CN109491189A - 一种斑点投影模组 - Google Patents

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Abstract

一种斑点投影模组，包括激光光源、准直透镜、复振幅调制单元和投影透镜，激光光源发出的光束，经过准直透镜形成准直光束，准直光束经过复振幅调制单元对目标波前的振幅和/或位相信息进行调制，然后经过所述投影透镜投影至实际待测场景以获得预设的斑点图案模式，所述复振幅调制单元为级联调制单元，双相位式复振幅调制单元，或者双振幅式复振幅调制单元。本发明的斑点投影模组，根据复振幅调制技术调制输出目标图案波前，投影至待测场景中。与采用常规纯位相衍射光学元件的模组相比，由于能够同时控制投影光斑的振幅与位相信息，因此本发明提出的斑点投影模组产生的斑点图案杂散光少、信噪比高，从而提高三维深度相机测量的精确度与鲁棒性。

Description

一种斑点投影模组
技术领域
本发明涉及三维深度感知领域，具体为提供一种斑点投影模组，该模组能够形成预设散斑点阵投影，进而为深度相机提供编码光斑的照明条件。
背景技术
三维深度感知技术可采集场景目标的深度坐标信息，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，三维深度感知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。
斑点结构光技术是当前广泛采用的三维深度感知方案。它采用编码后随机、伪随机或规则排布的斑点图案投射至具体的空间场景，通过比对特征斑点的位移，由三角测量原理得到场景的深度信息。投影模组将预设的结构光投射至实际场景，是斑点结构光深度测量的硬件基础。通常投影模组包括光源、准直透镜和衍射光学元件(DiffractiveOptical Element，DOE)。其中光源可采用边发射激光器(Edge-Emitted Laser,EEL)或垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，波长选择红外波段或者其他传输效率高的波段。准直透镜的作用是将光束调整为平行光出射，可采用单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜来实现。DOE为具有一定周期的衍射光栅，其功能是接收光源的照明光束并将其调制为斑点阵列，形成覆盖场景物体的斑点图案照明。
当前深度感知技术的应用愈加广泛，因此对于斑点投影模组的投影图案质量要求也越来越高，杂散光少信噪比高的投影模组成为领域内迫切的研究需求。然而当前普遍采用的投影模组中由于DOE为纯位相元件，其对光束复振幅波前的调制存在缺陷，丢失了部分信息。投影出的光斑往往存在一定的背景杂散光噪声，影响了深度信息的获取精度，严重时甚至导致有用信息淹没在噪声里，无法提取深度值，这大大制约了三维深度感知技术的发展。
综上可知，在三维深度感知领域中，如何设计出杂散光少信噪比高的斑点投影模组成为当前亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采用复振幅调制(Complex Amplitude Modulation,CAM)技术的斑点投影模组，由于CAM技术可同时且独立地调制目标波前的振幅与位相信息，因此能够高质量地重建图案光束波前。利用该技术进行斑点投影模组设计，可有效提高投影斑点的信噪比，获得高质量的斑点投影效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种斑点投影模组，其特征在于：所述模组依次包括激光光源、准直透镜、复振幅调制单元和投影透镜，
其中，所述激光光源发出的光束，经过所述准直透镜，所述准直透镜将所述激光光源发出的激光光束进行准直，所述准直光束经过复振幅调制单元对所述目标波前的振幅和/或位相信息进行调制，然后经过所述投影透镜投影至实际待测场景以获得预设的斑点图案模式，
所述复振幅调制单元包括振幅调制器和/或位相调制器。
可选的，所述复振幅调制单元为级联调制单元，包括一个振幅调制器和一个位相调制器；
准直光束入射至所述复振幅调制单元，由振幅调制器和位相调制器分别对目标复振幅波前的振幅和位相部分进行调制输出，调制后的光束经过投影透镜投影至实际待测场景以获得预设的斑点图案模式。
可选的，所述复振幅调制单元为双相位式复振幅调制单元，包括两个位相调制器，
所述准直光束被分为两束后，分别由两个位相调制器进行调制，两个位相调制器分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个位相分量，然后再合光并经过所述投影透镜投影至实际待测场景中。
可选的，所述复振幅调制单元为双振幅式复振幅调制单元，包括两个振幅式调制器，
所述准直光束分为两束，分别由两个振幅式调制器进行调制，两个振幅式调制器分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅式分量，并在其中一路光束上通过位相单元在振幅式调制器之间产生π/2或π/2+2nπ的位相差，其中n为正整数，然后再合光并经过所述投影透镜投影至实际待测场景中。
可选的，所述激光光源为边发射激光器(EEL)或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
可选的，所述准直透镜与投影透镜为单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜中的一种或多种的组合。
可选的，所述振幅调制器为电子光阀或其他能够实现光振幅表达的器件，所述位相调制器可使用液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)或等其他能够实现光位相表达的器件。
可选的，所述分光和所述合光采用半反半透镜或者其他棱镜系统。
本发明的斑点投影模组，根据复振幅调制技术调制输出目标图案波前，投影至待测场景中。与常规采用纯位相DOE的模组相比，由于能够同时控制投影光斑的振幅与位相信息，因此本发明提出的斑点投影模组产生的斑点图案杂散光少、信噪比高，从而提高三维深度相机测量的精确度与鲁棒性。
附图说明
图1是根据本发明具体实施例的使用级联式复振幅调制的斑点投影模组示意图；
图2是根据本发明具体实施例的使用双相位式复振幅调制的斑点投影模组示意图；
图3是根据本发明具体实施例的使用双振幅式复振幅调制的斑点投影模组示意图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
11、第一光源；12、第一准直透镜；131、第一透射式振幅调制器；132、第一透射位相调制器；14、第一投影透镜；15、第一实际待测场景；16、第一预设的斑点图案模式；21、第二光源；22、第二准直透镜；23、第二反射式位相调制器；24、分光合光单元；25、第二投影透镜；26、第二实际待测场景；27、第二预设的斑点图案模式；31、第三光源；32、第三准直透镜；33、第二透射式振幅调制器；34、位相单元；35、合光单元；36、第三投影透镜；37、第三实际待测场景；38、第三预设的斑点图案模式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明在于采用复振幅调制技术，可同时且独立调制目标波前的振幅与位相信息，能够高质量地重建光束波前。利用该技术进行斑点投影模组设计，可有效提高投影斑点的信噪比，获得高质量的斑点投影效果。
复振幅调制可以采用振幅调制器和/或位相调制器的方式进行。即激光光源发出的光束，经过准直透镜，所述准直透镜对所述光源发出的激光光束进行准直，所述准直光束经过复振幅调制单元对目标波前的振幅与位相信息进行调制，然后经过投影透镜投影至实际待测场景以获得预设的斑点图案模式，所述复振幅调制单元包括振幅调制器和/或位相调制器。
具体而言，所述复振幅调制单元可以包括叠加的振幅调制器和位相调制器，或者采用两个单独的振幅调制器，或者采用两个单独的位相调制器。
因此，根据所述复振幅调制单元组成方式的不同，可以获得如下三种实施方式。
实施方式一：级联调制。
在该实施方式中，所述复振幅调制单元可以包括叠加的振幅调制器和位相调制器。
激光光源经过准直透镜，准直透镜将激光光源发出的激光光束调制为准直光束；所述复振幅调制单元为级联调制单元，包括一个振幅调制器和一个位相调制器；准直光束直接入射至所述复振幅调制单元，由振幅调制器和位相调制器分别对目标复振幅波前的振幅和位相部分进行调制输出，调制后的光束经过投影透镜，所述投影透镜接收调制出的目标图案波前，并将其投射至待测场景物体上，形成散斑点阵照明。
若假设目标图案波前为Aexp(iθ)，其中A为振幅部分，θ为位相部分，则将A加载至振幅调制器上，将θ加载至位相调制器上，二者分别调制后叠加产生目标波前。
振幅调制器可使用电子光阀或其他能够实现光振幅调制的器件。
位相调制器可使用液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)等其他能够实现光位相表达的器件。
参见图1，示出了使用级联式复振幅调制的斑点投影模组示意图。模组包括第一激光光源11，根据模组需要可以选择EEL激光器或者VCSEL激光器，波长为850nm或940nm的红外光，又或者为其他传输效率高的波长窗口；第一准直透镜12，将第一激光光源11发出的光线调制为准直光束出射；第一透射式振幅调制器131与第一透射式位相调制器132，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的振幅与位相分量，将照明光束调制还原为目标斑点图案复振幅波前；第一投影透镜14，接收目标斑点图案波前并将其投影至第一实际待测场景15中，形成第一预设的斑点图案模式16，为三维深度感知相机提供点阵投影照明条件。
实施方式二：双相位式复振幅调制
在该实施方式中，所述复振幅调制单元可以包括两个位相调制器，将入射光束分为两束后，分别由两个位相调制器进行调制，两个位相调制器分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个位相分量，然后再合光后进行投影至实际待测场景中。
具体而言：激光光源经过准直透镜，准直透镜将光源发出的激光光束调制为准直光束；所述准直光束具有两路，所述复振幅调制单元包括两个位相调制器，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个位相分量；两路准直光束分别由两个位相调制器调制，调制后的光束经过合光。例如，可以由分光合光单元进行分光，两个反射式位相调制器分别位于所述分光合光单元的分光出射处，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个位相分量；所述分光合光单元将所述反射式位相调制器调制后输出的分量波前耦合叠加，叠加后的光束经过投影透镜，所述投影透镜接收调制出的目标图案波前，并将其投射至待测场景物体上，形成散斑点阵照明。
两个位相分量由对目标复振幅波前分解产生，它们满足下式：
式中A为振幅部分，i为虚数单位，和为两个位相分量。通常在分解之前对目标复振幅波前的振幅部分进行归一化操作，使其值分布在单位区间内，如[0,1]。
对上式求解后可得到和的具体表达式：
求得的两个位相分量和分别加载至两个反射式位相调制器，叠加后即可产生目标图案波前。位相调制器可使用液晶显示器或硅基液晶等其他能够实现光位相表达的器件。
参见图2示出了使用双相位式复振幅调制的斑点投影模组示意图。模组包括第二光源21，根据模组需要可以选择EEL激光器或者VCSEL激光器，波长为850nm或940nm的红外光，又或者为其他传输效率高的波长窗口；第二准直透镜22，它将光源发出的光线调制为准直光束出射；两个第二反射式位相调制器23，位于分光合光单元24的分光处，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个位相分量，将照明光束调制还原为目标斑点图案复振幅波前；分光合光单元24可以为半反半透镜，也可以采用优化设计后的棱镜系统来代替半反半透镜，一方面可以对光源进行分束，另一方面也可以叠加耦合两个第二反射式位相调制器23输出的光场分量；第二投影透镜25，它接收目标斑点图案波前并将其投影至第二实际待测场景26中，形成第二预设的斑点图案模式27，为三维深度感知相机提供点阵投影照明条件。
在本实施例中，采用了通过分光合光单元24将准直光束分为两束，通过反射式位相调制器调制，然后再合光输出的方式。但本发明不以此为限，也可以具有两个激光光源，分别经过透射式位相调制器调制后，再合成，即只要激光光源发出的两束光分别经过位相调制器调制后合成，并投影至实际待测场景并形成预设的斑点图案模式就可以。
实施方式三：双振幅式复振幅调制
在该实施方式中，所述复振幅调制单元可以包括两个振幅式调制器，将入射光束分为两束后，分别由两个振幅式调制器进行调制，两个振幅式调制器分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅式分量，并在其中一路光束上通过位相单元在振幅式调制器之间产生π/2或π/2+2nπ的位相差，其中n为正整数，然后再合光后进行投影至实际待测场景中。
具体而言：激光光源经过准直透镜，准直透镜将光源发出的激光光束调制为准直光束；所述准直光束具有两路，所述复振幅调制单元包括两个振幅调制器，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅分量；两路准直光束分别由两个振幅调制器调制，调制后的光束经过合光。例如，可以由分光合光单元进行分光，或者两个光源直接分光，两个振幅调制器分别位于两束光路上，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅分量，在其中一束光路上具有位相单元在振幅式调制器间产生π/2或π/2+2nπ的位相差，其中n为正整数；合光单元将所述振幅调制器调制后输出的分量波前耦合叠加，叠加后的光束经过投影透镜，所述投影透镜接收调制出的目标图案波前，并将其投射至待测场景物体上，形成散斑点阵照明。
图3是使用双振幅式复振幅调制的斑点投影模组示意图。本实施例直接使用两个激光光源31进行分光，根据模组需要可以选择EEL激光器或者VCSEL激光器，波长为850nm或940nm的红外光，又或者为其他传输效率高的波长窗口，分别具有两个第三准直透镜32，它分别将光源发出的光线调制为准直光束出射；两个第二振幅调制器33，分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅分量，将照明光束调制还原为目标斑点图案复振幅波前；在其中一个振幅调制器的输出处具有位相单元34，在振幅调制器间产生π/2或π/2+2nπ的位相差，其中n为正整数；调制后的光束进行合光单元35，合光单元35可以是半反半透镜，也可以采用优化设计后的棱镜系统，用于叠加耦合两个第二振幅调制器33输出的光场分量；第三投影透镜36，接收合光后的目标斑点图案波前并将其投影至第三实际待测场景37中，形成第三预设的斑点图案模式38，为三维深度感知相机提供点阵投影照明条件。
两个振幅分量为对目标复振幅波前分解产生，它们可由欧拉公式分解产生：
Aexp(iθ)＝Acosθ+iAsinθ＝Ar+iAi 公式(3)
式中Ar和Ai分别为产生的两个振幅分量，虚数单位i表示它们之间存在π/2或π/2+2nπ的位相差，其中n为正整数。需要注意的是，由于波前的位相范围通常分布在[0,2π]区间上，因此直接分解出的振幅分量Ar和Ai还包含有负数值部分，不能直接加载至振幅调制器上。通常对分解后的分量添加一个偏移因子Ip，以保证得到的振幅分量为非负值，该偏移操作为：
(Ar+iAi)+Ip＝Arp+iAip 公式(4)
式中Arp和Aip分别为偏移后的振幅分量，它们的值均为非负值，将其加载至振幅调制器，叠加后即可产生目标图案波前。
在本实施例中，具有两个激光光源，分别经过透射式振幅调制器调制后，再合光输出，但本发明不以此为限，也可以采用通过分光合光单元将准直光束分为两束，通过反射式振幅调制器调制，然后再合光输出的方式。即只要激光光源发出的两束光分别经过振幅调制器调制后合成，并投影至实际待测场景并形成预设的斑点图案模式就可以。
因此，本发明的斑点投影模组，根据复振幅调制技术调制输出目标图案波前，投影至待测场景中。与常规采用纯位相DOE的模组相比，由于能够同时控制投影光斑的振幅与位相信息，因此本发明提出的斑点投影模组产生的斑点图案杂散光少、信噪比高，从而提高三维深度相机测量的精确度与鲁棒性。
在本发明中，振幅式调制器和位相式调制器并不限于是透射式还是反射式，只需要分别经过其组合的合成即可。
在双相位式调制和双振幅式调制中，本发明也不局限将一个光源的光通过分光分成两路，还是直接利用两个光源进行分光，只需要将经过两路光束分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅或者位相分量，然后合光输出即可。
在本发明中，光源可采用边发射激光器(EEL)或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
准直透镜与投影透镜可选择单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜中的一种或多种的组合。
振幅调制器可使用电子光阀或其他能够实现光振幅表达的器件，位相调制器可使用液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)等其他能够实现光位相表达的器件。
分光或者合光单元可以采用半透半反镜或者优化设计后的棱镜系统。
以上内容是结合具体的优选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方式仅限于此，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，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (8)

1.一种斑点投影模组，其特征在于：
所述模组依次包括激光光源、准直透镜、复振幅调制单元和投影透镜，
其中，所述激光光源发出的光束，经过所述准直透镜，所述准直透镜将所述激光光源发出的激光光束进行准直得到准直光束，所述准直光束经过复振幅调制单元对目标波前的振幅和/或位相信息进行调制，然后经过所述投影透镜投影至实际待测场景以获得预设的斑点图案模式，
所述复振幅调制单元包括振幅调制器和/或位相调制器。
2.根据权利要求1所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述复振幅调制单元为级联调制单元，包括一个振幅调制器和一个位相调制器；
准直光束入射至所述复振幅调制单元，由振幅调制器和位相调制器分别对目标复振幅波前的振幅和位相部分进行调制输出，调制后的光束经过投影透镜投影至实际待测场景以获得预设的斑点图案模式。
3.根据权利要求1所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述复振幅调制单元为双相位式复振幅调制单元，包括两个位相调制器，
所述准直光束被分为两束后，分别由两个位相调制器进行调制，两个位相调制器分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个位相分量，然后再合光并经过所述投影透镜投影至实际待测场景中。
4.根据权利要求1所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述复振幅调制单元为双振幅式复振幅调制单元，包括两个振幅式调制器，
所述准直光束分为两束，分别由两个振幅式调制器进行调制，两个振幅式调制器分别加载根据目标图案波前复振幅信息分解产生的两个振幅式分量，并在其中一路光束上通过位相单元在振幅式调制器之间产生π/2或π/2+2nπ的位相差，其中n为正整数，然后再合光并经过所述投影透镜投影至实际待测场景中。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述激光光源为边发射激光器或者垂直腔面发射激光器。
6.根据权利要求2-4中任意一项所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述准直透镜与投影透镜为单透镜、组合透镜、全息透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求2-4中任意一项所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述振幅调制器为电子光阀或其他能够实现光振幅表达的器件，所述位相调制器可使用液晶显示器或硅基液晶或其他能够实现光位相表达的器件。
8.根据权利要求3或4所述的斑点投影模组，其特征在于：
所述分光和所述合光采用半反半透镜或者其他棱镜系统。
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