CN107167997A - 激光投影模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明的激光投影模组，包括：光源，用于发射光束；汇聚透镜，用于接收并汇聚所述光源发出的光束；特定光学元件，包括具有反射功能的光学表面，用于反射至少部分所述光束；图案生成器，接收经所述特定光学元件反射的所述光束，并向外发射结构光图案。本发明还提出一种深度相机，包括上述的激光投影模组，用于向目标空间中投射结构化光束图像。本发明激光投影模组及深度相机，通过设置具有汇聚功能的汇聚透镜和具有反射功能的特定光学元件，可以使得激光投影模组及深度相机具备更小的体积。

Description

激光投影模组及深度相机

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种激光投影模组及深度相机。

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。例如利用深度相机与电视、电脑等结合可以实现体感游戏以达到游戏健身二合一的效果，微软的KINECT、奥比中光的ASTRA是其中的代表。另外，谷歌的tango 项目致力于将深度相机带入移动设备，如平板、手机，以此带来完全颠覆的使用体验，比如可以实现非常真实的AR游戏体验，可以使用其进行室内地图创建、导航等功能。

深度相机中的核心部件是激光投影模组，按照深度相机种类的不同，激光投影模组的结构与功能也有区别，比如专利CN201610977172A中所公开的投影模组用于向空间中投射斑点图案以实现结构光深度测量，这种斑点结构光深度相机也是目前较为成熟且广泛采用的方案。随着深度相机应用领域的不断扩展，激光投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。

另外，在激光投影模组的制造、安装以及使用等过程中，均会使得激光投影模组的投影功率与设计产生偏差。一般在设计时会要求激光投影模组达到一定级别的激光安全，比如class1激光安全标准。然而在制造以及安装过程中会出现偏差，另外在使用过程中，温度对光源以及光学元件都有较大的影响，可能会使得激光的强度过高，达不到安全标准从而可能会对投影视场中的人体造成伤害，或者使得激光的强度过低，投射出的光束对比度和测量距离均较小，影响激光投影模组的使用性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的激光投影模组体积大的问题，提出一种激光投影模组及深度相机。

本发明的激光投影模组，包括：光源，用于发射光束；汇聚透镜，用于接收并汇聚所述光源发出的光束；特定光学元件，包括具有反射功能的光学表面，用于反射至少部分所述光束；图案生成器，接收经所述特定光学元件反射的所述光束，并向外发射结构光图案。

在一些实施方案中，所述激光投影模组还包括准直透镜或汇聚透镜，所述准直透镜或汇聚透镜位于所述特定光学元件与所述图案生成器之间，用于准直或汇聚所述光束。在其中一个实施方案中，所述特定光学元件被设置在所述汇聚透镜的焦距位置。

在一些实施方案中，所述光源为边发射激光器或垂直腔面发射激光器；或者由多个边发射激光器或者垂直腔面发射激光器组成的阵列。当所述光源为阵列光源时，所述汇聚透镜包括微透镜阵列以及透镜，所述微透镜阵列中的各个微透镜单元分别与所述阵列光源中的各个光源一一对应，用于准直所述阵列光源中的各个光源发出的光束；所述透镜用于汇聚经所述微透镜阵列准直后的光束。在其中一个实施方案中，所述图案生成器为衍射光学元件、光栅、微透镜阵列中的一种。

在一个实施方案中，特定光学元件的光学表面还具有透射功能，用于透射部分所述光束，所述光学表面的反射与透射之比大于1，所述激光投影模组还包括光束检测器，用于接收至少部分由所述光学表面透射的光束，并检测其强度。所述激光投影模组还包括光源控制器，所述光源控制器接收所述光束检测器所检测到光强度信号，并预设阈值执行以下操作：当所述光强度超过预设的阈值时，降低所述光源的功率或者关闭所述光源；当所述光强度低于预设的阈值时，增加所述光源的功率。

本发明还提出一种深度相机，包括上面任一所述的自适应调整的激光投影模组，用于向目标空间中投射结构化光束图像；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；处理器，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；所述根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像，指的是利用匹配算法计算所述结构化光束图像与参考光束图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明的激光投影模组，通过设置具有汇聚功能的汇聚透镜和具有反射功能的特定光学元件，可以使得激光投影模组具备更小的体积。

进一步地，本发明的激光投影模组，还包括位于所述特定光学元件与所述图案生成器之间的准直透镜或汇聚透镜，双透镜的设置可以使得本发明的激光投影模组具有更低的放大倍数，从而能够实现更高对比度的结构光图案投影。

进一步地，本发明的激光投影模组，特定光学元件的光学表面还具有透射功能，激光投影模组还包括光束检测器和光源控制器，其中，光束检测器接收至少部分由所述光学表面透射的光束，并检测其强度；光源控制器接收所述光束检测器检测到光强度信息，并预设阈值从而自适应调整激光光源的发光功率，以避免对人体造成伤害，同时也使得投射出的光束对比度和测量距离适中，不会影响激光投影模组的使用性能。另外，采用曲面的特定光学元件可以进一步降低模组厚度以及提高光束检测器对光束的接收量。

附图说明

图1是本发明一个实施例的深度相机系统结构示意图。

图2是本发明一个实施例的激光投影模组结构示意图。

图3是本发明另一个实施例的激光投影模组结构示意图。

图4是本发明另一个实施例的激光投影模组结构示意图。

图5是本发明另一个实施例的激光投影模组结构示意图。

图6是本发明另一个实施例的激光投影模组结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

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光学投影装置以及深度相机为例进行说明，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保护范围中。

图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机101主要组成部件有光学投影模组104、采集模组105、主板103以及处理器102，在一些深度相机中还配备了RGB相机107。光学投影模组104、采集模组105以及RGB相机 107一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口108。一般地，处理器102被集成在主板103上，而光学投影模组104与采集模型105通过接口106与主板连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。其中，光学投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组采集到该结构光图像后通过处理器的处理从而得到目标空间的深度图像。在一个实施例中，结构光图像为红外激光散斑图案，图案具有颗粒分布相对均匀但具有很高的局部不相关性，这里的局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组105为与光学投影模组104对应的红外相机。利用处理器获取深度图像具体地指接收到由采集模组采集到的散斑图案后，通过计算散斑图案与参考散斑图案之间的偏离值来进一步得到深度图像。

图2是图1中激光投影模组104的一种实施例。激光投影模组104包括光源 201、特定光学元件202、透镜203、图案生成器204以及光学检测器205。光源为激光光源，比如边发射激光发射器或者垂直腔面激光发射器(VCSEL)，也可以由多个边发射激光发射器或者VCSEL组成的光源阵列，进一步的实施例见图6所示。特定光学元件202含有至少一个光学表面，该光学表面可以是反射面、透镜面或者像本实施例中具有一定反射及透射比的分光面。分光面可以是在透明基材的光学元件表面通过一些工艺贴附单层或多层光学薄膜来实现反射及透射功能，同时控制反射与透射的比率。透镜203提供准直光束的作用，图案生成器204用于生成结构光图案，在一个实施例中，图案生成器204为衍射光学元件 (DOE)，也可以为光栅、微透镜阵列等元件。透镜203与图案生成器204可以被制作在同一个光学元件的不同面上以减小体积。光束检测器205用于对光束的强度进行检测，比如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等任何可以将光强度信号转换成电信号的元器件。

光源201发射出激光光束，经特定光学元件202的分光面后一部分被反射后被透镜203准直，准直光束经过DOE204并被调制后向外发射结构光图案，比如散斑图案，散斑图案中的各个斑点是DOE204对准直光束进行扩束的结果。另一部分光束经分光面透射后被光学检测器205接收，光学检测器205不一定需要接收全部透射的光源光束，也可以仅接收部分透射光束。

在激光投影模组的制造、安装以及使用等过程中，均会使得激光投影模组的投影功率与设计产生偏差。一般在设计时会要求激光投影模组达到一定级别的激光安全，比如class1激光安全标准。然而在制造以及安装过程中会出现偏差，另外在使用过程中，温度对光源以及光学元件都有较大的影响，可能会使得激光达不到安全标准。因此在激光投影模组中还可以设置光源控制器，光源控制器接收光束检测器所检测到光强度信号，并预设阈值，当光强度信号超过或低于相应的阈值时，实行对光源的控制。在一个实施例中，光学检测器205接收光束并转化成电信号，光源控制器接收电信号并判断该电信号是否超过预设的阈值，若超过则减小光源功率或关闭光源以防止较强的激光对目标人体造成伤害；在另一实施例中，光源控制器接收电信号后判断该电信号是否低于预设的阈值，若低于则增加光源功率以提高激光投影仪的投影光束强度以提高对比度或测量距离。

在一个实施例中，光源控制器可以是处理器102，或者其他元器件，光源控制器可以被放置在激光投影模组104内，也可以像处理器102被放置在深度相机内，甚至在一些实施例中也可以是深度相机的外部其他设备内的部件，比如与深度相机连接的计算终端，比如电脑、手机、平板、电视等。

图2所示的实施例中，图案生成器204接收到的是经特定光学元件202分光面的反射光束，光学检测器205接收到的是经特定光学元件202分光面的透射光束。一般地，光束的主要部分是用来进行投影的，仅需要小部分来进行检测，即反射的光强要大于透射的光量，优选地，反射与透射的比大于9，即进入图案生成器的光要占光源光束的90％以上(理论上可以有其他任何反射与透射的比例)。值得注意的是，即使透射部分的光占比较小，这部分的光束也不一定会全部被光学检测器205接收，比如图2中由于透射光束是发散的，因此当光学检测器较小时，仅能接收到部分透射光束。因此根据分光面的透射率以及光学检测器所能接收到的光束量，所要设置的阈值也会不一样。

图2所示的实施例中，利用特定光学元件202的分光面将用于投影图案的光路进行折叠，避免在一个方向上延伸。一般地激光投影模组的厚度方向为特定光学元件202与图案生成器204中心连接的方向，折叠的好处在于可以减小激光投影模组的厚度以及体积。

在另一实施例中，也可以将透镜203和图案生成器204与光学检测器205 调换位置，相应的，分光面的透射率与反射率也需要进行调整。此时，透射光束进入图案生成器204，而反射光束进行光学检测器205。

图3所示的实施例中，与图2相比，特定光学元件202上的分光面由平面变成了曲面，具体地为凸面。当光源201发射的发散光束至特定光学元件202上时，透射后的光束被凸面汇聚，可以使得光学检测器205接收更多的透射光束，另外，经凸面的反射后，光源201的光束被进一步发散，使得以更短的距离到达图案生成器且覆盖图案生成器上的有效作用区域，从而有利于减少激光投影模组的体积。可以理解的是，当图案生成器接204收是的透镜光束而光学检测器205接收的是反射光束时，特定光学元件202的分光面可以被设置成凹面。

图4是根据本发明的另一实施例的激光投影模组的示意图。与图2、3相比，在光源201与特定光学元件202之间设置了一个准直透镜401，光束经准直透镜 401准直后被特定光学元件202反射，反射光束进行图案生成器204后向外发射结构光图案。同样地，在一个实施例中，还设置有光学检测器206，准直光束经特定光学元件202透射后进行光学检测器205。这种光路在激光投影模组的厚度方向上少了透镜，因而可以进一步减少厚度，另外透射光束经过准直因而到达光学检测器205上的光束相对更多。

可以理解的是，在其他实施例中，图2或图3中的透镜203也可以通过改变其与特定光学元件202之间的距离，发挥汇聚透镜的作用，用于汇聚特定光学元件202反射或透射的光束，即图2或图3中的透镜203可以被替换为汇聚透镜；图4中的准直透镜401也可以通过改变其与光源201之间的距离，发挥汇聚透镜的作用，用于汇聚光源发射的光束，即图4中的透镜401可以被替换为汇聚透镜。当图2或图3中的透镜203被替换为汇聚透镜后，图案生成器204仅需要较小的体积，就可以接收较多的光束。另外，当图4中的准直透镜401被替换为汇聚透镜后，光源光束经汇聚透镜汇聚后到达特定光学元件202上，当特定光学元件202被设置在汇聚透镜的焦斑位置(焦面)或焦斑位置附近时，相对于前述实施例而言，这里的特定光学元件202仅需要较小的体积即可较多的光束，另外光学检测器205也可以设置成较小的体积即可以接收较多的透射光束。

图5是根据本发明的又一个实施例的激光投影模组的示意图。有两个透镜分别放置在光源201与特定光学元件202之间、图案生成器204与特定光学元件 202之间，其中透镜501为汇聚透镜、透镜203为准直透镜。光源光束经汇聚透镜汇聚后到达特定光学元件202上，当特定光学元件202被设置在透镜501的焦斑位置(焦面)或者焦斑位置附近时，相对于前述实施例而言，这里的特定光学元件202仅需要较小的体积即可接收较多的光束，另外光学检测器205也可以设置成较小的体积即可以接收较多的透射光束。本实施例中双透镜设置可以看成是双透镜成像，在距离激光投影模组104相同的平面上，采用双透镜即透镜501和透镜203组合时，与单独采用透镜401或透镜203相比，双透镜成像将拥有更低的放大倍数。比如当结构光图案为散斑图案时，图案中各个斑点看成是光源的像，当像的放大倍数较低时，散斑图案中斑点的亮度、整体的对比度将更高。

可以理解的是，在另一实施例中，透镜501和透镜203均可以设置为汇聚透镜，分别用于汇聚光源201发射的光束和特定光学元件202反射或透射的光束，在此实施例中，特定光学元件202、光学检测器205和/或图案生成器204均可以被设置为较小的体积，就可以接收较多的光束。

图6所示的实施例中，光源201为激光阵列光源，优选地为VCSEL阵列光源，即在半导体衬底2011上以一定的排列图案布置多个VCSEL光源2012，排列图案可以为规则也可以为不规则，比如随机排列二维图案。图中仅在一维上用 3个VCSEL光源来示例，实际上为二维图案。透镜501也由两个部分组成，一个是与VCSEL光源2012一一对应的微透镜阵列5011，另一个是汇聚透镜5012。 VCSEL光源光束被微透镜阵列5011中各单元准直后经汇聚透镜5012聚焦至特定光学元件202上。在另一实施例中，微透镜单元被集成到VCSEL光源上，以实现更小的体积。在另一实施例中，微透镜阵列5011与5012被制作在同一光学器件上，比如在光学器件的两个表面分别刻蚀出微透镜阵列与透镜。

以上内容是结合具体的优选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技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种激光投影模组，其特征在于，包括：

光源，用于发射光束；

汇聚透镜，用于接收并汇聚所述光源发出的光束；

特定光学元件，包括具有反射功能的光学表面，用于反射至少部分所述光束；

图案生成器，接收经所述特定光学元件反射的所述光束，并向外发射结构光图案。

2.根据权利要求1所述的激光投影模组，其特征在于，还包括准直透镜或汇聚透镜，所述准直透镜或汇聚透镜位于所述特定光学元件与所述图案生成器之间，用于准直或汇聚所述光束。

3.根据权利要求1所述的激光投影模组，其特征在于，所述特定光学元件被设置在所述汇聚透镜的焦距位置。

4.根据权利要求1所述的激光投影模组，其特征在于，所述光源为边发射激光器或垂直腔面发射激光器；或者由多个边发射激光器或者垂直腔面发射激光器组成的阵列。

5.根据权利要求4所述的激光投影模组，其特征在于，当所述光源为阵列光源时，所述汇聚透镜包括微透镜阵列以及透镜，所述微透镜阵列中的各个微透镜单元分别与所述阵列光源中的各个光源一一对应，用于准直所述阵列光源中的各个光源发出的光束；所述透镜用于汇聚经所述微透镜阵列准直后的光束。

6.根据权利要求1所述的激光投影模组，其特征在于，所述图案生成器为衍射光学元件、光栅、微透镜阵列中的一种。

7.根据权利要求1所述的激光投影模组，其特征在于，所述特定光学元件的光学表面还具有透射功能，用于透射部分所述光束。

8.根据权利要求7所述的激光投影模组，其特征在于，所述激光投影模组还包括光束检测器，用于接收至少部分由所述光学表面透射的光束，并检测其强度。

9.根据权利要求7所述的激光投影模组，其特征在于，所述光学表面的反射与透射之比大于1。

10.根据权利要求8所述的激光投影模组，其特征在于，所述激光投影模组还包括光源控制器，所述光源控制器接收所述光束检测器所检测到光强度信号，并预设阈值执行以下操作：

当所述光强度超过预设的阈值时，降低所述光源的功率或者关闭所述光源；

当所述光强度低于预设的阈值时，增加所述光源的功率。

11.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：

如权利要求1-10任一所述的激光投影模组，用于向目标空间中投射结构化光束图像；

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；

处理器，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；

所述根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像指的是利用匹配算法计算所述结构化光束图像与参考光束图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。