CN102566047B - 照射光学系统以及包括其的三维图像获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维图像获取装置的照射光学系统以及包括该照射光学系统的三维(3D)图像获取装置。3D图像获取装置的照射光学系统可以包括具有预定截面形状的束成形元件，以具有与3D图像获取装置的视场一致的照射场。束成形元件可以根据其截面形状来调节照射光的形状。因此，照射光可以被会聚以落在3D图像获取装置的视场内，增大反射离开目标的光量并允许获得关于目标更精确的深度信息。束成形元件可以均匀地均匀化照射光而不引起光散射或吸收，因此有效抑制了斑点噪声。

Description

照射光学系统以及包括其的三维图像获取装置

技术领域

本发明涉及照射光学系统以及包括其的三维(3D)图像获取装置，更具体地，涉及其中照射场与视场一致从而获得更精确的深度信息的光学系统以及包括该光学系统的3D图像获取装置。

背景技术

随着3D显示装置的最近的进展以及对其增大的需求，其中深度能够被感知的3D内容的重要性变得突出。因而，对能够使用户自行创建3D内容的3D图像获取装置诸如3D照相机的研究正在增加。3D照相机需要具有这样的功能，即利用该功能，通过一个照相操作，深度信息与普通2D彩色图像信息一起被获取。

表示3D照相机与目标的表面之间的距离的深度信息可以使用利用两个照相机的立体视觉法获取，或者使用利用结构光和照相机的三角测量法获取。然而，根据这些方法，照相机到目标的距离越大，所获得的深度信息变得越不精确，且这些方法高度依赖于目标的表面状态。因此，通过这些方法难以获取精确的深度信息。

为了解决这些问题，已经引入了飞行时间(TOF)技术。TOF技术测量照射光被照射到目标上之后从其反射离开至用于接收该照射光的光接收单元的行进时间。TOF技术涉及通过利用包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的照射光学系统照射具有特定波长(例如，具有850nm波长的近红外线)的光到目标上、在光从目标反射离开之后用光接收单元接收光以及通过例如用已知增益波长的调制器调制所接收的光来提取深度信息的一系列处理。已有用于该一系列处理的各种TOF技术。

在利用从照射光学系统投射之后从目标反射离开的光来测量距离时，入射在3D照相机上的反射光的量越大，所获得的深度信息变得越精确。这是因为在利用3D照相机提取深度信息的信号处理中，信噪比与入射光的量成比例，信噪比越大，则所获得的深度信息变得越精确。然而，通常，3D照相机中的视场并不与其照射光学系统的照射场相匹配，因此相当数量的照射光不能用于提取深度信息。因此，需要设计一种有效的光学系统以向3D照相机提供尽可能多的反射光。

为了3D照相机获得更精确的深度信息，可以使用具有短波长的相干光源，诸如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。然而，当相干光源用于发射光到目标上时，来自相干光源的斑点噪声会恶化图像质量。为了消除这样的斑点噪声，可以使用诸如磨砂玻璃的散射器。然而，由于散射器导致的光散射或吸收，深度信息的获得可能不那么精确。

发明内容

本发明实施例提供在三维(3D)图像获取装置中能够获得更精确的深度信息的照射系统。

本发明实施例提供了能够有效抑制斑点噪声的照射光学系统。

本发明实施例提供了包括该光学系统的3D图像获取装置。

根据本发明的方面，3D图像获取装置的照射光学系统包括：光源；束成形元件，用于使从光源发射的光均匀地均匀化并改变光的截面形状；以及透镜装置，用于将从束成形元件的出光面发射的光聚焦在目标上。

在照射光学系统中，从束成形元件的出光面发射的光的束截面形状可以与束成形元件的截面形状相同，并与3D图像获取装置的视场一致。

照射光学系统还可以包括匹配透镜，该匹配透镜设置在光源与束成形元件之间并用于将从光源发射的光引导到束成形元件的光入射面。

束成形元件的光入射面和出光面可以每个在其上具有抗反射涂层。

束成形元件的周边表面可以在其上具有反射涂层，入射在光入射面上的光可以通过全反射穿过束成形元件朝向出光面行进。

束成形元件可以包括由透明材料制成的积分棒。

积分棒可以具有矩形截面。

照射光学系统还可以包括将从光源发射的光引导到束成形元件中的光波导。光波导的第一端可以附接到光源，光波导的第二端可以附接到束成形元件的侧部。

光波导可以设置为相对于束成形元件的侧部倾斜使得引导到束成形元件中的光能够朝向束成形元件的出光面行进。

多个光源可以经由多个光波导设置在束成形元件的侧部上。

束成形元件可以具有矩形截面，至少一个光源和至少一个光波导可以设置在束成形元件的四侧的每个上。

照射光学系统还可以包括多个匹配透镜和多个光源，其中多个匹配透镜可以分别设置在多个光源与束成形元件之间，并可以将从多个光源发射的光引导到束成形元件的光入射面。

多个光源中的至少一个和多个匹配透镜中的至少一个可以每个具有朝向束成形元件的光入射面倾斜的光轴。

束成形元件可以具有其中与光入射面相比出光面相对较小的渐缩形状。

在照射光学系统中，多个束成形元件可以对应于多个光源设置，照射光学系统还可以包括多个匹配透镜，该多个匹配透镜分别设置在多个光源与多个束成形元件之间并将从多个光源发射的光分别引导到多个束成形元件的光入射面。

多个束成形元件可以在高度方向和宽度方向的至少一个上彼此靠近地设置。在这点上，所有束成形元件一起的宽度高度比可以等于3D图像获取装置的视场的宽高比。

透镜装置可以包括变焦透镜。

根据本发明的另一方面，一种3D图像获取装置包括：物镜，用于聚焦目标的图像；图像处理单元，用于处理被物镜聚焦的图像以产生图像信号；如上所述的照射光学系统，照射目标以获取关于目标的深度信息；以及控制单元，用于控制物镜、图像处理单元和照射光学系统的操作。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，在附图中：

图1是示出根据本发明示范性实施例的三维(3D)图像获取装置的结构的概念图；

图2是示出根据本发明示范性实施例的图1中的照射光学系统的结构的示意性概念图；

图3是图2的照射光学系统的束成形元件沿线A-A’截取的示意性截面图；

图4是用于描述照射效率根据从图2的照射光学系统发射的照射光的截面形状而增加的视图；

图5是示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统的结构的示意性概念图；

图6是根据本发明另一示范性实施例的示意性截面图，示出图5的一个光源和一个光波导设置在束成形元件的每侧；

图7是示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统的结构的示意性概念图；

图8是示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统的结构的示意性概念图；

图9是示出根据本发明示范性实施例的图8中示出的束成形元件阵列的布置的示意性截面图；

图10是示出根据本发明另一示范性实施例的束成形元件阵列的布置的示意性截面图；以及

图11是示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统的结构的示意性概念图。

具体实施方式

现在详细参照照射系统和包括其的三维(3D)图像获取装置的实施例，其示例在附图中示出。在附图中，附图中相似的附图标记指代相似的元件，每个部件的尺寸可以为了清晰而被夸大。

图1是示出根据本发明示范性实施例的三维(3D)图像获取装置100的结构的概念图。参照图1，3D图像获取装置100可以包括：物镜110，用于聚焦目标200的图像；图像处理单元120，用于处理被物镜110聚焦的图像以产生图像信号；照射光学系统130，用于照射目标200以获得关于目标200的深度信息；以及控制单元140，用于控制物镜110、图像处理单元120和照射光学系统130的操作。照射光学系统130可以辐射照射光例如红外线到目标200上。从目标200反射离开的红外照射光通过物镜110聚焦在图像处理单元120上。同时，从目标200反射离开的外部可见光可以聚焦在图像处理单元120上。图像处理单元120可以通过使用已知的飞行时间(TOF)技术调制红外照射光来产生用于计算关于目标200的深度信息的深度图像信号。图像处理单元120还可以通过使用可见光来产生通常的RGB图像信号。控制单元140可以使用所产生的深度图像信号和RGB图像信号来计算关于目标200的深度信息从而为用户产生图像。

如上所述，由于获取关于目标200的深度信息依赖于从照射光学系统130发射的照射光，所以照射光学系统130在获取更精确的深度信息上具有至关重要的作用。图2是示出根据本发明示范性实施例的允许获得更精确深度信息的照射光学系统130的结构的概念图。参照图2，照射光学系统130可以包括：光源131；束成形元件133，用于均匀地均匀化从光源131发射的光并将光束的截面形状改变成预定形状；匹配透镜132，设置在光源131与束成形元件133之间并用于将从光源131发射的光引导到束成形元件133的光入射面133i；以及透镜装置134，用于将从束成形元件133的出光面133e发射的光聚焦在目标200上。

在一些实施例中，为了用户的安全，光源131可以包括发射具有约850nm的不可见近红外波长的光的发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。然而，这仅是示范性的，可以使用具有任何合适波长的光以及各种光源。根据从控制单元140接收的控制信号，光源131可以发射具有特定波形的光，例如正弦波、斜波或方波。

从光源131发射的光经由匹配透镜132被引导到束成形元件133的光入射面133i。束成形元件133可以是由透明材料例如玻璃或透光塑料制成的积分棒(integrator rod)。束成形元件133的光入射面133i和出光面133e可以每个在其上具有抗反射涂层以减小由于反射引起的光损失。束成形元件133的周边表面可以在其上具有高反射涂层135。高反射涂层135可以是通过在束成形元件133的周边表面上沉积高反射率金属诸如金(Au)或银(Ag)而形成的金属反射镜。在另一实施例中，高反射涂层135可以是具有多层结构的电介质反射镜，其被设计为相对于从光源131发射的近红外光具有约99％或更高的反射率。因而，入射在光入射面133i上的光在束成形元件133中行进的同时经受全内反射，并通过出光面133e从束成形元件133发射。

从出光面127e发射的光可以具有与束成形元件133相同的矩形截面。束成形元件133的截面形状可以与3D图像获取装置100的视场的截面形状基本相同。图3是束成形元件133沿图2中的线A-A’截取的示意性截面图。参照图3，束成形元件133可以具有矩形截面。例如，如果3D图像获取装置100的视场具有像一般照相机一样的4∶3的宽高比，则束成形元件133可以具有等于视场的宽高比的宽度高度比(w/h)，也就是4∶3。因而，照射光学系统130的照射场可以与3D图像获取装置100的视场一致。

图4是用于描述当照射光学系统130的照射场与3D图像获取装置100的视场一致时所带来的优点的视图。在图4中，圆形A表示具有圆形截面的一般照射系统的照射场，矩形B表示3D图像获取装置100的视场。如上所述，由于3D图像获取装置100具有宽高比(aspectratio)为4∶3的矩形视场，所以相当一部分的照射光没有被使用。也就是，由于包围矩形B的圆形A不与视场匹配，所以照射光的不与视场对应的部分不能用于提取深度信息。因此，如果照射光被会聚以仅落在矩形B(视场)内使得照射场与视场一致，则可以改善光效率，使得能够获取更精确的深度信息而没有增加光源131的功率消耗。

例如，如果圆形A具有直径d，则圆形A的面积为(π/4)·d²。矩形B(其内接于圆形A中，具有4∶3的宽高比)可以具有(12/25)·d²的面积。因此，如果照射光被会聚以落在矩形B内，则光效率可以提高至1.64倍，这根据(圆形A的面积/矩形B的面积)来获得，其等于25π/48。根据本发明的一个实施例，由于束成形元件133具有与3D图像获取装置100的视场相同的截面形状，所以照射光学系统130的照射场可以与3D图像获取装置100的视场一致。因此，光效率可以提高约60％或更大，并且可以获得更精确的深度信息。

在束成形元件133中经受不断的全反射时，沿不同路径行进的光束被混合在一起，在光束的整个截面上光强度均匀化。因此，光强度可以在照射场内的任意点处基本相同。此外，可以减少或抑制在使用相干光时产生的斑点噪声而没有光损失，还允许获得更精确的深度信息。

返回参照图2，从束成形元件133发射的光经由透镜装置134聚焦在目标200上。如上所述，聚焦在目标200上的光可以被会聚以落在3D图像获取装置100的视场内。为此，束成形元件133的截面形状和通过透镜装置134的聚焦两者都是重要的。也就是，透镜装置134可以被设计为具有适合于将光投射在与3D图像获取装置100的视场一致的区域内的放大倍数。尽管为了示出的方便在图2中示出为一个透镜，但是透镜装置134可以例如是包括多个透镜的可变放大率变焦透镜。如果3D图像获取装置100的物镜110是变焦透镜，则透镜装置134和物镜110的变焦放大率可以被同步地控制。在一个实施例中，控制单元140可以同时控制3D图像获取装置100的物镜110和照射光学系统130的透镜装置134以具有相同的变焦放大率。

照射光的强度越大，所获得的深度信息变得越精确。在这点上，照射光学系统可以包括多个光源。图5是示意性概念图，示出根据本发明另一示范性实施例的包括多个光源131的照射光学系统230的结构。参照图5，照射光学系统230可以包括：束成形元件133，用于均匀地均匀化光并将光的截面形状改变成预定的形状；多个光源131，沿束成形元件133的多侧设置；多个光波导136，用于将从多个光源131发射的光引导到束成形元件133中；以及透镜装置134，用于将从束成形元件133的出光面133e发射的光聚焦在目标200上。为了将从光源131发射的光引导到束成形元件133中，光波导136的第一端都分别附接到光源131，其第二端附接到束成形元件133的侧部。光波导136可以设置为关于束成形元件133的侧部倾斜，使得引导到束成形元件133中的光朝向束成形元件133的出光面133e行进。

在图5中，示出多个光源131和多个光波导136设置在束成形元件133的上侧和下侧。然而，光源131和光波导136可以设置在束成形元件133的每侧。图6是根据本发明示范性实施例的示意性截面图，示出光源131和光波导136设置在束成形元件133的每一侧。参照图6，光源131和光波导136可以分别设置在具有矩形截面的束成形元件133的四个侧表面上。尽管在图5的实施例中多个光源131和多个光波导136设置在束成形元件133的每侧上，但是仅一个光源131和一个光波导136可以设置在束成形元件133的每侧上。

图7是示意性概念图，示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统330的结构。参照图7，照射光学系统330可以包括：多个光源131；束成形元件133，用于均匀地均匀化从多个光源131发射的光；多个匹配透镜132，用于将从多个光源131发射的光引导到束成形元件133的光入射面133i；以及透镜装置134，用于将从束成形元件133的出光面133e发射的光聚焦在目标200上。也就是，在图7的实施例中，多个光源131的阵列和多个匹配透镜132的阵列与束成形元件133的光入射面133i相对地设置。如图7所示，光源131的远离阵列中心的一些和匹配透镜132的远离阵列中心的一些可以具有朝向束成形元件133的光入射面133i略微倾斜的光轴使得光被引导到束成形元件133的光入射面133i。然而，当束成形元件133的截面面积足够大或者光源131和匹配透镜132足够小时，所有的光源131和匹配透镜132可以设置为具有平行的光轴。

图8是示意性概念图，示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统430的结构。在本实施例中，照射光学系统430可以包括多个束成形元件133a、133b和133c，确保多个光源131a、131b和131c以及多个匹配透镜132a、132b和132c可以具有平行的光轴。特别地，参照图8，照射光学系统430可以包括分别彼此对应的多个光源131a、131b和131c的阵列、多个匹配透镜132a、132b和132c的阵列以及多个束成形元件133a、133b和133c的阵列。例如，从第一光源131a发射的光可以经由第一匹配透镜132a入射在第一束成形元件133a上。从第二光源131b发射的光可以经由第二匹配透镜132b入射在第二束成形元件133b上，从第三光源131c发射的光可以经由第三匹配透镜132c入射在第三束成形元件133c上。因而，多个光源131a-131c的光轴可以平行于匹配透镜132a-132c的光轴。

当使用本实施例的多个束成形元件133a-133c时，束成形元件133a-133c的阵列的截面形状可以与3D图像获取装置100的视场基本相同。图9是根据本发明示范性实施例的多个束成形元件133a-133c沿图8的线B-B’截取的示意性截面图。当3D图像获取装置100的视场具有4∶3的宽高比时，如图9所示的束成形元件133a-133c的阵列的宽度高度比(w/h)可以为4∶3。图9的示范性实施例示出三个束成形元件133a-133c在高度方向上彼此依次堆叠。在另一实施例中，多个束成形元件可以设置在高度方向和宽度方向两者上，如图10所示。图10是根据本发明另一示范性实施例的示意性截面图，示出四个束成形元件133a-133d以2x2的阵列设置在宽度方向和高度方向上。在本实施例中，四个光源131和四个匹配透镜132可以对应于束成形元件133a-133d设置。在图10的实施例中，束成形元件133a-133d的阵列的截面形状可以与3D图像获取装置100的视场的截面形状基本相同。例如，当3D图像获取装置100的视场具有4∶3的宽高比时，如图10所示的束成形元件133a-133d的2x2阵列的宽度高度比(w/h)可以为4∶3。

图11是示出根据本发明另一示范性实施例的照射光学系统530的结构的示意性概念图。如图11的实施例中，图11的照射光学系统530包括设置为具有平行光轴的多个光源131和多个匹配透镜132。然而，与图10的实施例不同，图11的照射光学系统530仅包括一个束成形元件233。在本实施例中，束成形元件233的光入射面233i大于束成形元件233的出光面233e，其中光入射面233i足够大以面对所有的多个光源131和匹配透镜132。例如，束成形元件233可以具有从光入射面233i到出光面233e渐缩的形状。该结构确保从束成形元件233的出光面233e发射的光具有相对小的截面，因此允许相对小的孔径形成在透镜装置134中。因此，透镜装置24可以以降低的成本制造。

到目前为止为了帮助理解本发明，参照附图描述了照射光学系统以及包括该照射光学系统的3D图像获取装置的示范性实施例。然而，应当理解，这里描述的示范性实施例应当在描述意义上来理解，而不是为了限制的目的。对每个实施例内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他实施例中的其他相似特征或方面。

本申请要求于2010年12月14日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2010-0127866的权益，其公开内容通过引用结合于此。

Claims (18)

1.一种具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，该照射光学系统包括：

光源；

束成形元件，用于使从所述光源发射的光均匀地均匀化并改变光的截面形状；以及

透镜装置，用于将从所述束成形元件的出光面发射的光聚焦在目标上，

其中从所述束成形元件的所述出光面发射的光的束截面形状与所述束成形元件的截面形状相同，并与所述三维图像获取装置的视场一致，使得所述照射光学系统的照射场与所述三维图像获取装置的视场一致。

2.如权利要求1所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，还包括匹配透镜，所述匹配透镜设置在所述光源与所述束成形元件之间并用于将从所述光源发射的光引导到所述束成形元件的光入射面。

3.如权利要求2所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述束成形元件的所述光入射面和所述出光面每个在其上具有抗反射涂层。

4.如权利要求2所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述束成形元件的周边表面在其上具有反射涂层，入射在所述光入射面上的光通过全反射穿过所述束成形元件朝向所述出光面行进。

5.如权利要求1所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述束成形元件包括由透明材料制成的积分棒。

6.如权利要求5所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述积分棒具有矩形截面。

7.如权利要求1所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，还包括将从所述光源发射的光引导到所述束成形元件中的光波导，其中所述光波导的第一端附接到所述光源，所述光波导的第二端附接到所述束成形元件的侧部。

8.如权利要求7所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述光波导设置为相对于所述束成形元件的侧部倾斜从而使得引导到所述束成形元件中的光朝向所述束成形元件的所述出光面行进。

9.如权利要求7所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中多个光源经由多个光波导设置在所述束成形元件的侧部上。

10.如权利要求9所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述束成形元件具有矩形截面，至少一个光源和至少一个光波导设置在所述束成形元件的四侧的每个上。

11.如权利要求1所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，还包括多个匹配透镜和多个光源，其中所述多个匹配透镜分别设置在所述多个光源与所述束成形元件之间并将从所述多个光源发射的光引导到所述束成形元件的光入射面。

12.如权利要求11所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述多个光源中的至少一个和所述多个匹配透镜中的至少一个每个具有朝向所述束成形元件的所述光入射面倾斜的光轴。

13.如权利要求11所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述束成形元件具有其中与所述光入射面相比所述出光面相对较小的渐缩形状。

14.如权利要求1所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中多个束成形元件设置为对应于多个光源，所述照射光学系统还包括多个匹配透镜，该多个匹配透镜分别设置在所述多个光源与所述多个束成形元件之间并将从所述多个光源发射的光分别引导到所述多个束成形元件的光入射面。

15.如权利要求14所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述多个束成形元件在高度方向和宽度方向的至少一个上彼此靠近地设置。

16.如权利要求15所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所有束成形元件一起的宽度高度比等于所述三维图像获取装置的视场的宽高比。

17.如权利要求1所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，其中所述透镜装置包括变焦透镜。

18.一种三维图像获取装置，包括：

物镜，用于聚焦目标的图像；

图像处理单元，用于处理被所述物镜聚焦的图像以产生图像信号；

如权利要求1至17任一项所述的具有视场的三维图像获取装置的照射光学系统，用于照射所述目标以获取关于所述目标的深度信息；以及

控制单元，用于控制所述物镜、所述图像处理单元和所述照射光学系统的操作。