CN107806826B - 三维照相机及其投影仪 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及三维照相机及其投影仪。一种3D成像设备，该3D成像设备包括：投影仪，其包括激光器阵列、掩膜和投影光学器件，所述激光器阵列包括多个分立发射器，所述掩膜用于提供结构化光图样，其中，所述激光器阵列和所述掩膜之间的间距根据所述多个分立发射器的非均匀性分布图，以及根据与所述掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准大体上最小化，所述投影光学器件将所述结构化光图样成像于物体上；成像传感器，其适于捕获具有所述结构化光图样投射于其上的物体的影像；以及处理单元，其适于处理所述影像以确定距离参数。

Description

三维照相机及其投影仪
本申请是申请日为2013年3月20日，申请号为201380025652.4，发明名称为“三维照相机及其投影仪”的申请的分案申请。
技术领域
本发明属于图样投射领域，具体用于三维成像。
发明内容
当前公开的主题的许多功能组件可以通过各种形式来实施，例如，实施为包括定制的VLSI电路或门阵列等的硬件电路、实施为可编程硬件装置(例如，FPGA等)、或实施为存储于无形的计算机可读介质中且可由各种处理器执行的软件程序代码、及其任意组合。当前公开的主题的特定组件可通过一个特定软件代码段、或通过多个软件代码段构成，所述代码段可结合在一起并在属于各自的组件的当前公开的限制下共同起作用或共同运行。例如，组件可分布于几个代码段(例如，对象、过程和函数)上，并且可源自于几个程序或程序文件，这些程序或程序文件可结合操作以提供当前公开的组件。
通过类似的方式，当前公开的组件可具体体现为操作数据的形式，或操作数据可被当前公开的组件使用。作为示例，这样的操作数据可存储于有形的计算机可读介质上。操作数据可以是单一数据集，或其可以是存储于不同网络节点上或不同储存装置上的不同位置处的数据集合。
根据本申请的主题的方法或设备可具有上文或下文所述的不同方面的任意组合的特征或其等效物，也可以与下文呈现的“具体实施方式”中所述的方法或设备的任意一个特征或多个特征、或其等效物相结合。
根据当前公开的主题的一方面，提供3D成像设备。根据当前公开的主题的示例，该3D成像设备可包括投影仪、成像传感器和处理器。该投影仪可包括激光器阵列，该激光器阵列包括多个分立发射器、用于提供结构化光图样的掩膜、以及投影光学器件。激光器阵列和掩膜之间的间距可根据多个分立发射器的非均匀性分布图，以及根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准被大体上最小化。该投影光学器件可被配置成将结构化光图样成像于物体上。该成像传感器可适合于捕获具有投射于其上的结构化光图样的物体的影像。该处理单元可适合于处理影像以确定距离参数。
根据当前公开的主题的示例，多个分立发射器可以大体上相等的发射器尺寸、大体上相等的光发散度输出量、大体上相等的光功率输出量、以及大体上等同的相互间隔为特征。该非均匀性分布图可与分立发射器的光发散度输出量和光功率输出量相关，且可与分立发射器之间的相互间隔相关。
根据当前公开的主题的其他示例，该均匀性标准可进一步与目标动态范围相关。
根据当前公开的主题的另外的其他示例，该均匀性标准可进一步与分立发射器在激光器阵列中的密度和结构化光图样中的特征类型的密度之间的关系相关联。
在当前公开的主题的又一些其他的示例中，该掩膜可根据由激光器阵列发射的光的空间强度分布图设置尺寸。
在当前公开的主题的另外的其他示例中，该空间强度分布图可以限定所述激光器阵列在所述掩膜相对于所述激光器阵列定位的间距处的均匀光的区域。
在当前公开的主题的其他示例中，该掩膜可进一步根据均匀性标准设置尺寸。
根据当前公开的主题的又一些其他的示例，该掩膜可进一步根据光功率传输标准设置尺寸。
根据当前公开的主题的示例，该激光器阵列可以是VCSEL阵列。
根据当前公开的主题的示例，该激光器阵列可以遵照与多个分立发射器中有缺陷的分立发射器的分布和比例相关联的缺陷发射器标准。
根据当前公开的主题的示例，该激光器阵列和掩膜能以彼此之间小于5mm的间距定位。
根据当前公开的主题的示例，该激光器阵列和掩膜能以彼此之间小于2mm的间距定位。
根据当前公开的主题的另一方面，提供实现3D成像的方法。根据当前公开的主题的示例，该实现3D成像的方法可包括：相对于包括多个分立发射器的激光器阵列一定间距定位用于提供结构化光图样的掩膜，其中所述间距根据多个分立发射器的非均匀性分布图和根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准大体上最小；在来自分立发射器且穿过掩膜的光的光路中定位投影光学器件，以使得结构化光图样成像于物体上；以及在反射的投射光的光路中定位成像传感器，以使得具有结构化光图样投射于其上的物体的影像得以捕获，从而进一步使得距离参数得以确定。
根据当前公开的主题的又一方面，提供用于三维测距(range finding)的投影仪。根据当前公开的主题的示例，该用于三维测距的投影仪可包括激光器阵列、掩膜和投影光学器件。该激光器阵列可包括多个分立发射器。该掩膜可被配置成提供结构化光图样。投影仪中激光器阵列和掩膜之间的间距可根据多个分立发射器的非均匀性分布图，以及根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准大体上最小化。该投影光学器件可适合于将结构化光图样成像于物体上。
当前公开的主题的另一方面涉及实现3D测距的方法，其包括：相对于包含多个分立发射器的激光器阵列一定间距定位用于提供结构化光图样的掩膜，其中所述间距根据多个分立发射器的非均匀性分布图和根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准大体上最小；以及，在来自分立发射器且穿过掩膜的光的光路中定位投影光学器件，以使得结构化光图样成像于物体上。
当前公开的主题的另一方面涉及实现3D测距的方法，其包括：相对于包含多个分立发射器的激光器阵列一定间距定位用于提供结构化光图样的掩膜，在该间距处，实现根据多个分立发射器的非均匀性分布图及根据掩膜平面上的光强分布的理想均匀性；在来自分立发射器且穿过掩膜的光的光路中定位投影光学器件，以使得结构化光图样成像于物体上；以及，在反射的投射光的光路中定位成像传感器，以使得具有结构化光图样投射于其上的物体的影像得以捕获，从而进一步使得距离参数得以确定。
当前公开的主题的另一方面涉及实现3D成像的方法，其包括：相对于包含多个分立发射器的激光器阵列一定间距定位用于提供结构化光图样的掩膜，其中所述间距通过所述多个分立发射器的非均匀性分布图以及通过所述掩膜的平面上的光强分布的理想均匀性来确定；在来自分立发射器且穿过所述掩膜的光的光路中定位投影光学器件，以使得所述结构化光图样成像于物体上；以及在反射的投射光的光路中定位成像传感器，以使得具有所述结构化光图样投射于其上的物体的影像得以捕获，从而进一步使得距离参数得以确定。
根据当前公开的主题的示例，以距离所述激光器阵列所述间距定位所述掩膜，使得来自所述分立发射器的光根据所述非均匀性分布图发散，这样实现了所述掩膜的平面上的光强分布的理想的均匀性。
附图说明
为了理解本发明并了解本发明可以如何在实践中实施，现在将参考附图以非限制性示例的方式描述优选实施例，在附图中：
图1是根据当前公开的主题的示例的、用于3D测距的投影仪的方框图说明；
图2A是光在激光器阵列的发射器平面或紧邻发射器的发射表面的平面上的分布的示例说明；
图2B是位于两个平面之间的中间平面处的光分布的示例说明，其中一个平面紧邻发射器的发射表面，而另一个平面与发射器有一定间距，该间距至少通过发射器的非均匀性分布图以及与掩膜平面上的理想光强分布有关的均匀性标准限定；
图2C是根据当前公开的主题的示例的、来自激光器阵列的多个分立发射器的光强分布的示例说明，该光强分布在距激光器阵列最小间距处具有某个非均匀性分布图，在最小间距处的光分布符合均匀性标准；
图3A-3C分别是在与图2A-2C相关联的平面上的激光器阵列发射的光强的分布的示意性说明；
图4是根据当前公开的主题的示例的、通过举例方式显示使用其上具有给定光强分布的不同掩膜的影响以及所产生的投射图样的图形说明；
图5是根据当前公开的主题的示例的、照明图样的密度与产生的投射图样上的掩膜图样的密度之间的某种关系的影响的图形说明。
图6是根据当前公开的主题的示例的、显示于图1的用于3D测距的投影仪的一部分的方框图说明，该投影仪还包括定位于激光器阵列和掩膜之间的漫射器；
图7是根据当前公开的主题的示例的、显示于图1的用于3D测距的投影仪的一部分的方框图说明，该投影仪还包括定位于激光器阵列和掩膜之间的微透镜阵列；
图8是根据当前公开的主题的示例的、显示于图1的用于3D测距的投影仪的一部分的图形说明，其中激光器阵列具有在分立发射器之间的间隔中的反射表面；以及
图9是根据当前公开的主题的示例的3D成像设备的方框图说明。
应该理解的是，为了简单和清楚地说明，图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，某些元件的尺寸可相对于其它元件加以放大。此外，在认为适当的情况下，可以在各图中重复参考标号以标示对应或类似的元件。
具体实施方式
在下面的详细说明中,阐述了许多具体细节，以便提供对当前公开的主题的透彻的理解。但是，本领域的技术人员应理解，没有这些具体的细节，也可以实践当前公开的主题。在其它情况下，为了不使当前公开的主题模糊不清，公知的方法、过程和组件没有详细说明。
除非另外具体说明，否则正如下面的讨论中表明的，可以理解的是，在整个说明书的讨论中，各种各样的功能性术语指的是计算机或者计算装置或类似的电子计算装置的动作和/或过程，其将计算装置的寄存器和/或存储器中的表现为物理量的数据(例如，电子量的数据)操作和/或转换成相似地表现为计算装置的存储器、寄存器或其他这种有形信息储存装置、传输装置或显示装置内的物理量的其他数据。
下面提供的是成像处理领域以及数字视频内容系统和数字视频处理领域中的常规术语的列表。对于下面列出的每个术语，根据每个术语在该领域的常规释义，提供简短的定义。下面提供的术语是本领域已知的并且仅仅为了方便起见，提供下列定义作为非限制性示例。相应地，除非另作说明，否则权利要求中相应的术语的解释并不限于下述定义，且用于权利要求的术语应当赋予其最广义的合理的解释。
根据当前公开的主题的一方面，提供三维(“3D”)成像设备。根据当前公开的主题的示例，该3D成像设备可包含投影仪、成像传感器和处理单元。该投影仪可包含激光器阵列、掩膜和投影光学器件。该激光器阵列可包含多个分立发射器。该掩膜可适于提供结构化光图样(当被照射时)。该投影光学器件可被配置为将结构化光图样成像于物体上。激光器阵列和掩膜之间的间距可根据多个分立发射器的非均匀性分布图以及根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准最小化。成像传感器可适于捕获具有结构化光图样投射于其上的物体的影像。该处理单元可被配置为处理影像以确定距离参数。
根据当前公开主题的另一方面，提供三维(“3D”)成像设备。根据当前公开的主题的示例，该3D成像设备可包含投影仪和成像传感器及处理单元。该投影仪可包含激光器阵列、掩膜和投影光学器件。该激光器阵列可包含多个分立发射器。该掩膜可适于提供结构化光图样(当被照射时)。该投影光学器件可被配置为将结构化光图样成像于物体上。激光器阵列和掩膜可以以最小间距彼此定位，在最小间距处，根据多个分立发射器的非均匀性分布图，满足与掩膜平面上的光强分布有关的理想的均匀性标准。成像传感器可适于捕获具有结构化光图样投射于其上的物体的影像。该处理单元可被配置为处理影像以确定距离参数。
根据当前公开主题的另一方面，提供实现3D成像的方法。根据当前公开的主题的示例，提供3D照相机的方法可包含：相对于包括多个分立发射器的激光器阵列一定间距定位用于提供结构化光图样的掩膜，其中该间距根据多个分立发射器的非均匀性分布图以及根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准大体上最小化；在来自分立发射器且穿过掩膜的光的光路中定位投影光学器件，以使得结构化光图样成像于物体上；在反射的投射光的光路中定位成像传感器，以使得具有结构化光图样投射于其上的物体的影像得以捕获，从而进一步使得距离参数得以确定。
根据当前公开主题的另一方面，提供用于3D测距的投影仪。根据当前公开的主题的示例，该投影仪可包含：激光器阵列、掩膜和投影光学器件。该激光器阵列可包含多个分立发射器。该掩膜可适于提供结构化光图样。该投影光学器件可被配置为将结构化光图样成像于物体上。激光器阵列和掩膜之间的间距可根据多个分立发射器的非均匀性分布图以及根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准进行最小化。
根据当前公开主题的另一方面，提供用于3D测距的投影仪。根据当前公开的主题的示例，该3D测距装置可包含投影仪和成像传感器及处理单元。该投影仪可包含激光器阵列、掩膜和投影光学器件。该激光器阵列可包含多个分立发射器。该掩膜可适于提供结构化光图样(当被照射时)。该投影光学器件可被配置为将结构化光图样投射于物体上。激光器阵列和掩膜可以以最小间距彼此定位，在最小间距处，实现根据多个分立发射器的非均匀性分布图、与掩膜平面上的光强分布有关的理想的均匀性标准。
根据当前公开主题的另一方面，设置了提供用于3D测距的投影仪的方法。根据当前公开的主题的示例，该方法可包括：相对于包括多个分立发射器的激光器阵列一定间距定位用于提供结构化光图样的掩膜，在该间距处，实现根据多个分立发射器的非均匀性分布图以及掩膜平面上的光强分布的理想均匀性；在来自分立发射器且穿过掩膜的光的光路中定位投影光学器件，以使得结构化光图样成像于物体上；在反射的投射光的光路中定位成像传感器，以使得具有结构化光图样投射于其上的物体的影像得以捕获，从而进一步使得距离参数得以确定。
现在参考图1，图1是根据当前公开主题的示例、用于3D测距的投影仪的方框图说明。根据当前公开的主题的示例，如下文中将进一步解释的，显示于图1的投影仪100可以是3D照相机的一部分。
根据当前公开的主题的示例，投影仪可包含：激光器阵列110、掩膜130和投影光学器件160。激光器阵列可包含多个分立发射器112A-112N。根据当前公开的主题的示例，激光器阵列100中的多个分立发射器112A-112N大体上彼此不相干。
通过示例的方式，显示于图1中的激光器阵列110是垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)阵列。通过非限制性示例的方式，可以使用具有2.6×2.6mm2的有效发射面积的VCSEL阵列。进一步通过示例的方式，当以脉冲工作方式操作时，该VCSEL阵列可适于产生大约30瓦特的峰值功率输出量。VCSEL阵列中的每个发射器可被配置成传输大约10mW数量级的峰值功率。对于具有约3000个发射器的VCSEL阵列，总功率可以是大约30瓦特的数量级。可以理解的是，上述VCSEL阵列由于其相对较高的功率输出，可用于提供大距离的工作间距。可以进一步理解的是，除此之外，工作间距还可以取决于传感器的灵敏度、照相机光学器件以及典型成像物体(即，由于人类皮肤反射少于典型建筑材料，所以在间距较大的情况下，建筑学建模可能比人体建模更可靠)。
可以理解的是，其他类型的激光器阵列可用作当前公开的主题的示例的一部分，且VCSEL仅仅是可使用的可行的激光器阵列类型的一个示例。根据当前公开的主题的示例，可用作用于3D测距的投影仪的一部分的激光器阵列的另一个例子是非相干的激光器耦合的光纤束。
根据当前公开的主题的示例，可这样配置激光器阵列110(例如，VCSEL阵列)，使每个分立发射器112A-112N都单独发射激光。因此，分立发射器112A-112N之间(通常)不相干。可以理解的是，使用具有大体上彼此不相干的多个分立发射器的激光器阵列作为结构化光图样的光源，可减少产生的投射图样中的斑点。
如下面将要进一步详细描述的，通过激光器阵列110发射的光的特征在于，多个分立发射器的某种非均匀性分布图。该非均匀性分布图表示来自激光器阵列110的分立发射器112A-112N的光的分布随着与激光器阵列的间距而发生变化。
在这点上，可以理解的是，在激光器阵列发射器112A-112N的平面上或紧邻发射器112A-112N的发射表面，光的分布是分立发射器112A-112N的布局的结果。因为分立发射器112A-112N是彼此隔开的，所以光强分布高度不均匀。例如，分立发射器的光斑直径可以是约12μ，且每个光斑的中心之间可以有约50μ的间隔。
但是，如图1中的示例所示，分立发射器112A-112N中的每一个自然地发射类锥形的光120。因此，通过激光器阵列110提供的光强分布随着光从分立发射器112A-112N传播而改变。光分布改变用非均匀性分布图表现。
可以理解的是，根据当前公开的主题的示例，不同的激光器阵列可具有不同的非均匀性分布图。例如，不同的激光器阵列可被设计为具有不同发射直径的分立发射器和/或具有发射器间不同的间隔。可以理解的是，改变发射直径也改变了光束发散度。例如，12μ的发射器具有0.12的NA，而6μ的发射器将具有0.24的NA。不同发射直径的分立发射器和/或发射器间不同的间隔产生不同的非均匀性分布图。因此，在当前公开的主题的示例中，具有特定的非均匀性分布图的激光器阵列可被选定用于投影仪，该投影仪用于3D测距。
掩膜130定位于距离激光器阵列110间距190处。掩膜130在被照射时，可适于提供结构化光图样。根据当前公开的主题的示例，掩膜130可包含吸收图样和反射图样的组合，其操控照射到掩膜表面上或穿过掩膜130的光，这样，离开掩膜130的光就提供理想的光的结构化图样。本领域技术人员应理解，其它类型的掩膜可用于提供理想的光的结构化图样，例如，全息式微透镜阵列，以及各种类型的光栅。
投影光学器件150可被配置为将结构化光图样成像于物体上，或物体平面180上。通过示例的方式，图1中的投影光学器件160由物镜150和投影透镜170组成。物镜150可用于操控激光器阵列发射器110的远心性质。可以理解的是，根据当前公开的主题的示例，各种各样的投影光学器件在本领域是已知的，包含各种类型的透镜以及其他光学元件的组合，并且可与激光器阵列110和掩膜130结合使用。不同的投影光学器件可能适合不同的需求并且投影光学器件可根据特定的需求选定。定义所使用的实际的投影透镜的参数是角视场、理想的分辨率和景深(depth of field)限制的规格说明。
可以理解的是，对于某些申请，必须实现对掩膜130平面的大体上均匀的照明。
以掩膜为例，该掩膜被配置为提供于2007年11月20日提交的第2010/0074532号美国专利公开中描述的图样，此处通过引用将上述专利并入。此掩膜被配置为提供包含可辨别的特征类型的有限集的预定义阵列的编码的二维光图样。该投射图样可采用不同强度的单色光束的形式，其中相邻光束的组合包括具有二维空间形态的编码特征或字母。
当投射于成像的物体上时，该光束在多个反射点与成像的物体表面相交。因此，如果条件允许，可以辨别出传感器捕获到的影像(通常为2D影像)中投射出的特征的反射。
为了确定关于成像的物体的表面上的不同点(或区域)的距离参数，必须确定投射的几何关系，其中包含图样中的特征类型的位置与各自投射点的影像的位置之间的关系等。因此，希望能够辨别出影像中的特征类型。如果特征类型在影像中不能辨别，则基于与图样的相关性来确定距离参数可能会变得困难且甚至变得不可能。
可以理解的是，对于第2010/0074532号美国专利公开中描述的图样，要求在掩膜130平面上有均匀光强分布。在掩膜130平面上有均匀光强分布的情况下，从掩膜130中穿出的光强分布以及产生的投射图样可能与预期的二维光图样密切相关。
正如下文将进一步讨论的，根据当前公开的主题的示例，为其确定距离参数的物体或场景上的光强分布可能会进一步受到掩膜130和掩膜130提供的结构化光图样的某些特性的影响，并且均匀性标准可与掩膜130的这些特性相关。根据当前公开的主题的其他示例，为其确定距离参数的物体或场景上的光强分布可能会受到为其确定距离参数的物体或场景的动态范围的影响，并且均匀性标准可与物体或场景的动态范围相关。根据当前公开的主题的其他示例，为其确定距离参数的物体或场景上的光强分布可能会受照射到掩膜130平面上的光的光强分布图样的密度与掩膜130的图样的密度之间的关系的影响，且均匀性标准可与此关系相关。
现在参考图2A-2C，其是位于各自的平面上的激光器阵列发射的光的分布的简化说明，所述各自平面与激光器阵列发射器的发射表面的间距是不同的。在图2A中，通过示例的方式显示在激光器阵列的发射器的平面上或紧邻发射器的发射表面的平面上的光的分布。如图2A所示，该发射器112A-112N相互分开且因此紧邻发射器112A-112N的发射表面的光强分布的形式为相对较小的(或聚焦的)彼此明显各不相同的光斑，以及在光斑之间存在大体上未被照明的区域，或换言之，在光斑之间存在大体上暗的区。例如，分立发射器的光斑直径可以是约12μ，而每个光斑的中心之间可以是约50μ的间隔。
图2B通过示例的形式说明在定位于紧邻发射器的发射表面的平面和与发射器有一定间距的平面之间的中间平面中的光分布，该间距至少通过发射器的非均匀性分布图和与掩膜平面上的理想光强分布有关的均匀性标准限定。如图2B所示，相比紧邻发射器112A-112N的发射表面的平面处的光分布(例如，图2A中)，在中间平面，来自分立发射器的光发散，并且中间平面上的光分布变得更均匀。
尽管如此，但是至少对于一些应用，显示于图2B中的中间点处的掩膜130的表面上的来自激光器阵列110的光分布可能并不合适。例如，在3D测距的应用中，在中间点上，中间点上的光分布可能不适合结构化光图样的投影，因为通过定位于中间平面的掩膜130投射且通过激光器阵列110照明的、具有显示于图2B的光强分布的结构化光图样可能因为不均匀光投射于掩膜130上而下降到至少一些投射的特征类型变得难以识别或不能识别的程度。
在图2C中，根据当前公开的主题的示例，通过示例的方式显示来自激光器阵列的多个分立发射器的光强的分布的说明，该光强分布在距激光器阵列最小间距处具有某种非均匀性分布图，在该最小间距下，光分布满足均匀性标准。如上所述，分立发射器112A-112N中的每一个发射类锥形的光120。结果是，来自激光器阵列110的分立发射器的光根据非均匀性分布图发散，并且在距发射器112A-112N一定间距处，来自相邻发射器的光线开始重叠。起初，当来自相邻的发射器的光线重叠时，该重叠产生与显示于图2B中类似的光分布。但是，使用预定义的非均匀性分布图，可能找到满足与来自激光器阵列110的光强分布有关的均匀性标准的最小距离190。根据当前公开的主题的示例，以最小间距190来定位掩膜130可实现适合3D测距的结构化光图样的投影，在最小间距190下，根据激光器阵列的光强分布的非均匀性分布图，且满足均匀性标准。这个最小间距190可取决于一些因素并随这些因素变化，这些因素例如，理想的对比度、理想的应用、投射图样的光学特性、分辨率等。根据当前公开的主题的示例，根据激光器阵列的光强分布的非均匀性分布图，满足均匀性标准的最小间距190可通过以经验为主地将上述的一些或全部因素，并还可能进一步将其它因素纳入考虑来进行确定。通过非限制性示例的方式，对于某些3D测距应用且在某些条件下，间隔50μ的直径为12μ的0.12NA发射器的照明分布图可在间距为0.5mm的情况下变得足够均匀。
如上所述，且正如下文将进一步讨论的，当确定激光器阵列110和掩膜130之间的最小间距190时，可考虑附加的因素，在最小间距190下，激光器阵列的光强分布适合于实现适于3D测距的结构化光图样的投影。
如上所述，根据多个分立发射器的非均匀性分布图以及根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准，激光器阵列110和掩膜130之间的间距可最小化。但是，由于设计偏好和/或其它偏好，该掩膜130以及激光器阵列可在不妨碍用于3D测距应用的投影仪的性能或不妨碍投影仪是其一部分的3D照相机的性能的情况下，以相对于彼此稍微远于最小间距进行定位。
在当前公开的主题的又一些示例中，可以提供用于相对于激光器阵列110定位掩膜130的最大间距。通过示例的方式，最大间距可与激光器阵列源通过掩膜的预先确定的最小功率传输相关联。进一步通过示例的方式，最大间距可与预先确定的掩膜表面上的光强标准相关联。通过一个具体例子的方式，该预先确定的标准可以是85％的最小功率传输以及以下标准：处于掩膜边缘的光强不会降至在掩膜照明区域的中心光强值的80％以下。
根据当前公开的主题的示例，掩膜130可定位在距激光器阵列110有一定距离的地方，其中，该距离可根据最小间距确定，最小间距又根据多个分立发射器的非均匀性分布图，并且根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准，以及进一步根据最大间距确定。
为了方便起见，在当前公开的主题的示例的描述中，通常参考掩膜和激光器阵列之间的最小间距或最小间距的确定。然而，应当理解的是，许多本文中当前公开的示例也可以与将掩膜和激光器阵列定位在一个距离内相关，该距离根据上述的最小间距和根据上述的最大间距确定。同样地，距离可基于最小间距和最大间距而得以确定，以此代替确定最小间距。因此，应当注意，此处描述的有关最小间距的示例也可应用于与最小间距和最大间距相关联的距离。
图3A-3C分别是在与图2A-2C相关联的平面上的激光器阵列发射的光强的分布的示意图。图3A与图2A相对应，并提供在激光器阵列110的发射器112A-112N所在平面上或紧邻发射器112A-112N的发射器表面的平面上的光强分布的示意说明。图3B与图2B相对应，并提供在定位于紧邻发射器112A-112N的发射表面的平面和根据激光器阵列发射的光的非均匀性分布图，光强分布满足均匀性标准的最小间距的平面之间的中间平面上的光强分布的示意说明。图3C与图2C相对应，并提供定位于距激光器阵列最小间距处的平面上的光强分布的示意说明，在最小间距下，根据通过激光器阵列发射的光的非均匀性分布图，光强分布满足均匀性标准。
现在参考图4，根据当前公开的主题的示例，其显示了使用其上具有给定光强分布的不同的掩膜可对所产生的投射图样产生的影响。如上所述，依照当前公开的主题的示例，激光器阵列由多个彼此相互分开的分立发射器组成。分立发射器发射类锥形的光(或辐射)120，并且该光根据非均匀性分布图从分立发射器发散出去。十分接近分立发射器的发射表面时，该光强分布表现为被相对大的暗区分离的较聚焦的光斑。当光从分立发射器传播时，通过激光器阵列110提供的光强分布根据激光器阵列的非均匀性分布图而改变。在距离发射器一定间距的地方，来自相邻发射器的光线开始重叠，且光强分布逐渐变得越来越均匀。
光强分布410表示光强分布的中间水平。通过与掩膜420结合，光强分布410的非均匀性以噪声的形式出现于投射图样421中。在供人类观看的投影系统(例如，视频投影仪)中，这种非均匀性可能由于美学原因而不受欢迎。但是，由于图样的局部特征仍可辨别以及可被准确定位，尽管噪声增加，但作为投射相同的光强分布410到结构化光图样430上的结果的投射图样431却可能有助于3D测距应用。投影掩膜420和430之间的差异，以及产生的投射图样421和431之间的差异分别用作以下方式的简化示例，通过该方式，为其确定距离参数的物体或场景上的光强分布可进一步受到掩膜的某些特性和掩膜提供的结构化光图样的某些特性的影响。如上所述，根据当前公开的主题的示例，均匀性标准可与掩膜的这种特性相关。
在当前公开的主题的其他示例中，可提供容差规范，以及可以根据多个分立发射器的非均匀性分布图，根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准，以及进一步根据容差规范，实施对激光器阵列和掩膜之间的最小间距的确定。
根据当前公开的主题的其他示例，容差规范可与掩膜的特性和/或掩膜提供的结构化光图样的特性相关。在当前公开的主题的另一些其他示例中，可以根据多个分立发射器的非均匀性分布图，根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准，以及进一步根据与掩膜的特性和/或掩膜提供的结构化光图样的特性相关的容差规范，实施对激光器阵列和掩膜之间的最小间距的确定。
现在参考图5，其为根据当前公开的主题的示例，照明图样的密度和掩膜图样的密度之间的关系可对所产生的投射图样产生的影响的说明。该投射光图样521是具有光强分布520的照明掩膜510的结果。该光强分布520是高度非均匀的，并且因此所产生的投射光图样521被损毁(在投射光图样521中，特征类型难以识别或不可能识别)。
光强分布530与光强分布520相比显然更加均匀。但是，因为在光强分布530中，峰值的密度与掩膜510中的特征密度是相同数量级，这导致了使投射图样531中的局部特征失真的不想要的干扰，故尽管光强分布530中的强度变化并非如光强分布520中那样高，但在投射光图样531中，特征类型却已经变得难以识别或不可能识别。照射到掩膜上的光的光强分布图样与掩膜的特征之间的干扰用作以下方式的简化示例，通过该方式，照射到掩膜上的光的光强分布图样密度以及掩膜图样的密度可互相作用并导致投射图样中的局部特征的干扰。
如上所述，根据当前公开的主题的示例，均匀性标准可与照射到掩膜上的光的光强分布图样密度以及掩膜图样的密度相关。
在当前公开的主题的其他示例中，可提供约束规范，以及可根据多个分立发射器的非均匀性分布图，根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准，以及进一步根据约束规范，实施对激光器阵列和掩膜之间的最小间距的确定。根据当前公开的主题的另一些其他示例，可根据多个分立发射器的非均匀性分布图，根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准，根据约束规范，以及进一步根据容差规范，实施对激光器阵列和掩膜之间的最小间距的确定。
根据当前公开的主题的其他示例,约束规范可与照射到掩膜上的光的光强分布图样密度与掩膜图样的密度之间的关系相关。在当前公开的主题的又一些其他示例中，可根据多个分立发射器的非均匀性分布图，根据与掩膜平面上的光强分布有关的均匀性标准，根据和照射到掩膜上的光的光强分布图样密度与掩膜图样密度之间的关系相关的约束规范，以及进一步根据与掩膜特性和/或掩膜提供的结构化光图样的特性相关的容差规范，实施对激光器阵列和掩膜之间的最小间距的确定。
已描述了根据当前公开的主题的示例的投影仪和3D成像设备的各种特征，其与激光器阵列和用于提供3D测距的投射光图样的掩膜之间的最小间距相关联，现在描述根据当前公开的主题的其他示例的投影仪和3D成像设备的附加特征。
根据当前公开的主题的示例，掩膜以及掩膜提供的图样可根据激光器阵列发射的光的空间强度分布图设置尺寸。进一步通过示例，该掩膜以及掩膜提供的图样可根据激光器阵列在最小间距下发射的光的空间强度分布图设置尺寸，在最小间距下，根据激光器阵列的光强分布的非均匀性分布图，满足均匀性标准。
现在回到图1，如上所述，根据当前公开的主题的示例，该掩膜130定位于距激光器阵列110最小间距190处，在此处满足与掩膜平面上的光强分布有关的理想的均匀性标准。同样正如上面提到的，可进一步根据约束规范以及根据容差规范确定最小间距190。
可以理解的是，由于激光器阵列110中的相邻的分立发射器的发射分布图，以及来自相邻发射器的光线之间的重叠，因此在最小间距190，实现了来自激光器阵列的光强分布的均匀性。激光器阵列110中的分立发射器的发射分布图通过示例的形式在上面已做描述，其具有类锥形120，以及在图1中，可以看到来自分立发射器的光在距发射器一定间距处散开。在某个点，相邻的发射器的光锥120开始重叠。重叠的程度随着距发射器的间距的增大而增加。
但是，在空间强度分布图的边缘，尤其是在最小间距190处，边缘发射器没有被相邻的发射器包围，因此在来自激光器阵列110的光的边缘处光强较弱。例如，这可以在图2C的示例和在图3C的图表中看出。
根据当前公开的主题的示例，掩膜130可根据通过激光器阵列110发射的光的空间强度分布图设置尺寸。在当前公开的主题的其他示例中，除了光强分布大体上较不均匀的外围，掩膜130可被截断以大体上覆盖激光器阵列110以最小间距190产生的光的整个区域。
根据当前公开的主题的其他示例，最小间距190的确定可根据外围规范进一步确定。该外围规范可用于规定通过激光器阵列产生的光的外围，当确定来自激光器阵列110的光符合均匀性标准的最小间距时，可以忽视该外围。该外围可被规定为，光强降至照明区域的中心处的值的某个百分比(例如，80％)以下的区域。
在当前公开的主题的又一些其他示例中，可根据光功率传输标准设置掩膜130的尺寸。在当前公开的主题的另一些其他示例中，该光功率传输标准可与外围规范结合使用以确定掩膜130的尺寸。如上所述，通过激光器阵列110发射的光的外围处的光强大体上较不均匀，以及在当前公开的主题的一些示例中，因此需要具有被截断以保持掩膜130上的均匀的光强分布的掩膜。但是，掩膜130尺寸的减小降低了整体光功率传输。因此，在当前公开的主题的一些示例中，例如，根据空间强度分布图，光功率传输标准可用于限制掩膜的截断，并且可防止掩膜130的过度截断。光功率传输标准可与外围规范一同使用以确定掩膜130的尺寸。
根据当前公开的主题的示例，当掩膜130定位于距激光器阵列110的最小间距190处时，掩膜130的尺寸可根据相关条件进行估计。
根据当前公开的主题的其他示例，最小间距190的确定可进一步根据外围规范确定。该外围规范可用于规定通过激光器阵列产生的光的外围，当确定来自激光器阵列110的光符合均匀性标准的最小间距时，可以忽视该外围。
根据当前公开的主题的示例，可提供缺陷发射器标准。该缺陷发射器标准可用于规定被认为是鉴定发射器具有投影仪100的合适光源的资格的多个分立发射器112A-112N之中的缺陷分立发射器的分布和/或比例。如上所述，投影仪100旨在用于提供用于3D测距应用的结构化光图样。因此，如果光源(激光器阵列110)具有太多缺陷分立发射器，则光源输出可能太小并且结构化光图样可能不能投射足够远到实现大范围的3D测距。因此，根据当前公开的主题的示例，可提供缺陷发射器标准，且该标准可用于否决包括大于一定阈值的数目的缺陷分立发射器的激光器阵列。可以理解的是，该阈值不一定是固定数，相反地，其可以是激光器阵列中的分立发射器总数的某个比例，或任何其它合适的量度。
此外，如上所述，投影仪的激光器阵列源(激光器阵列)的多个分立发射器的非均匀性分布图可用于确定掩膜可相对于光源定位的最小间距，该最小间距使得掩膜平面上的光强分布满足均匀性标准。因此，如果光源具有相对较大集群的缺陷发射器，则从光源发出的光会具有显著的暗斑，且可能会妨碍光强分布的均匀性，导致投射光图样损毁。因此，根据当前公开的主题的示例，可提供缺陷发射器标准，且该标准可用于否决包括相对较大集群的缺陷分立发射器的激光器阵列。可以理解的是，缺陷标准可与缺陷发射器的数目(或缺陷发射器的比率的类似量度)有关，或与缺陷分立发射器的集群程度(尺寸、比例等)相关，或与两者均相关。
根据当前公开的主题的示例，投影透镜170可被选定为使得入射光瞳175与来自激光器阵列110的光的发散度相匹配，或反之亦然。
现在参考图6，其中，显示了示于图1中的用于3D测距的投影仪的一部分的方框图说明，根据当前公开的主题的示例，其进一步包括定位于激光器阵列与掩膜之间的漫射器。根据当前公开的主题的示例，漫射器615可定位于激光器阵列610与掩膜630之间以缩短激光器阵列610与掩膜630之间的最小间距，在该最小间距下，考虑到了激光器阵列610的光强分布的非均匀性分布图，且满足均匀性标准。
现参考图7，显示了示于图1中的用于3D测距的投影仪的一部分的方框图说明，其进一步包括定位于激光器阵列和掩膜之间的微透镜阵列。根据当前公开的主题的示例，微透镜阵列715可定位于激光器阵列710和掩膜730之间以缩短激光器阵列710与掩膜730之间的最小间距，在该最小间距下，考虑到了激光器阵列710的光强分布的非均匀性分布图，且满足均匀性标准。
根据当前公开的主题的示例，激光器阵列可具有在分立发射器之间的间隔中的反射表面。现在参考图8，图8是示于图1中的用于3D测距的投影仪的一部分的图形说明，根据当前公开的主题的示例，其中的激光器阵列具有在分立发射器之间的间隔中的反射表面。用于提供理想的投射光图样的掩膜830可利用反射区域和透射区域来选择性地传输来自激光器阵列810的光，并因此产生理想的投射光图样。根据当前公开的主题的示例，由于激光器阵列810的分立发射器之间的间隔的面积大体上大于发射器自身的面积，因此通过掩膜830的反射部分反射的大部分光有可能通过发射器之间的反射表面815反射回去。所以，从掩膜830反射回反射表面815的光将会再一次被反射。可发生此反射循环直至从反射表面815反射的光照射到掩膜830的透射区域上，并且被投影仪发射出去为止。
根据当前公开的主题的示例的一方面，可提供3D成像设备，该设备包括根据上述主题的示例的用于3D测距的投影仪。现在参考图9，其是根据当前公开的主题的示例的3D成像设备的方框图说明。根据当前公开的主题的示例，该3D成像设备900可包括成像传感器920、处理单元930以及投影仪910。
该投影仪910可包括包含多个分立发射器的激光器阵列，以及掩膜，其中，根据多个分立发射器的非均匀性分布图以及根据与掩膜平面上的光强分布相关的均匀性标准，激光器阵列和掩膜之间的间距大体上最小化。该投影仪910可依照上文中描述的投影仪的示例实施，所述示例包括但不限于参考图1-8描述的示例。
成像传感器920可适于捕获具有结构化光图样投射于其上的物体的影像。存在各种各样的成像传感器，其可用于捕获具有结构化光图样投射于其上的物体的影像以及提供适合用于3D测距应用的影像。任意适当的当前可用的成像传感器或未来可用的成像传感器都可用于捕获具有结构化光图样投射于其上的物体的影像。
根据当前公开的主题的示例，成像传感器920可通过提供特定的适合于3D测距应用的成像几何关系的方式，相对于投影仪910定位。在当前公开的主题的其他示例中，该成像传感器可以可操作地连接到投影仪910，且成像传感器920的操作以及投影仪910的操作可同步，例如，为了实现3D成像设备900的更好的功率效率。
根据当前公开的主题的示例，该处理单元930可适于处理通过成像传感器920捕获的影像，以及可提供距离参数。可用以从具有图样投射于其上的物体的影像中提取距离参数的各种算法都可通过处理单元930实施。

Claims (31)

1.一种结构化光投影仪，所述结构化光投影仪包括：
激光器阵列（110），其包括多个分立光发射器（112A-112N）；其中所述激光器阵列（110）被配置为使得当所述激光器阵列（110）被激活时，来自所述多个分立光发射器（112A-112N）中的每一个的光进行发散,并且与来自所述分立发射器的光的发散相关联，所述激光器阵列（110）的光强分布随着与所述激光器阵列（110）的距离而改变；以及
掩膜（130），其被配置为当被照射时提供结构化光图样，其中，所述掩膜（130）被定位在相对于所述激光器阵列（110）的一个距离处，
其特征在于，在所述激光器阵列（110）与所述掩膜（130）之间不存在光学元件，当所述激光器阵列（110）发光时，来自相邻的发射器的光线在掩膜平面处重叠，以及这些重叠提供了所述掩膜平面上的均匀光强分布，
其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所投射的结构光图样特征的密度。
2.根据权利要求1 所述的投影仪，其中，所述激光器阵列发光，所述掩膜提供投射的结构化光，所述投射的结构化光由被相邻的光束编码的特征组成，所述相邻的光束形成预定义的空间强度形态。
3.根据权利要求2中所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述多个分立光发射器之间的相互间隔。
4.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述多个分立光发射器之间的相互间隔。
5.根据权利要求2和4中任一项所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述发射器的光功率输出。
6.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述发射器的光功率输出。
7.根据权利要求3所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述发射器的光功率输出。
8.根据权利要求2、4和6-7中任一项所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
9.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
10.根据权利要求3所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
11.根据权利要求5所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
12.根据权利要求2、4、6-7 和9-11 中任一项所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离不小于最小距离，其中，所述最小距离是最小相对距离，在所述最小相对距离处，当所述掩膜被照射时，所述掩膜平面上的光强分布是均匀的。
13.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离不小于最小距离，其中，所述最小距离是最小相对距离，在所述最小相对距离处，当所述掩膜被照射时，所述掩膜平面上的光强分布是均匀的。
14.根据权利要求3所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离不小于最小距离，其中，所述最小距离是最小相对距离，在所述最小相对距离处，当所述掩膜被照射时，所述掩膜平面上的光强分布是均匀的。
15.根据权利要求5所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离不小于最小距离，其中，所述最小距离是最小相对距离，在所述最小相对距离处，当所述掩膜被照射时，所述掩膜平面上的光强分布是均匀的。
16.根据权利要求8所述的投影仪，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离不小于最小距离，其中，所述最小距离是最小相对距离，在所述最小相对距离处，当所述掩膜被照射时，所述掩膜平面上的光强分布是均匀的。
17.一种深度感测设备，包括：
根据权利要求1至16中任一项所述的结构化光投影仪，并且还包括：
投影光学器件，被配置为接收通过所述掩膜的光，并且被配置为将结构化光图样成像于物体上；
成像传感器，被配置为产生具有所述结构化光图样的所述物体的影像，所述结构化光图样从投射的结构化光图样的反射部分被投射在所述物体上；以及
处理单元，被配置为处理所述影像以确定范围参数。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述图样由被相邻的光束编码的特征组成，所述相邻的光束形成预定义的空间强度形态。
19.根据权利要求17或18所述的设备，其中，所述结构光图样的投射的反射与被配置为处理所述影像以确定范围参数的所述处理单元的光学要求兼容。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述处理单元被配置为解码所投射的结构化光图样的反射部分的影像，并且其中所述处理单元被配置为顺利地将所述结构化光图样的特征定位在所述影像中。
21.根据权利要求17、18和20中的任一项所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所投射的结构光图样特征的密度并且基于所述多个分立光发射器之间的相互间隔。
22.根据权利要求19所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所投射的结构光图样特征的密度并且基于所述多个分立光发射器之间的相互间隔。
23.根据权利要求17、18、20和22中任一项所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述发射器的光输出。
24.根据权利要求19所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述发射器的光输出。
25.根据权利要求21所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于所述发射器的光输出。
26.根据权利要求17、18、20、22以及24-25中任一项所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
27.根据权利要求19所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
28.根据权利要求21所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
29.根据权利要求23所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择基于目标动态范围。
30.根据权利要求17、18、20、22、24-25和27-29中任一项所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离不小于最小距离，其中，所述最小距离是最小相对距离，在所述最小相对距离处，当所述掩膜被照射时，所述掩膜平面上的光强分布是均匀的。
31.根据权利要求17、18、20、22、24-25和27-29中任一项所述的设备，其中，所述激光器阵列与所述掩膜之间的相对距离的选择不大于最大距离，其中，当所述掩膜被照射时，所述最大距离与相对于所述掩膜的中心处的光强的所述掩膜的边缘处的光强和激光器阵列源通过所述掩膜的预定最小功率转移值相关联。
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