CN109521639A - 一种不含准直透镜的结构光投射模组以及3d成像装置 - Google Patents

一种不含准直透镜的结构光投射模组以及3d成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种不含准直透镜的结构光投射模组以及具有该结构光投射模组的3D成像装置，包括：激光vcsel阵列光源，所述激光vcsel阵列光源的发光面具有规则排列的发光点；衍射光学元件，具有按照随机相位分布的微结构，用于复制由所述激光vcsel阵列光源发出的光束并向外扩散。本发明可以有效的提高模组的结构紧凑性和光能量利用率，同时避免了结构光投射模组中的DOE失效检测装置的使用，且从原理上解决了结构光3D成像装置在生物识别应用中的安全问题。

Description

一种不含准直透镜的结构光投射模组以及3D成像装置
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种不含准直透镜的结构光投射模组以及具有该结构光投射模组的3D成像装置。
背景技术
不同于传统的2D成像装置，如摄像机，只能获取物体的平面2D信息，3D成像装置还可以获取物体的深度信息，构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量，零件建模，医疗诊断，安防监控，机器视觉，生物识别，增强现实AR，虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。
基于结构光技术的3D成像装置是一种体积小、成像精度高的新型技术装置，具备极大的商业应用潜力，目前在消费手机领域已经获得一定程度的应用。例如公开号CN206805630U的专利申请文件提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，包括：VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括：半导体衬底，以及至少两组VCSEL子阵列排列在半导体衬底上，所述VCSEL子阵列由VCSEL光源组成；衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：至少两个衍射光学元件子单元；所述衍射光学元件子单元分别与所述VCSEL子阵列对应，用于将所述VCSEL子阵列的光源发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。
结构光3D成像装置中的核心部分在于结构光投射模组，当前市面上结构光3D成像装置中的结构光投射模组都需要准直透镜来进行投射光路的预调整，因此具有结构复杂、光能量利用率低的缺点。同时，由于准直透镜的使用，一旦投射模组的DOE失效，激光光源的出射光将汇聚在中心，在生物识别应用如3D人脸识别中，会出现对使用者的眼睛造成视网膜烧伤的安全问题。因此使用准直透镜的结构光投射模组都会在模组内部增加DOE失效检测装置，如此进一步造成模组的结构复杂臃肿。
发明内容
本发明提供一种不含准直透镜的结构光投射模组，可以有效的提高模组的结构紧凑性和光能量利用率，同时避免了结构光投射模组中的DOE失效检测装置的使用，且从原理上解决了结构光3D成像装置在生物识别应用中的安全问题。
一种不含准直透镜的结构光投射模组，包括：
激光vcsel阵列光源，所述激光vcsel阵列光源的发光面具有规则排列的发光点；
衍射光学元件，具有按照随机相位分布的微结构，用于复制由所述激光vcsel阵列光源发出的光束并向外扩散，且使每一束的出射光束的相位变得随机不相干。
所述的激光vcsel阵列光源的发光面具有多个密集的发光点，发光点之间的排列分布是规则的，例如水平方向点间距是固定的，和/或竖直方向点间距也是固定的，或者部分发光点构成子单元然后复制多个分布在发光面上，如蜂窝状。传统的结构光投射模组为了保证最终投射出随机散斑结构光，需要激光vcsel阵列光源的发光点之间按照随机不相关的要求来分布排列，因此本方案也降低了激光vcsel阵列光源的设计与制造难度。由于本发明的结构光投射模组不含准直透镜，因此对激光vcsel阵列光源的发光点的出射光束发散角度要求低，0～35°之间都可满足要求，有利于降低激光vcsel阵列光源的制造难度，提升良率，降低成本。
所述的发光点之间的排列分布是规则的。例如水平方向点间距是固定的，和/或竖直方向点间距也是固定的，或者部分发光点构成子单元然后复制多个分布在发光面上；如蜂窝状或矩阵点阵排列等。作为优选的，所述的发光点按照矩阵行列的方式排布在所述的发光面上。
并列优选的，所述规则排列的发光点内，部分发光点构成子单元后复制多个分布在发光面上。
本发明还提供了一种3D成像装置，包括：
上述的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；
图像接收模块，用于获取所述的结构光图案；
处理运算模块，根据所述结构光图案计算出深度信息。
所述的随机相位分布衍射元件DOE是一种表面微结构按照随机相位分布来设计的微纳光学元件，作用是接收来自激光vcsel阵列光源的所有发光点的光束，把这些光束复制成更多具有随机分布特性的pattern光束，然后扩散出射，形成空间随机散斑分布的结构光，该结构光打到前方物体上，比如人脸，对前方物体形成结构光空间编码的效果。
当所述衍射光学元件DOE失效，不具备复制扩散作用时，其出射光束仍然保持15～35°的发散角向前传播，不会引起人眼安全问题。
所述随机相位分布的衍射光学元件，其出射的每一子光束都包含了所述激光vcsel阵列光源的所有每一个发光点的部分光线，所形成的随机散斑结构光图案中的每一个斑点都是由激光vcsel阵列光源的每一个发光点的部分光线叠加而成；进一步作为优选的，向目标投射结构光图案是未分割的、未拼接的一整块图案。
本发明利用不含准直透镜的结构光投射模组，从激光vcsel阵列光源发出的激光未经过准直透镜，直接以0°至35°之间的某个发散角度的光束进入随机相位分布衍射元件DOE 200，通常为保证安全性，发散角度定在15°～35°之间，越大越有利于激光vcsel阵列光源的制造，因此当DOE因为装置使用老化、跌落或进入特殊环境等问题而发生失效，不具备衍射作用时，激光vcsel阵列光源的所有激光光束都会以原有的发散角度直接向前传播，越往前光束会越扩散，在生物识别应用中，当光束达到人脸时已经扩散的足够大，激光能量被扩散开来，不会出现对人眼造成视网膜烧伤的安全问题，因此从原理上解决了结构光3D成像装置在生物识别应用中的安全问题。
附图说明
图1是基于结构光技术的3D成像装置原理图；
图2是打到人脸的随机散斑结构光效果；
图3是一种不含准直透镜的结构光投射模组的光学原理示意图；
图4是激光vcsel阵列光源的发光点分布排列示意图；
图5是传统激光vcsel阵列光源的发光点分布排列示意图；
图6如图3是随机相位分布衍射元件DOE 200的放大俯视图；
图7一种不含准直透镜的结构光投射模组的衍射光束出射效果；
图8是散斑结构光图案。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。
如图1所示的3D成像装置，包括了结构光投射模组10、图像接收模块20、处理运算模块30。结构光投射模组10用于向目标投射结构光图案，图像接收模块20(例如红外摄像头)用于获取投射出去的结构光图案，图像接收模块是业界较为成熟的技术，通常由透镜lens、滤光片filter、图像sensor沟通，所用滤光片需要与结构光投射模组10的光波长匹配。处理运算模块30根据获取的结构光图案计算深度信息，同时该模块还兼具有对结构光投射模组10和图像接收模块20的工作时序控制作用，以及对外输出深度信息数据的作用，具体的工作时序控制、输出数据的方式均为业界成熟技术，本专利不做详述。当实际物体，例如人脸处在该装置前方20cm—120cm范围时，3D成像装置开始启动工作，结构光投射模组10投射出结构光，在前方人脸上形成散斑结构光，如图2，即完成了对人脸的空间结构光编码，图像接收模块20拍摄人脸的结构光编码图像，再把图像信息传给处理运算模块30，经过算法处理运算最终可以获取前方人脸的3D深度信息数据。
如图3所示的不含准直透镜的结构光投射模组的具体光学原理图，包括了激光vcsel阵列光源100、随机相位分布衍射元件DOE 200两个部分，在空间上依次按照从左到右的顺序排列。
所述的激光vcsel阵列光源100通常由负电极、衬底、N型DBR、有源层、P型DBR、正电极层构成，最上层出光面具有多个密集的发光点1001，图示为了简单清晰表达仅画出3个。激光vcsel阵列光源100的特点是出光点之间的排列分布是规则的，即水平方向点间距是固定的，且竖直方向点间距也是固定的，或者部分发光点构成子单元然后复制多个分布在发光面上，如蜂窝状或者矩阵点阵排列等，如图4是激光vcsel阵列光源100的两种发光面点阵分布示意图，俯视视角。传统的结构光投射模组为了保证最终投射出随机散斑结构光，需要激光vcsel阵列光源的发光点之间按照随机不相关的要求来分布排列，如图5所示，因此本发明也降低了激光vcsel阵列光源的设计与制造难度。由于本发明的结构光投射模组10不含准直透镜，因此对激光vcsel阵列光源100的发光点1001的出射光束发散角度要求低，发散角在0°至35°之间都可以，优选在15°～35°之间，有利于降低激光vcsel阵列光源的制造难度，提升良率，降低成本。
从激光vcsel阵列光源100发出的光束向前传播，到达随机相位分布衍射元件DOE200，随机相位分布衍射元件DOE 200是一种表面微结构按照随机相位分布来设计的微纳光学元件，如图6是随机相位分布衍射元件DOE 200的放大俯视图，其特点是微结构图案是随机无规律的，图示仅是其中一种图案示意，实际应用中会有千差万别的各种随机无规律微结构图案。随机相位分布衍射元件DOE 200的作用是接收来自激光vcsel阵列光源100的全部发光点1001的光束，即激光vcsel阵列光源100的全部出射光束都均匀的充满整个随机相位分布衍射元件DOE 200的表面，由于随机相位分布衍射元件DOE 200的表面微结构是随机无规律，光束经过该元件之后，会复制成更多的pattern光束，通常复制倍数在万倍以上，而且每一束的出射光束的相位都会变得彼此不相干，即构成了随机散斑结构光，如图7所示，仅示意了5束不相干的出射光束301、出射光束302、出射光束303、出射光束304、出射光束305。如果在前方放一个接收屏幕，则会得到的如图8所示的散斑结构光图案400，该图仅示意作用，不限定这一种散斑图，从图中可以看到出射光束301、出射光束302、出射光束303、出射光束304、出射光束305对应形成的斑点。本发明不同于其他使用规则vcsel阵列光源方案(如专利CN108363267A)的地方在于，随机相位分布衍射元件DOE 200的出射光束中，每一子光束都包含了激光vcsel阵列光源100的每一个发光点1001的部分光线，即散斑结构光图案400的每一个斑点都是由激光vcsel阵列光源100的每一个发光点的部分光线叠加而成，而非只包含某一个或者某部分发光点1001的光线，因此所形成的散斑结构光图案400是未分割、未拼接的一整块图案。散斑结构光图案400打到前方物体上，比如人脸，构成如图2的结构光随机散斑编码的效果。
由于本发明的结构光投射模组10不含准直透镜，从激光vcsel阵列光源100发出的激光未经过准直透镜，直接以0°至35°之间的某个发散角度的光束进入随机相位分布衍射元件DOE 200，通常为保证安全性，发散角度定在15°～35°之间，越大越有利于激光vcsel阵列光源100的制造。因此当DOE因为装置使用老化、跌落或进入特殊环境等问题而发生失效，不具备衍射作用时，激光vcsel阵列光源100的所有发光点的激光光束都会以原有的发散角度直接向前传播，越往前光束会越扩散，在生物识别应用中，当光束达到人脸时已经扩散的足够大，激光能量被扩散开来，不会出现对人眼造成视网膜烧伤的安全问题。而其他结构光投射模组由于使用了准直透镜，激光vcsel阵列光源经过了准直透镜的准直汇聚变为0°发散角，光能量集中在一束很小的平行光束中，当衍射元件DOE失效时，不再具备复制扩散作用时，光源的所有光能量因为集中在一束很小的平行光束中出射，用户使用时极容易对准眼睛，造成视网膜烧伤。因此本发明从原理上解决了结构光3D成像装置在生物识别应用中的安全问题，不再需要额外的装置和成本投入来解决人眼安全问题。
本发明的结构光投射模组不含准直透镜，因此结构简单紧凑，模组物料成本可以得到降低。也减少了系统的光能量在准直透镜上的吸收、散射损失，提高了光能量利用率。同时激光vcsel阵列光源的发光点之间可以规则的排列分布，激光光束的发散角要求也降低了，这两个有利因素会整体降低激光vcsel阵列光源的设计与制造难度，提升良率，降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种不含准直透镜的结构光投射模组，其特征在于：包括：
激光vcsel阵列光源，所述激光vcsel阵列光源的发光面具有规则排列的发光点；
衍射光学元件，具有按照随机相位分布的微结构，用于复制由所述激光vcsel阵列光源发出的光束并向外扩散，且使每一束的出射光束的相位变得随机不相干。
2.如权利要求1所述的不含准直透镜的结构光投射模组，其特征在于：所述的发光点按照矩阵行列的方式排布在所述的发光面上。
3.如权利要求1所述的不含准直透镜的结构光投射模组，其特征在于：由所述衍射光学元件出射的每一子光束都包含所述激光vcsel阵列光源的所有发光点的部分光线。
4.如权利要求1所述的不含准直透镜的结构光投射模组，其特征在于：所述规则排列的发光点内，部分发光点构成子单元后复制多个分布在发光面上。
5.一种3D成像装置，其特征在于：包括：
权利要求1～4中任意一项的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；
图像接收模块，用于获取所述的结构光图案；
处理运算模块，根据所述结构光图案计算出深度信息。
6.如权利要求5所述的3D成像装置，其特征在于：所述的结构光图案中的每一个斑点都是由激光vcsel阵列光源的所有发光点的部分光线叠加而成。
7.如权利要求6所述的3D成像装置，其特征在于：所述的结构光图案是未分割的、未拼接的一整块图案。
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