CN109756725A - 结构光投影器、三维摄像头模组以及终端设备 - Google Patents

结构光投影器、三维摄像头模组以及终端设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了结构光投影器、三维摄像头模组以及终端设备，其中结构光投影器包括：光源阵列，用于发射至少两束光束；透镜阵列，用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直，以获得至少两束准直的独立相干光束；衍射光学元件阵列，用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制，以获得至少两个衍射光束。使用本发明，可以减少光源阵列至透镜阵列之间的光路长度，因此可以减少结构光投影器的高度，使得结构光投影器可以轻薄化发展。

Description

结构光投影器、三维摄像头模组以及终端设备
技术领域
本发明涉及图像处理技术，具体涉及结构光投影器、三维摄像头模组以及终端设备。
背景技术
距离信息在物体识别、路径规划以及场景复原上都有着重要应用。人类可以轻易地判断出障碍物距离我们有多远，但是对于笨拙机器人来说，这个任务就变得相当艰巨了。随着距离信息在各个不同的应用领域里变得越来越重要，深度检测自然成为了研究的重点。为了获取物体的深度信息，常用的手段是获取深度图像，其中深度图像的像素值可以反映场景中物体到相机的距离。获取深度图像的方法可以分为两类：被动测距传感和主动深度传感。
其中，被动测距传感中最常用的方法是双目立体视觉，该方法通过两个相隔一定距离的摄像机同时获取同一场景的两幅图像，通过立体匹配算法找到两幅图像中对应的像素点，随后根据三角原理计算出时差信息，而视差信息通过转换可用于表征场景中物体的深度信息。基于立体匹配算法，还可通过拍摄同一场景下不同角度的一组图像来获得该场景的深度图像。
主动测距传感相比较于被动测距传感最明显的特征是：设备本身需要发射能量来完成深度信息的采集。这也就保证了深度图像的获取独立于彩色图像的获取。近年来，主动深度传感在市面上的应用愈加丰富。主动深度传感的方法主要包括了TOF(Time ofFlight)、结构光、激光扫描等。其中，结构光是具有特定模式的光，其具有例如点、线、面等模式图案。基于结构光的深度图像获取原理是：将结构光投射至场景，并由图像传感器捕获相应的带有结构光的图案。由于结构光的模式图案会因为物体的形状发生变形，因此通过模式图像在捕捉得到的图像中的位置以及形变程度利用三角原理计算即可得到场景中各点的深度信息。结构光测量技术提供了高精度并且快速的三维信息，其在汽车、游戏、医疗等领域均已经得到了广泛的应用。
当前，高精度三维(3D：three-dimension)摄像头模组在手机、平板电脑等移动终端设备中的需求越来越强烈，而小型紧凑的光学投影器是3D摄像头模组中的关键器件。图1描述了现有的一种结构光投影器的结构，包括：光源101，透镜102和衍射光学元件(DOE：diffraction optical element)103。
其中，光源101用于按照预设发散角发射光束，透镜102用于准直光源101发射的光束，DOE 103用于对准直后的光束进行调制，从而获得衍射光束，使得结构光投影器可以投射出具有预设视场角(FOV：field of view)的衍射光束，该衍射光束用于投影特定的结构光图像。其中，光源101，透镜102和DOE 103的中心在一条直线上。其中，结构光投影器的高度可以由光源至透镜之间的光路长度以及透镜至DOE之间的光路长度来决定。
从上可知，由于现有的结构光投影器需要比较长的光路来使得光源发射的光束的投射面积达到预定的投射直径，即透镜的直径，导致现有的结构光投影器的高度比较高，而移动终端的发展趋势是轻薄化发展，因此结构光投影器的高度成了制约结构光投影器应用于移动终端的最大因素。
发明内容
本发明实施例提供了结构光投影器、三维摄像头模组以及终端设备，其中，结构光投影器的高度能够适应于轻薄化发展的移动终端。
本发明的第一方面提供了一种结构光投影器，包括：
光源阵列，用于发射至少两束光束；
透镜阵列，用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直，以获得至少两束准直的独立相干光束；
DOE阵列，用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制，以获得至少两个衍射光束。
由于光源阵列发射了至少两束光束，因此通过所述至少两束光束来使得光源发射的光束的投射面积达到预定的投射直径时所需要的光路长度较短，从而可以减少光源阵列至透镜阵列之间的光路长度。
结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述DOE阵列包括至少两个独立的DOE，所述至少两个独立的DOE用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制。
使用独立的DOE来组成DOE阵列，由于单个DOE的面积小，因此生产成本低且良品率搞，从而可以降低DOE阵列的生产成本。
结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述至少两个DOE使用相同的设计算法获得；或者，所述至少两个DOE使用不同的设计算法获得。
在所述至少两个DOE使用相同的设计算法获得时，可以降低DOE阵列的设计成本；在所述至少两个DOE使用不同的设计算法获得时，可以兼顾不同设计算法的有点，提高DOE阵列的适用范围。
结合第一方面，在第一方面的第三种实施方式中，所述DOE阵列包括至少两个DOE区域，所述至少两个DOE区域用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制。
在DOE阵列包括的是至少两个DOE区域时，DOE阵列可以一体成型生产，可以降低结构光投影器的安装难度，从而提高安装效率。
可以理解的是，在一些实施方式中，DOE阵列可以同时包括独立的DOE和DOE区域。
结合第一方面的第三种实施方式，在第一方面的第四种实施方式中，所述至少两个DOE区域使用相同的设计算法获得；或者，所述至少两个DOE区域使用不同的设计算法获得。
在所述至少两个DOE区域使用相同的设计算法获得时，可以降低DOE阵列的设计成本；在所述至少两个DOE区域使用不同的设计算法获得时，可以兼顾不同设计算法的有点，提高DOE阵列的适用范围。
结合第一方面的第二种实施方式或第四种实施方式，在第一方面的第五种实施方式中，所述设计算法为G-S(Gerchberg-Saxton)算法，或杨-顾(Y-G：Yang-Gu)算法，或严格耦合波分析(RCWA：rigorous coupled wave analysis)算法。
结合第一方面，或第一方面的第一种实施方式至第五种实施方式中的任意一种，在第一方面的第六种实施方式中，所述光源阵列包括至少两个独立的光源，所述至少两个独立的光源用于发射至少两束光束。
使用独立的光源组成光源阵列，可以降低光源阵列的生产成本。
结合第一方面的第六种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，所述至少两个独立的光源包括边发射激光光源。
结合第一方面，或第一方面的第一种实施方式至第五种实施方式中的任意一种，在第一方面的第八种实施方式中，所述光源阵列包括至少两个发光点，所述至少两个发光点用于发射至少两束光束。
由发光点组成光源阵列，可以使得光源阵列可以一体化生产，降低了结构光投射器的安装成本。
结合第一方面的第八种实施方式，在第一方面的第九种实施方式中，所述光源阵列为包括所述至少两个发光点的垂直腔面发射激光器。
结合第一方面，或第一方面的第一种实施方式至第九种实施方式中的任意一种，在第一方面的第十种实施方式中，所述透镜阵列包括至少两个独立的透镜，所述至少两个独立的透镜用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直。
使用独立的透镜组成透镜阵列，可以降低透镜阵列的生产成本。
结合第一方面，或第一方面的第一种实施方式至第九种实施方式中的任意一种，在第一方面的第十一种实施方式中，所述透镜阵列包括至少两个透镜区域，所述至少两个透镜区域用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直。
在透镜阵列包括至少两个透镜区域时，透镜阵列可以一体化生产，能够降低结构光投射器的安装成本。
结合第一方面，或第一方面的第一种实施方式至第十一种实施方式中的任意一种，在第一方面的第十二种实施方式中，所述至少两束光束的数量为9。
在实际应用中，光源阵列，透镜阵列和DOE阵列可以都使用一体化生产获得，从而降低结构光投影器的安装成本，同时，由于各个阵列都是一体化生产，结构也相对更稳定，因而能够提高结构光投影器的抗震性，从而提高结构光投影器的耐用程度。
本发明第二方面提供了一种三维摄像头模组，包括第一方面，或者第一方面的第一种实施方式至第十二种实施方式中的任意一种所述的结构光投影器。
本发明第三方面提供了一种终端设备，包括本发明第二方面提供的三维摄像头模组。
其中，该终端设备具体可以是手机，平板电脑，可穿戴式设备，增强现实(AR：augmented reality)设备，虚拟现实(VR：virtual reality)设备，或车载设备等等。
从本发明实施例提供的以上技术方案可以看出，由于本发明实施例中结构光投影器使用光源阵列来发射至少两束光束，从而减少光源阵列至透镜阵列之间的光路长度，因此可以减少结构光投影器的高度，使得结构光投影器可以轻薄化发展，能够满足轻薄化发展的终端设备的要求，促进结构光投影器在终端设备上的应用，进而能够促进终端设备的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中结构光投影器的结构图；
图2为本发明实施例提供的三维摄像头模组的结构图；
图3为本发明实施例提供的结构光投影器的结构图；
图4为本发明实施例提供的光束的投影直径与光路长度的示意图；
图5为本发明一个实施例提供的光源阵列的结构示意图；
图6为本发明另一个实施例提供的光源阵列的结构示意图；
图7为本发明一个实施例提供的透镜阵列的结构示意图。
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作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。
本发明实施例提供的结构光投影器应用于3D摄像头模组，如图2所示，本发明实施例提供的一种3D摄像头模组的结构如图2所示，包括：
结构光投影器201，用于投影预设的结构光图像。其中，结构光是具有特定模式的光，其具有例如点、线、面等模式图像。
接收相机202，用于接收结构光投影器201投影的结构光图像在物体上的反射图像；其中，主要由成像镜头，滤光片和图像传感器等组成。
控制单元203，用于控制结构光投影器201投影所述结构光图像，以及控制结构光投影器201和接收相机202之间的信号同步。
其中，控制单元203在控制结构光投影器201投影所述结构光图像时，具体可以控制结构光投影器201中光源的开关以及开关的频率，从而控制结构光投影器201对所述结构光图像的投影频率以及具体的投影时机。由于光速很快，接收相机202接收反射图像的时机转瞬即逝，因此由控制单元203来控制控制结构光投影器201和接收相机202之间的信号同步，可以确保结构光投影器201投影了结构光图像后，接收相机202能够及时接收到反射图像。
处理单元204，用于对所述接收相机202接收的反射图像进行处理，以获得所述物体的深度信息。其中，处理单元204获得的深度信息可以被其他设备或应用所调用并使用。
其中，处理单元204在对发射图像进行处理时，具体可以先对反射图像进行预处理，以获得预处理后的图像，再基于所述预处理后的图像(接收到的图像)以及所述结构光图像(发射的图像，即原始图像)进行深度计算，从而获取所述物体的深度信息。其中，所述预处理可以包括去噪，增强和分割等。
由于结构光的模式图像会因为物体的形状发生变形，因此通过模式图像在反射图像中的位置以及形变程度，再利用三角原理计算即可得到物体的深度信息。
上述的控制单元203和处理单元204的划分是根据功能进行划分的，在实际应用中，控制单元203和处理单元204的实现可以通过软件方式实现，即在存储器中存储有实现控制单元203和处理单元204的功能的代码，处理器在执行了存储器中的代码后就可以实现控制单元203和处理单元204的功能。
其中，本发明一个实施例提供的结构光投影器201的结构如图3所示，包括：
光源阵列301，用于发射至少两束光束。
光束的具体数量可以根据结构光投影器201的高度来确定，结构光投影器的高度越低则光束的数量越多。光束的具体数量也可以根据结构光投影器需要投射的结构光图像的形状来确定，如果结构光图像是正方形的图像，则光束的数量可以是n×n，如果结构光图像是长方形的图像，则光束的数量可以是n×m，其中，n是不小于2的整数，m是不小于1的整数。例如，在一种实施方式中，结构光图像是正方形的图像，n的取值为2，3，或4等等。例如，图3中是3束光束，需要说明的是，图3仅仅是光束数量的示意，并不是对光束数量的限制。
图4为光束的投影直径与光路长度的示意图，描述了光源按照固定发散角发射光束时，使用不同数量的光源实现相同的投影直径时所需要的光路长度。如图4所示，光源401，光源402和光源403都是使用发散角α发射光束，其中光源401单独实现投影直径为D的投影，光路长度为L；光源402和光源403组合实现投影直径为D的投影，则这两个光源各自只需要实现投影直径为D/2的投影，相应地，这两个光源的光路长度只需要L/2。由此可见，在投影直径和光源的发散角固定时，使用的光源越多，相应地光路长度就越短，因此对应的结构光投影器的高度就会越低。同时，考虑到光源越多成本也越高，因此在实际应用中可以综合考虑结构光投影器的高度与成本之间的平衡。
在一种实施方式中，光源阵列301包括至少两个独立的光源，图5描述了本发明一个实施例提供的光源阵列301的结构，如图5所示，光源阵列301包括4个独立的光源，分别是光源5011，光源5012，光源5013和光源5014。该4个独立的光源可以固定在光源阵列板5015上，光源阵列板5015的作用是固定光源。在一种实施方式中，光源阵列板5015可以与光源5011～5014作为一个整体出厂，即由光源生产厂家生产光源阵列板和光源；在另一种实施方式中，光源阵列板5015可以是结构光投射器生产厂家生产或采购，光源生产厂家只需要生产光源，由结构光投射器生产厂家进行光源阵列的组装。其中，光源5011～5014可以是激光光源，例如在一种实施方式中，光源5011～5014可以是边发射激光(EEL：edge emittinglaser)光源。
在另一种实施方式中，光源阵列301是一体成型生产的，可以包括至少两个发光点，图6描述了本发明一个实施例提供的光源阵列301的结构，如图6所示，光源阵列301包括4个发光点，分别是发光点6011，发光点6012，发光点6013和发光点6014。该4个发光点可以固定在光源阵列板6015上。在一种实施方式中，光源阵列301具体可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL：Vertical cavity surface emitting laser)，在这种实施方式中，光源阵列301占用的空间更小，可以减少结构光投影器201的空间，也使得结构光投影器201装配更为简单。
透镜阵列302，用于对所述光源阵列301发射的至少两束光束进行准直，以获得至少两束准直的独立相干光束。
由于光源阵列301发射的至少两束光束是发散的，如果不对所述至少两束光束进行准直，则所述至少两束光束迟早会相遇，从而产生干涉现象。为了避免光源阵列301发射的至少两束光束产生干涉现象，由透镜阵列302在所述至少两束光束相遇前对所述至少两束光束进行准直，可以获得至少两束准直的独立相干光束，所述至少两束准直的独立相干光束的光路平行且没有重叠，因此所述至少两束准直的独立相干光束不会相遇，因此也不会产生干涉现象。
在一种实施方式中，透镜阵列302可以包括至少两个独立的透镜，由所述至少两个独立的透镜对光源阵列301发射的至少两束光束进行准直，一个透镜准直一束光束，也就是说，透镜阵列302包括的透镜数量与光源阵列301包括的光源/发光点的数量是相同的。图6描述了本发明一个实施例提供的透镜阵列302的结构，如图7所示，透镜阵列302包括4个独立的透镜，分别是透镜7011，透镜7012，透镜7013和透镜7014。该4个独立的透镜可以固定在透镜阵列板7015上，该透镜阵列板7015的作用是固定透镜。
在另一种实施方式中，透镜阵列302是一体成型生产的，可以包括至少两个透镜区域，由所述至少两个透镜区域对光源阵列301发射的至少两束光束进行准直，一个透镜区域准直一束光束，也就是说，透镜阵列302包括的透镜区域数量与光源阵列301包括的光源/发光点的数量是相同的。在透镜阵列302是一体成型生产时，由于不需要有将透镜固定在透镜阵列板上的装配操作，可以降低结构光投影器201的装配难度，提高装配效率。
DOE阵列303，用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制，以获得至少两个衍射光束。
DOE是基于光的衍射原理，利用计算机设计衍射图，并通过微电子加工技术直接在光学材料上制作表面浮雕的元件，从而能够灵活地控制波前位相和光线偏折，具体地，DOE在对独立相干光束进行调制时具体可以是对独立相干光束进行整形，分束和扩束等处理。
通过对DOE阵列进行设计，可以使得不同衍射光束的光路没有重叠，因此不会产生干涉现象，所述至少两个衍射光束对应的至少两个较小FOV的结构光子图像，所述至少两个较小FOV的结构光子图像可以合并成一个具有较大FOV的结构光图像；所述至少两个衍射光束在碰到物体后会被反射，反射图像可以被接收相机202接收。
其中，在一种实施方式中，所述DOE阵列303可以包括至少两个独立的DOE，由所述至少两个独立的DOE对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制。所述的至少两个独立的DOE可以是使用相同的设计算法设计确定，也可以使用不同的设计算法设计确定。其中，所述至少两个独立的DOE之间可以有缝隙，也可以没有缝隙。
在另一种实施方式中，所述DOE阵列303可以包括至少两个DOE区域，由所述至少两个DOE区域对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制。其中，所述DOE阵列303可以是一个整体的DOE，只是该DOE的不同区域用于对不同的独立相干光束进行调制。其中，所述至少两个DOE区域之间可以有缝隙，也可以没有缝隙。所述的至少两个DOE区域可以是使用相同的设计算法设计确定，也可以使用不同的设计算法设计确定。
其中，需要说明的是，在DOE阵列303包括的是至少两个DOE区域时，DOE阵列在物理上可以就是一个DOE，所述的至少两个DOE区域仅仅是从功能上进行的划分，即一个DOE区域用于对一个透镜/透镜区域准直后的独立相关光束进行调制。
在对DOE区域/DOE进行设计时，可以采用现有成熟的DOE设计算法，例如G-S(Gerchberg-Saxton)算法，或杨-顾(Y-G：Yang-Gu)算法，或严格耦合波分析(RCWA：rigorous coupled wave analysis)算法等等。
其中，光源阵列中的某一个光源/发光点的中心，透镜阵列中与所述某一个光源/发光点的对应的透镜/透镜区域的中心，以及DOE阵列中与所述某一个光源/发光点的对应的DOE/DOE区域的中心在一条直线上。其中，透镜阵列中与所述某一个光源/发光点的对应的透镜/透镜区域是指用于对所述某一个光源/发光点发射的光束进行准直的透镜/透镜区域，DOE阵列中与所述某一个光源/发光点的对应的DOE/DOE区域是指用于对所述对应的透镜/透镜区域准直后的独立相干光束进行调制的DOE/DOE区域。
由此可见，本发明实施例中的结构光投影器使用光源阵列来发射至少两束光束，从而减少光源阵列至透镜阵列之间的光路长度，因此可以减少结构光投影器的高度，使得结构光投影器可以轻薄化发展，能够满足轻薄化发展的终端设备的要求，促进结构光投影器在终端设备上的应用，进而能够促进终端设备的发展。
本发明实施例还提供了一种三维摄像头模组，所述三维摄像头模组包括了本发明实施例提供的结构光投影器。
本发明实施例还提供了一种终端设备，包括了本发明实施例提供的三维摄像头模组。其中，该终端设备具体可以是手机，平板电脑，可穿戴式设备，增强现实(AR：augmentedreality)设备，虚拟现实(VR：virtual reality)设备，或车载设备等等。
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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，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。

Claims (15)

1.一种结构光投影器，其特征在于，包括：
光源阵列，用于发射至少两束光束；
透镜阵列，用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直，以获得至少两束准直的独立相干光束；
衍射光学元件阵列，用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制，以获得至少两个衍射光束。
2.如权利要求1所述的结构光投影器，其特征在于，所述衍射光学元件阵列包括至少两个独立的衍射光学元件，所述至少两个独立的衍射光学元件用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制。
3.如权利要求2所述的结构光投影器，其特征在于，所述至少两个衍射光学元件使用相同的设计算法获得。
4.如权利要求1所述的结构光投影器，其特征在于，所述衍射光学元件阵列包括至少两个衍射光学元件区域，所述至少两个衍射光学元件区域用于对所述至少两束准直后的独立相干光束进行调制。
5.如权利要求4所述的结构光投影器，其特征在于，所述至少两个衍射光学元件区域使用相同的设计算法获得。
6.如权利要求3或5所述的结构光投影器，其特征在于，所述设计算法为G-S算法，或YG算法，或RCWA算法。
7.如权利要求1至6任一所述的结构光投影器，其特征在于，所述光源阵列包括至少两个独立的光源，所述至少两个独立的光源用于发射至少两束光束。
8.如权利要求7所述的结构光投影器，其特征在于，所述至少两个独立的光源包括边发射激光光源。
9.如权利要求1至6任一所述的结构光投影器，其特征在于，所述光源阵列包括至少两个发光点，所述至少两个发光点用于发射至少两束光束。
10.如权利要求9所述的结构光投影器，其特征在于，所述光源阵列为包括所述至少两个发光点的垂直腔面发射激光器。
11.如权利要求1至10任一所述的结构光投影器，其特征在于，所述透镜阵列包括至少两个独立的透镜，所述至少两个独立的透镜用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直。
12.如权利要求1至10任一所述的结构光投影器，其特征在于，所述透镜阵列包括至少两个透镜区域，所述至少两个透镜区域用于对所述光源阵列发射的至少两束光束进行准直。
13.如权利要求1至12任一所述的结构光投影器，其特征在于，所述至少两束光束的数量为9。
14.一种三维摄像头模组，其特征在于，包括如权利要求1至13任一所述的结构光投影器。
15.一种终端设备，其特征在于，包括如权利要求14所述的三维摄像头模组。
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