CN109739027B - 光点阵投影模组和深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光点阵投影模组和深度相机。包括：光源，用于提供预设的第一斑点图案；准直透镜，设置在所述光源的出光侧，以接收所述第一斑点图案并将所述第一斑点图案调制为准直第一斑点图案；达曼光栅，所述达曼光栅设置在所述准直透镜的出光侧，以接收所述准直第一斑点图案并将其复制扩展，以获得第二斑点图案；投影透镜，所述投影透镜设置在所述达曼光栅的出光侧，以接收所述第二斑点图案并将所述第二斑点图案按照预定比例投射至待测目标场景。采用达曼光栅进行点阵复制扩展，可以使得光点阵投影模组的衍射强度均匀性更好，因此，深度相机具有比较统一的深度测量指标，为后续应用开发提供了更高的自由度与更精确的基础参数值。

Description

光点阵投影模组和深度相机

技术领域

本发明涉及三维深度测量技术领域，特别涉及一种光点阵投影模组和深度相机。

背景技术

三维深度测量技术可采集场景目标的深度坐标信息，为后端开发提供额外的数据处理自由度。随着移动终端器件与智能交互设备的普及，三维深度测量技术越来越成为新一代人机交互的核心技术，在工业检测、安防零售、体感游戏、移动支付和生物医学等方面都有着广泛的应用前景。

散斑结构光技术是当前广泛采用的一种三维深度测量方案。它采用编码后随机、伪随机或规则排布的斑点光线簇投射至具体的空间场景，通过比对特征斑点的变形位移计算得到场景的深度信息。投影模组将预设的散斑模式投射至实际场景，是散斑结构光深度测量的硬件基础。通常投影模组包括光源、准直透镜和衍射光学元件(DiffractiveOptical Element，DOE)。其中光源可采用边发射激光器(Edge-Emitted Laser,EEL)或垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，波长选择红外波段，如940nm或者其他传输效率高的波段。准直透镜的作用是将光束整形，可采用单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜来实现。DOE为具有一定周期的衍射光栅，其功能是接收光源的照明光束并将其调制为斑点阵列，形成覆盖场景物体的散斑结构光照明。

当前深度测量技术的应用愈加广泛，因此对于光点阵投影模组的投影质量要求也越来越高，强度均匀性好、信噪比高的投影模组成为行业内迫切的研究需求。然而当前常用的投影模组中DOE衍射级次间的强度均匀性仍有不足，投影出的光斑往往中心区域与边缘区域间强度值相差较大，影响了场景整体的深度获取精度，尤其在测量较远或较近距离物体时，强度的非均匀性影响显得更为突出，这大大制约了三维深度测量技术的发展。

综上可知，在三维深度测量领域中，如何设计出强度均匀性好信噪比高的散斑投影模组成为当前亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光点阵投影模组和一种深度相机。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种光点阵投影模组，包括：

光源，所述光源用于提供预设的第一斑点图案；

准直透镜，所述准直透镜设置在所述光源的出光侧，以接收所述第一斑点图案并将所述第一斑点图案调制为准直第一斑点图案；

达曼光栅，所述达曼光栅设置在所述准直透镜的出光侧，以接收所述准直第一斑点图案并将其复制扩展，以获得第二斑点图案；

投影透镜，所述投影透镜设置在所述达曼光栅的出光侧，以接收所述第二斑点图案并将所述第二斑点图案按照预定比例投射至待测目标场景。

可选地，所述光源采用激光光源，所述激光光源包括若干个子激光光源，所述若干个子激光光源呈阵列排布。

可选地，所述达曼光栅包括沿所述光点阵投影模组的光轴方向依次层叠设置的若干层达曼子光栅，以实现满足预设要求的衍射级次分布模式。

可选地，每层所述达曼子光栅均包括若干级衍射级次，其中，在垂直于基线方向上，至少一层所述达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量。

可选地，所述达曼光栅包括依次层叠设置的第一层达曼子光栅和第二层达曼子光栅，在垂直于所述基线方向上，所述第一层达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量。

可选地，所述第一层达曼子光栅的衍射级次为M×N，所述第二层达曼子光栅的衍射级次为P×Q，所述达曼光栅总的衍射级次为M×N×P×Q，其中，M、N、P和Q均为正整数。

可选地，所述错位量的范围为1/8周期～1/4周期。

可选地，所述准直透镜采用单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜中的任意一种或多种组合。

本发明的第二方面，提供了一种深度相机，包括前文记载的所述的光点阵投影模组。

可选地，所述深度相机还包括RGB彩色相机、红外相机以及数据处理单元，所述光点阵投影模组、所述RGB彩色相机和所述红外相机均与所述数据处理单元电连接。

本发明的光点阵投影模组和深度相机，其包括依次设置的光源、准直透镜、达曼光栅和投影透镜。采用达曼光栅进行点阵复制扩展，与常规类型的衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)相比，本发明的光点阵投影模组的衍射强度均匀性更好，因此，在应用该光点阵投影模组的深度相机具有比较统一的深度测量指标，为后续应用开发提供了更高的自由度与更精确的基础参数值。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中光点阵投影模组的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中第一层达曼子光栅(4×3级次)的衍射模式示意图；

图3为本发明第三实施例中第二层达曼子光栅(3×3级次)的衍射模式示意图；

图4为本发明第四实施例中第一层达曼子光栅和第二层达曼子光栅叠加后的衍射模式示意图；

图5为本发明第五实施例中投影光点阵效果示意图；

图6为本发明第六实施例中深度相机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种光点阵投影模组，该光点阵投影模组包括光源11、准直透镜13、达曼光栅14和投影透镜15。其中，光源11可以提供预设的第一斑点图案12。所述准直透镜13设置在所述光源11的出光侧，以接收所述第一斑点图案12并将所述第一斑点图案12调制为准直第一斑点图案，该准直透镜13优选地可以采用单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜来实现。所述达曼光栅14设置在所述准直透镜13的出光侧，以接收所述准直第一斑点图案并将其复制扩展，以获得第二斑点图案，达曼光栅14为优化设计后的二台阶或更高台阶分布的位相光栅，在优化设计中充分约束衍射级次的光强均匀性。所述投影透镜15设置在所述达曼光栅14的出光侧，以接收所述第二斑点图案并将所述第二斑点图案按照预定比例投射至待测目标场景。

本实施例的光点阵投影模组，其包括依次设置的光源11、准直透镜13、达曼光栅14和投影透镜15。本实施例采用达曼光栅14进行点阵复制扩展，达曼光栅14为优化设计后的二台阶或更高台阶分布的位相光栅，在优化设计中充分约束衍射级次的光强均匀性。因此，与常规类型的衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)相比，本实施例的光点阵投影模组的衍射强度均匀性更好，因此，在应用该光点阵投影模组的深度相机具有比较统一的深度测量指标，为后续应用开发提供了更高的自由度与更精确的基础参数值。

光源11优选地可以采用激光光源，该激光光源包括若干个子激光光源，该若干个子激光光源可以呈阵列排布，例如，该激光光源可以采用VCSEL激光器，根据具体地深度测量需求，可以设置几十、上百甚至更多的发光点数(每个发光点数对应一个子激光光源)，这样，该激光光源可以提供预设的第一斑点图案12。此外，在本实施例中，VCSEL激光器可以选择940nm波长，又或者是其他传输效率高的波长窗口。当然，本发明并不局限于此，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他的一些光源结构。

可选地，所述达曼光栅14包括沿所述光点阵投影模组的光轴方向依次层叠设置的若干层达曼子光栅，以实现满足预设要求的衍射级次分布模式。应当理解的是，达曼光栅14的有效衍射级次数为根据具体发射视场角(Field ofview，FOV)、VCSEL发光区域尺寸大小和准直透镜13焦距进行设计。

可选地，每层所述达曼子光栅均包括若干级衍射级次，其中，在垂直于基线(如图1中所示的水平方向)方向上，至少一层所述达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量。

具体地，所述达曼光栅14包括依次层叠设置的第一层达曼子光栅和第二层达曼子光栅，如图2所示，所述第一层达曼子光栅的衍射级次为M×N(此处M＝4，N＝3)，如图3所示，所述第二层达曼子光栅的衍射级次为P×Q(P＝3，Q＝3)，所述达曼光栅14总的衍射级次为M×N×P×Q(4×3×3×3)，如图4所示，其中，M、N、P和Q均为正整数。并且，如图2所示，在垂直于所述基线方向上，所述第一层达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量。

本发明的发明人经过实验研究发现，基于散斑结构光的深度测量一般要求投影点阵在沿基线方向(如水平方向)存在较大的非相关性，以便于确定特征点阵区域的变形量，从而进行具体的深度信息计算，因此，在本实施例中，在垂直于所述基线方向上，所述第一层达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量，也就是说，如图2中的左图所示，第一层达曼子光栅并不是规则的轴对称式分布。为满足非相关性的要求，如图2中的右图所示，本实施例的第一层达曼子光栅的衍射级次进行错位优化，使其在垂直于基线方向上相邻级次间错位1/8周期～1/4周期(优选地可以错位1/4周期)周期，也即第一层达曼子光栅在沿竖直方向上相邻级次间错位1/8周期～1/4周期，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些具体错位量取值。

具体地，图2中的左图示意了常规轴对称式分布衍射级次的达曼光栅，其在水平和竖直方向的衍射级次周期分别为d_x与d_y，衍射级次为M×N(M＝4，N＝3)分布。图2的右图为本发明优化设计后的第一层达曼子光栅，具有错位衍射级次的分布模式。其在竖直方向的衍射级次间错位1/4的周期，t_x与t_y分别是横竖方向的衍射周期，δ为错位角，在本实施例中其值为：

如图3所示，本实施例的第二层达曼子光栅为常规轴对称式的衍射级次分布模式。如图3所示，其衍射级次为P×Q(P＝3，Q＝3)分布，水平与竖直方向的衍射周期分别为T_x与T_y，并满足：

这样，两层达曼子光栅叠加后的总衍射级次数为M×N×P×Q(即9×12)，如图4所示，其相邻衍射级次在竖直方向上均存在δ≈14°的错位量。

需要说明的是，两层达曼子光栅的衍射周期值(t_x，t_y，T_x与T_y)需根据具体应用场景的视场角、VCSEL的发光区域尺寸与投影透镜的焦距进行匹配优化设计，达到预设的点阵投影照明模式。

图5所示为整个光点阵投影模组的投影光点阵效果示意图，其中F_x与F_y分别为水平与竖直方向的有效视场角，激光光源可以提供第一斑点图案12，在经过准直投影、达曼光栅以及投影透镜后最终形成第二斑点图案17。

本发明的第二方面，如图6所示，提供了一种深度相机21，包括光点阵投影模组22，该光点阵投影模组22可以采用前文记载的所述的光点阵投影模组，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。

本实施例的深度相机，采用前文记载的光点阵投影模组，其包括依次设置的光源11、准直透镜13、达曼光栅14和投影透镜15。本实施例采用达曼光栅14进行点阵复制扩展，达曼光栅14为优化设计后的二台阶或更高台阶分布的位相光栅，在优化设计中充分约束衍射级次的光强均匀性。因此，与常规类型的衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)相比，本实施例的光点阵投影模组的衍射强度均匀性更好，因此，该深度相机具有比较统一的深度测量指标，为后续应用开发提供了更高的自由度与更精确的基础参数值。

可选地，如图6所示，所述深度相机21还包括RGB彩色相机23、红外相机24以及数据处理单元25，所述光点阵投影模组22、所述RGB彩色相机23和所述红外相机24均与所述数据处理单元25电连接。其中，所述RGB彩色相机23用于采集场景常规彩色图像。所述红外相机24用于拍摄场景散斑图像。所述数据处理单元25用于分析处理数据并合成为深度图。

具体地，基于散斑结构光的深度计算一般是将红外相机24所采集的场景散斑图像与预先标定保存好的参考平面散斑图像进行匹配比较运算，由数据处理单元25分析处理得到二者之间对应特征像素点的变形量，并根据变形量推导出实际场景中该物点的深度信息，多个像素点的深度值组合为点云数据，进一步处理后构成场景物体的深度图像。

RGB彩色相机23采集场景的可见光彩色图像以及物体的纹理信息，配合深度图像后可由数据处理单元渲染输出为场景的三维图像。

红外相机24中可包含仅允许相应波长光线通过的滤光片(如对应VCSEL光源波长的940nm)以及偏振片，以提高采集的场景散斑图像质量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种光点阵投影模组，其特征在于，包括：

光源，所述光源用于提供预设的第一斑点图案；

准直透镜，所述准直透镜设置在所述光源的出光侧，以接收所述第一斑点图案并将所述第一斑点图案调制为准直第一斑点图案；

达曼光栅，所述达曼光栅设置在所述准直透镜的出光侧，以接收所述准直第一斑点图案并将其复制扩展，以获得第二斑点图案；所述达曼光栅包括沿所述光点阵投影模组的光轴方向依次层叠设置的若干层达曼子光栅，以实现满足预设要求的衍射级次分布模式；其中，每层所述达曼子光栅均包括若干级衍射级次，在垂直于基线方向上，至少一层所述达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量；

投影透镜，所述投影透镜设置在所述达曼光栅的出光侧，以接收所述第二斑点图案并将所述第二斑点图案按照预定比例投射至待测目标场景。

2.根据权利要求1所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述光源采用激光光源，所述激光光源包括若干个子激光光源，所述若干个子激光光源呈阵列排布。

3.根据权利要求1所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述达曼光栅包括依次层叠设置的第一层达曼子光栅和第二层达曼子光栅，在垂直于所述基线方向上，所述第一层达曼子光栅的相邻衍射级次间具有预设的错位量。

4.根据权利要求3所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述第一层达曼子光栅的衍射级次为M×N，所述第二层达曼子光栅的衍射级次为P×Q，所述达曼光栅总的衍射级次为M×N×P×Q，其中，M、N、P和Q均为正整数。

5.根据权利要求1所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述错位量的范围为1/8周期~1/4周期。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述准直透镜采用单透镜或组合透镜。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述准直透镜采用全息透镜。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述准直透镜采用微透镜阵列。

9.根据权利要求1至5中任意一项所述的光点阵投影模组，其特征在于，所述准直透镜采用菲涅尔透镜。

10.一种深度相机，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的光点阵投影模组。

11.根据权利要求10所述的深度相机，其特征在于，所述深度相机还包括RGB彩色相机、红外相机以及数据处理单元，所述光点阵投影模组、所述RGB彩色相机和所述红外相机均与所述数据处理单元电连接。

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