CN106568396A - 一种激光投影仪及其深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光投影仪及其深度相机。该激光投影仪包括：基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；衍射光学元件设置在与基底间隔第一距离的位置上；其中，至少两个发光元件固定在基底面向衍射光学元件一侧；至少两个发光元件在控制器的控制下发射激光，且至少两个发光元件具有至少两种不同的发光面积；衍射光学元件用于将至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。该激光投影仪通过设置至少两个发光元件满足其输出功率要求，且通过设置至少两种发光面积提高激光图案的不相关性，从而进一步提高其深度相机获取该激光图案的深度图像的速度及精度。

Description

一种激光投影仪及其深度相机

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种激光投影仪及其深度相机。

背景技术

激光投影仪被用来向目标空间发射设定的光学图案，在基于光学的三维测量领域，激光投影仪得到了广泛应用。激光投影仪一般由光源、准直镜以及衍射光学元件组成，其中光源可以是单个边发射激光光源也可以是由多个垂直腔面发射激光组成的面阵激光光源等。

基于单个边发射激光光源的激光投影仪能够发射不相关性较高的激光图案，但其体积会随着输出功率的增大而明显增大，且该激光图案的均匀性较差；而基于由至少两个垂直腔面发射激光光源的激光投影仪可以以更小的体积发射出相同功率且具有更高均匀性的激光图案，但该激光图案的不相关性较低，而激光图案的不相关性的高低直接影响着其深度图像精度的高低及获取速度的快慢。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种激光投影仪及其深度相机，以解决现有技术中为满足激光投影仪的输出功率及体积要求，而导致其发射的激光图案的不相关性降低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光投影仪，所述激光投影仪包括：基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；

其中，所述衍射光学元件设置在与所述基底间隔第一距离的位置上；

其中，所述至少两个发光元件固定在所述基底面向所述衍射光学元件一侧；

所述至少两个发光元件在所述控制器的控制下发射激光，且所述至少两个发光元件具有至少两种不同的发光面积；

所述衍射光学元件，用于将所述至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。

其中，所述激光投影仪进一步包括透镜，所述透镜与所述基底间隔第二距离。

其中，所述透镜为微透镜阵列。

其中，所述微透镜阵列中的微透镜单元与所述发光元件成一对一或一对多的对应关系。

其中，所述第二距离大于所述第一距离。

其中，所述发光元件为垂直腔面发射激光器。

其中，所述控制器对所述至少两个发光元件进行单独控制、分组控制，或者整体控制。

其中，所述衍射光学元件发射的激光图案为散斑颗粒图案，所述散斑颗粒图案中颗粒至少具有两种不同的尺寸大小。

其中，所述至少两个发光元件的最大发光面积与最小发光面积的比值小于3。

为解决上述技术问题，本发明提供一种深度相机，所述深度相机包括图像采集器、处理器及所述的激光投影仪；

所述处理器分别与所述图像采集器、及所述激光投影仪连接；

其中，所述图像采集器用于采集由所述激光投影仪向目标空间中投射的所述激光图案；

所述处理器用于通过对所述激光图案进行处理而得到深度图像。

本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明一种激光投影仪及其深度相机通过使用至少两个发光元件满足激光投影仪的输出功率及体积要求，同时通过设置该至少两个发光元件的发光面积不同，而提高激光投影仪发射的激光图案的不相关性，从而进一步提高其深度相机获取该激光图案的深度图像的速度及精度。

附图说明

图1是本发明激光投影仪一实施例的结构示意图；

图2是图1实施例中激光图案的示意图；

图3是图1实施例中发光元件分布示意图；

图4是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第一实施例的示意图；

图5是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第二实施例的示意图；

图6是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第三实施例的示意图；

图7是本发明深度相机一实施例的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，图1是本发明激光投影仪一实施例的结构示意图。

本实施例激光投影仪包括基底10、至少两个发光元件11与12、控制器13及衍射光学元件14；

其中，衍射光学元件14设置在与基底10间隔第一距离的位置上；至少两个发光元件11、12固定在基底10面向衍射光学元件14的一侧；

至少两个发光元件11、12在控制器13的控制下发射激光，且至少两个发光元件11、12具有至少两种不同的发光面积；衍射光学元件14用于将至少两个发光元件11、12发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。

本实施例激光投影仪利用至少两种不同发光面积的发光元件11、12产生具有至少两种不同发光面积的激光图案，能够在满足输出功率及体积要求的同时，提高激光图案的不相关性，因为至少两种发光元件组成的光源能增加激光投影仪的输出功率，而满足激光投影仪的体积要求，同时，基于至少两种发光面积的激光投影仪能发射的激光图案的不相关性更高。

进一步对图1实施例中激光图案的不相关性进行说明。参阅图2，图2是图1实施例中激光图案的示意图，该激光图案的不相关性是指其各图案子区21、22、23具有较高的唯一性，此唯一性包括激光图案的形状、大小、排列位置等的唯一性。从图2中可以看出，图案子区21与22的不相关性小于图案子区21与23的不相关性或区22与23的不相关性。在本实施例中图案子区没有穷举，且该图案子区大小可以是7x7、11x11等像素大小，该图案子区大小依据激光投影仪对发射的激光图案的不相关性的具体要求而定。

参阅图3、图2，图3是图1实施例中发光元件分布示意图。可选的，衍射光学元件14发射的激光图案为散斑颗粒图案，由于该散斑颗粒图案是由具有至少两种不同发光面积的至少两个发光元件11、12发射的，因此，该散斑颗粒图案中至少具有两种不同尺寸大小的颗粒24、25。

可选的，发光元件11、12为垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器是一种垂直表面出光的新型激光器。与传统边发射激光器相比，该激光器发光方向与基底垂直，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，且由于其较之于边发射型激光器拥有更小的体积，从而可以更加便利地被集成到小型电子元器件中；同时该激光器与光纤的耦合效率高，而不需要复杂昂贵的光束整形***，且制造工艺与发光二极管兼容，大大降低了生产成本。

可选的，垂直腔面发射激光器的发光面积可由电流限制孔径来控制，因此，可通过控制电流限制孔径来达到对发光面积大小的控制。当然也可以采用其他方式控制垂直腔面发射激光器的发光面积的大小。

参阅图4至图6，可选的，可用过控制器13整体控制至少两个发光元件11、12工作（如图4所示）。当然也可用至少两个控制器13、50分组控制至少两个发光元件11、12工作（如图5所示），或者用至少两个控制器13、50分别单独控制至少两个11、12工作（如图6所示）。

其中，上述分组控制是依据至少两个发光元件11、12的发光面积大小进行的，也可以采用其他依据对至少两个发光元件11、12进行分组。

可选的，至少两个发光元件11、12的最大发光面积与最小发光面积的比值一般小于3，该比值可根据实际操作需要设定。

本实施例激光投影仪还包括透镜15，透镜15与基底10间隔第二距离。

其中，透镜15为微透镜阵列，微透镜阵列15中的多个微透镜151与至少两个发光元件11、12成一对一的对应关系或一对多的对应关系。当然，透镜15也可以是单个透镜。在其它实施例中，透镜15也可以省去。

此外，第二距离与第一距离的大小不予以限制。在一种实施例中，第二距离小于第一距离，即透镜15位于发光元件11、12与衍射光学元件14之间，用于聚焦和/或准直由至少两个发光元件11、12发射出的激光，这样设置的好处是可以进一步增加发光元件的所发出光束的准直性，这种情形如图1所示。在另一种实施例中，第二距离也可以大于第一距离，即透镜15位于发光元件11、12以及衍射光学元件14的外侧，用于聚焦和/或准直衍射光学元件14发射出的激光。一般地，要求发光元件位于透镜的焦距上，因而当透镜的焦距相同时，这种设置可以进一步减小整个激光投影仪的体积。

区别于现有技术，本实施例激光投影仪利用至少两种发光元件来满足激光投影仪的输出功率及体积要求，同时设置至少两种发光面积发射激光图案，使得激光投影仪发射的激光图案的不相关性提高。

区别于现有技术，本实施例激光投影仪采用垂直腔面发射激光器作为光源，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现在不增大激光投影仪体积的同时使得该激光投影仪具有更高功率输出，且生产成本较低，也可以实现保证相同输出功率的同时具有更小的体积；垂直腔面发射激光器可通过控制电流限制孔径来实现对发光面积大小的控制，从而进一步提高了该激光投影仪发射的激光图案的不相关性。

参阅图7，图7是本发明深度相机一实施例结构示意图。

本实施例深度相机包括图像采集器70、处理器71及激光投影仪72；

其中，激光投影仪72为图1实施例激光投影仪，其构成及工作原理在这里不重复叙述。

图像采集器70主要用于采集由激光投影仪72向目标空间中投射的激光图案，可选的，图像采集器70为红外相机，当然也可以使用其他图像采集设备替代红外相机。

处理器71用于通过对该激光图案进行处理得到深度图像。

可选的，处理器71采用图像匹配算法计算出该激光图案各像素点与参考图案中的对应各个像素点的偏离值，根据该偏离值进一步获得该激光图案的深度图像。

其中，该图像匹配算法采用数字图像相关（DIC）算法。当然也可以采用其它图像匹配算法代替DIC算法。

区别于现有技术，本实施例深度相机利用图像采集器采集由具有至少两种发光面积的激光投影仪向目标空间中投射的激光图案，通过处理器对该激光图案进行处理得到深度图像，由于该激光图案的不相关性较高，从而提高深度相机获取该激光图案的速度及精度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光投影仪，其特征在于，包括：

基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；

所述衍射光学元件设置在与所述基底间隔第一距离的位置上；

其中，所述至少两个发光元件固定在所述基底面向所述衍射光学元件一侧；

所述至少两个发光元件在所述控制器的控制下发射激光，且所述至少两个发光元件具有至少两种不同的发光面积；

所述衍射光学元件，用于将所述至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。

2.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于，

进一步包括透镜，所述透镜与所述基底间隔第二距离。

3.根据权利要求2所述的激光投影仪，其特征在于，

所述透镜为微透镜阵列。

4.根据权利要求3所述的激光投影仪，其特征在于，

所述微透镜阵列中的微透镜单元与所述发光元件成一对一或一对多的对应关系。

5.根据权利要求2所述的激光投影仪，其特征在于，

所述第二距离大于所述第一距离。

6.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于，

所述发光元件为垂直腔面发射激光器。

7.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于，

所述控制器对所述至少两个发光元件进行单独控制、分组控制，或者整体控制。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的激光投影仪，其特征在于，

所述衍射光学元件发射的激光图案为散斑颗粒图案，所述散斑颗粒图案中颗粒至少具有两种不同的尺寸大小。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的激光投影仪，其特征在于，

所述至少两个发光元件的最大发光面积与最小发光面积的比值小于3。

10.一种深度相机，其特征在于，包括图像采集器、处理器及如权利要求1至9任一项所述的激光投影仪；

所述处理器分别与所述图像采集器、及所述激光投影仪连接；

其中，所述图像采集器用于采集由所述激光投影仪向目标空间中投射的所述激光图案；

所述处理器用于通过对所述激光图案进行处理而得到深度图像。