CN113471810A - 激光器、结构光投射器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光器、结构光投射器及其控制方法，所述激光器包括：至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层和至少两组与所述发光孔相对应的发光部；根据投射距离控制对应的一组所述发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过；所述结构光投射器包括如上所述的激光器。本发明中激光器中具有孔径不同的多组发光孔和对应向发光孔发射激光束的多组发光部，当结构光投射器在近场使用时可点亮较大尺寸的一组发光孔，当结构光投射器在远场使用时可点亮较小尺寸的一组发光孔，从而提升远景散斑密度，大幅提高远景时的结构光投射器精度。

Description

激光器、结构光投射器及其控制方法

技术领域

本发明涉及结构光领域，特别是涉及结构光投射器技术领域，具体为一种激光器、结构光投射器及其控制方法。

背景技术

散斑结构光建模中需要投射器将大量散斑点投射至测量物的表面，散斑点的密度会直接影响到模型精度。传统结构光的特点是在近距离时覆盖到测量物表面的散斑尺寸小密度大，测量精度高；但远景时所覆盖的散斑尺寸大密度小，从而大幅降低远景时的模型精度。

发明内容

为了解决上述的以及其他潜在的技术问题，本发明的实施例提供了一种激光器，所述激光器包括：至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层和至少两组与所述发光孔相对应的发光部；根据投射距离控制对应的一组所述发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过。

于本发明的一实施例中，各组发光孔间隔排列，孔径小的发光孔配置于孔径大的各发光孔的间隔中。

于本发明的一实施例中，各组发光部对应的发光孔位于激光孔层的同一表面。

于本发明的一实施例中，各组发光孔于激光孔层中具有不同的孔深度。

于本发明的一实施例中，各组发光孔的孔径大小与所述投射距离成反比。

于本发明的一实施例中，各组发光孔的孔径大小为使得各组发光孔在不同投影距离下投影的散斑大小相同。

本发明的实施例还提供一种结构光投射器，包括如上所述的激光器。

于本发明的一实施例中，所述结构光投射器还包括：若干驱动电路，每一路所述驱动电路对应驱动一组所述发光部；处理器，根据投射距离驱动对应的所述驱动电路工作。

本发明的实施例还提供一种结构光投射器的控制方法，所述结构光投射器的控制方法包括：根据投射距离从激光器中选取一组发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过；其中，所述激光器包括至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层和至少两组与所述发光孔相对应的发光部。

本发明的实施例还提供投射距离越大，选取发光孔的孔径越小所对应的发光部发光。

如上所述，本发明的激光器、结构光投射器及其控制方法具有以下有益效果：

本发明中激光器中具有孔径不同的多组发光孔和对应向发光孔发射激光束的多组发光部，当结构光投射器在近场使用时可点亮较大尺寸的一组发光孔，当结构光投射器在远场使用时可点亮较小尺寸的一组发光孔，从而提升远景散斑密度，大幅提高远景时的结构光投射器精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示为本发明的激光器的激光孔层原理结构图。

图2显示为本发明的激光器的激光孔层中第一组发光部中发光孔的示意图。

图3显示为本发明的激光器的激光孔层中第二组发光部中发光孔的示意图。

图4显示为本发明的激光器的激光孔层中具有两组发光部时发光孔布置的示意图。

图5显示为本发明的激光器的激光孔层的工作原理示意图。

元件标号说明

100 激光器

110 激光孔层

101 第一组发光部对应的发光孔

102 第二组发光部对应的发光孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结构光模组是一组由投影设备(结构光投射器)和图像传感器(摄像头)组成的***结构。为了获取一个物体的三维信息，可以用投影设备投射特定的光信号到物体表面及背景后，由摄像头采集物体和其背景的图像信息。再通过分析处理采集到的图像信息，找到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，进而复原物体周围的整个三维空间。

本实施例的目的在于提供一种激光器、以激光器为基础的结构光投射器及其控制方法，用于解决现有技术中结构光投射器在远景时覆盖的散斑尺寸大密度小的局限，从而大幅降低远景时的结构光投射器精度的问题。

以下将详细阐述本发明的激光器、结构光投射器及其控制方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的激光器、结构光投射器及其控制方法。

实施例1

具体地，如图1所示，本实施例提供一种激光器100，所述激光器100包括：至少有两组孔径不同的发光孔(发光孔1、发光孔2…发光孔N，N为≥2的正整数)的激光孔层110和至少两组与所述发光孔相对应的发光部(发光部1、发光部2…发光部N，N为≥2的正整数)；每一组所述发光孔的孔径大致相同；根据投射距离控制与投射距离对应的一组所述发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过。

具体地，于本实施例中，所述激光器100为但不限于垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)。本实施例中所述激光器100优选为垂直腔面发射激光器。

本实施例中，垂直腔面发射激光器的结构为但不限于：衬底，衬底上的层状结构，在所述层状结构上开设的若干氧化沟道(Trench)，以形成对应于若干阵列单元的台面结构(Mesa)；.对所述氧化沟道进行横向氧化形成氧化层，以在每个台面结构中形成阵列单元的发光孔的激光孔层110。在外部的控制下，激光器100所产生的激光束可以同时从多个发光孔，垂直于层状结构发射出去。

于本实施例中，每一个所述激光器100均具有包含多个发光孔的激光孔层110。本实施例即使对激光器100的激光孔层110进行特定设计，以提升激光器100远景散斑密度。

具体地，于本实施例中，所述激光器100包括：至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层110，和至少两组相对应的发光部。即本实施例中激光器100包含两组、三组、四组…或N组发光部，每组发光部可以被单独点亮，多组发光部也可以同时点亮。激光器100的激光孔层110中，有与各组发光部对应的两组、三组、四组…或N组发光孔。N为≥2的正整数。

其中，任一组所述发光孔具有若干孔径大致相同的，可以让激光通过的圆孔。也就是说，同一组内的发光孔具有大致相同的孔径，不同组的发光孔具有不同的孔径。另外，任何一组发光部与唯一一组发光孔相对应，任何一组发光孔也与唯一一组发光部相对应。就是说，某一组发光部所发出的激光，会通过与之唯一对应的发光孔发射出去。为描述方便，与一组发光部相对应的一组发光孔，可以简称为“该组发光部对应的发光孔”。

于本实施例中，激光孔层110中的各组发光孔间隔排列，孔径小的发光孔配置于孔径大的各发光孔的间隔中。具体来说，第一组发光孔的分布范围与第二组发光孔的分布范围有重叠，即在第一组的一些发光孔的周围，分布着第二组的一些发光孔；同时，第二组的一些发光孔的周围，分布着第一组的一些发光孔。在其它实施例中，第一组发光孔的分布范围与第二组发光孔的分布范围有部分重叠，或者没有重叠。即在第一组的一些发光孔的周围，没有分布着第二组的一些发光孔；同时，第二组的一些发光孔的周围，也没有分布着第一组的一些发光孔。

在激光孔层110中，每一组发光部对应的发光孔可以排列成具有一定形状规律的阵列，也可以随意间隔排列。其中，每一组发光孔可以相对均匀布置于激光孔层110的表面。每一组发光部被激活后，都使得与之对应的，散布于激光孔层110整体表面的某组发光孔发射出多个激光束，并不局限于某一点或某一表面区域发射激光束。

例如，如图2至图4所示，有两组发光部对应的两组发光孔101和发光孔102。第一组发光部对应的发光孔101相对第二组发光部对应的发光孔102的孔径大一些，即第二组发光部对应的发光孔102的孔径比第一组发光部对应的发光孔101的孔径小一些，在第一组发光部的发光孔均匀布置于激光孔层110的表面之后，第二组发光部对应的发光孔102均匀布置于第一组发光部中的各发光孔的间隔处。

又例如，有三组发光部相对应的三组发光孔(图中未示出第三组发光部和第三组发光孔)。第一组发光部对应的发光孔101相对第二组发光部对应的发光孔102的孔径大一些，第二组发光部对应的发光孔102相对第三组发光部对应的发光孔大一些，即第二组发光部对应的发光孔102的孔径比第一组发光部对应的发光孔101的孔径小一些，第三组发光部对应的发光孔的孔径比第二组发光部对应的发光孔102的孔径小一些。在第一组发光部的发光孔均匀布置于激光孔层110的表面之后，第二组发光部对应的发光孔102均匀布置于第一组发光部的各发光孔的间隔处，第三组发光部对应的发光孔均匀布置于第二组发光部的各发光孔的间隔处。依次类推，对于三组以上的发光部对应的发光孔布置不再赘述。

于本实施例中，各组发光部对应的发光孔优选位于激光孔层110的同一表面。

于另一实施例中，各组发光孔于激光孔层110中也可以具有不同的孔深度，即激光孔层110有多层结构，每层结构中设置一组发光孔。导致各组发光部对应的发光孔不位于激光孔层110的同一表面，彼此之间形成的发光面具有一定距离。

其中，于本实施例中，各组发光孔的孔径大小与所述投射距离成反比。即投射距离较近时，对应选用孔径较大的发光孔发光。

如图5示，结构光投射器所投影出来的散斑尺寸Y'等于激光器100中发光孔尺寸Y乘以准直镜放大率M，M等于物距U除以焦距f。由于结构光投射器中焦距f通常是固定的，因此不同物距U对应的放大率准直镜M会变化，若想保持结构光投射器所投影出来的散斑尺寸Y'不变，则激光器100中发光孔尺寸Y需要与物距U保持反比变化：Y'＝Y×(U÷f)。

由于激光器100上不同发光部对应的发光孔尺寸不同，因此当其分别点亮时，各发光孔所投影出来的散斑尺寸也各不相同。当结构光投射器在近场使用时可点亮具有较大孔径尺寸发光孔对应的发光部，当构光投射器在远场使用时可点亮较小孔径尺寸发光孔对应的发光部，从而提升构光投射器远景散斑密度。

各发光部对应的发光孔尺寸大小不同，密度分布也各不相同。每一组发光部对应的发光孔的大小尺寸以及各组发光部对应的发光孔的孔径差并无具有限定，可以根据实际需求进行设置。但优选地，于本实施例中，各组发光孔的孔径大小为使得各组发光孔在不同投影距离下投影的散斑大小相同。

本实施例中的激光器100采用两种或多种发光部和对应数量的发光孔设计，且不同发光部可单独点亮使用，不同发光部对应的发光孔尺寸及分布密度不同；根据使用距离的不同选择使用不同发光孔，远场处使用高密度发光孔，近场使用低密度发光孔，从而实现类似散斑变焦效果。

由上可见，于本实施例中，每一组发光部可独立驱动，在不同应用场景下，选取与投影距离对应的发光部进行发射激光束，其它未被选取的发光部的发光孔不发射激光束。由于本实施例的激光器100中具有发光孔径不同的发光孔，当结构光投射器在近场使用时可点亮较大尺寸的一组发光孔，当结构光投射器在远场使用时可点亮较小尺寸的一组发光孔，从而提升远景散斑密度，大幅提高远景时的结构光投射器精度。通过本实施例的激光器100，结构光投射器在远场使用时同样也可得到尺寸较小、密度较高的散斑图，从而提升深度测量精度。

实施例2

本发明的实施例还提供一种结构光投射器，包括如实施例1中所述的激光器100。实施例1中已经对激光器100进行了详细说明，本实施例不再对结构光投射器的激光器100进行赘述。

通常所述结构光投射器包括用于发射激光的发射激光束的激光器100(绝大多数为垂直腔面发射激光器)、用于准直所述激光的准直元件、用于衍射所述准直元件准直后的激光以形成激光图案的衍射光学元件等。本实施例中的结构光投射器中的激光器100采用实施例1中所述的激光器100，其它结构部分保留现有准直元件、衍射光学元件等结构，对于所述结构光投射器中现有结构部分不再具体说明。

需要说明的是于本实施例中，所述结构光投射器还包括：若干驱动电路，每一路所述驱动电路对应驱动一组所述发光部；处理器，根据投射距离驱动对应的所述驱动电路工作。这样使得本实施例中结构光投射器的激光器100中的各组发光部可分别独立驱动，由于本实施例结构光投射器的激光器100中具有发光孔径不同的发光孔，当结构光投射器在近场使用时可点亮较大尺寸的一组发光孔，当结构光投射器在远场使用时可点亮较小尺寸的一组发光孔，从而提升远景散斑密度，大幅提高远景时的结构光投射器精度。所以于本实施例中，结构光投射器在远场使用时同样也可得到尺寸较小、密度较高的散斑图，从而提升深度测量精度。

此外，于本实施例中，所述结构光投射器应用于一电子设备中，例如应用于智能手机、平板电脑、游戏机等任何具有拍照或摄像功能的电子设备。

实施例3

本发明的实施例还提供一种结构光投射器的控制方法，所述结构光投射器的控制方法包括：根据投射距离从激光器中选取一组发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过；其中，所述激光器包括至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层110和至少两组与所述发光孔相对应的发光部。

具体地，于本实施例中，激光器为但不限于垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)。本实施例中激光器优选为为垂直腔面发射激光器。

于本实施例中，如图1所示，每一个所述激光器100均具有包含多个发光孔的激光孔层110。

所述激光器100包括：至少有两组孔径不同的发光孔发光孔1、发光孔2…发光孔N，N为≥2的正整数)的激光孔层110和至少两组与所述发光孔相对应的发光部。即本实施例中激光器100的激光孔层110包含两组、三组、四组…N组发光部(发光部1、发光部2…发光部N，N为≥2的正整数)，不同组发光具有不同的发光孔径的发光孔，N为≥2的正整数。

其中，任一组所述发光孔具有若干孔径大致相同的，可以让激光通过的圆孔。也就是说，同一组内的发光孔具有大致相同的孔径，不同组的发光孔具有不同的孔径。另外，任何一组发光部与唯一一组发光孔相对应，任何一组发光孔也与唯一一组发光部相对应。就是说，某一组发光部所发出的激光，会通过与之唯一对应的发光孔发射出去。

每组发光部可以被单独点亮，多组发光部也可以同时点亮。

于本实施例中，各组发光孔间隔排列，孔径小的发光孔配置于孔径大的各发光孔的间隔中。

在激光孔层110中，每一组发光部对应的发光孔可以排列成具有一定形状规律的阵列，也可以随意间隔排列。其中，每一组发光孔可以相对均匀布置于激光孔层110的表面。每一组发光部被激活后，都使得与之对应的，散布于激光孔层110整体表面的某组发光孔发射出多个激光束，并不局限于某一点或某一表面区域发射激光束。

例如，如图2至图4所示，有两组发光部对应的两组发光孔101和发光孔102。第一组发光部对应的发光孔101相对第二组发光部对应的发光孔102的孔径大一些，即第二组发光部对应的发光孔102的孔径比第一组发光部对应的发光孔101的孔径小一些，在第一组发光部中的发光孔均匀布置于激光孔层110的表面之后，第二组发光部对应的发光孔102均匀布置于第一组发光部中的各发光孔的间隔处。

又例如，有三组发光部相对应的三组发光孔(图中未示出第三组发光部和第三组发光孔)。第一组发光部对应的发光孔101相对第二组发光部对应的发光孔102的孔径大一些，第二组发光部对应的发光孔102相对第三组发光部对应的发光孔大一些，即第二组发光部对应的发光孔102的孔径比第一组发光部对应的发光孔101的孔径小一些，第三组发光部对应的发光孔的孔径比第二组发光部对应的发光孔102的孔径小一些。在第一组发光部中的发光孔均匀布置于激光孔层110的表面之后，第二组发光部对应的发光孔102均匀布置于第一组发光部中的各发光孔的间隔处，第三组发光部对应的发光孔均匀布置于第二组发光部中的各发光孔的间隔处。依次类推，对于三组以上的发光部对应的发光孔布置不再赘述。

于本实施例中，各组发光部对应的发光孔优选位于激光孔层110的同一表面。

于另一实施例中，各组发光孔于激光孔层110中也可以具有不同的孔深度，即激光孔层110有多层结构，每层结构中设置一组发光孔。导致各组发光部对应的发光孔不位于激光孔层110的同一表面，彼此之间形成的发光面具有一定距离。

本实施例中，投射距离越大，选取发光孔的孔径越小所对应的发光部发光。即于本实施例中，选取的发光部对应的发光孔的孔径大小与所述投射距离成反比。即投射距离较近时，对应选用孔径较大的发光孔。

如图5所示，结构光投射器所投影出来的散斑尺寸Y'等于激光器100中发光孔尺寸Y乘以准直镜放大率M，M等于物距U除以焦距f。由于结构光投射器中焦距f通常是固定的，因此不同物距U对应的放大率准直镜M会变化，若想保持结构光投射器所投影出来的散斑尺寸Y'不变，则激光器100中发光孔尺寸Y需要与物距U保持反比变化：Y'＝Y×(U÷f)。

由于激光器100上不同发光部对应的发光孔尺寸不同，因此当其分别点亮时，各发光部所对应的发光孔所投影出来的散斑尺寸也各不相同。当结构光投射器在近场使用时可点亮具有较大孔径尺寸发光孔对应的发光部，当构光投射器在远场使用时可点亮较小孔径尺寸发光孔对应的发光部，从而提升构光投射器远景散斑密度。

各发光部对应的发光孔尺寸大小不同，密度分布也各不相同。每一组发光部对应的发光孔的大小尺寸以及各组发光部对应的发光孔的孔径差并无具有限定，可以根据实际需求进行设置。但优选地，于本实施例中，各组发光孔的孔径大小为使得各组发光孔在不同投影距离下投影的散斑大小相同。

本实施例中选用的激光器100采用两种或多种发光部和对应数量的设计，且不同发光部可单独点亮使用，不同发光部对应的发光孔尺寸及分布密度不同；根据使用距离的不同选择使用不同发光孔，远场处使用高密度发光孔，近场使用低密度发光孔，从而实现类似散斑变焦效果。

由上可见，于本实施例中，每一组发光部可独立驱动，在不同应用场景下，选取与投影距离对应的发光部进行发射激光束，其它未被选取的发光部中的发光孔不发射激光束。由于本实施例的激光器100中具有发光孔径不同的发光部，当结构光投射器在近场使用时可点亮较大尺寸的一组发光孔，当结构光投射器在远场使用时可点亮较小尺寸的一组发光孔，从而提升远景散斑密度，大幅提高远景时的结构光投射器精度。通过本实施例的结构光投射器的控制方法，结构光投射器在远场使用时同样也可得到尺寸较小、密度较高的散斑图，从而提升深度测量精度。

综上所述，本发明中激光器中具有孔径不同的多组发光孔和对应向发光孔发射激光束的多组发光部，当结构光投射器在近场使用时可点亮较大尺寸的一组发光孔，当结构光投射器在远场使用时可点亮较小尺寸的一组发光孔，从而提升远景散斑密度，大幅提高远景时的结构光投射器精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包括通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种激光器，其特征在于：所述激光器包括：

至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层和至少两组与所述发光孔相对应的发光部；

根据投射距离控制对应的一组所述发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：各组发光孔间隔排列，孔径小的发光孔配置于孔径大的各发光孔的间隔中。

3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：各组发光部对应的发光孔位于激光孔层的同一表面。

4.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：各组发光孔于激光孔层中具有不同的孔深度。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：各组发光孔的孔径大小与所述投射距离成反比。

6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于：各组发光孔的孔径大小为使得各组发光孔在不同投影距离下投影的散斑大小相同。

7.一种结构光投射器，其特征在于：包括如权利要求1至权利要求6任一权利要求所述的激光器。

8.根据权利要求5所述的结构光投射器，其特征在于：所述结构光投射器还包括：

若干驱动电路，每一路所述驱动电路对应驱动一组所述发光部；

处理器，根据投射距离驱动对应的所述驱动电路工作。

9.一种结构光投射器的控制方法，其特征在于：所述结构光投射器的控制方法包括：

根据投射距离从激光器中选取一组发光部发出的激光束从对应的一组发光孔中通过；其中，所述激光器包括至少有两组孔径不同的发光孔的激光孔层和至少两组与所述发光孔相对应的发光部。

10.根据权利要求9所述的结构光投射器的控制方法，其特征在于：投射距离越大，选取发光孔的孔径越小所对应的发光部发光。

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