CN106406002B - 面阵投影装置及深度相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面阵投影装置及深度相机，面阵投影装置包括：面阵光源，包括多个发光元件，用于发射激光；衍射光学元件，用于对面阵光源发射的激光进行扩束而转换为图案化的激光；多个发光元件的排布为第一光学图案，单束光经过衍射光学元件扩束后形成的图案为第二光学图案，图案化的激光的图案为第一光学图案和第二光学图案复合形成的复合光学图案，第一光学图案、第二光学图案和所述复合光学图案中包括多个光束；其中复合光学图案中的光束排列具有局部不相关性，且均匀性指标小于预设阈值。通过上述方式，本发明能够实现以更小体积的光源达到更好的光学投影效果，且能够在较小设备中的集成，提高设备的轻薄化。

Description

面阵投影装置及深度相机
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种面阵投影装置及深度相机。
背景技术
激光投影已被应用于多种场合。例如，使用激光投影产生具有图案的结构光并将其投射在物体上，获取在物体上投影的图案并据此获取物体的深度信息。
现有技术中，由红外投影仪、红外相机以及处理器可以组成深度相机。其中，红外投影仪一般由光源、透镜以及衍射光学元件组成，并被用来向目标空间投射一定图案的红外图像，且现有技术中的光源一般是单个激光光源，其体积较大，不易于集成到更小的投影仪中。
发明内容
本发明提供一种面阵投影装置及深度相机，通过合理设置面阵光源的排列及衍射光学元件的扩束图案，能够实现以更小体积的光源发射相同功率且拥有更高均匀性的光学图案。
本发明采用的一个技术方案是：一种面阵投影装置，包括：面阵光源，包括多个发光元件，用于发射激光；衍射光学元件，用于对所述面阵光源发射的激光进行扩束而转换为图案化的激光；多个发光元件的排布为第一光学图案，单束光经过所述衍射光学元件扩束后形成的图案为第二光学图案，所述图案化的激光的图案为所述第一光学图案和所述第二光学图案复合形成的复合光学图案，所述第一光学图案、所述第二光学图案和所述复合光学图案中包括多个光束；其中所述复合光学图案中的光束排列具有局部不相关性，且均匀性指标小于预设阈值。
其中，所述局部不相关性是指所述复合光学图案中任意一个指定大小的子区中的图案与指定方向上的其他任意一个同样大小的子区中的图案均不相同。
其中，所述均匀性指标为将所述复合光学图案划分为若干个大小相同的子区域之后，所有所述子区域中的光束数量的方差或者标准差。
其中，所述第一光学图案的长宽分别为所述第二光学图案中相邻光束的平均横纵间距的整数倍，且倍数大于1。
其中，将所述第一光学图案平均划分为多个大小相同的格子，所有格子中的图案叠加而得到的第三光学图案为偏移量小于第一阈值的不规则图案，其中所述偏移量是指所有相邻光束之间的横纵间距的标准差。
其中，所述第二光学图案为偏移量小于第二阈值的不规则图案，其中所述偏移量是指所有相邻光束之间的横纵间距的标准差。
其中，所述复合光学图案中光束数量大于所述第一、第二光学图案中光束数量乘积的90％。
其中，所述面阵投影装置还包括透镜，所述透镜设置于所述面阵光源与所述衍射光学元件之间，用于准直和/或聚焦所述面阵光源中各个发光元件发出的光束。所述透镜为微透镜阵列，所述微透镜阵列中的微透镜与所述发光元件之间一对一对应或一对多对应。
其中，所述的发光元件为垂直腔面发射激光器。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种深度相机，包括如上述所述的面阵投影装置，所述面阵投影装置用于向目标空间投射图案化的激光；图像采集单元，用于采集由所述面阵投影装置向目标空间中投射的所述图案化的激光形成的光学图案；处理器，用于对所述光学图案进行处理以得到目标空间的深度图像。
本发明的有益效果是：提供一种面阵投影装置及深度相机，通过合理设置面阵光源的排列及衍射光学元件的扩束图案，可以实现以更小体积的光源达到更好的光学投影效果，且能够在较小设备中的集成，提高设备的轻薄化。
附图说明
图1是本发明面阵投影装置一实施方式的结构示意图；
图2是本发明多个发光元件一实施方式的光学图案示意图；
图3是本发明单个发光元件经光学衍射元件后一实施方式的光学图案示意图；
图4是本发明第一光学图案与第三光学图案对比示意图；
图5是本发明面阵光源经光学衍射元件后一实施方式的光学图案示意图；
图6是本发明深度相机一实施方式的结构示意图。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
请参阅图1，图1是本发明面阵投影装置一实施方式的结构示意图。如图1所示，该面阵投影装置10包：包括面阵光源12、衍射光学元件14以及透镜16。
其中，面阵光源12进一步包括多个发光元件122，且多个发光元件122均设置于基板18上，在具体实施例中，发光元件122可以为垂直腔面发射激光器，用于发射激光。可选地，在其它实施例中，发光元件122还可以为边缘发射激光二极管、红外激光或者其他类型的激光器，本发明不作具体限定。
具体地，该垂直腔面发射激光器122是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同，且相比于其他激光器而言，具有体积小、光源发散角小等特点。
进一步地，衍射光学元件14(Diffractive Optical Elements，DOE)，又称二元光学器件，主要用于激光束整形，比如均匀化、准直、聚焦、形成特定图案等，根据不同的应用需求，衍射光学元件14可以作为全息片或菲涅耳波带片。在具体实施例中，该衍射光学元件14用于面阵光源12发射的激光进行扩束而转换为图案化的激光，也可以采用液晶光阀取代衍射光学元件14来将面阵光源12发射的激光进行扩束而转换为图案化的激光。
进一步地，该面阵投影装置10还包括透镜16，透镜16用于准直或聚焦面阵光源12各个发光元件122的光束。图中所示的透镜16为微透镜阵列。其中，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。可选地，在其它实施例中，透镜16也可以为菲涅尔透镜或者光学透镜，且透镜16与发光元件122之间可以一对一对应或一对多对应。
可选地，在其它实施例中，可以不包括透镜16，由面阵光源12各个发光元件122的光束直接经过衍射光学元件14进行扩束而转换为图案化的激光。
更近一步地，透镜16与衍射光学元件14可以设置为同一元件，即将透镜16的准直或聚焦功能以及衍射光学元件14的扩束功能集成在一个元件上，具体地，在该元件的一面具有准直或聚焦功能，另一面具有扩束功能。此种设计方式，有利于装置的轻薄化设计，提高空间利用率。
请参阅图2至图5，图2是本发明多个发光元件一实施方式的光学图案示意图，图3是本发明单个发光元件经光学衍射元件后一实施方式的光学图案示意图，图4是本发明第一光学图案与第三光学图案对比示意图；图5是本发明面阵光源经光学衍射元件后一实施方式的光学图案示意图。具体描述如下：
如图2所示，该发光元件122的排布为第一光学图案20，其中，第一光学图案20中每个黑色斑点代表一个发光元件122。
如图3，单束光经过衍射光学元件14扩束后形成的图案为第二光学图案40，图中每个黑色斑点代表的是一个光束，其中斑点的个数仅为示意。在具体实施例中，因衍射光学元件14的扩束功能，随着目标空间的距离增加，第二光学图案40所能到达的空间也越来越大。从图中可以看出，第二光学图案40为不规则图案，其中斑点的排列不规则，即相互之间的距离不相等，但斑点总体上的排列仍相对均匀，斑点相互之间的横、纵向距离相差不大。具体而言，第二光学图案40的偏移量小于第二阈值，其中偏移量是指所有相邻光束之间的横纵间距的标准差，且第二阈值与相邻光束之间的平均横纵间距的比值在0.1～1.5之间。需要注意的是，偏移量包括所有相邻光束之间的横向间距的标准差sl，以及所有相邻光束之间的纵向间距的标准差sw，对应的，第二阈值包括横向第二阈值tl及纵向第二阈值tw，偏移量小于第二阈值是指sl<tl，且sw<tw。计算第二阈值与相邻光束之间的平均横纵间距(l，w)的比值时，也应当将tl除以l，tw除以w，且两者均小于1.5。
第一光学图案20的长宽(L，W)分别为第二光学图案40中相邻光束的平均横纵间距(l，w)的整数倍，且倍数大于1，即满足L＝n×l，W＝m×w，其中m和n为大于1的整数。
进一步地，如图4所示，将第一光学图案20平均划分为多个大小相同的格子，每个格子的大小为(l，w)，所有格子中的图案叠加而得到的第三光学图案30。第三光学图案30为偏移量小于第一阈值的不规则图案，且第一阈值与相邻光束之间的平均横纵间距的比值在0.1～1.5之间，且其偏移量是指所有相邻光束之间的横纵间距的标准差。需要注意的是，偏移量包括所有相邻光束之间的横向间距的标准差sL，以及所有相邻光束之间的纵向间距的标准差sW，对应的，第一阈值包括横向第一阈值tL及纵向第二阈值tW，偏移量小于第一阈值是指sL<tL，且sW<tW。计算第一阈值与相邻光束之间的平均横纵间距(l，w)的比值时，也应当将tL除以l，tW除以w，且两者均小于1.5。
如图5，图案化的激光的图案50为第一光学图案20和第二光学图案40复合形成的复合光学图案，其中，第一光学图案20、第二光学图案40和复合光学图案50中均包括多个光束，且该复合光学图案50中光束数量大于第一光学图案20、第二光学图案40中光束数量乘积的90％。其中，复合光学图案50中的光束排列具有局部不相关性，且均匀性指标小于预设阈值。
理论上，复合光学图案50上斑点的数量应该为第一光学图案20和第二光学图案40斑点数量的乘积，但在实际操作中难免会出现一些斑点的重叠，过多的斑点重叠会影响到复合光学图案50的唯一性与均匀性。故在本实施例中，要求该复合光学图案50中光束数量大于第一光学图案20、第二光学图案40中光束数量乘积的90％。
进一步地，该局部不相关性是指复合光学图案50中任意一个指定大小的子区中的图案与指定方向上的其他任意一个同样大小的子区中的图案均不相同。均匀性指标为将复合光学图案50划分为若干个大小相同的子区域之后，所有子区域中的光束数量的方差或者标准差。
上述实施方式中，通过合理设置面阵光源的排列及衍射光学元件的扩束光学图案，可以实现以更小体积的光源达到更好的光学投影效果，且能够在较小设备中的集成，提高设备的轻薄化。一般来说，面阵投影装置应用于深度相机，其子区的大小可以与匹配算法中使用的子区大小一致，其指定的方向也可以与匹配算法中需要计算的方向一致。
请参阅图6，图6是本发明深度相机一实施方式的结构示意图。
如图所示，该深度相机60包括：面阵投影装置10、图像采集单元62以及处理器64。
其中，该面阵投影装置10用于向目标空间投射光学图案，其具体实施方式参照上文描述，此处不再赘述。
其中，图像采集单元62，用于采集由面阵投影装置10向目标空间中投射的光学图案。为提高成像质量，图像采集单元62中可包括仅允许面阵投影装置10出射激光波段的光线通过的滤光片，例如，面阵投影装置10产生的激光为红外激光，图像采集单元62包括红外滤光片。
进一步地，处理器64用于对光学图案进行处理以得到目标空间的深度图像。其中，对光学图案的处理指的是利用图像匹配算法计算出该光学图案与参考光学图案的各个像素的偏移量，根据偏移量进一步计算出深度图像。
在具体实施例中，图像匹配算法具体指逐个选取光学图案中的子区，然后在将该子区与参考光学图案的一定区域内各个子区进行匹配计算，当匹配度达到规定阈值时认为两个子区为同一子区，两个子区中心像素的差值即为需要计算的偏移量。
需要说明的是，匹配算法要求光学图案中各个子区都具有唯一性，即将光学图案中任一子区与其他子区进行匹配计算时，匹配度均小于阈值。具体来说，若需要在横/纵向或者任意的方向上进行匹配计算，则要求光学图案子区在该方向上具有唯一性。
一般来说，面阵投影装置应用于深度相机，子区的大小与匹配算法中使用的子区大小一致，指定的方向也与匹配算法中需要计算的方向一致。也即是说，在图6中，所示面阵投影装置10所透射出的光学图案与所示图像采集单元62所采集到的光学图案相互平行。
综上所述，本领域技术人员容易理解，本发明提供一种面阵投影装置及深度相机，通过合理设置面阵光源的排列及衍射光学元件的扩束图案，可以实现以更小体积的光源达到更好的光学投影效果，且能够在较小设备中的集成，提高设备的轻薄化。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种面阵投影装置，其特征在于，包括：
面阵光源，包括多个发光元件，用于发射激光；
衍射光学元件，用于对所述面阵光源发射的激光进行扩束而转换为图案化的激光；
所述多个发光元件的排布为第一光学图案，单束光经过所述衍射光学元件扩束后形成的图案为第二光学图案，所述图案化的激光的图案为所述第一光学图案和所述第二光学图案复合形成的复合光学图案，所述第一光学图案、所述第二光学图案和所述复合光学图案中包括多个光束；
其中所述复合光学图案中的光束排列具有局部不相关性，且均匀性指标小于预设阈值；
所述均匀性指标为将所述复合光学图案划分为若干个大小相同的子区域之后，所有所述子区域中的光束数量的方差或者标准差。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述局部不相关性是指所述复合光学图案中任意一个指定大小的子区中的图案与指定方向上的其他任意一个同样大小的子区中的图案均不相同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述第一光学图案的长宽分别为所述第二光学图案中相邻光束的平均横纵间距的整数倍，且倍数大于1。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
将所述第一光学图案平均划分为多个大小相同的格子，所有格子中的图案叠加而得到的第三光学图案为偏移量小于第一阈值的不规则图案，其中所述偏移量是指所有相邻光束之间的横纵间距的标准差。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述第二光学图案为偏移量小于第二阈值的不规则图案，其中所述偏移量是指所有相邻光束之间的横纵间距的标准差。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述复合光学图案中光束数量大于所述第一、第二光学图案中光束数量乘积的90％。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述面阵投影装置还包括透镜，所述透镜设置于所述面阵光源与所述衍射光学元件之间，用于准直和/或聚焦所述面阵光源中各个发光元件的光束；
所述透镜为微透镜阵列，所述微透镜阵列中的微透镜与所述发光元件之间一对一对应或一对多对应。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述的发光元件为垂直腔面发射激光器。
9.一种深度相机，其特征在于，包括：
如权利要求1-8所述的面阵投影装置，所述面阵投影装置用于向目标空间投射图案化的激光；
图像采集单元，用于采集由所述面阵投影装置向目标空间中投射的所述图案化的激光形成的光学图案；
处理器，用于对所述光学图案进行处理以得到目标空间的深度图像。
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