CN109212773A - 紧凑式散斑投影模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D形貌测量领域。本发明实施例提供一种紧凑式散斑投影模组及深度相机，其中散斑结构光投影模组包括：阵列光源，用于发射对应第一斑点图案的激光光束；全息功能单元，包括至少一片全息光学元件，并用于执行如下功能：将所述激光光束调制为对应第一斑点图案的准直光束，以及调制扩展所述准直光束以形成第二斑点图案，并将所述第二斑点图案投射至待测场景物体上，其中所述全息功能单元中的所述全息光学元件是通过激光干涉曝光加工制作而成的。由此，采用了通过激光干涉曝光加工而成的全息光学元件所组成的单元，无鬼线干扰问题并减少了杂散背景光，实现较佳的光学调制效果的同时还能够保障模组结构的紧凑轻薄。

Description

紧凑式散斑投影模组及深度相机

技术领域

本发明涉及3D形貌测量领域，具体地涉及一种散斑结构光投影模组及3D深度相机。

背景技术

3D形貌测量技术可采集场景中物体的深度坐标信息，为后端开发提供额外的数据处理自由度。随着移动终端器件与智能交互设备的普及，3D测量技术越来越成为新一代人机交互的核心技术，在工业检测、安防零售、体感游戏、移动支付和生物医学等方面都有着广泛的应用前景。

散斑结构光技术是当前广泛采用的3D数据采集方案。它采用编码后随机、伪随机或规则排布的斑点光线簇作为光学探针，投射至空间场景，通过比对斑点位移量，由三角测量原理得到具体的场景深度信息。投影模组将预设的结构光模式投射至实际场景，是散斑结构光深度相机的硬件基础。通常模组包括激光光源、准直透镜和衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)。

随着深度感知技术在移动设备方面的应用愈加广泛，因此对于投影模组与深度相机的体积大小要求越来越高。结构紧凑轻薄的投影模组与深度相机成为领域内的热门研究方向。

在目前相关技术中提出将常规折射准直透镜系统设计成二元衍射透镜的形式(如菲涅尔透镜)，以提高投影模组的整体性。在该散斑发射模组设计中，提出将准直透镜和DOE设计加工为一个整体的衍射元件，从而提高投影模组的整体性。然而，受制于DOE刻蚀加工技术的约束，这种组合式的模组设计虽然理论可行，但加工制作难度高、精细加工成本贵且组装后的衍射成像质量也不好保证，因此在实际的应用中受到诸多限制；此外，菲涅尔透镜的成像质量受到加工台阶的制约，其准直能力存在不足，进而影响后续DOE的衍射调制效果。需说明的是，该目前相关技术也可以是目前正在研发而暂未被公开的技术。

综上可知，在散斑结构光3D形貌测量中，如何设计出结构紧凑轻薄且容易加工制作的散斑投影模组与深度相机成为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种散斑结构光投影模组及3D深度相机，用以解决现有技术中的散斑结构光投影模组中因基于刻蚀工艺的DOE设计所导致的调制效果与结构紧凑轻薄无法兼得的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种散斑结构光投影模组，包括：阵列光源，用于发射对应第一斑点图案的激光光束；全息功能单元，包括至少一片全息光学元件，并用于执行如下功能：将所述激光光束调制为对应第一斑点图案的准直光束，以及调制扩展所述准直光束以形成第二斑点图案，并将所述第二斑点图案投射至待测场景物体上，其中所述全息功能单元中的所述全息光学元件是通过激光干涉曝光加工制作而成的。因此，提供了相应的紧凑式散斑投影模组。

本发明实施例另一方面提供一种3D深度相机，该3D深度相机包括：上述的散斑结构光投影模组；以及红外相机模组，用于采集待测场景物体的场景散斑图像；RGB相机模组，用于采集待测场景物体的场景彩色图像和纹理信息；数据处理器单元，用于执行以下步骤：根据所述场景散斑图像与预先标定保存好的参考平面散斑图像进行匹配比较运算，并得出二者之间对应特征像素点的偏移量；根据所述偏移量推导出实际场景中该对应特征像素点处的深度值信息；基于多个特征像素点的深度值信息构建点云数据，并生成待测场景物体的深度图像；以及利用所述场景彩色图像和所述纹理信息渲染所述深度图像，以输出3D场景图像。因此，提供了相应的应用了紧凑式散斑投影模组的深度相机。

通过上述技术方案，提出了应用由激光干涉曝光加工制作而成的全息光学元件，并由包括该全息光学元件的全息功能单元和阵列光源就能够实现散斑结构光投影模组，相比于现有技术中应用基于刻蚀工艺的DOE设计的散斑结构，本技术方案中的光投影模组能够实现结构紧凑轻薄、加工制作便利且投影光斑质量高的优点。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例的散斑结构光投影模组的结构框图；

图2是本发明第一实施例的散斑结构光投影模组的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的散斑结构光投影模组的结构示意图；

图4是本发明一实施例的3D深度相机的结构框图；

图5是本发明第一实施例的3D深度相机的结构示意图；

图6是本发明第二实施例的3D深度相机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，本发明一实施例的散斑结构光投影模组10，包括：阵列光源11和全息功能单元102，其中阵列光源11用于发射对应第一斑点图案的激光光束；全息功能单元102包括至少一片全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)1021，并且全息功能单元102能够将激光光束调制为对应第一斑点图案的准直光束，以实现准直透镜的功能；另外，其还能够调制扩展准直光束以形成第二斑点图案，并将第二斑点图案投射至待测场景物体上，从而实现复制扩展功能。需说明的是，该全息功能单元中的全息光学元件是通过激光干涉曝光加工制作而成的，相比于目前相关技术中的DOE刻蚀加工技术，全息光学元件的光栅周期和微结构细节较整齐规则，无毛边缺陷，因此使用时不会产生鬼线和伴线，背景杂散光远远小于刻蚀DOE光栅，能够获得较高的投影质量；另外，整个散斑投影模块中可以只包括阵列光源和全息功能单元两个部分，相比于相关技术中必须使用激光光源、准直透镜和DOE三部分的组装，其能够实现更加紧凑和轻薄的结构。优选地，还可以是通过波前补偿技术制作出消像差的HOE，进一步提高模组的投影成像质量。

在一些实施方式中，阵列光源11为VCSEL(垂直腔面激光发射器，Vertical CavitySurface Emitting Lasers)阵列光源，它被排布设计成发光点源阵列，用于提供预设的第一斑点图案12形式的激光光束。其中，VCSEL阵列光源中的发光点可采用二维规则排布或随机排布(图2和3中所给出的是随机排布的形式)，发光点数量为几百甚至上千个，构成预设的第一斑点图案。以及，在选型应用上，光源处的光波长推荐选择940nm或其他传输效率高的波长窗口。

关于本发明实施例中的全息功能单元102，其可以是多片式(例如两片或两片以上)全息光学元件结构，例如图2所示的双片式全息光学元件组合，如图2所示，本发明一实施例的双片式全息光学元件组合，包括：第一片全息光学元件131，用于将所述激光光束调制为对应第一斑点图案的准直光束；以及第二片全息光学元件132，用于调制扩展所述准直光束以形成第二斑点图案，并将所述第二斑点图案投射至待测场景物体上；另一方面，其还可以是单片式全息光学元件结构(如图3所示的133)，其具体可以为兼具透镜和光栅复制扩展功能的复合型全息光学元件。

进而，通过全息功能单元形成不相互重叠且斑点密度分布均匀的第二斑点图案，该第二斑点图案可以是大面阵的散斑探针光线簇15，进而将其投射至待测场景物体14上。

在一些实施方式中，全息功能单元102中的全息光学元件1021为采用与阵列光源11所发出的激光光束的波长相对应的光束经干涉曝光加工制备而成的全息光栅；例如，当投影模组所用的光源采用波长940nm的红外激光器时，相应的HOE也需工作在相应的波长940nm条件下，因此HOE制备时干涉光束的波长也应相同，也就是说在HOE制作时的激光干涉光束的波长与阵列光源11所发出的激光光束的波长相对应。

优选的，全息光学元件根据制备时光束的入射方向不同，可加工成透射式或反射式的全息光栅，例如图2和3给出的是采用透射式HOE设计的投影模组，但可以理解的是，本发明实施例中的模组依然可以采用反射式全息光学元件，并相应地也仅需调整模组的组件位置即可。

在一些实施方式中，本发明实施例还提供了关于图2和3中的全息功能单元的制备方法。

关于图2中的双片式全息光学元件组合，其制备方法可以是：

对第一片全息光学元件131和第二片全息光学元件132分别采用不同的激光干涉曝光方式进行处理。例如，第一片全息光学元件131可以是采用平面波与球面波进行激光干涉曝光加工制作而成，以为第一片全息光学元件配置透镜因子131；并且，在制作第一片全息光学元件131的过程中还应用了波前补偿技术以对激光干涉过程进行像差优化，并生成消像差的第一片全息光学元件，保障行使透镜功能的全息光学元件131的工作质量；以及，还可以是根据投影模组的结构设计，第一片全息光学元件131可采用同轴或者离轴的形式，配合进行优化设计以获得更加紧凑轻薄的模组效果。另外，第二片全息光学元件132为通过两束激光光束(这两束光束在干涉波前均为平行光)经激光干涉曝光加工制作，以为第二片全息光学元件配置光栅结构，一方面可将阵列光源发出的光束调制为准直光束，另一方面又扩展复制第一斑点图案12，形成大面阵的散斑探针光线簇，投影至实际待测场景中。

在一些实施方式中，在制备全息光学元件131的激光干涉的过程中，平面波与球面波进行干涉形成的干涉光场(点源全息场)的光场强度满足以下条件：

其中，I₁为干涉光场强度，i为虚数单位，k₁和k₂分别为平面波与球面波的波矢量，r为光束的坐标系。

由此，所制作的全息光学元件131的焦距可以是与球面波的坐标参数有关，并可通过设定干涉球面波的相关参数控制全息透镜的焦距值。

在一些实施方式中，在制备全息光学元件132的激光干涉的过程中，两束平行波激光光束经干涉所形成的光栅光场强度为：

I₂＝|exp(ik₃·r)+exp(ik₄·r)|²

＝2+2cos[(k₃-k₄)r]

其中，I₂为干涉光场强度，k₃和k₄分别为两束激光光束的波矢量，以及r是光束的坐标系。优选的，全息光学元件132制备所用的感光材料是对阵列光源的波长敏感的光敏材料。

在一些实施方式中，为了使得投射模块在各个衍射级次所获得的散斑之间都能避免相互交叠，在制备方法中还可以是通过控制以定制光栅周期。具体的，可以是先获取能够令对应全息光学元件的多个衍射级次的散斑之间避免相互交叠的目标光栅周期，例如该目标光栅周期应可以是与阵列光源相匹配的能够令所输入的准直光束，输出在各衍射级次的(第二散斑图案)散斑之间避免相互交叠；然后，基于夹角周期模型和目标光栅周期，确定在激光干涉过程中两束干涉光束之间的夹角，其中该夹角周期模型包括干涉光束的夹角和光栅周期之间的关系。

制备HOE的衍射级次位置由光栅方程决定：

式中和分别为横向和竖向的衍射角度，m和n分别为横向和竖向的衍射级次，Δ_x与Δ_y分别为HOE在横向和竖向的光栅周期。为了实现在可探测的深度范围内，HOE在各个衍射级次上所复制的VCSEL斑点图案间应避免相互交叠，故可以是在HOE的加工中需控制干涉光束的夹角θ。

由此，本发明实施例还提出夹角周期模型可以是满足以下条件：

其中，Δ为目标全息光栅周期，λ为激光光束的波长，θ为干涉光束的夹角。由此，第二片全息光学元件的周期Δ可以是通过两束激光光束的夹角θ和激光光束的波长来确定的，也就是通过控制干涉光束之间的夹角θ能够控制光投影模组的全息光栅周期。

关于图3中的单片式全息光学元件结构，兼具透镜和光栅复制扩展功能的复合型全息光学元件133的制备方法可以是通过两次干涉曝光而制成的，两次干涉曝光中的第一次干涉曝光用于为复合型全息光学元件配置透镜因子，以及第二次干涉曝光用于为复合型全息光学元件配置光栅结构。关于第一次干涉曝光的过程，可以是参照上文关于第一片全息光学元件131的激光干涉的处理过程；以及，关于第二次干涉曝光的过程，可以是参照上文关于第二片全息光学元件132的激光干涉的处理过程。另外，以上的HOE制备所用的感光材料为对相应波长敏感的光敏材料。由此，通过两次激光干涉曝光所制作的单片式全息功能单元能够在保障光学质量的同时还能够更加紧凑。

如图4所示，本发明一实施例的3D深度相机40，包括：

散斑结构光投影模组10；以及

红外相机模组24，用于采集待测场景物体的场景散斑图像；

RGB相机模组23，用于采集待测场景物体的场景彩色图像和纹理信息；

数据处理器单元25，用于执行以下步骤：根据场景散斑图像与预先标定保存好的参考平面散斑图像进行匹配比较运算，并得出二者之间对应特征像素点的偏移量；根据偏移量推导出实际场景中该对应特征像素点处的深度值信息；基于多个特征像素点的深度值信息构建点云数据，并生成待测场景物体的深度图像；以及利用场景彩色图像和纹理信息渲染深度图像，以输出3D场景图像。

由此，将红外相机模块24所采集的场景散斑图像与预先标定保存好的参考平面散斑图像进行匹配比较运算，由数据处理单元25分析处理得到二者之间对应特征像素点的偏移量，并根据偏移量推导出实际场景中该物点的深度信息，多个特征像素点的深度值构成点云数据，构成场景物体的深度图像；然后利用RGB相机模块23采集场景的可见光彩色图像以及物体的纹理信息，由此数据处理器单元还用于利用场景彩色图像和纹理信息渲染深度图像，以输出3D场景图像。

优选地，红外相机模块24中可包含仅允许相应波长光线通过的滤光片(如对应VCSEL光源波长的940nm)，以提高采集的场景散斑图像质量。

在本发明实施例中，提供了使用全息功能单元的散斑结构光投影模组与3D深度相机，与现有采用刻蚀技术的衍射光学元件的投影模组相比，能够实现更加紧凑的结构，并还能够保障深度图被获取的质量。此外，全息功能单元的加工制备效率高，容易进行轻薄化结构设计，为基于该投影模组的深度相机提供了更高的设计自由度。关于散斑结构光投影模组10更多的细节和效果，可以参照上文图1-3的实施例的描述，在此便不赘述。

如图5所示，其示出的是采用双片式全息光学元件组合的3D深度相机的结构原理示意图；如图6所示，其示出的是采用单片式全息光学元件结构的3D深度相机的结构原理示意图。由于具有图案复制功能的全息光学元件可工作在离轴模式下，因此在3D深度相机的整体设计中，可以调整投影模组的离轴方向角，使得模组投射的斑点光束偏向红外相机一侧，从而更高效地将投影模组视场角与红外相机视场角重叠起来，进一步提高投影斑点探针的光能利用率。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中所涉及的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种散斑结构光投影模组，包括：

阵列光源，用于发射对应第一斑点图案的激光光束；

全息功能单元，包括至少一片全息光学元件，并用于执行如下功能：

将所述激光光束调制为对应第一斑点图案的准直光束，以及

调制扩展所述准直光束以形成第二斑点图案，并将所述第二斑点图案投射至待测场景物体上，其中所述全息功能单元中的所述全息光学元件是通过激光干涉曝光加工制作而成的。

2.根据权利要求1所述的散斑结构光投影模组，其特征在于，所述全息功能单元为双片式全息光学元件组合，并具体包括：

第一片全息光学元件，用于将所述激光光束调制为对应第一斑点图案的准直光束；以及

第二片全息光学元件，用于调制扩展所述准直光束以形成第二斑点图案，并将所述第二斑点图案投射至待测场景物体上。

3.根据权利要求1所述的散斑结构光投影模组，其中，所述全息功能单元为单片式全息光学元件结构，并具体为兼具准直透镜和光栅复制扩展功能的复合型全息光学元件。

4.根据权利要求2所述的散斑结构光投影模组，其中，所述第一片全息光学元件为采用平面波与球面波进行激光干涉曝光加工制作而成，以为所述第一片全息光学元件配置透镜因子；以及

在制作所述第一片全息光学元件的过程中还应用了波前补偿技术以对激光干涉过程进行像差优化，并生成消像差的所述第一片全息光学元件。

5.根据权利要求4所述的散斑结构光投影模组，其中，所述平面波与球面波进行干涉形成的干涉光场强度满足以下条件：

其中，I₁为干涉光场强度，i为虚数单位，k₁和k₂分别为平面波与球面波的波矢量，r为光束的坐标系。

6.根据权利要求2所述的散斑结构光投影模组，其中，所述第二片全息光学元件为通过两束激光光束经激光干涉曝光加工制作，以为所述第二片全息光学元件配置光栅结构，其中所述两束激光光束干涉波前均为平行光束，以及其干涉形成的干涉光场强度为：

I₂＝|exp(ik₃·r)+exp(ik₄·r)|²

＝2+2cos[(k₃-k₄)r]

其中，I₂为干涉光场强度，k₃和k₄分别为两束激光光束的波矢量，以及r是光束的坐标系。

7.根据权利要求6所述的散斑结构光投影模组，其中，所述第二片全息光学元件的周期Δ是通过控制所述两束激光光束的夹角θ来确定的，其中所述第二片全息光学元件的光栅周期为：

其中，λ为激光光束的波长，以及所述第二片全息光学元件为根据预设投影光点阵列设计成满足相应衍射级次的光栅结构。

8.根据权利要求3所述的散斑结构光投影模组，其中，所述兼具准直透镜和光栅复制扩展功能的复合型全息光学元件是通过两次干涉曝光而制成的，所述两次干涉曝光中第一次干涉曝光用于为所述复合型全息光学元件配置透镜因子，以及第二次干涉曝光用于为所述复合型全息光学元件配置光栅结构。

9.根据权利要求1所述的散斑结构光投影模组，其特征在于，所述全息功能单元中的全息光学元件制作时的激光干涉光束的波长与所述阵列光源所发出的激光光束的波长相对应。

10.一种3D深度相机，该3D深度相机包括：

如权利要求1-9中任一项所述的散斑结构光投影模组；以及

红外相机模组，用于采集待测场景物体的场景散斑图像；

RGB相机模组，用于采集待测场景物体的场景彩色图像和纹理信息；

数据处理器单元，用于执行以下步骤：

根据所述场景散斑图像与预先标定保存好的参考平面散斑图像进行匹配比较运算，并得出二者之间对应特征像素点的偏移量；

根据所述偏移量推导出实际场景中该对应特征像素点处的深度值信息；

基于多个特征像素点的深度值信息构建点云数据，并生成待测场景物体的深度图像；以及利用所述场景彩色图像和所述纹理信息渲染所述深度图像，以输出3D场景图像。