CN108828786A - 一种3d摄像头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D摄像头，其其包括结构光投影仪、红外摄像头、RGB摄像头和扩散器；扩散器设于结构光投影仪的出光侧，扩散器包括两层透明电极以及夹设于两层透明电极之间的扩散膜，扩散膜的材质为液晶/聚合物复合材料；扩散器在加电压的状态下呈透明模式，结构光投影仪能够透过扩散器向目标物体发出随机点阵光，扩散器在不加电压的状态下呈扩散模式，结构光投影仪能够通过扩散器向目标物体发出均匀光；RGB摄像头用于在明亮环境中捕捉目标物体表面的2D图像；红外摄像头用于根据目标物体表面的随机点阵光生成深度图像，并在黑暗环境中在均匀光下捕捉目标物体表面的2D图像。该3D摄像头能够有效降低成本并实现小型化。

Description

一种3D摄像头

技术领域

本发明涉及深度传感设备技术领域，具体涉及一种3D摄像头。

背景技术

近年来，随着消费电子产业的不断发展，具有深度传感功能的3D摄像头日渐受到消费电子界的重视。目前比较成熟的深度测量方法是结构光方案，即将特定的结构光图案投影在物体上，然后通过图案的形变或位移计算物体不同位置的深度。

由于在黑暗环境中也需要形成红外2D图像，一般3D摄像头都需要额外配置一个红外泛光照明器，照亮黑暗中的物体，同时用红外摄像头记录红外2D图像。红外泛光照明器一般是由一个或多个红外激光器以及扩散膜组成，红外泛光照明器的设置不仅增加了整个3D摄像头的成本以及功耗，不利于3D摄像头的小型化。

因此，如何降低3D摄像头的成本并实现小型化，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D摄像头，能够有效降低成本并实现小型化。

为解决上述技术问题，本发明提供一种3D摄像头，其包括结构光投影仪、红外摄像头、RGB摄像头和扩散器；所述扩散器设于所述结构光投影仪的出光侧，所述扩散器包括两层透明电极以及夹设于两层所述透明电极之间的扩散膜，所述扩散膜的材质为液晶/聚合物复合材料；所述扩散器在加电压的状态下呈透明模式，所述结构光投影仪能够透过所述扩散器向目标物体发出随机点阵光，所述扩散器在不加电压的状态下呈扩散模式，所述结构光投影仪能够通过所述扩散器向所述目标物体发出均匀光；所述RGB摄像头用于在明亮环境中捕捉所述目标物体表面的2D图像；所述红外摄像头用于根据目标物体表面的所述随机点阵光生成深度图像，并在黑暗环境中在所述均匀光下捕捉所述目标物体表面的2D图像。

将液晶/聚合物复合材料的扩散膜置于两层透明电极之间，便可通过对扩散膜施加电压来改变这一层液晶/聚合物复合材料的光学特性。当对扩散器加电压时，液晶的方向沿着电场方向，扩散膜处于透明模式，其等效于一层透明材料，从而使结构光顺利通过液晶层而没有散射，结构光没有任何改变。当扩散器不加电压时，液晶的方向随机分布，扩散膜处于扩散模式，结构光通过液晶层时被散射，从而等效于将入射光扩散成均匀分布的光照(即上述均匀光)输出。

具体的，通过该3D摄像头对目标物体的深度进行测量时，扩散器在加电压的情况下，扩散膜处于透明模式，结构光投影仪可直接透过该扩散器向在目标物体的表面发出随机点阵光，红外摄像头测量目标物体的表面的光照分布情况，并结合随机点阵光所具有的特定分布情况生成目标物体的深度图像；而对于目标物体表面的2D图像的捕捉分为两种情况，第一种情况是在明亮环境中，通过RGB摄像头可捕捉目标物体表面的2D图像，第二种情况是在黑暗环境中，扩散器在不加电压的情况下，扩散膜处于扩散模式，结构光投影仪所发出的随机点阵光通过该扩散器被散射为照射在目标物体表面的均匀光，此时，结构光投影仪的均匀光仅发挥照明作用，在均匀光的照明下，通过红外摄像头可捕捉目标物体表面的2D图像；最后，根据目标物体表面的深度图像以及2D图像即可生成该目标物体的3D图像。

通过电学控制扩散器是否加压来选择扩散膜处于透明模式或扩散模式，该扩散器的设置对深度图像的采集没有影响，并且，在采集目标物体表面的2D图像时，该扩散器还能够使得结构光投影仪发挥照明作用，无需另外设置照明部件(如红外泛光照明器等)，也就是说，通过该扩散器的设置，使得结构光投影仪不仅能够向目标物体发出随机点阵光，同时还兼具照明的功能，可简化该3D摄像头的整体结构并利于3D摄像头的小型化。同时由于扩散膜和透明电极的厚度较薄，体积较小，易于集成于结构光投影仪的出光侧，本实施例中对于结构光投影仪和扩散器之间的连接不做限制，如可以通过胶接或者其他机械部件的卡接等实现二者之间的位置的固定均可。

可选地，所述透明电极为ITO薄膜。

可选地，所述扩散器还包括两层玻璃层，两层所述玻璃层分别设于两层所述透明电极的外侧。

可选地，所述结构光投影仪包括随机点阵光源和设于所述随机点阵光源的出光侧的多个光栅透镜，各所述光栅透镜与所述随机点阵光源的各出光点一一对应；所述光栅透镜包括衬底和多个间隔设于所述衬底的表面的光栅条，所述光栅条的折射率大于所述衬底的折射率；

所述光栅条为直条状结构时，各所述光栅条的位置及相位均满足公式(Ⅰ)：

其中，x是所述光栅条的位置，f是焦距，λ是波长，φ(x)是所述光栅条的相位，φ_max是所述光栅条的最大相位变化；

所述光栅条为环状结构时，各所述光栅条的位置及相位均满足公式(Ⅱ)：

其中，r是所述光栅条的半径，φ(r)是所述光栅条的相位，φ_max是所述光栅条的最大相位变化，r_max是所述光栅条的最大半径。

可选地，所述光栅条为直条状结构时，各所述光栅条的位置及相位均满足公式(III)：

其中，x、y是所述光栅条的位置且x所在方向与y所在方向垂直，f是焦距，λ是波长，φ(x，y)是所述光栅条的相位，φ_max是所述光栅条的最大相位变化。

可选地，所述衬底相对的两侧端面分别设有一层所述光栅条，且两层所述光栅条的焦距之和与所述衬底的厚度相同。

附图说明

图1是本发明实施例的3D摄像头的扩散器的结构示意图；

图2是图1中扩散器在扩散模式下的结构示意图；

图3是图1中扩散器在透明模式下的结构示意图；

图4是图1中结构光投影仪的结构示意图；

图5是图4中光栅条为直条状结构时各光栅条第一种设置示意图；

图6是图5中各光栅条所对应的相位分布图；

图7是图4中光栅条为直条状结构时各光栅条第二种设置示意图；

图8是图4中设有两层光栅条的光栅透镜的结构示意图；

图9是图4中光栅条为环状结构时的光栅透镜的结构示意图。

附图1-9中，附图标记说明如下：

1-结构光投影仪，11-随机点阵光源；12-光栅透镜，121-光栅条，122-第一层光栅条，123-第二层光栅条；124-基体；13-入射光束；14-出射光束；

2-扩散器，21-扩散膜，22-透明电极，23-玻璃层。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-3，图1是本发明实施例的3D摄像头的扩散器的结构示意图；图2是图1中扩散器在扩散模式下的结构示意图；图3是图1中扩散器在透明模式下的结构示意图。

本发明实施例提供了一种3D摄像头，其包括结构光投影仪1、红外摄像头、RGB摄像头和扩散器2，其中，如图1所示，该扩散器2包括两层透明电极22以及夹设于两层透明电极22之间的扩散膜21，且该扩散膜21的材质为液晶/聚合物复合材料。扩散器2设于结构光投影仪1的出光侧，在加压状态下该扩散膜21处于透明模式，该扩散器2对结构光投影仪1的出光不影响，此时，结构光投影仪1能够透过扩散器2向目标物体发出随机点阵光，而在不加压的状态下该扩散膜21处于扩散模式，结构光投影仪1能够通过扩散器2向目标物体发出均匀光；RGB摄像头用于在明亮环境中捕捉目标物体表面的2D图像；红外摄像头用于根据目标物体表面的随机点阵光生成深度图像，并且，在黑暗环境中，该红外摄像头能够在均匀光的作用下捕捉目标物体表面的2D图像。

向列型液晶是杆状分子，由于其各向异性的分子结构而呈现光学和介电各向异性，液晶/聚合物复合材料由液晶和聚合物组成，根据单体浓度的不同，液晶/聚合物复合材料可分为三大类：聚合物分散液晶，聚合物稳定液晶和聚合物网络液晶，其中，聚合物分散液晶由较高百分比的单体(>20wt％)组成，而聚合物稳定液晶由较低百分比的单体(<10wt％)组成，聚合物网络液晶由中等百分比的单体(10wt％～20wt％)组成。由于聚合物网络的锚定效应，聚合物分散液晶，聚合物稳定液晶和聚合物网络液晶与纯向列型液晶相比提供了相对较快的响应时间，提供了更大的灵活性和更丰富的功能。

将液晶/聚合物复合材料的扩散膜21置于两层透明电极22之间，便可通过对扩散膜21施加电压来改变这一层液晶/聚合物复合材料的光学特性。当对扩散器2加电压时，液晶的方向沿着电场方向，扩散膜21处于透明模式(如图3所示)，其等效于一层透明材料，从而使结构光顺利通过液晶层而没有散射，结构光没有任何改变。当扩散器2不加电压时，液晶的方向随机分布，扩散膜21处于扩散模式(如图2所示)，结构光通过液晶层时被散射，从而等效于将入射光扩散成均匀分布的光照(即上述均匀光)输出。

具体的，通过该3D摄像头对目标物体的深度进行测量时，扩散器2在加电压的情况下，扩散膜21处于透明模式，结构光投影仪1可直接透过该扩散器2向在目标物体的表面发出随机点阵光，红外摄像头测量目标物体的表面的光照分布情况，并结合随机点阵光所具有的特定分布情况生成目标物体的深度图像；而对于目标物体表面的2D图像的捕捉分为两种情况，第一种情况是在明亮环境中，通过RGB摄像头可捕捉目标物体表面的2D图像，第二种情况是在黑暗环境中，扩散器2在不加电压的情况下，如图2所示，扩散膜21处于扩散模式，结构光投影仪1所发出的随机点阵光通过该扩散器2被散射为照射在目标物体表面的均匀光，此时，结构光投影仪1的均匀光仅发挥照明作用，在均匀光的照明下，通过红外摄像头可捕捉目标物体表面的2D图像；最后，根据目标物体表面的深度图像以及2D图像即可生成该目标物体的3D图像。

通过电学控制扩散器2是否加压来选择扩散膜21处于透明模式或扩散模式，该扩散器2的设置对深度图像的采集没有影响，并且，在采集目标物体表面的2D图像时，该扩散器2还能够使得结构光投影仪1发挥照明作用，无需另外设置照明部件(如红外泛光照明器等)，也就是说，通过该扩散器2的设置，使得结构光投影仪1不仅能够向目标物体发出随机点阵光，同时还兼具照明的功能，可简化该3D摄像头的整体结构并利于3D摄像头的小型化。同时由于扩散膜21和透明电极22的厚度较薄，体积较小，易于集成于结构光投影仪1的出光侧，本实施例中对于结构光投影仪1和扩散器2之间的连接不做限制，如可以通过胶接或者其他机械部件的卡接等实现二者之间的位置的固定均可。

在上述实施例中，透明电极22为ITO薄膜，ITO薄膜为铟锡氧化物半导体透明导电膜，其透明性和导电性良好，在满足相同导电性的前提下可减小扩散器2的厚度，进而简化整体结构，有利于该3D摄像头的小型化。当然，在本实施例中，该透明电极22还可以选用其它材质，如石墨烯等，在此不做限制。

在上述实施例中，扩散器2还包括两层玻璃层23，两层玻璃层23分别设于两层透明电极22的外侧，由于扩散膜21和透明电极22的厚度较薄，因此，两层透明的玻璃层23的设置能够保证该扩散器2的整体结构强度，便于安装。

请参考图4-9，图4是图1中结构光投影仪的结构示意图；图5是图4中光栅条为直条状结构时各光栅条第一种设置示意图；图6是图5中各光栅条所对应的相位分布图；图7是图4中光栅条为直条状结构时各光栅条第二种设置示意图；图8是图4中设有两层光栅条的光栅透镜的结构示意图；图9是图4中光栅条为环状结构时的光栅透镜的结构示意图。

如图4所示，本实施例所提供的3D摄像头中的结构光投影仪1包括随机点阵光源11和多个光栅透镜12，其中，随机点阵光源11用于发射随机点阵光，光栅透镜12设于随机点阵光源11的出光侧，并且随机点阵光源11的每一个出光点都与一个光栅透镜1对应。该光栅透镜12包括衬底124和多个间隔设于衬底124的表面的光栅条121，光栅条121的折射率大于衬底124的折射率。

具体的，光栅条121的具体结构分两种，第一种是光栅条121为直条状结构，此时，各光栅条121的位置及相位均满足下述公式(Ⅰ)；

其中，x是光栅条121的位置，f是焦距，λ是波长，φ(x)是光栅条121的相位，φ_max是光栅条121的最大相位变化；

第二种是光栅条121为环状结构，此时，各光栅条121的位置及相位均满足下述公式(Ⅱ)：

其中，r是光栅条121的半径，φ(r)是光栅条121的相位，φ_max是光栅条121的最大相位变化，r_max是光栅条121的最大半径。

以下对于第一种，光栅条121为直条状结构时进行展开说明。

基于几何光学，上述公式(Ⅰ)的相位分布是聚焦单元的理想相位分布，各光栅条121的相位与其宽度、位置和厚度有关，而各光栅条121的厚度一致，因此，将各光栅条121根据上述公式(Ⅰ)设置所获得的光栅透镜12，等同于将一个离散的相位分布来近似理想相位分布。即将多个厚度相同但宽度不同的光栅条121按照上述公式(Ⅰ)中相位与位置的关系间隔设置，形成一个聚焦单元，将其放置于随机点阵光源11的出光侧，能够聚焦光束。

相位大，则数值孔径(NA)大，透镜的聚焦能力强。对于传统的玻璃透镜来说，大相位需要更大的厚度和弧度，实现较为困难。而本实施例中的光栅透镜12中，光栅条121的相位φ(x)的大小可通过改变该光栅条121的宽度来实现，较为容易。

具体的，光栅条121的设置如图5所示，相应的各位置的光栅条121的相位如图6所示。各光栅条121的厚度相同(均为t)、宽度不同，并由中间向外设置，其中，中间位置的光栅条121的相位为φ(0)，在位置x₁处的光栅条121的相位为φ(x₁)，其中，φ(x₁)和x₁符合上述公式(Ⅰ)中的对应关系；相应的，在位置x_-1处的光栅条121与位置x₁处的光栅条121对称，宽度相同、相位相同；在位置x₂处的光栅条121的相位为φ(x₂)，其中，φ(x₂)和x₂符合上述公式(Ⅰ)中的对应关系；相应的，在位置x_-2处的光栅条121与位置x₂处的光栅条121对称，宽度相同、相位相同；对于位于其它位置的光栅条121的设置与上述位于x₁处和x₂的光栅条121类似，在此不再赘述。

光栅条121可通过改变其宽度来实现其相位的改变，由于当φ(x)大于2π或者小于0时，光栅条121的相位可以被映射到0～2π之间等效的一个值，因此，对于所在位置对应的相位较小的光栅条121来说，可将该光栅条121的宽度增大使其相位映射至0～2π之间其所需相位值(如图6中相位分布呈锯齿状，每一个锯齿对应了一个0～2π区间)即可，如图5所示，光栅条121的宽度由中间向两侧先减小后增大，即无需因相位的变化设置特宽或特窄的光栅条121，可保证光栅条121的宽度在一定的范围内变化，以简化光栅条121的制作工艺。

在上述实施例中，直条状结构的光栅条121的位置及相位关系还满足公式(III)：

其中，x、y是光栅条121的位置且x所在方向与y所在方向垂直，f是焦距，λ是波长，φ(x，y)是所述光栅条121的相位，φ_max是所述光栅条121的最大相位变化。

此时，光栅条121的相位与x所在方向的位置和y所在方向的位置的关系，即公式(III)示出了二维状态下的光栅条121的设置情况。具体的，x所在方向(与光栅条121的轴线垂直的方向)上各光栅条121的相位与位置关系仍满足公式(Ⅰ)，而y所在方向(与光栅条121的轴线平行的方向)上的位置分布则通过改变各光栅条121沿y方向的各位置的宽度实现，即各光栅条121沿其长度方向上的宽度并不是不变的(如图7所示)，此种设置下，该光栅透镜12能够从相互垂直的两个方向缩小光点的大小，进而实现其聚焦功能。

另外，本实施例中，对于该光栅透镜12的具体形状可以如图7所示，与光点的形状一致的圆盘形结构，也可以做成方形结构，在此不做具体限制。

厚度较小的光栅透镜12即可实现聚焦功能，如将该光栅透镜12中距离最远的两个光栅条121之间的距离设为10μm、厚度3μm，通过高斯光束入射的三维时域有限差分法(FDTD)仿真结果为入射光束1的光腰半径是3.5μm，通过光栅透镜12聚焦后，光腰半径为0.89μm，即出射光束14相较于入射光束13中心光强增大了12倍。较薄的光栅透镜12易于单片集成于随机点阵光源11，从而使得该结构光投影仪1的整体结构更易于小型化、集成化。

在上述实施例中，衬底124相对的两侧端面分别设有一层光栅条121，也就是说，一共有两层光栅条121，分别设于衬底124的相对的两侧端面，该两层光栅条121位置和相位的设置分别满足上述公式(III)，并且两层光栅条121的焦距之和与衬底124的厚度相同。具体的，如图8所示，第一层光栅条122的焦距为f₁，第二层光栅条123的焦距为f₂，衬底124的厚度为d，当f₁+f₂＝d时，入射光束13依次经过第一层光栅条122和第二层光栅条123后即可实现出射光束14被准直，使得出射光束14的半径变小，该光束半径缩小的倍数为

由于光栅透镜12的厚度很小，而且通过设计较高NA的光栅透镜12，焦距f₁和f₂可以设计得很小，因而使得衬底124的厚度d也很小。这样，我们就可以得到整体厚度非常小的准直器，从而实现结构光投影仪1的小型化和集成化。

以下对于第二种，光栅条121为环状结构(如图9所示)时进行展开说明。

理想贝塞尔光束没有任何衍射，不管传播多远光束大小不会变化。但是，由于理想贝塞尔光束的能量是无限的，所以在实际应用中不可能实现理想贝塞尔光束。贝塞尔高斯光束近似于贝塞尔光束，光束大小随着传播的变化远远小于普通的高斯光束。现有技术中，可通过锥透镜将入射光束13转换为贝塞尔高斯光束。

本实施例中，根据上述公式(Ⅱ)，将各光栅条121设为同轴设置的环状结构，此时，当入射光束13经过光栅透镜12后，入射光束13被准直变成贝塞尔高斯光束，因而光束大小随着传播的变化远远小于普通的高斯光束。这种特性对于中远距离的随机点阵光准直非常有利。

本实施例中，各光栅条121的厚度一致且较薄，即光栅透镜12为一个二维结构，该光栅透镜12的厚度远远小于锥透镜的厚度，便于集成于随机点阵光源11且易于实现微型化。

也就是说，本发明实施例中，对于非周期性光栅透镜12来说，各光栅条121的厚度一致，而不同光栅条121有不同的宽度和空隙宽度。具体的，光栅条121可以是直条状结构，如图5所示，各光栅条121并列间隔设置，此时，该光栅透镜12可用于聚焦入射光束13(仅设有一层光栅条121)，也可用于准直入射光束13(设有两层光栅条121)；光栅条121也可以是环状结构，此时，该光栅透镜12可用于将入射光束13被准直变成贝塞尔高斯光束。具体可根据需要进行设置。

另外，本实施例中的光栅透镜12可通过常用的光刻技术制成，制作简单、成本低，并且，由于随机点阵光源11内部具有光刻结构，其与出光点的位置相对应，组装时，将光栅透镜12的光刻标记与随机点阵光源11的光刻结构对准，即可完成对准操作，操作较为简单。

当然，在本实施例中，结构光投影仪1也可以由随机点阵光源11和玻璃透镜组成，在此不做具体要求。

在上述实施例中，可以将随机点阵光源11设置为包括激光器和衍射光学器件的结构，还可以将随机点阵光源11设置为多个随机分布的激光器，在此均不做具体限制，只要能使得该随机点阵光源11发射出随机点阵光即可。

在上述实施例中，光栅条121的折射率和衬底124的折射率的差值不小于1，此种设置相对于二者的折射率差值小于1的情况来说，在具有相同的焦距的情况下可进一步缩小该光栅透镜12的厚度，利于实现整体结构更易于小型化、集成化。

在上述实施例中，将光栅条121的材质设为硅，衬底124的材质可以设为二氧化硅或氮化硅均可，在此不做限制，如还可以将光栅条121的材质设为氮化硅，衬底124的材质设为二氧化硅等。只要能够保证光栅条121的折射率大于衬底124的折射率以实现光束的汇聚，并且二者不会对光束的传播造成阻碍即可。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种3D摄像头，其特征在于，包括结构光投影仪(1)、红外摄像头、RGB摄像头和扩散器(2)；

所述扩散器(2)包括两层透明电极(22)以及夹设于两层所述透明电极(22)之间的扩散膜(21)，所述扩散膜(21)的材质为液晶/聚合物复合材料；

所述扩散器(2)设于所述结构光投影仪(1)的出光侧，在加电压的状态下所述扩散膜(21)呈透明模式，所述结构光投影仪(1)能够透过所述扩散器(2)向目标物体发出随机点阵光；在不加电压的状态下，所述扩散膜(21)呈扩散模式，所述结构光投影仪(1)能够通过所述扩散器(2)向所述目标物体发出均匀光；

所述RGB摄像头用于在明亮环境中捕捉所述目标物体表面的2D图像；

所述红外摄像头用于根据目标物体表面的所述随机点阵光生成深度图像，并在黑暗环境中在所述均匀光下捕捉所述目标物体表面的2D图像。

2.根据权利要求1所述的3D摄像头，其特征在于，所述透明电极(22)为ITO薄膜。

3.根据权利要求2所述的3D摄像头，其特征在于，所述扩散器(2)还包括两层玻璃层(23)，两层所述玻璃层(23)分别设于两层所述透明电极(22)的外侧。

4.根据权利要求1-3任一项所述的3D摄像头，其特征在于，所述结构光投影仪包括随机点阵光源(11)和设于所述随机点阵光源(11)的出光侧的多个光栅透镜(12)，各所述光栅透镜(12)与所述随机点阵光源(11)的各出光点一一对应；

所述光栅透镜(12)包括衬底(124)和多个间隔设于所述衬底(124)的表面的光栅条(121)，所述光栅条(121)的折射率大于所述衬底(124)的折射率；

所述光栅条(121)为直条状结构时，各所述光栅条(121)的位置及相位均满足公式(Ⅰ)：

其中，x是所述光栅条(121)的位置，f是焦距，λ是波长，φ(x)是所述光栅条(121)的相位，φ_max是所述光栅条(121)的最大相位变化；

所述光栅条(121)为环状结构时，各所述光栅条(121)的位置及相位均满足公式(Ⅱ)：

其中，r是所述光栅条(121)的半径，φ(r)是所述光栅条(121)的相位，φ_max是所述光栅条(121)的最大相位变化，r_max是所述光栅条(121)的最大半径。

5.根据权利要求4所述的3D摄像头，其特征在于，所述光栅条(121)为直条状结构时，各所述光栅条(121)的位置及相位均满足公式(III)：

其中，x、y是所述光栅条(121)的位置且x所在方向与y所在方向垂直，f是焦距，λ是波长，φ(x，y)是所述光栅条(121)的相位，φ_max是所述光栅条(121)的最大相位变化。

6.根据权利要求5所述的3D摄像头，其特征在于，所述衬底(124)相对的两侧端面分别设有一层所述光栅条(121)，且两层所述光栅条(121)的焦距之和与所述衬底(124)的厚度相同。