CN108388070A - 光纤投影装置及应用其的深度相机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤投影装置及应用其的深度相机，所述光纤投影装置包括：底座；光纤，所述光纤安装在所述底座上用于接收、传输光源光束并向外发射第一光束；光束生成器，所述光束生成器安装在所述底座上用于接收所述光源光束并向外投射出第二光束；所述光纤投影装置通过所述光纤与光源连接。通过光源与光纤投影装置在空间上分开，并通过光纤传输光束，一方面便于系统的集成，使得拥有更小的体积；另一方面可以将光源设置在散热好的环境中使得整个系统拥有更高的散热性。

Description

光纤投影装置及应用其的深度相机
【技术领域】
本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种光纤投影装置及应用其的深度相机。
【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。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。
深度相机的测量稳定性与精度是衡量产品质量的重要因素，其中激光投影装置的散热性能则是影响深度相机稳定性及精度的重要原因。为了达到好的散热效果，目前的深度相机几乎都拥有较大的体积。但随着应用场景的不断扩展，深度相机将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化，而解决散热问题则是提高深度相机产品质量的重要环节。
【发明内容】
本发明的目的是为解决提供现有技术中光学投影装置体积与散热效果二者不能兼得的问题，提供一种光纤投影装置及应用其的深度相机。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种光纤投影装置，其特征在于，所述光纤投影装置包括：
底座；
光纤，所述光纤安装在所述底座上用于接收、传输光源光束并向外发射第一光束；
光束生成器，所述光束生成器安装在所述底座上用于接收所述光源光束并向外投射出第二光束。
优选地，所述光纤投影装置通过所述光纤与光源连接。
优选地，所述光源为边发射激光器。
优选地，所述光源为垂直腔面激光发射器阵列，所述光纤为由多根光纤组成的光缆，所述光缆中光纤数量与所述垂直腔面激光发射器数量相同。
优选地，所述垂直腔面激光发射器阵列为规则排列，所述光缆中光纤排列为不规则排列。
优选地，所述连接为直接连接或透镜连接，所述透镜为单透镜或微透镜阵列。
优选地，所述光束生成器包括：镜座，所述镜座安装在所述底座上；衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在所述镜座上用于接收所述第一光束并向外投射出所述第二光束。
优选地，所述光束生成器还包括透镜，所述透镜安装在所述镜座上用于准直所述第一光束；
优选地，所述光束生成器包括：镜座，所述镜座安装在所述底座上；扩散器，所述扩散器安装在所述镜座上用于将所述第一光束扩散后向外投射出所述第二光束。
一种采用以上任一所述的光学投影装置的深度相机，所述深度相机用于获取被测目标的深度图像。
本发明的有益效果为：提供了一种光纤投影装置及应用其的深度相机，由于采用了光源与投影装置分开的设置，使得这种光纤投影装置拥有更小的体积以便于集成到微型设置中，另外光纤使深度相机拥有较高的散热性能，提高深度相机测量的稳定性以及精度。
【附图说明】
图1是本发明实施例的结构光深度相机系统的侧面示意图。
图2是本发明实施例的TOF深度相机系统的侧视图。
图3是本发明实施例的光纤投影模组的侧视图。
图4是本发明实施例的光源与光纤直接连接示意图。
图5是本发明实施例的光源与光纤通过透镜连接示意图。
其中，101-结构光深度相机、102-处理器、103-主板、104-光纤投影装置、105-光纤、106-光源、107-图像采集装置、108-接口、109-RGB相机、110-进光窗口、201-TOF深度相机、204-与104结构不同的光纤投影装置、211-光脉冲、1041-衍射光学元件、1042-透镜、1043-上镜座、1044-下镜座、1045-光纤、1046-底座。
【具体实施方式】
本发明提出一种光纤投影装置及应用其的深度相机。在后面的说明中将对光纤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纤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权利要求中。
实施例1
图1所示的基于本发明的一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。深度相机101主要组成部件有光纤投影装置104(包含光纤105)、光源106、图像采集装置107、主板103以及处理器102，在一些深度相机中还配备了RGB相机109。光纤投影装置104、图像采集装置107以及RGB相机109一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个装置或相机都对应一个进光窗口110。一般地，处理器102被集成在主板103上，而光纤投影装置104、光源以及图像采集装置107通过接口108与主板103连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。其中，光纤投影装置接收光源由光纤传输来的光束并用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，图像采集装置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，光源为红外激光，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。对应的图像采集装置107为与光纤投影装置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图像采集装置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。
在一种实施例中，光源为边发射激光，通过与光纤的连接实现与光纤投影装置的连接。
在另一种实施例中，光源可以是激光阵列，比如垂直腔面激光发射器(VCSEL)阵列，与其对应的光纤为由光缆，光缆中光纤的数量与VCSEL阵列的数量一致。一般地，VCSEL阵列需要拥有不规则排列的形状，这无疑增加了制造难度及成本。采用光缆传输方法则可以采用规则VCSEL阵列而将光缆中光纤进行不规则排列。
图1所示的深度相机结构中光源与光纤投影装置在空间上分开，并通过光纤传输光束，一方面便于系统的集成，使得拥有更小的体积；另一方面可以将光源设置在散热好的环境中使得整个系统拥有更高的散热性。
图2所示的是根据本发明的一个实施例的基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机侧面示意图。基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机201的主要组成部分也是光纤投影装置204(包括光纤105)与图像采集装置107，另外也包括主板103、处理器102、RGB相机109。光纤投影装置104、图像采集装置107以及RGB相机109一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，与主板之间的连接可以选取FPC连接108，每个光纤投影装置或相机都对应一个进光窗口110。与结构光深度相机不同的是其光学投影装置204用于发射记时的光脉冲211，图像采集装置107采集到该光脉冲后就可以得到光在空间中的飞行时间，再利用处理器计算出对应的空间点的距离。
尽管两种相机的组成结构相似，但由于原理不同，因而各个部件的具体结构也会有区别。本发明主要关注光纤投影装置，结构光深度相机的光纤投影装置向目标空间发射经编码的结构光图案，而TOF深度相机的光纤投影装置则是向目标空间发射光脉冲，因而其内部的结构有区别。
实施例2
图3是图1中光纤投影装置104的一种实施例。光纤投影装置104包括底座1046、光纤1045、上下镜座1043与1044、透镜1042以及衍射光学元件(DOE)1041。透镜1042与DOE1041共同构成了光束生成器，光纤1045接收光源光束并发出第一光束经透镜1042准直后由DOE1041向空间以第二光束发射。一般地透镜1042位于光纤1045以及衍射光学元件1041之间。在其它实施例中透镜与DOE也可以整合成一个光学元件。上下镜座之间可以通过螺纹连接也可以直接接触连接，前种方式便于调整焦距，而后种方式调节较为麻烦，但是除了可以调节焦距外还可以调节光轴。底座1046要求具有足够的硬度来支撑光纤与底座。
在一些实施例中，图3所示的也可以是TOF深度相机的激光投影模组204。与激光投影模组104不同的是，303及302指的是起扩散作用的光学元件组合，这里也可以仅有一个光学元件，也可以由3个或以上的光学元件组成。
图4所示的是根据本发明的一个实施例的光源与光纤连接示意图。光源106与光纤105直接连接，即光源的光束将直接进入光纤中并进行传输。使用光纤传输光束会导致光束的功率损耗，主要体现在传输损耗与连接损耗。由于本发明中光纤的长度较短，因而传输损耗较小。为了减小连接损耗，一方面需要将光源与光纤之间的距离要足够近，另一方面要保证光纤的数值孔径与光源光束的大小匹配。
在另一实施例中，如图5所示，光源106与光纤105之间通过透镜1042连接，即光源106的光束经透镜1042聚焦后进入光纤进行传输，这种方法可以减小光束的功率损耗。
在一些实施例中，光源与光纤之间或多根光纤之间采用耦合器连接，耦合器可以实现分束等功能。在一个实施例中，由边发射光源与第一光纤连接，第一光纤通过耦合器与第二、三光纤连接，第二与第三光纤发出的光束经光纤投影装置向外发射光束。这种设置的好处在于，采用多个光束取代单个光束可以使得向外发射的光束具有更好的均匀性。
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 (10)

1.一种光纤投影装置，其特征在于，所述光纤投影装置包括：
底座；
光纤，所述光纤安装在所述底座上用于接收、传输光源光束并向外发射第一光束；
光束生成器，所述光束生成器安装在所述底座上用于接收所述光源光束并向外投射出第二光束。
2.如权利要求1所述的光纤投影装置，其特征在于，所述光纤投影装置通过所述光纤与光源连接。
3.如权利要求2所述的光纤投影装置，其特征在于，所述光源为边发射激光器。
4.如权利要求2所述的光纤投影装置，其特征在于，所述光源为垂直腔面激光发射器阵列，所述光纤为由多根光纤组成的光缆，所述光缆中光纤数量与所述垂直腔面激光发射器数量相同。
5.如权利要求4所述的光纤投影装置，其特征在于，所述垂直腔面激光发射器阵列为规则排列，所述光缆中光纤排列为不规则排列。
6.如权利要求2所述的光纤投影装置，其特征在于，所述连接为直接连接或透镜连接，所述透镜为单透镜或微透镜阵列。
7.如权利要求1所述的光纤投影装置，其特征在于，所述光束生成器包括：
镜座，所述镜座安装在所述底座上；
衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在所述镜座上用于接收所述第一光束并向外投射出所述第二光束。
8.如权利要求7所述的光纤投影装置，其特征在于，所述光束生成器还包括透镜，所述透镜安装在所述镜座上用于准直所述第一光束。
9.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光束生成器包括：
镜座，所述镜座安装在所述底座上；
扩散器，所述扩散器安装在所述镜座上用于将所述第一光束扩散后向外投射出所述第二光束。
10.一种采用如权利要求1-9任一所述的光学投影装置的深度相机，所述深度相机用于获取被测目标的深度图像。
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