CN109709743A - 一种结构光投影仪及3d摄像头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种结构光投影仪及3D摄像头，该结构光投影仪通过控制光路调制器调制所述泛光光源的输出光，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本，且有利于3D摄像头的小型化设计。

Description

一种结构光投影仪及3D摄像头
技术领域
本发明涉及光学投影技术领域，更具体地说，涉及一种结构光投影仪及3D摄像头。
背景技术
结构光是一组由投影仪和摄像头组成的系统结构，其是用投影仪投射待定的光信息至物体表面后，由摄像头采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间，其是实现3D摄像头的一种方案。
基于3D摄像头而言，其实现方式主要包括三种，其一，结构光；其二，飞行时间(Time of Flight，简称ToF)；其三，双目摄像头。在消费电子领域，比较主流的是结构光方案和ToF方案，二者都需要主动的红外光投影，结构光方案需要投影红外散斑，ToF方案需要投影红外光强连续分布的光输出，即泛光。同时，二者都需要红外接收模组，即接收红外的CMOS摄像头。
参考图1，图1为传统的结构光3D摄像头的结构示意图，传统的结构光3D摄像头包括以下主要器件：散斑点阵投影仪、红外摄像头、红外泛光照明器和RGB摄像头。由于在黑暗环境中也需要形成红外2D图像，一般3D摄像头都需要额外配置一个红外泛光照明器，照亮黑暗中的物体，同时利用红外摄像头记录红外2D图像。
但是，由于红外泛光照明器一般是由一个或多个红外激光器以及扩散膜组成，由此可知红外泛光照明器的设置增加了整个3D摄像头的成本及功耗，不利于3D摄像头的小型化设计。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种结构光投影仪及3D摄像头，技术方案如下：
一种结构光投影仪，其特征在于，所述结构光投影仪包括：
泛光光源；
设置在所述泛光光源出光侧的光路调制器；
设置在所述光路调制器背离所述泛光光源一侧的投影透镜装置；
其中，所述光路调制器用于调制所述泛光光源的输出光，以使所述输出光全输出或按照预设图案进行输出。
优选的，在上述结构光投影仪中，所述泛光光源为非相干光光源。
优选的，在上述结构光投影仪中，所述泛光光源包括：
衬底；
设置在所述衬底上的至少一个激光发射器。
优选的，在上述结构光投影仪中，任意相邻两个所述激光发射器之间存在间隔。
优选的，在上述结构光投影仪中，至少一个所述激光发射器在所述衬底上阵列排布。
优选的，在上述结构光投影仪中，所述泛光光源包括：
导光板；
位于所述导光板入光侧的至少一个LED发光单元；
位于所述导光板上表面的光学结构；
位于所述导光板下表面的反射片。
优选的，在上述结构光投影仪中，所述光学结构包括：
设置在所述导光板上表面的扩散片；
设置在所述扩散片背离所述导光板一侧的增光片。
优选的，在上述结构光投影仪中，所述光路调制器为液晶调制器；
所述液晶调制器包括：相对设置的第一基板和第二基板；
设置在所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；
其中，通过控制所述液晶层中液晶的偏转，以使所述液晶层处于全透光模式或部分透光模式。
优选的，在上述结构光投影仪中，所述结构光投影仪还包括：控制电路；
所述控制电路用于控制所述液晶层中液晶的偏转。
一种3D摄像头，所述3D摄像头包括：上述任一项所述的结构光投影仪。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
该结构光投影仪中通过光路调制器调制所述泛光光源的输出光，当所述输出光全输出时，该结构光投影仪相当于一个泛光照明器，输出光为光强连续分布的光；当所述输出光按照预设图案进行输出时，该预设图案包括但不限定于散斑点阵图案或编码结构光图案。
也就是说，该结构光投影仪通过控制光路调制器调制所述泛光光源的输出光，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。
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作简单地介绍，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为传统的结构光3D摄像头的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种输出光示意图；
图4为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一种输出光示意图；
图5为本发明实施例提供的泛光光源的一种结构示意图；
图6为本发明实施例提供的多个激光发射器的排列示意图；
图7为本发明实施例提供的泛光光源的另一种结构示意图；
图8为本发明实施例提供的泛光光源的又一种结构示意图；
图9为本发明实施例提供的液晶调制器的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的液晶调制器的一种输出光示意图；
图11为本发明实施例提供的液晶调制器的另一种输出光示意图；
图12为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一种结构示意图；
图13为本发明实施例提供的3D摄像头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图2，图2为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种结构示意图，所述结构光投影仪包括：
泛光光源11；
设置在所述泛光光源11出光侧的光路调制器12；
设置在所述光路调制器12背离所述泛光光源11一侧的投影透镜装置13；
其中，所述光路调制器12用于调制所述泛光光源11的输出光，以使所述输出光全输出或按照预设图案进行输出。
在该实施例中，所述泛光光源11用于发射出泛光，该泛光为光强连续分布的光，再通过控制所述光路调制器12调制所述泛光光源11的输出光，所述投影透镜装置13一般由一个或多个透镜组成，其功能是将光路调制器12的输出准直或者聚焦。
参考图3，图3为本发明实施例提供的结构光投影仪的一种输出光示意图，当所述输出光全输出时，该结构光投影仪相当于一个泛光照明器，输出光为光强连续分布的光。
参考图4，图4为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一种输出光示意图，当所述输出光按照预设图案进行输出时，该预设图案包括但不限定于散斑点阵图案或编码结构光图案。
通过上述描述可知，本发明实施例提供的一种结构光投影仪，通过控制光路调制器调制所述泛光光源的输出光，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述泛光光源11为非相干光光源。
在该实施例中，通过将所述泛光光源11设置为非相干光光源，即所述泛光光源11发射的泛光为非相干的泛光，不会出现光干涉的情况。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的泛光光源的一种结构示意图，所述泛光光源11包括：
衬底51；
设置在所述衬底51上的至少一个激光发射器52。
在该实施例中，所述激光发射器52包括但不限定于垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)。
由于激光发射器52的出光孔一般在几个微米到几十微米之间，所以激光发射器52的光输出一般有一个发散角，也就是说，激光传播越远，每个激光发射器52的光斑就会越大，当传播足够远的距离时，相邻的光斑就会重叠在一起，进而可以形成泛光输出。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的多个激光发射器52的排列示意图，至少一个所述激光发射器52在所述衬底51上阵列排布。
在该实施例中，通过将至少一个激光发射器52呈阵列排布，使激光发射器52发出的光可以均匀的传达到整个光路调制器12上。
并且，在设置所述激光发射器52的控制电路时，也可以简化其布线方式，进而降低所述结构光投影仪的制作难度。
需要说明的是，至少一个激光发射器52也可以是非阵列排布，在本发明实施例中仅仅以举例的形式进行说明，并不进行限定。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图6所示，任意相邻两个所述激光发射器52之间存在间隔。
在该实施例中，相邻两个所述激光发射器52之间的间隔需满足预设距离，以使所述激光发射器52发出的光以泛光的形式入射至所述光路调制器12。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图7，图7为本发明实施例提供的泛光光源的另一种结构示意图，所述泛光光源11包括：
导光板71；
位于所述导光板71入光侧的至少一个LED发光单元72；
位于所述导光板71上表面的光学结构73；
位于所述导光板71下表面的反射片74。
在该实施例中，LED发光单元72会发出非相干的光，从所述导光板71的入光侧耦合进入导光板71，随着在导光板71中的传播，从导光板71的上表面和下表面都会出光，但是，从下表面出射的光进过反射片74进行反射，回到导光板71中，进而提高了光的利用率，从上表面出射的光进行光学结构73，以提高出射光的均匀性和光强。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图8，图8为本发明实施例提供的泛光光源的又一种结构示意图，所述光学结构73包括：
设置在所述导光板71上表面的扩散片731；
设置在所述扩散片731背离所述导光板71一侧的增光片732。
在该实施例中，所述扩散片731用于将方向性较强的导光板输出变成各向同性的发散光，保证光输出的均匀性。
所述增光片732用于使得光向正上方的方向出射，以提高向上出射泛光的光强。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述光路调制器包括但不限定为液晶调制器。
参考图9，图9为本发明实施例提供的液晶调制器的结构示意图，所述液晶调制器90包括：相对设置的第一基板91和第二基板92；
设置在所述第一基板91和所述第二基板92之间的液晶层93；
其中，通过控制所述液晶层93中液晶的偏转，以使所述液晶层93处于全透光模式或部分透光模式。
在该实施例中，通过电学控制液晶的原理对所述液晶层93进行控制，进而控制通过所述液晶调制器90的光输出，以实现多种模式的光输出。
参考图10，图10为本发明实施例提供的液晶调制器的一种输出光示意图，当控制所述液晶层93中的液晶全部完全偏转时，所述液晶层93处于完全透明状态，所述泛光光源11发射的泛光全输出，该结构光投影仪相当于一个泛光照明器，输出光为光强连续分布的光。
参考图11，图11为本发明实施例提供的液晶调制器的另一种输出光示意图，当控制所述液晶层93中的部分液晶完全偏转，其余部分液晶不偏转时，所述液晶层93部分处于完全透明状态，部分处于不透明状态(附图11中黑色部分表示不透明状态)，再通过控制液晶层93的透明区域，就可以投射出所需的结构光图案，即所述泛光光源11发射的泛光按照预设图案进行输出时，该预设图案包括但不限定于散斑点阵图案或编码结构光图案。
通过上述描述可知，该结构光投影仪通过控制液晶调制器调制所述泛光光源的输出光，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图12，图12为本发明实施例提供的结构光投影仪的另一种结构示意图，所述结构光投影仪还包括：控制电路121；
所述控制电路121用于控制所述液晶层93中液晶的偏转。
进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种3D摄像头，参考图13，图13为本发明实施例提供的3D摄像头的结构示意图，所述3D摄像头包括：上述所述的结构光投影仪，即附图13中的模式可辨散斑点阵投影仪。
该结构光投影仪通过控制光路调制器调制所述泛光光源的输出光，就可以实现发射散斑点阵和光强连续分布的光输出之间的来回切换，即同时实现了结构光投影仪和红外泛光照明器的功能，节省了一个独立红外泛光照明器的空间和成本，且有利于3D摄像头的小型化设计。
以上对本发明所提供的一种结构光投影仪及3D摄像头进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种结构光投影仪，其特征在于，所述结构光投影仪包括：
泛光光源；
设置在所述泛光光源出光侧的光路调制器；
设置在所述光路调制器背离所述泛光光源一侧的投影透镜装置；
其中，所述光路调制器用于调制所述泛光光源的输出光，以使所述输出光全输出或按照预设图案进行输出。
2.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述泛光光源为非相干光光源。
3.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述泛光光源包括：
衬底；
设置在所述衬底上的至少一个激光发射器。
4.根据权利要求3所述的结构光投影仪，其特征在于，任意相邻两个所述激光发射器之间存在间隔。
5.根据权利要求3所述的结构光投影仪，其特征在于，至少一个所述激光发射器在所述衬底上阵列排布。
6.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述泛光光源包括：
导光板；
位于所述导光板入光侧的至少一个LED发光单元；
位于所述导光板上表面的光学结构；
位于所述导光板下表面的反射片。
7.根据权利要求6所述的结构光投影仪，其特征在于，所述光学结构包括：
设置在所述导光板上表面的扩散片；
设置在所述扩散片背离所述导光板一侧的增光片。
8.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述光路调制器为液晶调制器；
所述液晶调制器包括：相对设置的第一基板和第二基板；
设置在所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；
其中，通过控制所述液晶层中液晶的偏转，以使所述液晶层处于全透光模式或部分透光模式。
9.根据权利要求8所述的结构光投影仪，其特征在于，所述结构光投影仪还包括：控制电路；
所述控制电路用于控制所述液晶层中液晶的偏转。
10.一种3D摄像头，其特征在于，所述3D摄像头包括：如权利要求1-9任一项所述的结构光投影仪。
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