CN106773489B - 一种光学投影装置及深度相机 - Google Patents

一种光学投影装置及深度相机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学投影装置，该装置包括：光源，用于发射光束；分光装置，用于接收光源所发射的光束并将其分束成多个子光束；图案生成器，用于分别接收多个子光束并向外发射结构光光束图案。该装置还可以包括反射装置，反射装置用于反射至少一个子光束以改变子光束的发射方向。通过分光装置的反射和透射作用，将光源发射的光束分束成多个子光束，子光束再经图案生成器衍射后形成结构光光束向外发射；或部分子光束先经反射装置反射，再经图案生成器向外发射。通过该装置，能够扩发结构光的投影范围，从而有利于以装置体积小、成本低的方式实现大视场。通过分光装置和反射装置的共同作用，可使多个子光束的方向朝任意的所需要的方向进行发射。

Description

一种光学投影装置及深度相机
技术领域
本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种光学投影装置及包含该光学投影装置的深度相机。
背景技术
深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。基于结构光技术的深度相机由于成本低、精度及分辨率高等优点，因此使用最为广泛且技术发展最为成熟。尽管如此，结构光深度相机也面临着一些待进一步解决的问题，比如视场较小(普遍的水平视场角在50～60度)、测量范围有限(0.5～6m)等。
在一些具体的应用中，比如利用深度相机进行室内定位与绘图，由于视场较小，相比与拥有360度视角的激光雷达而言，绘制相同面积的地图则需要花费更多的时间，且在进行地图拼接时要消耗较大的计算量。解决这类问题，往往是借助于多个深度相机，这样会导致整体成本增加、体积变大，另外不同相机之间的标定也较为麻烦。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多向发射的光学投影装置，可以扩发结构光的投影范围，从而有利于实现具有大视场等多种功能的深度信息测量。
本发明提供一种光学投影装置，其特征在于，所述光学投影装置包括：
光源，用于发射光束；
分光装置，用于接收光源所发射的光束并将其分束成多个子光束；
图案生成器，用于分别接收所述多个子光束并向外发射结构光光束图案。
优选地，分光装置包括分光镜、平面镜、棱镜中的一种或几种，所述多个子光束包括经分光装置的反射作用和透射作用分束的反射子光束和透射子光束。
优选地，所述光学投影装置还包括透镜，所述透镜用于准直所述光束或所述子光束。
进一步地优选，所述透镜与所述图案生成器设置在不同或相同的光学元件上。
优选地，所述光学投影装置还包括：反射装置，所述反射装置用于反射至少一个所述子光束以改变所述子光束的发射方向。
进一步地优选，所述反射装置与所述分光装置设置在不同或相同的光学元件上。
进一步地优选，所述分光装置及所述反射装置将多个子光束中的至少两个子光束向相反的方向发射。
优选地，所述光源为VCSEL光源或VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源以一定的图案排列在半导体衬底上。
优选地，所述图案生成器包括衍射光学元件(DOE)。
优选地，不同的所述图案生成器向外发射不同密度的结构光光束图案。
优选地，所述图案生成器中的至少两个分别位于所述光学投影装置的对应平面上，以相反的方向发射结构光图案。
优选地，不同的所述结构光光束图案拥有不同的光强。
优选地，所述光学投影装置还包括：光学孔径，所述光学孔径与图案生成器一一对应且用于控制所述子光束向外发射的光通量。
本发明还提供一种深度相机，所述深度相机包括：如上所述的任一光学投影装置，用于以多个光口向空间中投影结构化光束图像；图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；处理装置，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像。
优选地，所述图像采集装置的数量与所述光口数量一致或小于所述光口数量；所述处理装置根据所述图像采集装置的相对位置关系将获取的与所述图像采集装置对应的多幅所述深度图像进行融合成一幅整体深度图像。
优选地，所述深度相机还包括控制器，所述控制器与光学孔径和图像采集装置相连，用于控制所述光学孔径的开合以及对应图像采集装置是否进行图像采集，以使得所述深度相机针对具体的应用场景采集相对的深度图像。
优选地，所述应用场景包括近、远距测量模式，所述近/远距测量模式下，控制器打开用于近/远距测量的孔径及图像采集装置，关闭其他孔径及图像采集装置。
在近距测量模式下，所述控制器用于近距测量的光学孔径及图像采集装置处于打开状态，其他光学孔径及图像采集装置处于关闭状态；在远距测量模式下，所述控制器用于远距测量的光学孔径及图像采集装置处于打开状态，其他光学孔径及图像采集装置处于关闭状态。
优选地，所述应用场景包括混合测量模式，所述混合距测量模式下，控制器以一定的频率间隔打开用于近/远距测量的孔径以及图像采集装置，关闭其他孔径以及图像采集装置。
优选地，所述应用场景包括窄、宽视场测量模式，所述窄/宽视场测量模式下，控制器打开用于窄/宽视场测量的孔径以及图像采集装置，关闭其他孔径以及图像采集装置。
在窄视场测量模式下，所述控制器用于窄视场测量的光学孔径及图像采集装置处于打开状态，其他光学孔径及图像采集装置处于关闭状态；在宽视场测量模式下，所述控制器用于宽视场测量的光学孔径及图像采集装置处于打开状态，其他光学孔径及图像采集装置处于关闭状态。
优选地，所述应用场景包括前、后置测量模式，所述前/后置测量模式下，控制器打开用于前/后置测量的孔径以及图像采集装置，关闭其他孔径以及图像采集装置。
在前置测量模式下，所述控制器用于前置测量的光学孔径及图像采集装置处于打开状态，其他光学孔径及图像采集装置处于关闭状态；在后置测量模式下，所述控制器用于后置测量的光学孔径及图像采集装置处于打开状态，其他光学孔径及图像采集装置处于关闭状态。
本发明还提供一种终端，所述终端包括如上任一所述的深度相机；所述终端包括移动终端和固定终端。
本发明的有益效果：本发明提供的光学投影装置，通过分光装置的反射和透射作用，将光源发射的光束分束成多个子光束，子光束再经图案生成器衍射后形成结构光光束向外发射。通过该装置，能够扩发结构光的投影范围，从而有利于以装置体积小、成本低的方式实现大视场。
在进一步的优选方案中还能获得更多的优点：通过反射装置，将子光束的发射方向进行改变；在分光装置和反射装置的共同作用下，可将光源发射的光束进行分束，并且使多个子光束的方向朝任意的所需要的方向进行发射，如相同的方向、相反的方向等。通过不同的图案生成器向外发射不同密度的结构光光束图案，或通过不同的结构光光束图案拥有不同的光强，可实现不同距离(远、近)物体的投影。通过光学孔径的开合作用，可实现不同应用场景的投影，如：近、远距投影，混合投影，窄、宽视场投影，同、不同方向投影。
附图说明
图1为本发明实施例1的光学投影装置示意图；
图2为本发明实施例2的光学投影装置示意图；
图3为本发明实施例3的光学投影装置示意图；
图4为本发明实施例4的光学投影装置示意图；
图5为本发明实施例5的光学投影装置示意图；
图6为本发明实施例5的内置深度相机的手机示意图；
图7为本发明实施例6的光学投影装置示意图；
图8为本发明实施例7的光学投影装置示意图。
具体实施方式
本发明提出一种光学投影装置以及基于此的深度相机。在后面的说明中将对结构光深度相机以及用于在其中的结构光投影装置为例进行说明，但并不意味着这种光学投影装置仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本发明的范围中。
实施例1
一种光学投影装置的示意图如图1所示，光学投影装置100包括光源101、透镜102、分光装置103、图案生成器104以及光学孔径105。其中光源101为激光光源，光源发射的光束110经过透镜102准直后入射到分光装置103上，即入射到分光镜的分光面上，由分光镜的反射及透射作用将光束分成两个子光束：反射子光束111和透射子光束112。分别在子光束所在的光路上设置图案生成器104以及光学孔径105。其图案生成器104，具体为衍射光学元件(DOE)，图案生成器的作用是将子光束经衍射后形成结构光光束并向外发射。在一些应用中，光学投影装置无需同时向外发射结构光，此时可以通过光学孔径来来控制各个DOE是否向外发射结构光光束，光学孔径也可以用来控制各个DOE的发射视场角，还可以控制向外发射的光通量。
以上对实施例1进行了说明，但本实施例还可以有一些变型的方式，比如：光源101可为边发射激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)；根据需求不同，可以发射不同波长的激光，如红外边发射激光器，红外垂直腔面发射激光器等；另光源可以为单一光源，也可为光源阵列，光源阵列以一定的图案排列在半导体衬底上。又如：分光装置103可以是分光镜，也可以是棱镜，更一般的是在设有分光作用的平面的任何光学玻璃元件都可以，这个平面通常是通过镀膜的形式，在镀膜时需要考虑反射率与透射率的比例，其中中性分光面是较为常用的一种，即反射率与透射率的比例为1:1。
实施例2
在实施例1中，透镜102设置在分光装置与光源之间用于准直光源发射的光束，这种情形应用较为广泛，这是由于光源的发射角一般较大。另一种光学投影装置的示意图如图2所示，透镜102设置在与DOE靠近的位置用于准直各个子光束，这种设置的好处在于可以通过各个透镜的位置来控制各个子光束的发散角，使得各个子光束的发散角相同或者不相同。透镜102可以是普通透镜、菲涅耳透镜或者微透镜阵列等。
实施例3
一种光学投影装置的示意图如图3所示，利用棱镜的一个面作为分光面来实现分光功能；在与分光面平行的对应面上，通过镀膜将该对应面变成内反射面106，由此便可以将子光束112引导与子光束111平行发射。在本实施例中，两个DOE被设置成向外发射不同密度的结构光图案，如第一DOE1041所投影的结构光密度小于第二DOE1042，由此可以实现该光学投影装置拥有不同的投影模式。
反射面106有一些变型的方式，如反射面为一个单独的反射镜，设置在分光装置103之后，用于反射经分光装置分束的子光束。
在利用结构光深度相机测量物体时，若向近距离物体投影高密度结构光图案时，会使得图案模糊，不便于深度信息的计算，导致有误差产生。因此对近距离投影低密度结构光图案、对远距离投影高密度结构光图案是比较好的选择。因此，当配置有该光学投影装置的深度相机需要对近距离的物体进行测量时，通过关闭第二光学孔径1052而打开第一光学孔径1051以实现向近距离目标投射密度较低的结构光图案；相反地，当被测量物体距离较远时，通过关闭第一光学孔径1051而打开第二孔径1052以实现高密度的结构光图案投影。
实施例4
一种光学投影装置的示意图如图4所示，在本实施例中，两个光学孔径及DOE相邻，通过侧面为钝角三角形的五面体棱镜上相邻两个面的角度设置来实现两个DOE的光束发射视场角相邻。这种情形扩大了光学投影装置的视场角，通过配备拥有大角度的图像采集装置就可以组成大视场的深度相机，与传统的深度相机相比，这种深度相机拥有近两倍的视场角，而在硬件成本上的增加上要远远少于2倍。其中，视场角也可以有些许重复或间隔。
采用本实施例所示的光学投影装置的深度相机，可以通过光学孔径的控制来实现窄、宽视场的深度测量。具体地，同时打开两个光学孔径即可以实现宽视场的深度测量，而仅打开单个光学孔径可以实现窄视场的深度测量。
实施例5
一种光学投影装置的示意图如图5所示，在本实施例中，采用的是锐角三角形的五面体棱镜，用于分光及反射的两个面所成的角度与实施例4不同，这里的五面体棱镜使得两个子光束的发射方向相反，通过这种设置使得该光学投影装置拥有了前、后同步或独立投影的功能。
图6所示的是根据实施例的内置深度相机的手机的示意图。手机200内置了基于如图5所示的光学投影装置的深度相机201，此光学投影装置分别向手机前面和后面投射结构光图案111及112。除了光学投影装置之后还有与之共同组成深度相机的图像采集装置，为清晰起见在图中没有画出。
目前由于手机体积小、厚度薄，因此被置入的光学投影装置的体积也尽可能小，采用VCSEL阵列作为激光光源，一方面因为VCSEL阵列体积小，另一方面由于VCSEL阵列激光比较稳定，受温度影响波长的变化波动较小，因此被内置在手机内部相对较为封闭的环境中会有较稳定的输出以及较长的寿命。另外，手机前、后置的深度镜头应用常常不同，因此对前后置的光学图案输出也应该有相应的变化。手机前置深度相机可以用来进行人脸识别、表情识别等近距离的应用，并且直接与人脸接触，因此前置的光学投影结构光应拥有较弱的光强以及相对较稀疏的图案密度；而手机后置深度相机可以被用于进行3D扫描、建模、SLAM等远距离的应用，因此后置的光学投影结构光可以拥有相对较强的光强以及较密集的图案密度；其中光强的分配主要依靠分光面的反射率与透射率比来实现，而结构光的图案密度则依靠DOE的设置来实现。
实施例6
图7所示的是另一种光学投影装置的示意图。与图5所示的类似，不同的是由一个五面体棱镜以及六面体棱镜共同组成的一个分光面及多个反射面，可以实现前置和后置的投影结构光束在同一轴线上。
实施例7
图8所示的是又一种光学投影装置的示意图。在本实施例中光源通过两个分光面以及一个反射面后向外发射3个结构光图案。在通过光学孔径的配合下可以实现前、后置，以及宽、窄视场的深度信息测量。
实施例8
深度相机主要由光学投影装置、图像采集器以及处理装置构成。其中光学投影模组为实施例1-7详述可以向空间中发射结构化光束图像，通过光学元件的引导则可以以多个光口向空间中投影结构化光束图像。图像采集装置则用来采集光学投影装置发射的结构光图像。由于这里有多个结构光光束，因此图像采集装置也可以有多个，比如对于图1、2、5、7、8所示的光学投影装置而言，图像采集装置至少为两个。而对于图3、4所示的光学投影装置，图像采集装置也可以为单个。
深度相机还包括有控制器，在一些情形中，深度相机仅仅需要利用单个光口的投影及图像采集，此时可以利用控制器来控制将该光口对应的光学孔径以及对应的图像采集装置打开，而其他光学孔径与图像采集装置关闭。例如利用图1-5、7、8中投影装置的深度相机，可以通过设置分光面反射及透射比例，使得较大功率的子光束来实现深度相机的远距测量，而功率较小的子光束来实现深度相机的近距测量。相对于目前单一模式的深度相机而言，采用这种投影模组的深度相机结合可变焦或大景深的采集相机从而可以将近、远距深度相机集成于一体，以较小的成本实现更多的功能。
在另一些情形中，深度相机同时需要打开多个光口的投影与图像采集，此时可以利用控制器来控制多个光学孔径以及图像采集装置，以同步或者一定的时序来进行控制发射以及图像采集。
如对于图3所示的光学投影装置，两个光口分别对应远、近投影模式，各自分别有一个与之对应的图像采集装置。控制器以一定的频率间隔控制远、近光学投影以及图像采集，这样可以获取分别对应远、近场景的深度图像。之后利用处理装置或者上位的软件等通过图像配准将两个图像采集装置的像素建立一一对应关系，然后将深度信息进行互补，由此可以获取拥有更高分辨率以及高精度的深度图像。
如对于图4所示的光学投影装置，控制器同步控制两个光学投影装置发射结构光，以及同步控制相对的图像采集装置进行采集结构光图像，由此可以同步获取相邻视场的两幅深度图像。之后利用处理装置或者上位的软件等通过图像整合方式将两幅深度图像合并成一幅拥有更大视场角的深度图像。在具体应用中，相邻的视场往往很难实现，两个子光束经过DOE所生成的图案光束往往会有重叠，此时可以通过以一定的时序分别控制光学孔径来发射图案光束，最后通过图像合成的方式生成大视场的深度图像。采用如图4所示的光学投影装置，可以根据实际应用需求实现窄、宽视场的深度测量。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种光学投影装置，其特征在于，所述光学投影装置包括：
光源，包括激光光源，用于发射光束；
分光装置，用于接收光源所发射的光束并将其分束成多个子光束；
透镜，用于准直所述光束或所述子光束；
图案生成器，用于分别接收所述多个子光束并向外发射结构光光束图案。
2.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述分光装置包括分光镜、棱镜，所述子光束包括经分光装置的反射作用和透射作用分束的反射子光束和透射子光束。
3.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光学投影装置还包括：反射装置，所述反射装置用于反射至少一个所述子光束以改变所述子光束的发射方向。
4.如权利要求3所述的光学投影装置，其特征在于，所述分光装置与所述反射装置生成在同一个光学元件的不同表面上。
5.如权利要求3所述的光学投影装置，其特征在于，所述分光装置及所述反射装置将多个子光束中的至少两个子光束向相反的方向发射。
6.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光源为VCSEL光源或VCSEL阵列光源。
7.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述图案生成器包括衍射光学元件。
8.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，不同的所述图案生成器向外发射不同密度的结构光光束图案。
9.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述图案生成器中的至少两个分别位于所述光学投影装置的对应平面上，以相反的方向发射结构光图案。
10.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，不同的所述结构光光束图案拥有不同的光强。
11.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光学投影装置还包括：光学孔径，所述光学孔径与图案生成器一一对应且用于控制所述子光束向外发射的光通量。
12.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：
如权利要求1-11任一所述的光学投影装置，用于以多个光口向空间中投影结构化光束图像；
图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；
处理装置，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像。
13.如权利要求12所述的深度相机，其特征在于，所述图像采集装置的数量与所述光口数量一致或小于所述光口数量；所述处理器根据所述图像采集器的相对位置关系将获取的与所述图像采集器对应的多幅所述深度图像进行融合成一幅整体深度图像。
14.如权利要求12所述的深度相机，其特征在于，所述深度相机还包括控制器，所述控制器与光学孔径和图像采集装置相连，用于控制所述光学孔径的开合以及对应图像采集装置是否进行图像采集，以使得所述深度相机针对具体的应用场景采集相对的深度图像。
15.如权利要求14所述的深度相机，其特征在于，所述应用场景包括近、远距测量模式，所述近/远距测量模式下，控制器打开用于近/远距测量的孔径及图像采集器，关闭其他孔径及图像采集器。
16.如权利要求14所述的深度相机，其特征在于，所述应用场景包括混合测量模式，所述混合距测量模式下，控制器以一定的频率间隔打开用于近/远距测量的孔径以及图像采集器，关闭其他孔径以及图像采集器。
17.如权利要求14所述的深度相机，其特征在于，所述应用场景包括窄、宽视场测量模式，所述窄/宽视场测量模式下，控制器打开用于窄/宽视场测量的孔径以及图像采集器，关闭其他孔径以及图像采集器。
18.如权利要求14所述的深度相机，其特征在于，所述应用场景包括前、后置测量模式，所述前/后置测量模式下，控制器打开用于前/后置测量的孔径以及图像采集器，关闭其他孔径以及图像采集器。
19.一种终端，其特征在于，所述终端包含如权利要求12-18任一所述的深度相机。
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