CN106501959A - 一种面阵激光投影仪及其深度相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面阵激光投影仪及其深度相机。该面阵激光投影仪包括：基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；衍射光学元件设置在与基底间隔第一距离的位置上；至少两个发光元件固定在基底面向衍射光学元件一侧；至少两个发光元件在控制器的控制下发射激光，且该激光具有至少两种不同的波长；衍射光学元件用于将至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。该面阵激光投影仪通过设置至少两个发光元件发射具有至少两种不同波长的激光，能有效的减少激光图案中的噪声图案，从而提高其深度相机获取深度图像的精度。

Description

一种面阵激光投影仪及其深度相机
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种面阵激光投影仪及其深度相机。
背景技术
激光投影仪被用来向目标空间发射设定的光学图案，在基于光学的三维测量领域，激光投影仪得到了广泛应用。激光投影仪一般由光源、准直镜以及衍射光学元件组成，其中光源可以是单个边发射激光光源也可以是由多个垂直腔面发射激光组成的面阵激光光源等。
相对于基于单个边发射激光光源的激光投影仪，基于由至少两个垂直腔面发射激光光源的面阵激光投影仪可以以更小的体积发射出相同功率且具有更高均匀性的激光图案。
然而，无论是基于单个边发射激光光源的激光投影仪还是基于由至少两个垂直腔面发射激光光源的面阵激光投影仪，由于激光光源的高度相干性，激光投射到目标物体上产生的激光图案中除了由光源光束形成的主动图案，还会产生其它噪声图案，而噪声图案会直接影响激光图案的质量及其深度相机获取深度图像的精度。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种面阵激光投影仪及其深度相机，以提高激光图案质量及其深度相机获取深度图像的精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种面阵激光投影仪，包括：基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；
所述衍射光学元件设置在与所述基底间隔第一距离的位置上；所述至少两个发光元件固定在所述基底面向所述衍射光学元件一侧；所述至少两个发光元件在所述控制器的控制下发射激光，且所述至少两个发光元件发射的激光具有至少两种不同的波长；所述衍射光学元件用于将所述至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。
其中，发射不同波长的激光的所述发光元件的谐振腔长度不同。
其中，所述面阵激光投影仪进一步包括透镜，所述透镜与所述基底间隔第二距离。
其中，所述透镜为微透镜阵列。
其中，所述微透镜阵列包括至少两个微透镜单元，所述至少两个微透镜单元与所述至少两个发光元件成一对一或一对多的对应关系。
其中，所述至少两个微透镜单元具有至少两种不同的焦距和/或与所述至少两个发光元件间隔的第三距离。
其中，所述第二距离大于所述第一距离。
其中，所述发光元件为垂直腔面发射激光器。
其中，所述控制器对所述至少两个发光元件进行单独控制、分组控制，或者整体控制。
为解决上述技术问题，本发明提供一种深度相机，包括：图像采集器、处理器及所述的面阵激光投影仪；
所述处理器分别与所述图像采集器、及所述激光投影仪连接；其中，所述图像采集器用于采集由所述激光投影仪向目标空间中发射具有至少两种不同波长的激光而形成的所述激光图案；所述处理器用于通过对所述激光图案进行处理而得到深度图像。
本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明包括基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；将衍射光学元件设置在与基底间隔第一距离的位置上；将至少两个发光元件固定在基底面向衍射光学元件一侧；至少两个发光元件在所述控制器的控制下发射激光，且至少两个发光元件发射的激光具有至少两种不同的波长；衍射光学元件，用于将至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。本发明通过设置至少两个发光元件发射具有至少两种不同波长的激光，能有效减少相干光干涉，从而减少激光图案中由相干光干涉产生的噪声图案，能进一步提高激光图案的质量及其深度相机获取深度图像的精度。
附图说明
图1是本发明面阵激光投影仪一实施例的结构示意图；
图2是相干光干涉的原理示意图；
图3是图1实施例中透镜阵列一实施例的结构示意图；
图4是图1实施例中发光元件的分布示意图；
图5是图1实施例中激光图案的示意图；
图6是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第一实施例的示意图；
图7是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第二实施例的示意图；
图8是图1实施例中控制器对发光元件控制方式第三实施例的示意图；
图9是本发明深度相机一实施例的结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，图1是本发明面阵激光投影仪一实施例的结构示意图。
本实施例面阵激光投影仪包括基底10、至少两个发光元件11与12、控制器13及衍射光学元件14；
其中，衍射光学元件14设置在与基底10间隔第一距离的位置上；至少两个发光元件11、12固定在基底10面向衍射光学元件14的一侧；
至少两个发光元件11、12在控制器13的控制下发射激光，且至少两个发光元件11、12发射的激光具有至少两种不同的波长；衍射光学元件14用于将至少两个发光元件11、12发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。
本实施例利用至少两个发光元件11、12发射至少两种不同波长的激光，由于不同波长的激光具有不同的频率，具有不同频率的激光不会产生相干光干涉现象，从而不会产生由相干光干涉现象带来的噪声图案，因此通过本实施例产生的激光图案的质量得到了大大的提高，从而其深度相机获取深度图像的精度也得到了提高。
参阅图2，进一步对图1实施例中相干光干涉原理进行说明。从光学知识可知，两列光发生相干光干涉的条件为该两列光为相干光源，即两列光具有相同的频率，即相同的波长，平行的振动方向，相同的相位或恒定的相位差。参阅图2，设S1与S2为相干光源，当点21(为了便于更直观的分析，本实施例中将相干光干涉原理中的点表现成具有一定宽度的区域)与两个光源S1、S2的路程差是波长的整数倍时，则由两个光源S1、S2发出的两列到达点21的光波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，光波的振幅得到了最大叠加，因此在点21会形成亮点。当点24与两个光源S1、S2的路程差是半个波长的奇数倍时，则由两个光源S1、S2发出的两列到达点24的波峰跟波谷相互叠加，光波的振幅互相抵消，因此在点24会出现暗点。而对于过渡点22、23，光强度会逐渐变化，因此两个光源S1、S2发出的光经相干光干涉之后会出现多个亮度渐变模糊的图案25。在本实施例中由相干光干涉产生的多个图案25，即噪声图案，该噪声图案不能直观或真实反应光源或目标物体的情况，因此需要消除。
可选地，本实施例可通过设置至少两种不同长度的激光器谐振腔来获得至少两种不同波长的激光。因为谐振腔对激光具有选频作用，谐振腔长度变长，会输出具有更低纵膜频率的激光，此激光具有更长的波长。当然也可以采用其它方法替代上述方法，例如采用改变激光器的温度来获得不同波长的激光,一般情况下温度越高,波长越长；也可以采用改变注入电流实现对激光器内部布拉格光栅有效折射率的改变，从而改变输出波长。
本实施例面阵激光投影仪还包括透镜15，透镜15与基底10间隔第二距离。
其中，透镜15为微透镜阵列，微透镜阵列15包括至少两个微透镜单元151、152，至少微透镜单元151、152与至少两个发光元件11、12成一对一的对应关系或一对多的对应关系。
当然，在其它实施例中，透镜15也可以省去。
其中，为了保证至少两个微透镜单元151、152对至少两个发光元件11、12产生的具有至少两种不同波长的激光的聚焦和/或准直的作用，需要调整至少两个微透镜单元151、152具有至少两种不同的焦距和/或与至少两个发光元件11、12间隔的第三距离，因为不同波长激光的束腰半径及扩散角等不同，需要具有不同焦距和/或与发光元件不同间距的至少两个透镜才能满足对不同波长激光的聚焦和/或准直。
透镜的焦距主要由制作透镜的材料折射率、空气折射率、透镜表面的曲率半径决定，因此，本实施例可采用其中一种或几种方法来使得至少两个透镜单元151、152获得至少两种不同的焦距。
参阅图3，本实施例可采用将至少两个透镜单元151、152设置在至少两个平行于基底10的平面153、154上，以获得至少有两种不同的至少两个透镜单元151、152与至少两个发光元件11、12间隔的第二距离，当然也可以采用其它设置方式来代替此方式。
此外，第二距离与第一距离的大小不予以限制。在一种实施例中，第二距离小于第一距离，即透镜15位于发光元件11、12与衍射光学元件14之间，用于聚焦和/或准直由至少两个发光元件11、12发射出的激光，这样设置的好处是可以进一步增加发光元件的所发出光束的准直性，这种情形如图1所示。在另一种实施例中，第二距离也可以大于第一距离，即透镜15位于发光元件11、12以及衍射光学元件14的外侧，用于聚焦和/或准直衍射光学元件14发射出的激光。这种设置可以进一步减小整个面阵激光投影仪的体积。
参阅图4，图4是图1实施例中发光元件的分布示意图。本实施例中衍射光学元件14发射的激光图案为散斑颗粒图案，在其他实施例中也可以是其他形状激光图案。如图4所示，至少两个发光元件11、12具至少两种不同的波长。
参阅图5，图5是图1实施例中激光图案的示意图，即图4实施例发光元件产生的激光图案；图中虚线部分图案为噪声图案，当至少两个发光元件11、12发射同一种波长激光时，这些噪声图案是存在的，当至少两个发光元件11、12发射至少两种不同波长的激光时，这些噪声图案会得到明显的减少。因为不同波长的激光之间不存在相干光干涉，因此就不存在由相干光干涉产生的噪声图案，可以大大提高该激光图案的质量。
可选地，发光元件11、12为垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器是一种垂直表面出光的新型激光器。与传统边发射激光器相比，该激光器发光方向与基底垂直，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，且由于其较之于边发射型激光器拥有更小的体积，从而可以更加便利地被集成到小型电子元器件中；同时该激光器与光纤的耦合效率高，而不需要复杂昂贵的光束整形系统，且制造工艺与发光二极管兼容，大大降低了生产成本。
参阅图6至图8，可选的，可用过控制器13整体控制至少两个发光元件11、12工作(如图6所示)。当然也可用至少两个控制器13、70分组控制至少两个发光元件11、12工作(如图7所示)，或者用至少两个控制器13、70分别单独控制至少两个11、12工作(如图8所示)。
其中，上述分组控制是依据至少两个发光元件11、12发射的激光的波长大小来分组，也可以采用其他依据对至少两个发光元件11、12进行分组。
区别于现有技术，本实施例面阵激光投影仪通过设置至少两个发光元件发射具有至少两种不同波长的激光，不同波长激光之间不存在相干光干涉，因此能有效减少因相干光干涉产生的噪声图案，从而有效提高激光图案的质量，能进一步提高其深度相机获取深度图像的精度。
区别于现有技术，本实施例面阵激光投影仪采用垂直腔面发射激光器作为光源，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现在不增大面阵激光投影仪体积的同时使得该面阵激光投影仪具有更高功率输出，且生产成本较低，也可以实现保证相同输出功率的同时具有更小的体积。
参阅图9，图9是本发明深度相机一实施例结构示意图。
本实施例深度相机包括图像采集器90、处理器91及面阵激光投影仪92；
其中，面阵激光投影仪92为图1实施例面阵激光投影仪，其构成及工作原理在这里不重复叙述。
图像采集器90主要用于采集由面阵激光投影仪92向目标空间中发射具有至少两种不同波长的激光而形成的激光图案，可选的，图像采集器90为红外相机，当然也可以使用其他图像采集设备替代红外相机。
处理器91用于通过对该激光图案进行处理得到深度图像。
可选地，至少两种不同的波长应在所述图像采集器能采集的波长范围内。
可选地，处理器91采用图像匹配算法计算出该激光图案各像素点与参考图案中的对应各个像素点的偏离值，根据该偏离值进一步获得该激光图案的深度图像。
其中，该图像匹配算法采用数字图像相关(DIC)算法。当然也可以采用其它图像匹配算法代替DIC算法。
区别于现有技术，本实施例深度相机利用图像采集器采集由具有至少两种波长激光的面阵激光投影仪向目标空间中投射的激光图案，通过处理器对该激光图案进行处理得到深度图像，由于该激光图案中的噪声图案得到了明显的减少，因此该激光图案的质量较高，深度相机获取深度图像的精度能够得到进一步提高。
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 (10)

1.一种面阵激光投影仪，其特征在于，包括：
基底、至少两个发光元件、控制器及衍射光学元件；
所述衍射光学元件设置在与所述基底间隔第一距离的位置上；
所述至少两个发光元件固定在所述基底面向所述衍射光学元件一侧；
所述至少两个发光元件在所述控制器的控制下发射激光，且所述至少两个发光元件发射的激光具有至少两种不同的波长；
所述衍射光学元件用于将所述至少两个发光元件发出的激光扩束后向空间中发射激光图案。
2.根据权利要求1所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
发射不同波长的激光的所述发光元件的谐振腔长度不同。
3.根据权利要求1所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
进一步包括透镜，所述透镜与所述基底间隔第二距离。
4.根据权利要求3所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
所述透镜为微透镜阵列。
5.根据权利要求4所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
所述微透镜阵列包括至少两个微透镜单元，所述至少两个微透镜单元与所述至少两个发光元件成一对一或一对多的对应关系。
6.根据权利要求1至5任一项所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
所述至少两个微透镜单元具有至少两种不同的焦距和/或与所述至少两个发光元件间隔的第三距离。
7.根据权利要求3所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
所述第二距离大于所述第一距离。
8.根据权利要求1所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
所述发光元件为垂直腔面发射激光器。
9.根据权利要求1所述的面阵激光投影仪，其特征在于，
所述控制器对所述至少两个发光元件进行单独控制、分组控制，或者整体控制。
10.一种深度相机，其特征在于，包括：
图像采集器、处理器及如权利要求1至9任一项所述的面阵激光投影仪；
所述处理器分别与所述图像采集器、及所述激光投影仪连接；
其中，所述图像采集器用于采集由所述激光投影仪向目标空间中发射具有至少两种不同波长的激光而形成的所述激光图案；
所述处理器用于通过对所述激光图案进行处理而得到深度图像。
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