CN108646429A - 一种结构光投影仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构光投影仪，其包括随机点阵光源和设于随机点阵光源的出光侧的多个光栅透镜，各光栅透镜与随机点阵光源的各出光点一一对应；光栅透镜包括衬底和多个间隔设于衬底的表面的光栅条，光栅条的折射率大于衬底的折射率，其中，光栅条可以是直条状结构也可以是环状结构。该结构光投影仪便于组装过程中实现透镜对准，同时易于实现整体结构的微型化。

Description

一种结构光投影仪
技术领域
本发明涉及深度传感设备技术领域，具体涉及一种结构光投影仪。
背景技术
近年来，随着消费电子产业的不断发展，具有深度传感功能的3D摄像头日渐受到消费电子界的重视。目前比较成熟的深度测量方法是结构光方案，即将特定的结构光图案投影在物体上，然后通过图案的形变或位移计算物体不同位置的深度。
一种比较常见的结构光图案是随机点阵，随机点阵的光点密度决定了生成深度图的分辨率，因而每个光点的大小越小，光点的密度就可以越大，生成深度图的分辨率就越高。为了得到高分辨率的深度图，一般须要在产生的随机点阵后面放置一系列微型透镜对每个光点进行准直，使得其光点大小更小。传统微型透镜由具有一定曲面形状的玻璃材料制成，但是，这种微型透镜的对准非常具有挑战性，成本也非常高。另外，复杂微型透镜的放置也使得结构光投影仪的微型化非常困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构光投影仪，便于组装过程中实现透镜对准，同时易于实现整体结构的微型化。
为解决上述技术问题，本发明提供一种结构光投影仪，其包括随机点阵光源和设于所述随机点阵光源的出光侧的多个光栅透镜，各所述光栅透镜与所述随机点阵光源的各出光点一一对应；所述光栅透镜包括衬底和多个间隔设于所述衬底的表面的光栅条，所述光栅条的折射率大于所述衬底的折射率；
所述光栅条为直条状结构时，各所述光栅条的位置及相位均满足公式(Ⅰ)：
其中，x是所述光栅条的位置，f是焦距，λ是波长，φ(x)是所述光栅条的相位，φmax是所述光栅条的最大相位变化；
所述光栅条为环状结构时，各所述光栅条的位置及相位均满足公式(Ⅱ)：
其中，r是所述光栅条的半径，φ(r)是所述光栅条的相位，φmax是所述光栅条的最大相位变化，rmax是所述光栅条的最大半径。
本实施例中的光栅透镜可通过常用的光刻技术制成，制作简单、成本低。具体的，由于随机点阵光源内部具有光刻结构，其与出光点的位置相对应，组装时，将光栅透镜的光刻标记与随机点阵光源的光刻结构对准，即可完成对准操作，操作较为简单。同时，光栅透镜的厚度相对较小，易于单片集成于随机点阵光源，从而使得该结构光投影仪的整体结构更易于小型化、集成化。
可选地，所述光栅条为直条状结构时，各所述光栅条的位置及相位均满足公式(Ⅲ)：
其中，x、y是所述光栅条的位置且x所在方向与y所在方向垂直，f是焦距，λ是波长，φ(x，y)是所述光栅条的相位，φmax是所述光栅条的最大相位变化。
可选地，所述衬底相对的两侧端面分别设有一层所述光栅条，且两层所述光栅条的焦距之和与所述衬底的厚度相同。
可选地，所述随机点阵光源包括激光器和衍射光学器件；或所述随机点阵光源为多个随机分布的激光器。
可选地，所述光栅条的折射率和所述衬底的折射率的差值不小于1。
可选地，所述光栅条的材质为硅，所述衬底的材质为二氧化硅或氮化硅。
附图说明
图1是本发明所提供一种结构光投影仪的结构示意图；
图2是光栅条为直条状结构时各光栅条第一种设置示意图；
图3是图2中各光栅条所对应的相位分布图；
图4是光栅条为直条状结构时各光栅条第二种设置示意图；
图5是设有两层光栅条的光栅透镜的结构示意图；
图6是光栅条为环状结构时的光栅透镜的结构示意图。
附图1-6中，附图标记说明如下：
1-随机点阵光源；2-光栅透镜，21-光栅条，22-第一层光栅条，23-第二层光栅条；24-衬底；3-入射光束；4-出射光束。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1-6，图1是本发明所提供一种结构光投影仪的结构示意图；图2是光栅条为直条状结构时各光栅条第一种设置示意图；图3是图2中各光栅条所对应的相位分布图；图4是光栅条为直条状结构时各光栅条第二种设置示意图；图5是设有两层光栅条的光栅透镜的结构示意图；图6是光栅条为环状结构时的光栅透镜的结构示意图。
本发明实施例提供了一种结构光投影仪，如图1所示，该结构光投影仪包括随机点阵光源1和多个光栅透镜2，其中，随机点阵光源1用于发射随机点阵光，光栅透镜2设于随机点阵光源1的出光侧，并且随机点阵光源1的每一个出光点都与一个光栅透镜对应。该光栅透镜2包括衬底24和多个间隔设于衬底24的表面的光栅条21，光栅条21的折射率大于衬底24的折射率。
具体的，光栅条21的具体结构分两种，第一种是光栅条21为直条状结构，此时，各光栅条21的位置及相位均满足下述公式(Ⅰ)；
其中，x是光栅条的位置，f是焦距，λ是波长，φ(x)是光栅条的相位，φmax是光栅条的最大相位变化；
第二种是光栅条21为环状结构，此时，各光栅条21的位置及相位均满足下述公式(Ⅱ)：
其中，r是光栅条的半径，φ(r)是光栅条的相位，φmax是光栅条的最大相位变化，rmax是光栅条的最大半径。
以下对于第一种，光栅条21为直条状结构时进行展开说明。
基于几何光学，上述公式(Ⅰ)的相位分布是聚焦单元的理想相位分布，各光栅条21的相位与其宽度、位置和厚度有关，而各光栅条21的厚度一致，因此，将各光栅条21根据上述公式(Ⅰ)设置所获得的光栅透镜2，等同于将一个离散的相位分布来近似理想相位分布。即将多个厚度相同但宽度不同的光栅条21按照上述公式(Ⅰ)中相位与位置的关系间隔设置，形成一个聚焦单元，将其放置于随机点阵光源1的出光侧，能够聚焦光束。
相位大，则数值孔径(NA)大，透镜的聚焦能力强。对于传统的玻璃透镜来说，大相位需要更大的厚度和弧度，实现较为困难。而本实施例中的光栅透镜2中，光栅条21的相位φ(x)的大小可通过改变该光栅条21的宽度来实现，较为容易。
具体的，光栅条21的设置如图2所示，相应的各位置的光栅条21的相位如图3所示。各光栅条21的厚度相同(均为t)、宽度不同，并由中间向外设置，其中，中间位置的光栅条21的相位为φ(0)，在位置x1处的光栅条21的相位为φ(x1)，其中，φ(x1)和x1符合上述公式(Ⅰ)中的对应关系；相应的，在位置x-1处的光栅条21与位置x1处的光栅条21对称，宽度相同、相位相同；在位置x2处的光栅条21的相位为φ(x2)，其中，φ(x2)和x2符合上述公式(Ⅰ)中的对应关系；相应的，在位置x-2处的光栅条21与位置x2处的光栅条21对称，宽度相同、相位相同；对于位于其它位置的光栅条21的设置与上述位于x1处和x2的光栅条21类似，在此不再赘述。
光栅条21可通过改变其宽度来实现其相位的改变，由于当φ(x)大于2π或者小于0时，光栅条21的相位可以被映射到0～2π之间等效的一个值，因此，对于所在位置对应的相位较小的光栅条21来说，可将该光栅条21的宽度增大使其相位映射至0～2π之间其所需相位值(如图3中相位分布呈锯齿状，每一个锯齿对应了一个0～2π区间)即可，如图2所示，光栅条21的宽度由中间向两侧先减小后增大，即无需因相位的变化设置特宽或特窄的光栅条21，可保证光栅条21的宽度在一定的范围内变化，以简化光栅条21的制作工艺。
在上述实施例中，直条状结构的光栅条21的位置及相位关系还满足公式(Ⅲ)：
其中，x、y是光栅条21的位置且x所在方向与y所在方向垂直，f是焦距，λ是波长，φ(x，y)是所述光栅条21的相位，φmax是所述光栅条21的最大相位变化。
此时，光栅条21的相位与x所在方向的位置和y所在方向的位置的关系，即公式(Ⅲ)示出了二维状态下的光栅条21的设置情况。具体的，x所在方向(与光栅条21的轴线垂直的方向)上各光栅条21的相位与位置关系仍满足公式(Ⅰ)，而y所在方向(与光栅条21的轴线平行的方向)上的位置分布则通过改变各光栅条21沿y方向的各位置的宽度实现，即各光栅条21沿其长度方向上的宽度并不是不变的(如图4所示)，此种设置下，该光栅透镜2能够从相互垂直的两个方向缩小光点的大小，进而实现其聚焦功能。
另外，本实施例中，对于该光栅透镜2的具体形状可以如图4所示，与光点的形状一致的圆盘形结构，也可以做成方形结构，在此不做具体限制。
厚度较小的光栅透镜2即可实现聚焦功能，如将该光栅透镜2中距离最远的两个光栅条21之间的距离设为10μm、厚度3μm，通过高斯光束入射的三维时域有限差分法(FDTD)仿真结果为入射光束的光腰半径是3.5μm，通过光栅透镜2聚焦后，光腰半径为0.89μm，即出射光束4相较于入射光束3中心光强增大了12倍。较薄的光栅透镜2易于单片集成于随机点阵光源1，从而使得该结构光投影仪的整体结构更易于小型化、集成化。
在上述实施例中，衬底24相对的两侧端面分别设有一层光栅条21，也就是说，一共有两层光栅条21，分别设于衬底24的相对的两侧端面，该两层光栅条21位置和相位的设置分别满足上述公式(Ⅲ)，并且两层光栅条21的焦距之和与衬底24的厚度相同。具体的，如图5所示，第一层光栅条22的焦距为f1，第二层光栅条23的焦距为f2，衬底24的厚度为d，当f1+f2＝d时，入射光束3依次经过第一层光栅条22和第二层光栅条23后即可实现出射光束4被准直，使得出射光束4的半径变小，该光束半径缩小的倍数为
由于光栅透镜2的厚度很小，而且通过设计较高NA的光栅透镜2，焦距f1和f2可以设计得很小，因而使得衬底24的厚度d也很小。这样，我们就可以得到整体厚度非常小的准直器，从而实现结构光投影仪的小型化和集成化。
以下对于第二种，光栅条21为环状结构(如图6所示)时进行展开说明。
理想贝塞尔光束没有任何衍射，不管传播多远光束大小不会变化。但是，由于理想贝塞尔光束的能量是无限的，所以在实际应用中不可能实现理想贝塞尔光束。贝塞尔高斯光束近似于贝塞尔光束，光束大小随着传播的变化远远小于普通的高斯光束。现有技术中，可通过锥透镜将入射光束3转换为贝塞尔高斯光束。
本实施例中，根据上述公式(Ⅱ)，将各光栅条21设为同轴设置的环状结构。此时，当入射光束3经过光栅透镜2后，入射光束3被准直变成贝塞尔高斯光束，因而光束大小随着传播的变化远远小于普通的高斯光束。这种特性对于中远距离的随机点阵光准直非常有利。
本实施例中，各光栅条21的厚度一致且较薄，即光栅透镜2为一个二维结构，该光栅透镜2的厚度远远小于锥透镜的厚度，便于集成于随机点阵光源1且易于实现微型化。
也就是说，本发明实施例中，对于非周期性光栅透镜2来说，各光栅条21的厚度一致，而不同光栅条21有不同的宽度和空隙宽度。具体的，光栅条21可以是直条状结构，如图2所示，各光栅条21并列间隔设置，此时，该光栅透镜2可用于聚焦入射光束3(仅设有一层光栅条21)，也可用于准直入射光束3(设有两层光栅条21)；光栅条21也可以是环状结构，此时，该光栅透镜2可用于将入射光束3被准直变成贝塞尔高斯光束。具体可根据需要进行设置。
另外，本实施例中的光栅透镜2可通过常用的光刻技术制成，制作简单、成本低，并且，由于随机点阵光源1内部具有光刻结构，其与出光点的位置相对应，组装时，将光栅透镜2的光刻标记与随机点阵光源1的光刻结构对准，即可完成对准操作，操作较为简单。
在上述实施例中，可以将随机点阵光源1设置为包括激光器和衍射光学器件的结构，还可以将随机点阵光源1设置为多个随机分布的激光器，在此均不做具体限制，只要能使得该随机点阵光源1发射出随机点阵光即可。
在上述实施例中，光栅条21的折射率和衬底24的折射率的差值不小于1，此种设置相对于二者的折射率差值小于1的情况来说，在具有相同的焦距的情况下可进一步缩小该光栅透镜2的厚度，利于实现整体结构更易于小型化、集成化。
在上述实施例中，将光栅条21的材质设为硅，衬底24的材质可以设为二氧化硅或氮化硅均可，在此不做限制，如还可以将光栅条21的材质设为氮化硅，衬底24的材质设为二氧化硅等。只要能够保证光栅条21的折射率大于衬底24的折射率以实现光束的汇聚，并且二者不会对光束的传播造成阻碍即可。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种结构光投影仪，其特征在于，包括随机点阵光源(1)和设于所述随机点阵光源(1)的出光侧的多个光栅透镜(2)，各所述光栅透镜(2)与所述随机点阵光源(1)的各出光点一一对应；
所述光栅透镜(2)包括衬底(24)和多个间隔设于所述衬底(24)的表面的光栅条(21)，所述光栅条(21)的折射率大于所述衬底(24)的折射率；
所述光栅条(21)为直条状结构时，各所述光栅条(21)的位置及相位均满足公式(Ⅰ)：
其中，x是所述光栅条(21)的位置，f是焦距，λ是波长，φ(x)是所述光栅条(21)的相位，φmax是所述光栅条(21)的最大相位变化；
所述光栅条(21)为环状结构时，各所述光栅条(21)的位置及相位均满足公式(Ⅱ)：
其中，r是所述光栅条(21)的半径，φ(r)是所述光栅条(21)的相位，φmax是所述光栅条(21)的最大相位变化，rmax是所述光栅条(21)的最大半径。
2.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述光栅条(21)为直条状结构时，各所述光栅条(21)的位置及相位均满足公式(Ⅲ)：
其中，x、y是所述光栅条(21)的位置且x所在方向与y所在方向垂直，f是焦距，λ是波长，φ(x，y)是所述光栅条(21)的相位，φmax是所述光栅条(21)的最大相位变化。
3.根据权利要求2所述的结构光投影仪，其特征在于，所述衬底(24)相对的两侧端面分别设有一层所述光栅条(21)，且两层所述光栅条(21)的焦距之和与所述衬底(24)的厚度相同。
4.根据权利要求1-3任一项所述的结构光投影仪，其特征在于，所述随机点阵光源(1)包括激光器和衍射光学器件；
或所述随机点阵光源(1)为多个随机分布的激光器。
5.根据权利要求1-3任一项所述的结构光投影仪，其特征在于，所述光栅条(21)的折射率和所述衬底(24)的折射率的差值不小于1。
6.根据权利要求1-3任一项所述的结构光投影仪，其特征在于，所述光栅条(21)的材质为硅，所述衬底(24)的材质为二氧化硅或氮化硅。
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