学区域21之间部分交叠形成有交叠区域22，交叠区域22能够分别对相邻两个第一光学区域21各自对应的光源组10入射的光束进行准直和偏转。

其中，需要说明的是，上述交叠区域22的结构的设计本领域技术人员可以根据相邻两个第一光学区域21各自所需的光学特性设计，本申请对其具体的结构不做限定，只要能使得交叠区域22能够同时具有相邻两个第一光学区域21的光学特性即可，换言之，当其中每个光源组10的光束入射至与其对应的第一光学区域21后，其偏转方向和准直效果应该不会改变(即与入射至未交叠的该第一光学区域21时应该是一样的)。

本申请通过将相邻两个第一光学区域21之间呈部分交叠设计，可以使得本申请的红外3D探测发射端模组具有一定的容差性，其不一定需要有明显的边界，只需要当红外3D探测发射端模组工作时各个光源组10有超过50％的光强都分布在各自对应的第一光学区域21内，即视作从设计上划分了准直镜20的区域，这样，可以有效简化准直镜20上的第一光学区域21的分割方式。

传统的红外3D探测发射端模组，其光源本质上属于同一光路，故难以实现分区照明，本申请在分割准直镜20为至少两个第一光学区域21，且对应每个第一光学区域21设置其独立的光源组10，其可以使得光路被分割为多个独立的子光路，故可以容易地实现分区照明的效果。

具体地，请参照图13，为了便于实现分区照明，在本实施例中，红外3D探测发射端模组还包括至少两个光调制器(图未示)，光调制器与光源组10一一对应。

其中，光调制器用于调节光源组10的光学参数(例如调节每组光源组10的颜色、强度等)，以根据需要使得每组光源组10能够以特定的方式发出光束。

本发明还提供了一种深度相机，该深度相机包括上述的红外3D探测发射端模组。该深度相机能够提升红外3D探测发射端模组的集成度，进而缩小红外3D探测发射端模组的整体体积。

由于上述的红外3D探测发射端模组的具体结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述，故在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。