CN109709742A - 一种结构光投影仪及3d摄像头 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种结构光投影仪及3D摄像头，该结构光投影仪通过使用位置可调或焦距可调的透镜结构，实现光输出模式可调的结构投影仪，在一种模式下，可以投影红外散斑点阵，在另一种模式下，可以投影光强连续分布的光输出，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本，且有利于3D摄像头的小型化设计。

Description

一种结构光投影仪及3D摄像头

技术领域

本发明涉及光学投影技术领域，更具体地说，涉及一种结构光投影仪及3D摄像头。

背景技术

结构光是一组由投影仪和摄像头组成的***结构，其是用投影仪投射待定的光信息至物体表面后，由摄像头采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间，其是实现3D摄像头的一种方案。

基于3D摄像头而言，其实现方式主要包括三种，其一，结构光；其二，飞行时间(Time of Flight，简称ToF)；其三，双目摄像头。在消费电子领域，比较主流的是结构光方案和ToF方案，二者都需要主动的红外光投影，结构光方案需要投影红外散斑，ToF方案需要投影红外光强连续分布的光输出，即泛光。同时，二者都需要红外接收模组，即接收红外的CMOS摄像头。

参考图1，图1为传统的结构光3D摄像头的结构示意图，传统的结构光3D摄像头包括以下主要器件：散斑点阵投影仪、红外摄像头、红外泛光照明器和RGB摄像头。由于在黑暗环境中也需要形成红外2D图像，一般3D摄像头都需要额外配置一个红外泛光照明器，照亮黑暗中的物体，同时利用红外摄像头记录红外2D图像。

但是，由于红外泛光照明器一般是由一个或多个红外激光器以及扩散膜组成，由此可知红外泛光照明器的设置增加了整个3D摄像头的成本及功耗，不利于3D摄像头的小型化设计。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种结构光投影仪及3D摄像头，技术方案如下：

一种结构光投影仪，所述结构光投影仪包括：第一透镜结构，和/或设置在所述结构光投影仪的出光口的第二透镜结构；

所述第一透镜结构的位置可调或焦距可调，所述第二透镜结构的位置可调或焦距可调；

其中，通过调节所述第一透镜结构的位置或焦距，或调节所述第二透镜结构的位置或焦距，以使所述结构光投影仪发射出散斑点阵或光强连续分布的光输出。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述结构光投影仪还包括：激光发射器、光束整形器、衍射光栅和光学投射透镜；

所述激光发射器用于发射出激光；

所述光束整形器用于对所述激光进行扩束和准直处理；

所述衍射光栅用于对所述光束整形器处理后的激光进行衍射；

所述光学投射透镜用于对所述衍射光栅处理后的激光进行投射；

其中，所述光学投射透镜或所述光束整形器为所述第一透镜结构，所述光学投射透镜或所述光束整形器的位置可调或焦距可调。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述光束整形器包括：光学扩束器件和光学准直器件；

其中，所述光学扩束器件用于对所述激光发射器发出的激光进行扩束处理；

所述光学准直器件用于对所述光学扩束器件处理后的激光进行准直处理。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述第二透镜结构为音圈马达；

其中，所述音圈马达位于所述结构光投影仪的出光口，且所述音圈马达的位置固定不变。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述音圈马达包括：

底座；

依次设置在所述底座上的下弹片、磁铁、线圈、镜头载体、上弹片、压板、上固定圈和防磁罩；

固定在所述镜头载体上的镜头；

其中，通过在所述线圈中加入电流，产生磁力线，以推动所述磁铁和所述镜头进行移动，进而调节所述镜头的位置，以使所述结构光投影仪发射出散斑点阵或光强连续分布的光输出。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述第二透镜结构为液体透镜；

其中，通过改变所述液体透镜的曲率以改变所述液体透镜的焦距。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述液体透镜包括：

半导体衬底；

设置在所述半导体衬底表面的绝缘层；

设置在所述绝缘层背离所述半导体衬底一侧的液体。

优选的，在上述结构光投影仪中，所述液体透镜还包括：电压控制电路；

所述电压控制电路的一端与所述液体连接，另一端与所述半导体衬底连接；

其中，通过所述电压控制电路提供不同的电压条件，以改变所述液体透镜的曲率，进而改变所述液体透镜的焦距。

一种3D摄像头，包括：如上述任一项所述的结构光投影仪。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该结构光投影仪在一定条件下，通过调节第一透镜结构和/或第二透镜结构的位置或者焦距，可以使所述结构光投影仪发射出的光聚焦，进而输出清晰的散斑点阵，或者可以使所述结构光投影仪发射出的光失焦，也就是说，每个点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成光强连续分布的光输出。

也就是说，该结构光投影仪通过来回切换第一透镜结构和/或第二透镜结构的位置或者焦距，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传统的结构光3D摄像头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种输出光示意图；

图4为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一种输出光示意图；

图5为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的结构光投影仪的又一种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的音圈马达的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的液体透镜的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的液体透镜的一种曲率状态示意图；

图10为本发明实施例提供的液体透镜的另一种曲率状态示意图；

图11为本发明实施例提供的液体透镜的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种3D摄像头的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图2，图2为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种结构示意图，所述结构光投影仪21包括：第一透镜结构22，和/或设置在所述结构光投影仪21的出光口的第二透镜结构23；

所述第一透镜结构22的位置可调或焦距可调，所述第二透镜结构23的位置可调或焦距可调；

其中，通过调节所述第一透镜结构22的位置或焦距，或调节所述第二透镜结构23的位置或焦距，以使所述结构光投影仪21发射出散斑点阵或光强连续分布的光输出。

在该实施例中，所述第一透镜结构22包括但不限定于所述结构光投影仪21组成部分的透镜结构，所述第一透镜结构22为位置可调或焦距可调的透镜结构。

当所述第一透镜结构22的位置可调或焦距可调时，可以对所述结构光投影仪21的输出光进行焦距调节，进而，参考图3，图3为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种输出光示意图，在一定情况下，可以使所述结构光投影仪21的输出光进行聚焦，以使最终所述结构光投影仪21的输出光呈散斑点阵；参考图4，图4为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一种输出光示意图，在另一种情况下，可以使所述结构光投影仪21的输出光进行失焦，也就是说，每个点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成光强连续分布的光输出。

由此可知，该结构光投影仪21通过来回切换第一透镜结构22的位置或者焦距，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。

在该实施例中，当所述结构光投影仪21组成部分的透镜结构的位置和焦距不可变时，还可以在所述结构光投影仪21的出光口设置第二透镜结构23，所述第二透镜结构23为位置可调或焦距可调的透镜结构。

当所述第二透镜结构23的位置可调或焦距可调时，可以对所述结构光投影仪21的输出光进行焦距调节，进而，如图3所示，在一定情况下，可以使所述结构光投影仪21的输出光进行聚焦，以使最终所述结构光投影仪21的输出光呈散斑点阵；如图4所示，在另一种情况下，可以使所述结构光投影仪21的输出光进行失焦，也就是说，每个点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成光强连续分布的光输出。

由此可知，该结构光投影仪21通过来回切换第二透镜结构23的位置或者焦距，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。

需要说明的是，当所述第一透镜结构22和所述第二透镜结构23的位置或焦距均可以调节时，可以同时调节所述第一透镜结构22和所述第二透镜结构23的位置或焦距，以改变所述结构光投影仪21的光输出模式，也可以选择任意一个透镜结构调节其位置或焦距，以改变所述结构光投影仪的光输出模式。

通过上述描述可知，本发明实施例提供的一种结构光投影仪，通过使用位置可调或焦距可调的透镜结构，实现光输出模式可调的结构投影仪，在一种模式下，可以投影红外散斑点阵，在另一种模式下，可以投影光强连续分布的光输出，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。

进一步的，参考图5，图5为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一结构示意图，所述结构光投影仪还包括：激光发射器51、光束整形器52、衍射光栅53和光学投射透镜54；

所述激光发射器51用于发射出激光；

所述光束整形器52用于对所述激光进行扩束和准直处理；

所述衍射光栅53用于对所述光束整形器52处理后的激光进行衍射；

所述光学投射透镜54用于对所述衍射光栅53处理后的激光进行投射；

其中，所述光学投射透镜54或所述光束整形器52为所述第一透镜结构，所述光学投射透镜54或所述光束整形器52的位置可调或焦距可调。

在该实施例中，所述激光发射器51包括但不限定于激光器阵列，用于发射出激光。

当所述结构光投影仪组成部分的透镜结构可以为所述第一透镜结构时，其透镜结构为位置可调或焦距可调的透镜结构。

在本发明实施例中，以所述光学投射透镜54或所述光束整形器52为所述第一透镜结构为例进行说明。

当所述光学投射透镜54或所述光束整形器52的位置可调或焦距可调时，可以对所述结构光投影仪的输出光进行焦距调节，进而，在一定情况下，可以使所述结构光投影仪的输出光进行聚焦，以使最终所述结构光投影仪的输出光呈散斑点阵；在另一种情况下，可以使所述结构光投影仪的输出光进行失焦，也就是说，每个点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成光强连续分布的光输出。

由此可知，该结构光投影仪通过来回切换所述光学投射透镜或所述光束整形器的位置或者焦距，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。

进一步的，如图5所示，所述光束整形器52包括：光学扩束器件521和光学准直器件522；

其中，所述光学扩束器件521用于对所述激光发射器51发出的激光进行扩束处理；

所述光学准直器件522用于对所述光学扩束器件521处理后的激光进行准直处理。

进一步的，当所述结构光投影仪组成部分的透镜结构的位置和焦距不可变时或其组成部分没有透镜结构时，还可以在所述结构光投影仪的出光口设置第二透镜结构，参考图6，图6为本发明实施例提供的结构光投影仪的又一种结构示意图，所述结构光投影仪包括：光源；设置在所述光源出光口的纳米光学芯片或编码结构光掩膜板；设置在所述纳米光学芯片或所述编码结构光掩膜板背离所述光源一侧的投影镜头。

该结构光投影仪的组成部分其投影镜头的位置和焦距不可变，因此可以在所述结构光投影仪的出光口设置第二透镜结构，所述第二透镜结构为位置可调或焦距可调的透镜结构，在此，以位置可调的透镜结构进行示例说明。

可选的，所述第二透镜结构23包括但不限定为音圈马达；

其中，所述音圈马达位于所述结构光投影仪21的出光口，且所述音圈马达的位置固定不变。

在该实施例中，通过音圈马达(Voice Coil Motor，简称VCM)来实现位置可调的透镜结构，其具体原理如下：

通过调节音圈马达中镜头的位置以实现第二透镜结构23的位置可调，进而对所述结构光投影仪21的输出光进行焦距调节，在一定情况下，可以使所述结构光投影仪21的输出光进行聚焦，以使最终所述结构光投影仪21的输出光呈散斑点阵；在另一种情况下，可以使所述结构光投影仪21的输出光进行失焦，也就是说，每个点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成光强连续分布的光输出。

进一步的，参考图7，图7为本发明实施例提供的音圈马达的结构示意图，所述音圈马达包括：

底座61；

依次设置在所述底座61上的下弹片62、磁铁63、线圈64、镜头载体65、上弹片66、压板67、上固定圈68和防磁罩69；

固定在所述镜头载体65上的镜头；

其中，通过在所述线圈64中加入电流，产生磁力线，以推动所述磁铁63和所述镜头进行移动，进而调节所述镜头的位置，以使所述结构光投影仪发射出散斑点阵或光强连续分布的光输出。

在该实施例中，所述音圈马达的结构仅仅以举例的形式进行说明，并不作限定。

其中，所述音圈马达在所述结构光投影仪的出光口的位置固定不变，当线圈64中不通入电流时，镜头不会移动，当线圈64中通入电流时，会产生磁力线，以推动所述磁铁63和所述镜头进行移动，通入的电流越大，镜头移动量越大。当镜头移动量足够大时，散斑点阵将失焦，转变为光强连续分布的光输出。

那么，通过控制通入线圈中电流的大小，就可以调节镜头的位置，从而实现散斑点阵与光强连续分布的光输出之间的快速切换。

需要说明的是，本发明实施例中仅仅以音圈马达进行示例说明，并不进行限定，其它位置可调的透镜结构均在本发明的保护范围之内。

进一步的，当所述结构光投影仪组成部分的透镜结构的位置和焦距不可变时，还可以在所述结构光投影仪的出光口设置第二透镜结构，所述第二透镜结构为位置可调或焦距可调的透镜结构，在此以焦距可调的透镜结构进行示例说明。

可选的，所述第二透镜结构23为液体透镜；

其中，通过改变所述液体透镜的曲率以改变所述液体透镜的焦距。

在该实施例中，通过液体透镜来实现焦距可调的透镜结构，其具体原理如下：

通过调节液体透镜中液体的曲率以实现第二透镜结构的焦距可调，进而对所述结构光投影仪的输出光进行焦距调节，在一定情况下，可以使所述结构光投影仪的输出光进行聚焦，以使最终所述结构光投影仪的输出光呈散斑点阵；在另一种情况下，可以使所述结构光投影仪的输出光进行失焦，也就是说，每个点的大小都变大，当点的密度足够高时，所有点在失焦后就会连成一片，进而变成光强连续分布的光输出。

进一步的，参考图8，图8为本发明实施例提供的液体透镜的结构示意图，所述液体透镜包括：

半导体衬底71；

设置在所述半导体衬底71表面的绝缘层72；

设置在所述绝缘层72背离所述半导体衬底71一侧的液体73。

在该实施例中，所述液体透镜为利用介质上电润湿原理实现可变焦的透镜结构，其通过外加电压改变液体的形状，进而改变其焦距，其可以在不需配备机械部件的情况下实现透镜的焦距可调，结构简单。

参考图9，图9为本发明实施例提供的液体透镜的一种曲率状态示意图，即，在一种电压条件下，散斑点阵被聚焦，正常输出散斑点阵。

参考图10，图10为本发明实施例提供的液体透镜的另一种曲率状态示意图，即，在另一种电压条件下，散斑点阵失焦，点阵连成一片，以输出光强连续分布的光。

进一步的，参考图11，图11为本发明实施例提供的液体透镜的结构示意图，所述液体透镜包括：电压控制电路101；

所述电压控制电路101的一端与所述液体73连接，另一端与所述半导体衬底71连接；

其中，通过所述电压控制电路101提供不同的电压条件，以改变所述液体透镜的曲率，进而改变所述液体透镜的焦距。

需要说明的是，本发明实施例中仅仅以液体透镜进行示例说明，并不进行限定，其它焦距可调的透镜结构均在本发明的保护范围之内。

基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种3D摄像头，参考图12，图12为本发明实施例提供的一种3D摄像头的结构示意图，所述3D摄像头包括：上述所述的结构光投影仪，即附图11中的模式可辨散斑点阵投影仪。

该结构光投影仪通过使用位置可调或焦距可调的透镜结构，实现光输出模式可调的结构投影仪，在一种模式下，可以投影红外散斑点阵，在另一种模式下，可以投影光强连续分布的光输出，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本，且有利于3D摄像头的小型化设计。

以上对本发明所提供的一种结构光投影仪及3D摄像头进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，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、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、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。

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发明。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，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种结构光投影仪，其特征在于，所述结构光投影仪包括：第一透镜结构，和/或设置在所述结构光投影仪的出光口的第二透镜结构；

所述第一透镜结构的位置可调或焦距可调，所述第二透镜结构的位置可调或焦距可调；

其中，通过调节所述第一透镜结构的位置或焦距，或调节所述第二透镜结构的位置或焦距，以使所述结构光投影仪发射出散斑点阵或光强连续分布的光输出。

2.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述结构光投影仪还包括：激光发射器、光束整形器、衍射光栅和光学投射透镜；

所述激光发射器用于发射出激光；

所述光束整形器用于对所述激光进行扩束和准直处理；

所述衍射光栅用于对所述光束整形器处理后的激光进行衍射；

所述光学投射透镜用于对所述衍射光栅处理后的激光进行投射；

其中，所述光学投射透镜或所述光束整形器为所述第一透镜结构，所述光学投射透镜或所述光束整形器的位置可调或焦距可调。

3.根据权利要求2所述的结构光投影仪，其特征在于，所述光束整形器包括：光学扩束器件和光学准直器件；

其中，所述光学扩束器件用于对所述激光发射器发出的激光进行扩束处理；

所述光学准直器件用于对所述光学扩束器件处理后的激光进行准直处理。

4.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述第二透镜结构为音圈马达；

其中，所述音圈马达位于所述结构光投影仪的出光口，且所述音圈马达的位置固定不变。

5.根据权利要求4所述结构光投影仪，其特征在于，所述音圈马达包括：

底座；

依次设置在所述底座上的下弹片、磁铁、线圈、镜头载体、上弹片、压板、上固定圈和防磁罩；

固定在所述镜头载体上的镜头；

其中，通过在所述线圈中加入电流，产生磁力线，以推动所述磁铁和所述镜头进行移动，进而调节所述镜头的位置，以使所述结构光投影仪发射出散斑点阵或光强连续分布的光输出。

6.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述第二透镜结构为液体透镜；

其中，通过改变所述液体透镜的曲率以改变所述液体透镜的焦距。

7.根据权利要求6所述的结构光投影仪，其特征在于，所述液体透镜包括：

半导体衬底；

设置在所述半导体衬底表面的绝缘层；

设置在所述绝缘层背离所述半导体衬底一侧的液体。

8.根据权利要求7所述的结构光投影仪，其特征在于，所述液体透镜还包括：电压控制电路；

所述电压控制电路的一端与所述液体连接，另一端与所述半导体衬底连接；

其中，通过所述电压控制电路提供不同的电压条件，以改变所述液体透镜的曲率，进而改变所述液体透镜的焦距。

9.一种3D摄像头，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的结构光投影仪。