CN109471270A - 一种结构光投射器、深度成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光投射器，包括光源和图案生成器，所述光源出射圆形光斑的光线，所述图案生成器接收所述光源出射的光线，并将所述光线形成的圆形光斑转化为至少一种非圆形光斑后，复制每种非圆形光斑至光斑总数至少为目标光斑数量并以一定投射角度射出，形成非圆形结构光投射图案。该结构光投射器能够投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案。还公开了一种包含该结构光投射器的深度成像装置，该深度成像装置能够提高深度图像的质量和分辨率。

Description

一种结构光投射器、深度成像装置

技术领域

本发明属于电子及光学元器件领域，具体涉及一种结构光投射器，以及一种包含该结构光投射器的深度成像装置。

背景技术

随着消费领域的逐渐升级，3D成像技术被应用于消费领域的需求也日益迫切，3D成像技术除了对目标物体进行成像外还可以获取目标物体的深度信息，根据深度信息可以进一步实现3D人脸识别、虚拟场景建模、人机交互等功能。同时，又要求3D成像设备能够满足低功率、高性能、小型化的要求，以被设置于便于携带的电子终端设备中。

目前，3D成像技术方案中，结构光方案是较为成熟且广泛应用的技术。结构光投射模组是结构光模组的核心组成，用于向空间中投射特定图案，结构光投射模组包括投射光源组件与镜头组件，其中，投射光源组件包括VCSEL(垂直腔面发射激光器)光源阵列，镜头组件包括准直元件与光学衍射元件(DOE)，投射光源组件发出的光线经准直元件准直，以及经光学衍射元件的调制和复制后向投射场范围内投射调制后的特定图案。

一方面，为满足算法匹配，要求最终投向目标物体的结构光图案为均匀、不相关斑点。专利US8384997B2公开了一种通过两个DOE来对由VCSEL光源投射光束进行调制以及光束图案矩阵复制。发明专利申请CN106972347A公开了一种利用半导体衬底表面的VCSEL光源具有极高的不相关性，以实现激光投射模组向外投射具备极高的不相关性的斑点图像。

另一方面，为保证深度图像的质量和精度，要求投射场内投射到物体表面的斑点数量和密度满足高密度、数量足够。发明专利申请CN107589623A公开了一种通过不同的子光源阵列设置，不同的子光源提供不同形状的光斑形状，从而获得高密度、大视场的结构光图案投影。

再者，现有技术中，投射到投射场中的光斑形状受光源本身的制造工艺，大多为圆形光斑。当红外接收端接收圆形光斑时，是通过经反射后得到的两光斑中心的距离与原参考pattern中对应位置的该两点光斑的中心的距离差值来获得深度信息值。而当圆形光斑发生形变时，圆形光斑的光斑中心的位置的确定存在较大的偏差，从而得到的深度信息值精度不够。再者，由于原有的投射的圆形光斑间分布的不相关性，给投射装置的组装过程带来了较大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构光投射器，投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案。

本发明的另一目的是提供一种深度成像装置，该深度成像装置包括一个能够投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案的结构光投射器，使获得的深度信息值更加精确，进而提高深度图像的质量和分辨率。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，一种结构光投射器，包括光源和图案生成器，所述光源出射圆形光斑的光线，所述图案生成器接收所述光源出射的光线，并将所述光线形成的圆形光斑转化为至少一种非圆形光斑后，复制每种非圆形光斑至光斑总数至少为目标光斑数量并以一定投射角度射出，形成非圆形结构光投射图案。

光源是指能够发射圆形光斑光线的光源，一般为激光发射器，受控制器控制出射激光。一般来说，光源可以是圆形子光源(也就是出射圆形光斑的单个激光发射器)均匀阵列分布形成的相关光源，该相关光源能够出射圆形光斑成均匀阵列分布的相关光斑；光源还可以是圆形子光源非均匀分布形成的不相关光源，该不相关光源能够出射圆形光斑成不均匀分布的不相关光斑；当然，光源还可以是至少出射两种形状光斑的光源随机排列而成。这些圆形光斑被投影到目标场景中，由于圆形在各个方向上都是相同的，因此，不能提供场景的方向性。

作为优选，光源为垂直腔面激光发射阵列(VCSEL阵列)，该VCSEL阵列受控制能够出射圆形光斑。

本发明中，图案生成器可以将圆形光斑转化为×形光斑、三角形光斑、条形光斑、菱形光斑、星型光斑等具有棱角形状的非圆形光斑，该些形状的光斑棱角分明，可以将这些容易分辨的棱角或者中心点定义为标记点，这些非圆形光斑投射到目标场景中后，根据标记点在目标场景中的位置，这样就可以为结构光投射器的组装提供方向依据。

本发明中，图案生成器除了实现对光斑形状的改变外，还需要复制光斑图像以达到能够成像用的光斑数量，因此，所述图案生成器可以为光学衍射元件、光栅或者微透镜阵列。有些情况下，单一的图案生成器不能够既能实现对图案的转化，又能实现对光斑的复制，或者复制成的光斑数量不足以实现成像所需，此时，至少需要多个光学元件配合形成一个即可以实现光斑形状转化又能实现光斑复制功能的图案生成器，优选地，所述图案生成器包括至少两个沿光轴依次设置的光学衍射元件。

图案生成器对转化的非圆形光斑进行复制时，一般采用块复制的形式，可以对非圆形光斑进行均匀复制，也可以非均匀复制，这样图案生成器对光斑进行复制时，不仅能够改变光斑的数量，还能够改变光斑的排布方式。

优选地，所述图案生成器将接收的圆形光斑转化为至少一种与所述光源出射光斑数量相等、排布方式相同的非圆形光斑，并将每种非圆形光斑复制后输出。这种情况下，图案生成器对非圆形光斑复制时，不改变光斑的排布方式，举例说明，光源出射的光斑为10×10阵列分布的圆形光斑，则图案生成器将10×10的圆形光斑转化为10×10的条形光斑和10×10的菱形光斑，然后，按照以10×10为单位，将10×10的条形光斑复制成多组10×10的条形光斑，同时可以将10×10的菱形光斑复制成多组10×10的菱形光斑。

优选地，当所述光源出射的光线形成相关光斑时，所述图案生成器将相关光斑转化为至少一种与所述光源出射光斑数量相等、排布方式不相关的非圆形光斑，并将每种非圆形光斑复制后输出。这种情况下，图案生成器对圆形光斑转化时，将分布均匀的圆形光斑直接转化为分布不均匀的非圆形光斑，再对分布不均匀的非圆形光斑按照块进行复制。举例说明，光源出射的光斑为10×10阵列分布的圆形光斑，则图案生成器将10×10的圆形光斑转化为随机分布但数量与圆形光斑数量相等的条形光斑块和菱形光斑块，然后，以块为单位，将条形光斑复制成多组条形光斑块，同时可以将菱形光斑复制成多组菱形光斑块。

优选地，所述结构光投射器还包括置于所述光源和所述图案生成器之间光路上的准直透镜组，所述准直透镜组用于接收所述光源的出射光束，并对接收的光束准直后输出。其中，准直透镜组至少包含一个用于起准直作用的透镜，经过准直透镜准直后，图案生成器能够以垂直于图案生成器平面的角度接收到光源出射的所有光线，实现对出射光斑的高密度复制。

为了更稳定地固定准直透镜组和图案生成器，作为优选，所述结构光投射器还包括用于支撑固定所述准直透镜组和所述图案生成器的支架。

优选地，所述结构光投射器还包括底座，所述底座上安装有电路板，所述光源安装在电路板上，受所述电路板上的控制器控制发光或关闭。

光源工作时，会产生大量的热，热量的积累直接会影响结构光投射器的投射鲜果，因此，所述底座上还安装有散热部件，或所述底座为易散热的底板。

优选地，光源安装在结构光投射器的侧壁上时，所述结构光投射器还包括反射元件，该反射元件被设置用于反射光源出射光束。

为了避免因图案生成器破损导致出射光束伤害工作人员，所述结构光投射器还包括一个光强检测器，所述光强检测器被设置于图案生成器的非出射光路上，用于检测图案生成器出射光强度。

上述结构光投射器利用图案生成器将圆形光斑转化为投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案，该非圆形结构光投射图案在微型结构上，能够提供方向信息，从而为结构光投射器的组装提供方向依据，此外，通过非圆形结构光投射图案以及中心位置相结合，对中心位置的确定更加精确，为计算深度信息提供了更加可信的基础。

另一方面，一种深度成像装置，包括：

上述的结构光投射器，出射非圆形结构光投射图案；

图像采集器，采集所述非圆形结构光投射图案投射到空间目标或场景反射的结构光光束，形成结构光图像；

图像处理器，根据所述结构光图像和所述非圆形结构光投射图案对应的标准图案，计算空间目标或场景的深度图像。

具体地，所述根据所述结构光图像和所述非圆形结构光投射图案，计算空间目标或场景的深度图像包括：

以标准图案中心为基准，确定结构光图像与标准图案的比例关系；根据所述比例关系，计算获得空间目标或场景的深度信息。

标准图案是一个衡量基准，可以根据实际情况定，具体地，所述标准图案的确定方法为：

以非圆形结构光投射图案投影到处于图像采集器的透镜的二倍焦距处的平面上时，平面上的非圆形结构光投射图案作为标准图案；

以非圆形结构光投射图案投影到处于标准距离处的平面上时，平面上的非圆形结构光投射图案作为标准图案。

当非圆形结构光投射图案投影到处于图像采集器的透镜的二倍焦距处的平面上时，图像采集器采集的非圆形结构光投射图案反射的结构光形成的结构光图像是与非圆形结构光投射图案的大小相等的图像，将此时的非圆形结构光投射图案作为标准图像，以此作为基准来计算空间目标或场景的深度信息。

当空间目标或场景处于图像采集器的透镜的2倍焦距外，或2倍焦距内时，投影到空间目标或场景的非圆形结构光投射图案被图像采集器采集后，形成的结构光图像会被放大或缩小，这样可以根据放大或缩小的比例来确定非圆形结构光投射图案到图像采集器的距离，也就是空间目标或场景到图像采集器的距离，即获得空间目标或场景的深度信息。

标准距离是指在图案生成器合格的情况下，图案生成器投射的光束到达人眼时，光强不伤害人眼，此时人眼到图案生成器所在平面也就是图案采集器所在平面的距离为标准距离。标准距离上投影的非圆形结构光投射图案即为标准图案。在具体知道标准距离的情况下，根据所述结构光图像和标准图案即可以计算空间目标或场景的深度图像。

上述深度成像装置利用基于高密度的非圆形结构光投射图案形成的结构光图像，和非圆形结构光投射图案的大小和变形来计算获得更加精确的深度信息，进而提高深度图像的质量和分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例1提供的结构光投射器的结构示意图；

图2是实施例提供的光源出射的光斑图案；

图3是利用图案生成器将图2所示的光斑图案转化成的非圆形结构光投射图案，其中(a)为×型光投射图案，(b)为方形光投射图案，(c)为菱形光投射图案；

图4是利用图案生成器将图2所示的光斑图案转化成的菱形不相关投射图案；

图5是利用图案生成器将图4所示的菱形不相关投射图案复制的一种结果图；

图6是利用图案生成器将图4所示的菱形不相关投射图案复制的另一种结果图；

图7是实施例2提供的结构光投射器的结构示意图；

图8是实施例3提供的结构光投射器的结构示意图；

图9是实施例5提供的深度成像装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而非以任何方式限制本发明的保护范围。在说明书的全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所有列相目中的一个或多个的任何和全部组合。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、步骤、整体、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、步骤、整体、操作、元件、部件和/或它们的组合。

如在说明书中使用的用语“基本上”、“大约”以及类似的用于用作表示近似的用语，而不用作表示程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了获得均匀、高密度的不相关非圆形结构光投射图案，以下实施例提供了结构光投射器。

实施例1

实施例1提供了一种如图1所示的结构光投射器100，包括光源101、图案生成器102，其中，光源101出射光线，形成圆形光斑，图案生成器接收光源101出射光线形成的圆形光斑，并将圆形光斑转化为至少一种非圆形光斑后，复制每种非圆形光斑至光斑总数至少为目标光斑数量并以一定投射角度射出，形成非圆形结构光投射图案。

光源可以是红外光源等，为实现稳定的投射效果、降低功耗以及减少模组尺寸，所述光源101为垂直腔面激光发射阵列(VCSEL阵列)。VCSEL激光器为垂直于衬底射出激光的半导体激光器，通过外加能量激发电子跃迁，依靠上下DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔共振放大，使受激光多次能量反馈而形成激光。发射光束垂直于芯片表面，光斑呈圆形对称分布，能实现二维阵列。

一般情况下，VCSEL阵列都包含多个激光发射器，以二维阵列排布。当VCSEL阵列为多个激光发射器均匀规则分布时，即投射均匀且规则分布的光束，此光束形成的光斑为相关光斑，也就是均匀且规则分布的光斑为相关光斑，这种情况下，光源直接向光路路径上投射相关图案。当VCSEL阵列为多个激光发射器不规则分布时，即投射不规则分布的光束，此光束形成的光斑为不相关光斑，也就是不规则分布的光斑为不相关光斑，这种情况下，光源直接向光路路径上投射不相关图案。

所述图案生成器102可以为光栅、微透镜阵列或光学衍射元件中的一者或至少两者的组合。在光束投射路径上的图案生成器102实现多项功能，不仅能够对光源光束投射的圆形光斑进行形状变换，同时能够将均匀分布的原光斑阵列转换为不规则分布光斑，使分布的单个光斑间互不相关，即实现投射图案的高不相关。另外，为获取更多的详细的深度信息，对投射场内的投射点的个数有要求，单一光源阵列能够提供的光斑数量远远达不到分布要求，因此，图案生成器102还需要对光源阵列进行复制。也就是说图案生成器102可能是单一元件，还可以是多个元件，具体地，图案生成器102包括至少两个沿光轴依次设置的光学衍射元件，通过多个沿光轴依次设置的光学衍射元件的叠加作用来实现光斑形状转化或光斑数量复制。

其中，图案生成器102可以将圆形光斑转化为×形光斑、三角形光斑、条形光斑、菱形光斑、星型光斑等具有棱角形状的非圆形光斑，该些形状的光斑棱角分明，可以将这些容易分辨的棱角或者中心点定义为标记点，这些非圆形光斑投射到目标场景中后，根据标记点在目标场景中的位置，这样就可以为结构光投射器的组装提供方向依据。

一种情况下，所述图案生成器102将接收的圆形光斑转化为至少一种与所述光源101出射光斑数量相等、排布方式相同的非圆形光斑，并将每种非圆形光斑复制后输出。

例如，当光源101出射如图2所示的圆形光斑时，图案生成器102将接收到圆形光斑转化为与圆形光斑数量相等、排布方式相同的X型光斑、方形光斑以及菱形光斑，如图3(a)、3(b)以及3(c)所示。图3(a)～图3(b)所示的转换光斑图案仅是示例，并不局限于上述举例。此时，所述光斑图案形状阵列排布与激光器阵列排布相接近一致。这样就实现了将圆形相关光斑转化为了非圆形相关光斑。

另一种情况下，当所述光源101出射的光线形成相关光斑时，所述图案生成器102将相关光斑转化为至少一种与所述光源101出射光斑数量相等、排布方式不相关的非圆形光斑，并将每种非圆形光斑复制后输出。

再例如，当光源101出射如图2所示的圆形光斑时，图案生成器102将相关光斑调制成如图4所示的X型不相关图案，单个X型图案间的分布已区别于如图2所示的原图案分布，即实现了阵列中图案的不相关性。对如图4所示的X型不相关图案复制后，向投射场内投射一定数量和一定角度的调制图案，如图5所示。

如图6所示，图案生成器102复制成的多块光斑图案之间可以是毗邻、重叠，或者间隔布置。重叠部分间距依据最接近边缘的斑点中心与最接近边缘的距离。比如，对于相邻的两个光斑图案块，在单块光斑图案单边方向上，第一光斑图案块中最接近边缘的斑点A的中心与该斑点A中心最接近边缘a的距离为L1，第二光斑图案块中最接近边缘的斑点B的中心与该斑点中心最接近边缘b的距离为L2，假设L1大于L2，则设置重叠距离L，有L2<＝L<＝L1。

当结构光投射器仅包括光源和图案生成器时，此时图案生成器包括沿光轴依次设置的多个光学衍射元件，多个光学衍射元件同时实现准直，图案调制和扩散复制的功能。

其中，所述结构光投射器100还包括底座103所述底座103上安装有电路板(图1中未标出)，所述光源101安装在电路板上，受所述电路板上的控制器(图1中未标出)控制发光或关闭。

具体地，电路板与光源101之间通过金线连接，或者光源101背部直接焊接到电路板上，以实现光源与电路板的连接，并且在电路板延伸出连接带，连接带另一端设置用于与电子终端(或控制器)相连的连接部件。

由于激光光源工作状态下，会产生大量的热，使结构光投射器甚至终端处于过热环境中，影响投射效果等，因此，所述底座上还安装有散热部件(图1中未标出)，或所述底座为易散热的底板。这样可以及时将光源产生的热量导出。

此外，为了固定图案生成器102，所述结构光投射器100还包括用于支撑固定所述图案生成器102的支架105，如图1所示。

实施例1提供的结构光投射器利用图案生成器将圆形光斑转化为投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案，该非圆形结构光投射图案在微型结构上，能够提供方向信息，从而为结构光投射器的组装提供方向依据，此外，通过非圆形结构光投射图案以及中心位置相结合，对中心位置的确定更加精确，为计算深度信息提供了更加可信的基础。

实施例2

如图7所示，在实施例1提供的结构光投射器的基础上，即结构光投射器包括底座103及底座上的线路板、光源101、图案生成器102。此外，所述结构光投射器100还包括置于所述光源101和所述图案生成器102之间的光路上的准直透镜组104，所述准直透镜组104用于接收所述光源101的出射光束，并对接收的光束准直后输出。

其中，准直透镜组104可以是单透镜，还可以是透镜组合，用于将光源光束变为平行光输出，将光束汇聚以使发射的能量更加集中。透镜与光源的位置与光源阵列的大小相关，透镜与光源的距离，要与光源、透镜本身的大小适配。

为了固定准直透镜组104和图案生成器102，所述结构光投射器100还包括用于支撑固定所述准直透镜组104和所述图案生成器102的支架105。支架105可以是准直透镜组104和图案生成器102共支架，通过不同的结构设计布置准直透镜组104和图案生成器102，也可以设计成分别单独支撑准直透镜组104和图案生成器102的支架，支架结构要与准直透镜组104和图案生成器102的形状相适配，以满足准直透镜组104和图案生成器102与光源位置配合得到的图案分布的要求。

实施例2中，如果光源阵列为规则分布，图案生成器不仅要对原规则分布的光斑进行调制和随机化，将其转换为不相关的图案，还需要将来自准直透镜组的光束进行扩散和复制，以将光斑扩散至需要的投射角度，复制出目标光斑数量。若光源本身被不相关设置，图案生成器将光源圆形光斑转换为其他特殊图案，并实现图案复制和光源扩束。

该结构光投射器的工作原理为，光源(规则或不规则分布的光源阵列)发射相应的光束，该光束经透准直镜组处理后，照射到对应的图案生成器上，经图案生成器的调制以及复制后，向投射场内的目标物体投射非圆形结构光图案。

实施例2提供的结构光投射器利用图案生成器将圆形光斑转化为投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案，该非圆形结构光投射图案在微型结构上，能够提供方向信息，从而为结构光投射器的组装提供方向依据，此外，通过非圆形结构光投射图案以及中心位置相结合，对中心位置的确定更加精确，为计算深度信息提供了更加可信的基础。

实施例3

如图8所示，在实施例2提供的结构光投射器的基础上，即结构光投射器包括底座103及底座上的线路板、光源101、准直透镜组104、图案生成器102、支架105。

本实施例中，光源101安装在结构光投射器的侧壁上时，为了将光源的出射光束折射到准直透镜组104上，结构光投射器还包括反射元件106，该反射元件106被设置用于反射光源出射光束。

其中，反射元件可以为各种类型的棱镜，可以倾斜安装于支架105上，以实现将光源101的发射光束折射到准直透镜组104上。准直透镜组104被设置在光源光线投射路径上，用于对反射后的光线进行准直，图案生成器102被设置于光源光线经准直后的投射路径上，用于图案调制后向外投射特定的调制图案。

该结构光投射器的工作原理为：光源101受控制出射光束，该光束被反射元件106接收后折射会聚到准直透镜组104，准直透镜组104对接收的光束准直校正后出射至图案生成器102，图案生成器102对接收的光束进行图案转化以及复制后，向投射场内的目标物体投射非圆形结构光图案。

实施例3提供的结构光投射器利用图案生成器将圆形光斑转化为投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案，该非圆形结构光投射图案在微型结构上，能够提供方向信息，从而为结构光投射器的组装提供方向依据，此外，通过非圆形结构光投射图案以及中心位置相结合，对中心位置的确定更加精确，为计算深度信息提供了更加可信的基础。

实施例4

在实施例1～3提供的结构光投射器的基础上，所述结构光投射器还包括一个光强检测器，所述光强检测器被设置于图案生成器的非出射光路上，用于检测图案生成器出射光强度，以防止图案生成器破损后继续投射，从而保护人眼安全。

其中，光强检测器主要用于接收图案生成器出射的光束，并检测出射光的强度，可以是市面上销售的任意光强检测器，也可以是仅包含一个感光芯片和与感光芯片连接的微处理器，感光芯片用于接收光束信号，可以是热量，微处理器根据接收的光束信号计算出射光束的光强度。根据检测的光强度，可以避免破损的图案生成器的出射光对人员的伤害。

实施例4提供的结构光投射器利用图案生成器将圆形光斑转化为投射均匀、不相关且高密度的非圆形结构光投射图案，该非圆形结构光投射图案在微型结构上，相对于圆形投射图案，能够提供方向信息，从而为投射装置的组装提供依据，此外，通过非圆形结构光投射图案以及中心位置相结合，对中心位置的确定更加精确，为计算深度信息提供了更加可信的基础。

实施例5

本实施例提供了一种深度成像装置，如图9所示，具体包括实施例1～4提供的结构光投射器901、图像采集器902、线路板903以及图像处理器904，在一些深度成像装置中，还配置了RGB相机905。其中，结构光投射器901、图像采集器902以及RGB相机905一般被安装在同一个平面上，结构光投射器901、图像采集器902以及RGB相机905都对应一个进光/出光窗口，且通信连接在线路板901上，图像处理器904被集成到线路板901上，并与结构光投射器901、图像采集器902通信。

工作时，结构光投射器901出射非圆形结构光投射图案至空间目标或场景上，图像采集器902采集非圆形结构光投射图案投射到空间目标或场景反射的结构光光束，形成结构光图像；图像处理器904根据所述结构光图像和结构光投射器901中出射的非圆形结构光投射图案对应的标准图案，计算空间目标或场景的深度图像。

具体地，结构光投射器901可以向外投射红外激光散斑图案。图像采集器902可以由光学镜片、红外滤光片和CMOS传感器组成，用于接收红外激光散斑图案反射后的红外光，根据该红外光获得目标物体的深度信息，用于三维成像或三维交互等。

现有技术中，图像采集器在对光斑识别时，通过经反射后得到的两光斑中心的距离与原参考图案中对应位置的该两点光斑的中心的距离来获得深度信息值。本实施例中，深度成像装置利用基于高密度的非圆形结构光投射图案形成的结构光图像，和结构光投射器出射的非圆形结构光投射图案的大小和变形来计算获得更加精确的深度信息。

具体地，以标准图案中心为基准，确定结构光图像与标准图案的比例关系；根据所述比例关系，计算获得空间目标或场景的深度信息。

标准图案作为计算深度信息的基础，可以根据实际情况而定，在此不受限制。具体地，可以以非圆形结构光投射图案投影到处于图像采集器的透镜的二倍焦距处的平面上时，平面上的非圆形结构光投射图案作为标准图案。

当非圆形结构光投射图案投影到处于图像采集器的透镜的二倍焦距处的平面上时，图像采集器采集的非圆形结构光投射图案反射的结构光形成的结构光图像是与非圆形结构光投射图案的大小相等的图像，将此时的非圆形结构光投射图案作为标准图像，以此作为基准来计算空间目标或场景的深度信息。

当空间目标或场景处于图像采集器的透镜的2倍焦距外，或2倍焦距内时，投影到空间目标或场景的非圆形结构光投射图案被图像采集器采集后，形成的结构光图像会被放大或缩小，这样可以根据放大或缩小的比例来确定非圆形结构光投射图案到图像采集器的距离，也就是空间目标或场景到图像采集器的距离，即获得空间目标或场景的深度信息。

除此之前，还可以以非圆形结构光投射图案投影到处于标准距离处的平面上时，平面上的非圆形结构光投射图案作为标准图案。在具体知道标准距离的情况下，根据所述结构光图像和标准图案即可以计算空间目标或场景的深度图像。

例如，想要计算场景上某一点A的深度信息，首先，从结构光图像中找到与点A对应的点A’，并在标准图案中找到与点A’对应的点A”，则点A’、结构光图像中心点以及结构光图像中心点到图像采集器所在平面的距离会构成一个三角形，点A”、标准图案中心点以及标准图案中心点到图像采集器所在平面的距离会构成另一三角形，在知道点A”到图像采集器所在平面的距离(可是图像采集器中透镜的两倍焦距，还可以是标准距离)的情况下，根据利用两个三角形的相对比例，来确定点A’到图像采集器的距离即获得场景中点A的深度信息。

应当理解的是，上述构建三角形来确定场景的深度信息，仅仅是一个示例性的例子，当然还可以构建其他的形状，根据形状的比例关系来获得场景的深度信息，在此不受限制。

实施例5提供的深度成像装置利用基于高密度的非圆形结构光投射图案形成的结构光图像，和非圆形结构光投射图案的大小和变形来计算获得更加精确的深度信息，进而提高深度图像的质量和分辨率。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种结构光投射器，包括光源和图案生成器，所述光源出射圆形光斑的光线，其特征在于，

所述图案生成器接收所述光源出射的光线，并将所述光线形成的圆形光斑转化为至少一种非圆形光斑后，复制每种非圆形光斑至光斑总数至少为目标光斑数量并以一定投射角度射出，形成非圆形结构光投射图案。

2.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述图案生成器包括至少两个沿光轴依次设置的光学衍射元件。

3.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述图案生成器将接收的圆形光斑转化为至少一种与所述光源出射光斑数量相等、排布方式相同的非圆形光斑，并将每种非圆形光斑复制后输出。

4.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，当所述光源出射的光线形成相关光斑时，所述图案生成器将相关光斑转化为至少一种与所述光源出射光斑数量相等、排布方式不相关的非圆形光斑，并将每种非圆形光斑复制后输出。

5.如权利要求1～4任一项所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括置于所述光源和所述图案生成器之间光路上的准直透镜组，所述准直透镜组用于接收所述光源的出射光束，并对接收的光束准直后输出。

6.如权利要求5所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括用于支撑固定所述准直透镜组和所述图案生成器的支架。

7.如权利要求1～4任一项所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源为垂直腔面激光发射阵列。

8.如权利要求1或7所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括底座，所述底座上安装有电路板，所述光源安装在电路板上，受所述电路板上的控制器控制发光或关闭。

9.如权利要求8所述的结构光投射器，其特征在于，所述底座上还安装有散热部件，或所述底座为易散热的底板。

10.如权利要求1或9所述的结构光投射器，其特征在于，光源安装在结构光投射器的侧壁上时，所述结构光投射器还包括反射元件，该反射元件被设置用于反射光源出射光束。

11.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光投射器还包括一个光强检测器，所述光强检测器被设置于图案生成器的非出射光路上，用于检测图案生成器出射光强度。

12.一种深度成像装置，其特征在于，包括：

如权利要求1～11任一项所述的结构光投射器，出射非圆形结构光投射图案；

图像采集器，采集所述非圆形结构光投射图案投射到空间目标或场景反射的结构光光束，形成结构光图像；

图像处理器，根据所述结构光图像和所述非圆形结构光投射图案对应的标准图案，计算空间目标或场景的深度图像。

13.如权利要求12所述的深度成像装置，其特征在于，所述根据所述结构光图像和所述非圆形结构光投射图案对应的标准图案，计算空间目标或场景的深度图像包括：

以标准图案中心为基准，确定结构光图像与标准图案的比例关系；根据所述比例关系，计算获得空间目标或场景的深度信息。

14.如权利要求12或13所述的深度成像装置，其特征在于，所述标准图案的确定方法为：

以非圆形结构光投射图案投影到处于图像采集器的透镜的二倍焦距处的平面上时，平面上的非圆形结构光投射图案作为标准图案。

15.如权利要求12或13所述的深度成像装置，其特征在于，所述标准图案的确定方法为：

以非圆形结构光投射图案投影到处于标准距离处的平面上时，平面上的非圆形结构光投射图案作为标准图案。