CN107357123A - 含有菲涅尔透镜的激光投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光投影装置，包括光源、准直单元、衍射光学元件；其中，所述光源用于发射激光；所述准直单元用于汇聚所述光源发射的激光，以便向所述衍射光学元件投射的平行光束；所述衍射光学元件用于将所述平行光束扩束为激光图案；所述准直单元包括多片菲涅尔透镜的组合或普通透镜与至少一片菲涅尔透镜的组合。本发明的激光投影装置消除了球面像差，提高了光束质量，主要应用在深度相机中。

Description

含有菲涅尔透镜的激光投影装置

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种激光投影装置。

背景技术

激光投影装置被应用于各个领域。例如，基于光学的三维测量领域，激光投影装置可用于向目标空间发射编码或结构化的光学图案，实现对目标空间的标定，为后期三维测量提供准备工作。激光投影装置一般由基底、光源、控制器、准直单元、衍射光学元件组成，其中准直单元可以是单个透镜，也可以是由多个透镜组合构成。

准直单元作为激光投影装置的重要组成部分，直接影响到激光投影装置的体积和性能。一般准直单元采用球面透镜作为准直透镜，该类透镜是由透明度高、质地均匀、折光能力强的光学玻璃经过精密打磨、抛光制作而成，其制作工艺复杂，成本较高。此外，该类透镜因其球面结构，存在无法完全消除的球面像差，并且透镜的光圈越大，球面像差越严重。由于球面像差的存在，光源发射的光束经准直单元后，其品质会有不同程度的下降。现有技术中，可以用透镜组或树脂非球面透镜替代球面透镜，以减小球面像差的影响。由透镜组构成的准直单元，虽然可以减小球面像差的影响，但是其占用了较大的体积，并且成本进一步提高。由树脂非球面透镜构成的准直单元，虽然可以降低加工成本，但是该透镜的热膨胀系数高，导热性差，软化温度低，容易变形。随着深度相机以及移动设备的发展，激光投影装置将向越来越小的体积以及越来越高的性能不断进化，当前的准直单元的体积、成本及性能都不理想。

发明内容

为了解决如何提高激光投影装置中的光束质量的技术问题，本发明提出一种激光投影装置及采用该激光投影装置的深度相机。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：本发明提出的解决方案包括激光投影装置及深度相机。

本发明提出的激光投影装置包括光源、准直单元、衍射光学元件；其中，所述光源用于发射激光；所述准直单元用于聚焦光源发射的激光，以便向所述衍射光学元件投射平行光束；所述衍射光学元件用于将所述平行光束进行扩束并发散为激光图案；所述准直单元包括多片菲涅尔透镜的组合或普通透镜与至少一片菲涅尔透镜的组合。其中，所述普通透镜包括凸透镜、凹透镜和微透镜阵列中的一种或多种。采用菲涅尔透镜与凸透镜组合的方式时，优选地，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凸透镜后焦点位置的右侧。此外，采用菲涅尔透镜与凸透镜的组合的另一实施方式，优选地，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凸透镜前焦点位置与所述光源位置的左侧。另外，采用菲涅尔透镜与凹透镜组合的方式时，优选地，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凹透镜的前虚焦点位置的右侧。

在上述激光投影装置中，所述光源包括至少两个发光元件，所述发光元件可以包括边发射激光器或垂直腔面发射激光器。其中，所述微透镜阵列的微透镜单元与所述发光元件成一一对应的关系。为了实现对所述发光元件的控制，所述激光投影装置还可以包括控制器，所述控制器用来控制所述发光元件的发光状态。另外，上述激光图案包括均匀分布但不相关的随机散斑图案。

在本发明中，还提出一种采用上述激光投影装置的深度相机，包括图像采集上述激光投影装置，用于向目标空间投射激光图案；图像采集装置，用于采集所述激光图案；RGB相机，用于实时捕捉目标空间的彩色图像；处理器，与所述图像采集装置、所述RGB相机及所述激光投影装置连接，所述处理器用于处理所述激光图案和所述彩色图像以获得目标物体的彩色深度图像。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：通过光源发射激光，激光首先通过准直单元的菲涅尔透镜或普通透镜之后的激光束存在由球面透镜带来的球面像差，之后激光束继续通过准直单元的菲涅尔透镜，最终消除了球面透镜带来的球面像差，通过准直单元的激光束以平行光束射向衍射光学元件，经过衍射光学元件将平行光束进行扩束并发散为激光图案，通过消除球面像差提高了光束亮度的均匀性，提高了光束质量。

附图说明

图1是菲涅尔透镜的俯视图。

图2是菲涅尔透镜的剖面图。

图3是本发明一种实施例的激光投影装置结构示意图。

图4是本发明一种实施例的激光投影装置结构示意图。

图5是本发明一种实施例的激光投影装置结构示意图。

图6是本发明一种实施例的激光投影装置结构示意图。

图7是本发明一种实施例的激光投影装置结构示意图。

图8是本发明一种实施例的深度相机结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要理解的是，术语“第一距离”、“第二距离”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖立”、“水平”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，在本发明实施例的描述中“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1为菲涅尔透镜的俯视图；图2为菲涅尔透镜的剖面图。在光学透镜聚焦或准直领域，光束的折射能量一般仅仅发生在透镜的光学表面。因此，适当的减少透镜的部分不相干光学材料并不会影响透镜对光束的折射能量。菲涅尔透镜131是透镜的一个分支，其制作思路是，在保留透镜表面的弯曲度不变的情况下，尽可能多的减少透镜的光学材料。区别于普通透镜需要双面抛光打磨的制造工艺，菲涅尔透镜的制造，一般以聚烯烃材料注压而成的薄片为加工毛胚，也可以是玻璃制作成的薄片为加工毛胚，对毛胚薄片的一面进行抛光打磨形成光面，然后在毛胚薄片的另一面上刻录由小到大的同心圆，需要说明的是，所刻录的同心圆纹理是根据光的干涉、衍射、相对灵敏度以及接收角要求设计的。相比于普通透镜，菲涅尔透镜的制造工艺更简单，无需双面抛光打磨，更加节省原料，具有体积小、重量轻、加工成本低、结构紧凑等特点；此外，菲涅尔透镜独特的锯齿状结构在保证其良好的聚光性和成像性能的同时，还可以一定程度减小球面像差对光束品质的影响，因而被广泛应用于国防、航空、工业生产等各个领域。

图3是基于一片菲涅尔透镜准直的激光投影装置示意图。本实施例中的激光投影装置包括基底10、光源11、控制器12、准直单元13以及衍射光学元件14。

其中，衍射光学元件14设置在与基底10间隔为第一距离的位置上；

其中，光源11与控制器12固定在基底10面向衍射光学元件14的一侧；光源11包括至少两个发光元件，并且各个发光元件的发光状态受控制器12控制；光源11可以根据控制器12的控制指令形成至少两种不同的发光面积；

其中，准直单元13设置在与基底10间隔为第二距离的位置上，第二距离受光源11的发光单元间隔以及准直单元的等效焦距共同影响，并且第二距离位置的物理尺寸要小于第一距离位置的物理尺寸，即光源11所发射的光束先后通过准直单元13与衍射光学元件14；需要强调的是，增加准直单元的等效焦距将增大第二距离的物理尺寸，从而导致激光投影装置的体积进一步增大。

其中，衍射光学元件14用于将光源11发出的激光束进行扩束，并且向目标空间发射激光图案。

本实施例中，基于光源11的发光元件受控制器12控制，光源11可以产生至少两种不同的发光面积。至少两种不同发光面积的光源11发射的光束经准直单元13聚焦准直后投向衍射光学元件14。衍射光学元件14对入射的光束进行扩束，然后向目标空间投影出至少两种不同的激光图案。该激光图案包括分布均匀但不相关的光散斑图案。

可选的，发光元件可以是边发射激光器，也可以是为垂直腔面发射的激光器。

可选的，发光元件发射波长为840nm，950nm的红外光束或者其他波段的光束。

一种实施方案中，发光元件优选为体积更小的发光元件，可以是高密度集成的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

可选的，至少两个VCSEL激光元件以面阵随机排列的方式安装在基底10上，每一个VCSEL激光元件独立受控制器12控制。控制器12可以通过电流接通与断开的方式或者其他可行方式，控制VSCEL的发光状态，从而控制光源11的发光面积。

本实施例中，准直单元13包括至少一片菲涅尔透镜131。如图3所示，一种实施方式中，准直单元13由一片菲涅尔透镜构成，在其他实施例中也可以由多片菲涅尔透镜构成或者由至少一片菲涅尔透镜与其他普通透镜的组合透镜构成。菲涅尔透镜131设置在与基底10之间间隔为第二距离的位置上，第二距离的物理尺寸小于第一距离的物理尺寸，此处不做具体的尺寸限制。优选地，菲涅尔透镜或者菲涅尔透镜组与光源之间的距离为菲涅尔透镜的焦距或者菲涅尔透镜组的等效焦距。这种设置的好处是可以减小整个准直单元的体积，从而进一步缩小激光投影装置的整体体积。

参阅图3，菲涅尔透镜131的表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。其中，每个凹槽的角度都与相邻凹槽的角度不同，每一个凹槽其作用等效于一个独立的小凸透镜，将光源11发射的光束调制为平行光。

可选的，参阅图4，根据本发明的另一种实施例激光投影装置的准直单元13由一片凸透镜和一片菲涅尔透镜的组合构成，在其他实施例中可以由至少一片凸透镜和至少一片菲涅尔透镜的组合构成，应该强调的是，此处所指的凸透镜为具有汇聚激光束的透镜，其结构可以是双凸、平凸或者凹凸透镜。

为了更清楚的描述该准直单元的结构特征，此处仅以一片双凸透镜和一片菲涅尔透镜组合构成的准直单元为例。应该强调的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。光源11发射的光束经凸透镜132收缩并聚焦于凸透镜132的后焦面，随后光束向菲涅尔透镜131方向扩散，扩散的光束经菲涅尔透镜调制以平行光的形式向衍射光学元件14投射光束。优选地，菲涅尔透镜131放置于凸透镜132的后方，并且其焦距应该等于或者近似等于光束经凸透镜132聚焦后所形成的聚焦点到菲涅尔透镜中心的距离，优选地，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凸透镜后焦点位置的右侧，这种设置的好处是可以一定程度降低光束的球面像差的同时，减小整个准直单元的体积，从而进一步提高激光投影装置的投影效果以及缩小激光投影装置的整体体积。

可选的，参阅图5，根据本发明的另一种实施例，该激光投影装置的准直单元同样由一片凸透镜和一片菲涅尔透镜构成，但是该实施例中凸透镜与菲涅尔透镜的放置方式与图4有区别。光源11置于双凸透镜132“左边”第一焦点内侧，具体物理尺寸此处不作具体限制，光源11发射的激光束经双凸透镜132折射后出现一定程度的收缩但无法形成聚焦，收缩后的光束经菲涅尔透镜131后，以平行光的方式投向衍射光学元件14。其中，菲涅尔透镜131与双凸透镜132的具体物理尺寸此处不做具体限制。优选地，菲涅尔透镜131的焦点位于光源11“左”侧，并且菲涅尔透镜131的“左”侧第一焦距应该大于双凸透镜132“左”侧第一焦距，菲涅尔透镜131的主焦点位置应该根据光束经双凸透镜132收缩后的聚光情况而定，优选地，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凸透镜前焦点位置与所述光源位置的左侧，此处不作具体限制，这种设置的好处是，在保证激光投影装置投影激光图案清晰均匀的同时，最大限度的缩小了激光投影装置准直单元的长度，从而整体地减低激光投影装置的整体体积。

激光投影装置的准直单元13也可以由至少一片凹透镜和至少一片菲涅尔透镜的组合构成，可选的，参阅图6，根据本发明的另一种实施例激光投影装置的准直单元13由一片凹透镜和一片菲涅尔透镜的组合构成，应该强调的是，此处所指的凹透镜为能够发散激光束的透镜，其结构可以是双凹、平凹或者凸凹透镜。

为了更清楚的描述该准直单元的结构特征，此处仅以一片双凹透镜和一片菲涅尔透镜组合构成的准直单元为例。应该强调的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。光源11发射的光束经双凹透镜133后出现不同程度的发散，并投向菲涅尔透镜131，发射的光束经菲涅尔透镜131调制后以平行光的形式向衍射光学元件14投射光束。优选地，沿激光束投射方向，菲涅尔透镜131的主焦点位置应该位于双凹透镜133前虚焦点位置的“右”侧，具体位置应该根据光束经双凹透镜133后的光束发散情况而定，此处不做具体限制，这种设置的好处是可以减小准直单元的体积，从而进一步缩小激光投影装置的整体体积。

可选的，参阅图7，根据本发明的一种实施例激光投影装置的准直单元13可以由微透镜阵列134与至少一片菲涅尔透镜131的组合构成。

微透镜阵列134中的多个微透镜单元与光源11的VSCEL发光元件成一对一的对应关系或者一对多的对应关系。光源11发射的光束经微透镜阵列134扩束或者收缩后进入菲涅尔透镜131，经菲涅尔透镜131调制后以平行光的形式向衍射光学元件14投射光束。优选地，菲涅尔透镜131的每一个凹槽与微透镜阵列134的微透镜单元成一一对应的关系。

可选的，根据本发明的其他一些实施例，激光投影装置的准直单元13也可以由凸透镜、凹透镜或微透镜阵列中的一种或多种与菲涅尔透镜的组合共同构成。

区别于现有的技术，本实施例激光投影装置的准直单元采用至少一片菲涅尔透镜作为其准直透镜，有效的解决了传统球面透镜因其存在球面像差导致光束品质下降的缺陷。菲涅尔透镜可以将光源发出的光束调制为平行光，并且根据其独特的物理构造，有效减少球面像差影响的同时，显著的提高了的光束亮度，消除了太阳斑效应，从而提高整体显示亮度的均匀性。进一步地改善了激光投影装置的投影性能。

本实施例激光投影装置的准直单元所采用的菲涅尔透镜，该类透镜比一般透镜或非球面透镜的制造工艺更简单，无需双面抛光打磨，更加节省原料，成本更低，厚度更薄，更加符合激光投影装置的性能要求。

本实施例激光投影装置的准直单元，采用菲涅尔透镜与其他透镜组合的形式，可以在保证投影装置性能的同时，进一步减少传统透镜球面像差对光束质量的影响。此外，通过传统透镜与菲涅尔透镜组合的方式，也可以极大地缩小准直单元的体积，从而进一步缩小激光投影装置的整体体积。

图8是本发明实施例的深度相机结构示意图。本实施例深度相机包括处理器21、总线22、激光投影装置23、RGB相机24和图像采集装置25。其中，激光投影装置23为本发明任意一种激光投影装置，其结构及工作原理这里不做重复叙述，激光投影装置用于向目标空间投影的激光图案。图像采集装置25主要用于采集所述激光图案，可选地，图像采集装置25为红外相机，也可以用其他图像采集设备替代红外相机。

可选的，处理器21采用图像匹配算法计算出该激光图像各像素点与参考图案中的对应各像素点的偏离值，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，也可以用其他合适算法实现上述功能。

其中，RGB相机24用于实时捕捉目标空间的彩色信息，为构建彩色深度图像做准备。

处理器21、与激光投影装置23、RGB相机24和图像采集装置25连接，在本实施例中，通过总线22实现连接。其中，激光投影装置23、RGB相机24和图像采集装置25一般安装在同一个深度相机平面内，处于同一基线上。

本实施例深度相机以上述图3至图7实施例中的任意一种激光投影装置作为其激光投影装置。因本发明的激光投影装置具有结构紧凑、加工成本低、性能突出等优点，从而采用本发明的激光投影装置的深度相机的体积进一步缩小、加工成本进一步降低、性能进一步提高。

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 (10)

1.一种激光投影装置，其特征在于，包括光源、准直单元、衍射光学元件；其中，所述光源用于发射激光；所述准直单元用于汇聚所述光源发射的激光，以便向所述衍射光学元件投射平行光束；所述衍射光学元件用于将所述平行光束扩束为激光图案；所述准直单元包括多片菲涅尔透镜的组合或普通透镜与至少一片菲涅尔透镜的组合。

2.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述普通透镜包括凸透镜、凹透镜和微透镜阵列中的一种或多种。

3.如权利要求2所述的激光投影装置，其特征在于，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凸透镜后焦点位置的右侧。

4.如权利要求2所述的激光投影装置，其特征在于，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凸透镜前焦点位置与所述光源位置的左侧。

5.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，沿激光束投射方向，所述菲涅尔透镜的主焦点位置位于所述凹透镜前虚焦点位置的右侧。

6.如权利要求2所述的激光投影装置，其特征在于，光源包括至少两个发光元件。

7.如权利要求6所述的激光投影装置，其特征在于，所述发光元件包括边发射激光器或垂直腔面发射激光器；

其中，所述微透镜阵列的微透镜单元与所述发光元件成一一对应的关系。

8.如权利要求6所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光投影装置包括控制器，所述控制器用来控制所述发光元件的发光状态。

9.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光图案包括均匀分布但不相关的随机散斑图案。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1至9任一所述的激光投影装置，用于向目标空间投射激光图案；

图像采集装置，用于采集所述激光图案；

RGB相机，用于实时捕捉目标空间的彩色图像；

处理器，与所述图像采集装置、所述RGB相机及所述激光投影装置连接，所述处理器用于处理所述激光图案和所述彩色图像以获得目标物体的彩色深度图像。