CN106569382A - 激光投影仪及其深度相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光投影仪及其深度相机。该投影仪包括：基底、至少两个发光元件、控制器、至少两个透镜及衍射光学元件；至少两个发光元件固定在基底面向衍射光学元件一侧，且在控制器的控制下发射激光；衍射光学元件设置在与基底间隔第一距离的位置上，用于上述激光扩束后发射激光图案；至少两个透镜设置于基底与衍射光学元件之间和/或衍射光学元件背向基底的一侧，用于聚焦和/或准直上述激光，且设置至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与至少两个发光元件间隔的第二距离。该投影仪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，从而提高其深度相机获取深度图像的速度及精度。

Description

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，包括：基底、至少两个发光元件、控制器、至少两个透镜及衍射光学元件；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；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；所述至少两个透镜设置于所述基底与所述衍射光学元件之间；
所述发光元件在所述控制器的控制下发射激光；所述至少两个透镜用于聚焦和/或准直由所述至少两个发光元件发射出的激光，其中所述至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与所述至少两个发光元件间隔的第二距离；所述衍射光学元件用于将经所述至少两个透镜聚焦和/或准直之后的激光扩束后向空间中发射激光图案。
其中，所述至少两种不同的焦距中的最大值与最小值的差值小于设定的第一阈值。
其中，所述至少两种不同的第二距离中的最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。
其中，所述激光投影仪进一步包括：设置在所述衍射光学元件背向所述基底的一侧的具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与所述衍射光学元件间隔的第三距离的至少两个透镜。
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，所述至少两个透镜与所述至少两个发光元件成一对一或一对多的对应关系。
其中，所述发光元件为垂直腔面发射激光器。
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。
为解决上述技术问题，本发明还提供另一种激光投影仪，包括：基底、至少两个发光元件、控制器、至少两个透镜及衍射光学元件；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；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；所述至少两个透镜设置于所述衍射光学元件背向所述基底的一侧；
所述发光元件在所述控制器的控制下发射激光；所述衍射光学元件用于将所述至少两个发光元件发射出的激光扩束；所述至少两个透镜用于聚焦和/或准直由所述衍射光学元件扩束后的激光向空间中发射激光图案，其中所述至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与所述至少两个发光元件间隔的第二距离。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种深度相机，包括：图像采集单元、处理器及所述的激光投影仪；
所述图像采集单元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，同时通过设置至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或具有至少两种不同的透镜与发光元件之间的距离使得通过至少两个透镜的激光具有至少两种不同的束腰半径及扩散角，该激光通过衍射光学元件的扩束后能发射形成具有至少两种发光面积的激光图案，从而提高激光投影仪发射的激光图案的不相关性，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第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是本发明激光投影仪中透镜阵列一实施例的结构示意图；
图4是图1实施例中发光元件的分布示意图；
图5是本发明激光投影仪第二实施例的结构示意图
图6是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第一实施例的示意图；
图7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8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9是本发明激光投影仪第三实施例的结构示意图
图10是图9实施例中激光图案的示意图；
图11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、至少两个透镜151、152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；至少两个透镜151、152设置于基底10与衍射光学元件14之间。
其中，至少两个发光元件11、12在控制器13的控制下发射激光,至少两个透镜151、152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，图中所示的至少两个透镜151、152具有至少两种不同的焦距，当然至少两个透镜151、152也可以具有至少两种不同的与至少两个发光元件11、12间隔的第二距离，或者同时具有不同的焦距和第二距离；衍射光学元件14用于将经至少两个透镜151、152聚焦和/或准直后的激光扩束后向空间中发射激光图案。
经过透镜的聚焦和/或准直之后的激光的束腰半径及扩散角与透镜的焦距及入射激光的光源与透镜之间的间距有关。本实施例中激光经过具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与发光元件间距的至少两个透镜聚焦和/或准直之后会具有至少两种束腰半径及扩散角的成像激光，从而使该激光发射的激光图案中包括至少两种不同尺寸大小的光束，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。
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的不相关性或图案子区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，各图案子区21、22、23的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。
透镜的焦距主要由制作透镜的材料折射率、空气折射率、透镜表面的曲率半径决定。可选地，本实施例中可以通过设置至少两个透镜151、152的曲率半径不同而获得至少两种不同的焦距，当然，也可采用至少两种不同的透镜材质等方法获得至少两种不同的焦距。
可选地，参阅图3，本实施例中可采用将至少两个透镜151、152设置在至少两个平行于基底10的平面153、154上，以获得至少有两种不同的至少两个透镜151、152与至少两个发光元件11、12间隔的第二距离，当然也可以采用其它设置方式来代替此方式。
可选地，至少两种不同的焦距的最大值与最小值的差值小于设定的第一阈值，以保证成像质量。
可选地，至少两个透镜151、152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。一般来说，透镜与发光元件成一对多的对应关系时，是指单个透镜对应多个发光元件；当然也可以是指单个发光元件对应多个透镜。
可选地，至少两个透镜151、152与至少两个发光元件11、12的第二距离的最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。该第二阈值可根据投影仪设计需求设定。
参阅图4、图2，图4是图1实施例中发光元件分布示意图。可选地，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经具有至少两种不同焦距和/或至少两种不同的与发光元件11、12间隔的第二距离的至少两种透镜151、152对激光聚焦和/或准直而获得的(具体原理在上述实施例中已说明)，因此，该散斑颗粒图案中至少具有两种不同的不同尺寸大小的颗粒24、25。
可选地，参阅图5，基于图1实施例，可在基底10与衍射光学元件14之间设置至少两个透镜151、152的同时，在衍射光学元件14背向基底10的一侧进一步设置至少两个透镜51、52，图中所示的至少两个透镜51、52分别具有至少两种不同的焦距，当然至少两个透镜51、52也可以具有至少两种不同的与衍射光学元件14之间的第三距离，或者同时具有至少两种不同的焦距与第三距离。该设置方式在满足激光投影仪集成度的同时能进一步提高激光图案的不相关性。
可选地，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。此外，发光元件11、12发出的激光可以具有不同的束腰半径和/或扩散角和/或波长，以进一步提高激光图案的不相关性。
参阅图6至图8，可选地，可用控制器13整体控制至少两个发光元件11、12工作(如图6所示)。当然也可用至少两个控制器13、70分组控制至少两个发光元件11、12工作(如图7所示)，或者用至少两个控制器13、70分别单独控制至少两个11、12工作(如图8所示)。此控制方式可以依据激光投影仪本身设计需求或某些功能参数而定。
参阅图9，在另一个实施例中，在衍射光学元件14背向基底10的一侧设置至少两个透镜91、92(本实施例激光投影仪的其它组成部分与图1实施例中除至少两个透镜151、152之外的其它组成部分具有相同的设置方式及工作原理，这里不再重复叙述)，这种设置方式能更有利于提高激光投影仪的集成度，图中所示的至少两个透镜91、92具有至少两种不同的焦距，当然至少两个透镜91、92也可以具有至少两种不同的与至少两个发光元件11、12之间的间距，或者同时具有不同的焦距和与发光元件11、12之间的间距，以进一步提高激光图案的不相关性。
可选地，本实施例中可采用将至少两个透镜91、92设置在至少两个平行于基底10的不同平面上，以获得至少有两种不同的至少两个透镜91、92与至少两个发光元件11、12之间的间距，当然也可以采用其它设置方式来代替此方式。
可选地，至少两种不同的焦距的最大值与最小值的差值小于设定的第一阈值，以保证成像质量。
可选地，至少两个透镜91、92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。
可选地，至少两个透镜91、92与至少两个发光元件11、12的第二距离的最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。该第二阈值可根据投影仪设计需求设定。
可选地，参与图10，衍射光学元件14发射的激光图案为散斑颗粒图案，因为至少两个透镜101、102具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与至少两个发光元件11、12之间的间距，因此，该散斑颗粒图案中至少具有两种不同的不同尺寸大小的颗粒101、102。
可选地，发光元件11、12为垂直腔面发射激光器。
可选地，可用控制器13整体控制至少两个发光元件11、12工作。当然也可用至少两个控制器分组或单独控制至少两个发光元件11、12工作。此控制方式可以依据激光投影仪本身设计需求或某些功能参数而定。
区别于现有技术，上述实施例激光投影仪利用至少两种不同的发光元件来满足激光投影仪的输出功率及体积要求，同时通过设置至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或具有至少两种不同的透镜与发光元件之间的距离使得通过至少两个透镜的激光具有至少两种不同的束腰半径及扩散角，该激光通过衍射光学元件的扩束后能发射形成具有至少两种发光面积的激光图案，从而提高激光投影仪发射的激光图案的不相关性，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。
区别于现有技术，上述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。
参阅图11，图11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111、处理器112及激光投影仪113；
其中，激光投影仪113为图1实施例或图9实施例的激光投影仪，其构成及工作原理在这里不重复叙述。
图像采集器111主要用于采集由激光投影仪113向目标空间中投射的激光图案，可选地，图像采集器111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112用于通过对该激光图案进行处理得到深度图像。
可选地，处理器112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基于具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与发光元件间隔的第二距离的至少两个透镜的激光投影仪向目标空间中投射的激光图案，该激光图案是至少两个发光元件发射的激光经具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与发光元件间距的至少两个透镜后，获得具有至少两种不同的束腰半径及扩散角的激光经衍射光学元件的扩束后形成的，因此该激光图案具有至少两种不同面积的图案，相关性较高。该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，能够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、至少两个透镜及衍射光学元件；
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；
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；
所述至少两个透镜设置于所述基底与所述衍射光学元件之间；
所述发光元件在所述控制器的控制下发射激光；
所述至少两个透镜用于聚焦和/或准直由所述至少两个发光元件发射出的激光，其中所述至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与所述至少两个发光元件间隔的第二距离；
所述衍射光学元件用于将经所述至少两个透镜聚焦和/或准直之后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，
所述至少两种不同的焦距中的最大值与最小值的差值小于设定的第一阈值。
3.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于，
所述至少两种不同的第二距离中的最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。
4.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：
设置在所述衍射光学元件背向所述基底的一侧的具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与所述衍射光学元件间隔的第三距离的至少两个透镜。
5.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。
6.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于，
所述至少两个透镜与所述至少两个发光元件成一对一或一对多的对应关系。
7.根据权利要求1至6任一项所述的激光投影仪，其特征在于，
所述发光元件为垂直腔面发射激光器。
8.根据权利要求1至6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。
9.一种激光投影仪，其特征在于，包括：
基底、至少两个发光元件、控制器、至少两个透镜及衍射光学元件；
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；
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；
所述至少两个透镜设置于所述衍射光学元件背向所述基底的一侧；
所述发光元件在所述控制器的控制下发射激光；
所述衍射光学元件用于将所述至少两个发光元件发射出的激光扩束；
所述至少两个透镜用于聚焦和/或准直由所述衍射光学元件扩束后的激光向空间中发射激光图案，其中所述至少两个透镜具有至少两种不同的焦距和/或至少两种不同的与所述至少两个发光元件间隔的第二距离。
10.一种深度相机，其特征在于，包括：
图像采集单元、处理器及权利要求1至9任一项所述的激光投影仪；
所述图像采集单元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得到深度图像。
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