CN109901300A - 一种基于垂直腔面发射激光器规则点阵的激光散斑投射器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL规则点阵的激光散斑投射器，包括VCSEL规则发光点阵、准直镜、光学衍射器件、X‑Y方向驱动电路、点阵显示控制模块，通过驱动VCSEL规则发光点阵上不同的发光颗粒，分时输出多帧不同的编码图案，从而实现对目标物体或投射空间的时空标记，最后通过深度解码算法完成目标物体的三维深度测量，相比传统的结构光空间编码技术，本发明的投射器有助于实现时空编码，从而在深度解码进行三维深度测量过程中能获得更高的精度、鲁棒性和抗干扰能力。

Description

一种基于垂直腔面发射激光器规则点阵的激光散斑投射器
技术领域
本发明涉及计算机视觉、深度感知、激光成像技术领域，具体涉及一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)规则点阵的激光散斑投射器。
背景技术
深度感知技术用于感知空间物体的形状和距离信息，是计算机视觉领域研究和应用开发的热点方向。基于结构光的主动视觉深度感知技术可以较为准确地获取图像的深度信息，相比双目立体摄像头，具有获取的深度图信息更稳定可靠、不受环境光影响、立体匹配过程简单、算法计算量小等优势。其中，激光散斑投射器是结构光深度感知技术的关键设备之一，所投射的编码图案将直接影响深度解码计算的复杂度、深度测量的精度和分辨率。
垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，相比发光二极管LED和激光二极管LD(Laser Diode)，其光学腔体取向和半导体晶圆垂直，可以从表面发光，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，在光通信、光互连、光存储等领域已得到广泛应用。
激光散斑投射器在结构上主要包括发光源、准直镜和/或衍射光学器件DOE(Diffractive Optical Element)构成，其中多数激光散斑投射器采用单点光源进行垂直发光或结合45°反射进行边侧发光，存在体积大、光电转换效率低、温漂影响大等问题；也有部分激光散斑投射器采用非规则的随机VCSEL点阵排列，投射基础编码图案，经衍射光学器件DOE复制后投射，其点阵排列为随机发光点阵，存在点阵排列位置精度不够高、点阵制作密度有限、制作良率低等问题，而且随机发光点阵作为基础编码图案，经DOE复制拼接时，图案的边缘点阵之间容易重叠或过于稀疏，导致最终形成的激光散斑编码图案跟设计的编码图案差距大。此外，现有的激光散斑投射器所投射的散斑编码图案基本上是固定不变的，用于对目标物体或投射空间的空间编码，在结构光深度感知过程中受环境光的影响大，而不利于提高深度测量精度和鲁棒性。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL规则点阵的激光散斑投射器，制作VCSEL规则发光点阵，通过X-Y方向驱动电路驱动不同的发光点，分时生成多帧不同的编码图案，作为基础编码图案；再经过准直镜准直，衍射光学器件DOE对每帧基础编码图案进行复制、拼接生成大视角的激光散斑编码图案，投射后，实现对目标物体或投射空间的时空标记。本发明涉及的激光散斑投射器不仅可提高VCSEL发光点阵制作的良率、发光效率和密度，有利于编码图案的精确制作，而且可以实现结构光的时空编码，提高结构光三维深度测量的精度、鲁棒性和抗干扰能力。
具体地，本发明公开了一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL规则点阵的激光散斑投射器(10)，其特征在于：
所述投射器包括VCSEL规则发光点阵(11)、VCSEL发光颗粒(12)、准直镜(13)、X-Y方向驱动模块(15)、显示控制模块(16)，其中：
所述VCSEL规则发光点阵(11)，基于同一个VCSEL发光基板或多个VCSEL发光基板组成，在所述一个或多个发光基板上规则排列多个VCSEL发光颗粒(12)，
所述准直镜(13)对VCSEL发光基板上所有VCSEL发光颗粒(12)发射的光线进行准直处理，
所述X-Y方向驱动模块(15)用于在X-Y轴方向恒流驱动VCSEL发光基板上规则排布的VCSEL发光颗粒，
所述显示控制模块(16)依据编码规则，选择部分符合当前帧编码规则或某一区域内的VCSEL发光颗粒并通知驱动模块(15)对这批被选择的VCSEL发光颗粒进行驱动显示。
所述投射器进一步包括：
一衍射光学器件DOE(14)，所述衍射光学器件DOE(14)对VCSEL发光基板发射的基础编码图案进行复制和拼接。
本发明的激光散斑投射器通过驱动VCSEL规则发光点阵上不同的发光颗粒，分时输出多帧不同的编码图案，从而实现对目标物体或投射空间的时空标记，最后通过深度解码算法完成目标物体的三维深度测量。相比传统的结构光空间编码技术，本发明的投射器有助于实现时空编码，从而在深度解码进行三维深度测量过程中能获得更高的精度、鲁棒性和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明基于垂直腔面发射激光器VCSEL规则点阵的激光散斑投射器结构示意图；
图2(a)是本发明VCSEL规则发光点阵排布的一种实施例设计；
图2(b)是本发明VCSEL规则发光点阵排布的另一种实施例设计；
图3是本发明依据编码规则对VCSEL发光点阵上的发光颗粒编码示意图；
图4(a)是本发明按区域驱动VCSEL发光颗粒的一种实施例设计；
图4(b)是本发明按区域驱动VCSEL发光颗粒的一种实施例设计；
图5是本发明生成的一种基于随机散斑的VCSEL编码图案示意图；
图6是本发明生成的一种基于规则符号阵列编码的VCSEL编码图案示意图；
图7是本发明生成的一种基于散斑+规则符号阵列编码的VCSEL编码图案示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-7对本发明提供的投射器进行进一步的详细说明。
本发明公开的基于垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser)规则点阵的激光散斑投射器10，如图1所示，包括VCSEL规则发光点阵11、VCSEL发光颗粒12、准直镜13、X-Y方向驱动模块15、显示控制模块16，其中：
所述VCSEL规则发光点阵11，可以基于同一个VCSEL发光基板或多个VCSEL发光基板组成，在发光基板上规则分布排列着多个VCSEL发光颗粒12，发光颗粒的个数为整数个(2、3、4.....k个)，发光颗粒之间等间距排列，排列密度可变；所形成的规则发光点阵11的形状，可以为正方形、长方形、圆形、三角形、多边形等。
所述准直镜13对VCSEL发光基板上所有VCSEL发光颗粒12发射的光线进行准直处理，即使光源发射的光线平行射出或按一定的景深范围进行对焦。所述准直镜大小应与发光基板的发光区域大小紧密结合。
所述X-Y方向驱动模块15用于在X-Y轴方向恒流驱动VCSEL发光基板上规则排布的发光颗粒，既可以选择只驱动部分发光颗粒，也可以通过调节电流大小来改变每个发光颗粒的发光强度，形成灰度阶层。
所述显示控制模块16依据编码规则，可以选择部分符合当前帧编码规则或某一区域内的VCSEL发光颗粒并通知驱动模块15对这批被选择的VCSEL发光颗粒进行驱动显示，生成一帧编码图案，进行空间编码；也可以依据时空编码规则，分多帧进行显示控制。编码规则可由外部处理器通过标准接口下达。
其中，当显示控制模块16依据编码规则选择部分符合当前帧编码规则或某一区域内的VCSEL发光颗粒，并且通知驱动模块15对被选择的发光颗粒进行驱动显示时，将投射出某一帧编码图案，该图案可以由随机散斑点构成，也可以由规则符号M阵列编码构成，也可以由散斑+规则符号混合编码构成；具体地，由随机散斑点构成的散斑编码图案如图5所示，由规则符号M阵列编码构成的散斑编码图案如图6所示，由散斑+规则符号混合编码构成的散斑编码图案如图7所示。
驱动模块15根据显示控制模块16的指令驱动VCSEL规则发光点阵11中部分VCSEL发光颗粒12，还可以在时间轴上组成多帧不同的基础编码图案，最终经准直镜13和/或DOE14复制拼接后，形成多帧散斑时空编码图案17，投射到目标物体或投射空间上，从而对目标物体形成时空编码和标记。此时投射的多帧散斑时空编码图案可以在时间轴上由多帧图案构成编码方案，比如条纹结构光、相移结构光等。
在另一个实施例中，所述投射器10进一步包括一衍射光学器件DOE14，所述衍射光学器件DOE14对VCSEL发光基板发射的基础编码图案进行复制、拼接，比如m*n块，其中m、n都是1、2、3.....整数。DOE将确保所复制的各块编码图案经拼接后，在对比度、亮度、均匀性、畸变状况、拼接缝隙均匀性等较为一致。
就上述实施例而言，该装置的基本功能在于：显示控制模块16根据外部发过来的编码规则通过X-Y方向驱动模块15，对发光基板上规则排列的VCSEL发光点阵中每个发光颗粒进行单独开关和/或发光强度控制，或同时控制部分符合当前帧编码规则的所有发光颗粒，从而形成由VCSEL发光点组成的符合当前帧形状的散斑编码图案，组成该编码图案中的所有VCSEL发光颗粒发出的光线经准直镜准直后形成能量更集中、对比度更高的激光散斑点，该编码图案再经衍射光学器件DOE复制和拼接后，对目标物体或投射空间进行编码标记。单帧散斑编码图案可以进行空间标记，多帧连续的不同散斑编码图案则可进行时空标记。
优选的，所述VCSEL发光点阵的形状可以是正方形、长方形、三角形，多边形或者圆形等。该发光点阵基于同一个VCSEL发光基板或多个VCSEL发光基板组成。
优选的，所述发光颗粒均匀且规则的排列在发光基板上，如图2(a)、图2(b)所示，发光颗粒为孔径为d的圆形发光元件，以两两相邻中心间距为s的规则，均匀分布在正方形和圆形基板上。
优选的，所述显示控制模块可以对单个发光颗粒单独进行控制，即每个发光颗粒都有对应的开关信号和电流强度信号；也可以对多个发光颗粒进行统一控制，即同一组中的多个发光颗粒只有一个开关信号和电流强度信号，或者同时点亮或者同时熄灭。
优选的，所述显示控制模块包含外部通信接口，用户通过外部通信接口调节发光基板上每个发光元件的点亮、熄灭或者，从而生成不同形状的编码图案；图3为根据图2(a)发光基板上发光颗粒的分布情况和一组随机生成的二维数组(二维数组大小与发光颗粒的分布一一对应，该数组中只有0和1，0表示熄灭对应位置的发光颗粒，1表示点亮对应位置的发光颗粒)点亮的一幅随机散斑图案，黑色的圆点表示被点亮的发光颗粒。图4(a)、图4(b)为选择VCSEL发光基板上部分区域的发光颗粒进行点亮，具体地，如图4(a)、图4(b)所示，如果选择C区域点亮，则只点亮C区域内标记为1的发光颗粒，对应投射后小视场角的编码图案，只点亮一小部分发光颗粒，有助于解决功耗问题；如果进一步选择B区域点亮，则进一步在C区域点亮的基础上，再点亮B区域内标记为1的发光颗粒，对应投射后更大视场角的编码图案；如想再进一步扩大编码图案的视场角，则可以采用A区域(自动包括B和C区域)。通过划分控制不同区域的发光颗粒，实现不同应用场合需要不同大小视场角的结构光编码问题，解决了不同应用场合降低功耗的难题。
优选地，所述显示控制模块不仅可以控制投射一幅固定编码图案对空间物体进行标记，同时也可以控制多幅不同的编码图案分时输出，用于对空间物体的时空标记。
本发明不仅支持不同种激光源产生的结构光模式，如红外、可见光、紫外线、不可见光等，也可使用不同形状发光元件的投射方案，如圆点状、块状、十字状、条纹状等的。图4(a)、图4(b)所示的分区域点亮VCSEL发光区域，其形状不限于正方形、长方形、圆形；所分区域的块数也不限于A、B、C三块，可以2层、3层、4层.......n层；所分子区域的形状不限于规则的形状，可以依据拼接规则来改变。本发明采用VCSEL作为发光颗粒，也可采用LED、LD等其它光源。因而在不脱离本发明的精神和范围内的修改和完善，均应包含在上述的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL规则点阵的激光散斑投射器(10)，其特征在于：
所述投射器包括VCSEL规则发光点阵(11)、VCSEL发光颗粒(12)、准直镜(13)、X-Y方向驱动模块(15)、显示控制模块(16)，其中：
所述VCSEL规则发光点阵(11)，基于同一个VCSEL发光基板或多个VCSEL发光基板组成，在所述一个或多个发光基板上规则排列多个VCSEL发光颗粒(12)，
所述准直镜(13)对VCSEL发光基板上所有VCSEL发光颗粒(12)发射的光线进行准直处理，
所述X-Y方向驱动模块(15)用于在X-Y轴方向恒流驱动VCSEL发光基板上规则排列的VCSEL发光颗粒(12)，
所述显示控制模块(16)依据编码规则，选择部分符合当前帧编码规则或某一区域内的VCSEL发光颗粒(12)并通知所述X-Y方向驱动模块(15)对这批被选择的VCSEL发光颗粒(12)进行驱动显示。
2.如权利要求1所述的投射器，其特征在于：优选的，
所述投射器进一步包括：
一衍射光学器件DOE(14)，所述衍射光学器件DOE(14)对VCSEL发光基板发射的基础编码图案进行复制和拼接。
3.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
VCSEL规则发光点阵(11)根据显示控制模块(16)的指令驱动VCSEL发光颗粒(12)，从而在时间轴上组成多帧不同的基础编码图案，最终经准直镜(13)和/或DOE(14)复制拼接后，形成多帧散斑时空编码图案。
4.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
发光颗粒的个数为整数，发光颗粒之间等间距排列。
5.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
所述规则发光点阵的形状，为正方形，长方形，圆形，三角形，或多边形。
6.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
所投射的散斑编码图案可以由随机散斑点构成，也可以由规则符号M阵列编码构成，也可以由散斑+规则符号混合编码构成。
7.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
X-Y方向驱动模块可以只驱动部分发光颗粒，或按区域驱动部分VCSEL发光颗粒。
8.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
X-Y方向驱动模块通过调节电流大小来改变每个发光颗粒的发光强度，形成灰度阶层。
9.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
所述显示控制模块控制投射一幅固定编码图案对空间物体进行标记，或者控制多幅不同的编码图案分时输出，用于对空间物体的时空标记。
10.如权利要求1或2所述的投射器，其特征在于：
所述显示控制模块(16)依据编码规则，选择某一区域的VCSEL发光颗粒(12)可以分批次进行区域选择，前批次被选择的区域中被点亮的发光颗粒在后批次选择操作中自动被点亮。
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