CN109708588A - 结构光投射器及结构光深度感测器 - Google Patents

结构光投射器及结构光深度感测器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种结构光投射器，其包括：光源，用于产生激光；第一透镜，设置在所述激光的行进路径上，用于准直所述激光；及反射镜，设置在所述第一透镜远离所述光源一侧，所述反射镜形成有反射图案，用于反射经过所述第一透镜后的激光并将其转换为具有反射图案的结构光。本发明还提供一种包含上述结构光投射器的结构光深度感测器。本发明可在不受限于光源点排列方式的情况下提高深度感测精度。

Description

结构光投射器及结构光深度感测器
技术领域
本发明涉及感测领域，尤其涉及一种结构光投射器以及包括该结构光投射器的结构光深度感测器。
背景技术
结构光深度感测器主要分为时间域与空间域两种辨识技术，可广泛应用于3D人脸辨识、手势辨识、3D扫描仪与精密加工等。由于人脸辨识与手势辨识需要快速辨识，并且受限于感测距离等因素，因此大多使用空间域结构光的深度感测技术。
结构光深度感测器利用结构光投射器主动对场景(投射物或投射空间)投射结构光(或者称呈既定图案的光辐射)进行特征标定，再由相机拍摄场景，通过比对投射器发出的结构光的图像及相机拍摄的图像得到投射空间中每一点的视差，从而计算其深度。由于比对时需先在投射器的图像中确定一个区块，然后在相机拍摄的图像中匹配到一样的区块，因此区块的匹配精度直接影响到深度感测计算解析度。区块的匹配精度越低，深度感测计算解析度越低。
发明内容
本发明提供一种结构光投射器，包括：
光源，用于产生激光；
第一透镜，设置在所述激光的行进路径上，用于准直所述激光；及
反射镜，设置在所述第一透镜远离所述光源一侧，所述反射镜形成有反射图案，用于反射经过所述第一透镜后的激光并将其转换为具有反射图案的结构光。
本发明还提供一种使用上述投射器的结构光深度感测器。
本发明提供的结构光投射器通过在反射镜的表面设置一反射图案，以将经过所述第一透镜后的激光转换为具有反射图案的结构光。通过衍射元件可形成具有衍射图案的结构光，然衍射图案为单纯的点状散斑，不同区域之间相似度高，造成深度感测计算解析度低。而本发明提供的结构光投射器可投射的结构光具有的反射图案不同区域之间相似度低，可提高深度感测计算的解析度。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的结构光深度感测器的结构框图。
图2为图1所示的结构光深度感测器的结构光投射器的结构示意图。
图3为图2所示的结构光投射器的反射镜的反射图案的示意图。
图4为图2所示的结构光投射器的反射镜的第一实施例的剖面图。
图5为图2所示的结构光投射器的反射镜的第二实施例剖面图。
图6为图2所示的结构光投射器的反射镜的第三实施例的反射镜单元结构示意图。
图7为图2所示的结构光投射器的反射镜的第四实施例剖面图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
请参阅图1，结构光深度感测器100包括结构光投射器10、相机20、处理器30及存储器40。处理器30分别与结构光投射器10、相机20、存储器40电性连接。存储器40内存有相机20的参数信息、结构光投射器10与相机20的距离信息。处理器30用于控制结构光投射器10向待检测对象50投射结构光以及控制相机20拍摄由待检测对象50反射的结构光，并根据存储器40内的参数信息、距离信息、结构光投射器10投射的结构光信息及相机20拍摄的反射的结构光信息，计算待检测对象50的深度。
请参阅图2，结构光投射器10包括一光源11、第一透镜12、反射镜13及第二透镜14。光源11与反射镜13相对设置。第一透镜12设置于光源11与反射镜13之间，第二透镜14与反射镜13相对设置并位于激光在反射镜13反射后的行进路径上。
光源11为激光器且包括至少一个点光源，光源11所产生激光传播至第一透镜12上。第一透镜12为准直透镜，用于准直光源11所产生的激光。反射镜13用于反射经第一透镜12准直的激光并将其转换为图案化的结构光。第二透镜14为发散透镜，用于调节结构光投射器10投射的结构光的发散角度。
于一实施例中，光源11可以是波长800-900nm的红外光激光器，根据实际需求可选用产生其他波长的激光器。反射镜13形成有反射图案，以使准直光柱经由反射镜13的表面反射后，形成与反射图案相同的结构光图案，以对待检测对象50进行特征标定。
请参阅图3，为反射镜的反射图案的示意图。本实施例中，深色填充部分表示反射图案，可设计为沿着第一方向D1或第二方向D2的一矩形区域P，并且不存在与其图案相同且面积小于或等于的其它区域，以提高计算待检测对象50深度时结构光的匹配精度，从而提高待检测对象50深度信息计算的精度。即，反射图案存在多个区域矩形Pn，在多个区域矩形Pn可任意选取出区域P1、区域P2、区域P3，且区域P与区域P1、区域P2、区域P3之间的图案均不相同。
在一些实施例中，反射镜13为主动式反射镜，在不同时间可反射不同图案的结构光。
光源11产生激光且经过第一透镜12后，激光形成一准直光柱，并投射至反射镜13上，再经反射镜13反射至第二透镜14。由于反射镜13具有预设的反射图案，故准直光柱经反射镜13反射后，形成的结构光的图案与反射图案相同，并在经过第二透镜14后投射至待检测对象50。具有反射图案的结构光被投射至待检测对象50后，可对待检测对象50进行特征标定。
通过在结构光投射器10中的反射镜13的表面设置一反射图案，以将经过第一透镜12后的激光转换为具有反射图案的结构光。具有反射图案的结构光与通过衍射元件形成的具有衍射图案的结构光相比较，避免了因衍射图案为单纯的点状散斑，而导致结构光所具有的图案不同区域之间相似度太高，造成结构光深度感测运算解析度下降。故以具有反射图案的结构光对待检测对象50进行特征标定，可提高结构光深度感测运算解析度。
请参阅图4，在第一实施例中的反射镜13包括透明基体130、设置于透明基体130一侧的图案化的金属反射层131及设置于透明基体130远离金属反射层131一侧的光阻层132。金属反射层131图案化形成反射图案。透明基体130可为但不限于透明玻璃。
金属反射层131为在透明基体130上设置的一金属层并图案化所形成。金属反射层131的尺寸等于或大于准直后的激光的投影面积，以使准直后的激光照射范围均在金属反射层131的范围之内。光阻层132完全覆盖了透明基体130远离金属反射层131的表面。金属反射层131上形成有多个透光的开孔1311，照射至金属反射层131除开孔1311以外的区域的激光发生反射，照射至开孔1311的激光透过开孔。光阻层132具有吸光及抗光反射的性能，透过开孔1311的激光被光阻层132吸收。在本实施例中，光阻层132为黑矩阵。在其他实施例中，光阻层132可为其他具有吸光及抗光反射的性能的光阻材料所制作。
请参阅图5,第二实施例的反射镜13与第一实施例的反射镜13，区别在于光阻层132设置的位置。在本实施例中，光阻层132设置于透明基体130一侧，而金属反射层131设置于光阻层132远离透明基体130一侧。
请参阅图6，第三实施例中的反射镜为数字微反射镜(Digtial MicromirrorDevices,DMD)。反射镜为多个反射镜单元形成的阵列。每一个反射镜单元60包括一微反射镜61、设置于微反射镜61一侧并与微反射镜61相连的轭65、与轭65相连的铰链63、与铰链63一端相连的扭臂梁62、与扭臂梁62相连的铰链支撑柱631，以及第一寻址电极64。微反射镜61处于悬浮状态，形状为正方形，由铝合金制成，在偏转时较为轻便。扭臂梁62通过铰链63悬置于铰链支撑柱631上，微反射镜61可以围绕铰链63的轴X进行旋转。
在第一寻址电极64远离微反射镜61一侧设有一图案化的金属层，金属层包括第二寻址电极69、偏置复位电极66、以及微反射镜61的着陆平台67(限制镜面偏转+12度/-12度或+10度/-10度)。着陆平台67远离微反射镜61一侧设有一静态存储器68。
轭65通过铰链63、扭臂梁62及铰链支撑柱631连接到偏置复位电极66。偏置复位电极66为轭65及微反射镜61提供偏置电压。由于微反射镜61和轭65二者为固定连接，因此，微反射镜61和轭65具有相同的偏置电压。扭臂梁62的第二寻址电极69和微反射镜61的第一寻址电极64均连接到底层的静态存储器68上。
每一个反射镜单元60都是一个独立的个体，并且微反射镜61可以翻转不同的角度，因此通过微反射镜61所反射的光线可以呈现不同的角度。即通过调节各个微反射镜61的反射角度，以调节反射镜13反射至第二透镜14的结构光的图案。
工作时，微反射镜61和轭65具有相同的偏置电压。第二寻址电极69和第一寻址电极64具有不同个补偿电压。使微反射镜61与第一寻址电极64，轭65与第二寻址电极69之间，由于电位不同而产生静电效应。由于第一寻址电极64和第二寻址电极69是固定不动的，因而微反射镜61和轭65的相对于轴X的两侧受到的静电力不同，导致微反射镜61及轭65相对于轴X旋转。
每一个反射镜单元60有三个稳态：+12度或+10度(开)、0度(无信号)、-12度或-10度(关)。当供给反射镜单元60一个信号“1”，其微反射镜61偏转+12度或+10度，被反射的光沿光轴方向通过照射至第二透镜14上。当微反射镜61偏离平衡位置-12度或-10度时(信号“0”)，反射的光束将不能通过第二透镜14。于一实施例中，控制信号二进制的“1”、“0”状态，分别对应微镜的“开”、“关”两个状态。当给定的图形数据控制信号序列被写入静态存储器68时，通过数字微反射镜对入射光进行调制，图形就可以形成于出射光上。
本实施例中，反射镜(数字微反射镜)的结构光投射器10可通过分别改变每一个反射镜单元60的稳态，以对经过第一透镜12后的激光进行调制，以使结构光投射器10在不同时刻可投射具有不同的反射图案的结构光。
请参阅图7，第四实施例的反射镜13为硅基反射式液晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)元件。反射镜13包括第一基板71、设置于第一基板71一侧的反射式电极层72、设置于反射式电极层72远离第一基板71一侧的液晶分子层73、设置于液晶分子层73远离反射式电极层72一侧的公共电极层74以及设置公共电极层74远离液晶分子层73一侧的第二基板75。其中，第一基板71包括硅基板711以及设置于硅基板711靠近反射式电极层72一侧的有源显示驱动矩阵712。其中，反射式电极层72可以由有源显示驱动矩阵712控制。
如图7所示，反射镜13定义有多个像素76。其中，有源显示驱动矩阵712对应每一个像素76设置有一个开关管。如此，有源显示驱动矩阵712中的各个开关管可以通过控制反射式电极层72，来控制每个像素76所对应的液晶分子层73中的电场，从而调整每个像素76所对应区域的光束的旋转角度，进而控制各像素76所对应区域出入光线的量，形成反射图像。
于一实施例中，反射式电极层72可以为铝镀层。公共电极层74为透明的，例如为氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)。第二基板75为透明的，例如为玻璃。
采用本实施例反射镜13(LCoS元件)的结构光投射器10可通过控制每一个像素76出入光线的量，以使结构光投射器10在不同时刻可投射具有不同的反射图案的结构光。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种结构光投射器，其特征在于，包括：
光源，用于产生激光；
第一透镜，设置在所述激光的行进路径上，用于准直所述激光；及
反射镜，设置在所述第一透镜远离所述光源一侧，所述反射镜形成有反射图案，用于反射经过所述第一透镜后的激光并将其转换为具有反射图案的结构光。
2.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源产生的激光在所述反射镜发生反射后的出射路径上设有一发散透镜，用于调节所述激光在所述反射镜反射后的发散角。
3.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述反射镜包括图案化的金属反射层，所述金属反射层形成所述反射图案，所述激光在所述反射镜的表面发生反射后形成与所述反射图案相同的结构光图案。
4.如权利要求3所述的结构光投射器，其特征在于，所述反射镜包括一透明基体、设置于所述透明基体一侧的所述金属反射层以及设置于所述透明基体远离所述金属反射层一侧的光阻层。
5.如权利要求3所述的结构光投射器，其特征在于，所述反射镜包括一透明基体、设置于所述透明基体一侧的所述金属反射层以及设置于所述透明基体与所述金属反射层之间的光阻层。
6.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述反射镜为数位微型反射镜，包括多个反射镜单元，通过调节各反射镜单元的反射角度，以调节所述反射图案。
7.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述反射镜为硅基反射式液晶元件，包括多个像素，通过调节各像素区域出入光线的量，以调节所述反射图案。
8.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源包括至少一个点光源。
9.如权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，所述反射图案定义有一矩形区域，所述反射图案上不存在与该矩形区域的图案相同且面积小于或等于该矩形区域的其它区域。
10.一种结构光深度感测器，用于感测待检测对象的深度，其特征在于，包括：
如权利要求1-8中任意一项所述的结构光投射器，用于向所述待检测对象投射图案化的结构光；
相机，设于所述结构光投射器的一侧，用于拍摄由所述结构光投射器投射至所述待检测对象后被反射的结构光；
存储器，用于存储所述相机的参数信息、以及所述投射器与所述相机的距离信息；及
处理器，分别与所述投射器、所述相机及所述存储器电性连接，所述处理器控制所述结构光投射器向所述待检测对象投射结构光，控制所述相机拍摄由所述对象反射的结构光，并根据所述存储器内的所述参数信息、所述距离信息、所述结构光投射器投射的结构光的信息及所述相机拍摄的反射的结构光的信息计算所述待检测对象的深度。
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