CN110095882A - 具有自动对焦装置的结构光投射装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一具有自动对焦装置的结构光投射装置及其方法，该装置包括一结构光投射器和一自动对焦装置，其中，所述结构光投射器包括用于发出光线一激光发射器和用于将激光发射器发出的光线转化为具有特定图案的光线的一光学系统；所述自动对焦装置包括一马达和一马达控制器。在马达控制器驱动马达移动时，该马达可以带动所述光学系统移动进而调整所述激光发射器和所述光学系统之间的相对位置，进而提高所述投射图案的均匀性。

Description

具有自动对焦装置的结构光投射装置及其方法

技术领域

本发明涉及摄像技术领域，特别是涉及一自动对焦装置的结构光投射装置及其方法。

背景技术

伴随着投射器技术的日渐成熟和3D摄像行业的快速发展，目前普通的投射器已无法满足现在市场的需求，例如摄像模组和散斑投射器配合工作，在三维重建、人脸识别等领域都得到广泛的应用，但是受限于定焦散斑投射器随着工作距离的增加发光强度衰减，在不同工作距离散斑点的一致性差。

传统的投射器，例如散斑投射器，通常包括激光发射器和光学系统两部分组成，其中，所述激光发射器用于发出光线，所述光学系统用于将所述激光发射器发出的光线转化为散斑图案，但是传统的激光发射器和所述光学系统之间的位置关系是不可变的。这一问题限制了传统的投射器的工作距离有限，只能在一定距离内工作才能达到预期效果，例如，现在普通的散斑投射器工作距离只有0.3M-1.2M，如果超过了这一距离，就会导致散斑投射器的散斑图案过暗，特别是随着距离的增加，所形成散斑图案的散斑点的均匀性更差，无法运用在现有的三维重建或者三维扫描等技术领域。相应地，如果该散斑投射器的工作距离小于0.3m，又会造成该散斑投射器所形成的散斑图案太亮，仍然不能运用在当下三维重建技术领域。

因此，如何能够使不同距离的散斑点均匀性一直，从而能更好完成三维重建，最大限度地挖掘该散斑投射器的性能，成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有自动对焦装置的结构光投射装置及其方法，其中，所述具有结构光投射器的自动对焦装置可以调整不同距离的投射图像的光斑点均匀性一致。

本发明的另一个目的在于提供一种自动对焦装置的结构光投射装置及其方法，其中，该结构光投射器具有自动对焦装置，可以调整结构光投射器的投射图像的均匀性。

本发明的另一个目的在于提供一种自动对焦装置的结构光投射装置及其方法，其中，该自动对焦装置包括一马达，该马达可以沿着不同的方向调整结构光投射器，以便获得更为均匀的投射图像。

本发明的另一个目的在于提供一种自动对焦装置的结构光投射装置及其方法，其中所述具有结构光投射器的自动对焦装置可以改变结构光投射器的激光发射器和所述光学系统之间的相对位置关系，从而使得所述结构光投射器有更多的应用领域。

本发明的另一个目的在于提供一种自动对焦装置的结构光投射装置及其方法，其中所述具有结构光投射器的自动对焦装置可使不同距离的投射图案具有更好的对比度。

依本发明的一个方面，本发明进一步提供一具有自动对焦装置的结构光投射装置，其包括：

一结构光投射器，包括用于发射光线一激光发射器和一光学系统；和

一自动对焦装置，包括用于调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置的一马达和用于驱动马达移动的一马达控制器。

依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一具有自动对焦装置的结构光投射装置，其包括：

一结构光投射器，包括用于发射光线的一激光发射器和一光学系统；和

一自动对焦装置，包括用于带动所述光学系统的至少一光学部件移动的一马达用和驱动马达移动的一马达控制器。

依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一具有自动对焦装置的结构光投射装置产生投射光的方法，其包括以下步骤：

一激光发射器发出光线经过一光学系统形成一具有投射图案的光线；

一马达控制器驱动一马达移动；

所述马达调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置投以调整所述投射图案在不同距离的光斑点的均匀性。

依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一具有自动对焦装置的结构光投射装置产生投射光的方法，其包括以下步骤：

一激光发射器发出光线经过一光学系统形成一具有投射图案的光线；

一马达控制器驱动一马达移动；以及

所述马达带动所述光学系统的至少一光学部件移动以调整所述投射图案在不同距离的光斑点的均匀性。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的自动对焦装置的结构光投射装置的结构示意图。

图2是根据本发明的上述优选实施例的自动对焦装置的结构光投射装置的爆炸示意图。

图3是根据本发明的另一个优选实施例的自动对焦装置的结构光投射装置的结构示意图。

图4是根据本发明的另一个优选实施例的自动对焦装置的结构光投射装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。

在本发明的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，显示了本发明的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中，所述具有自动对焦装置的结构光投射装置包括一结构光投射器10和一自动对焦装置20，其中，所述自动对焦装置20被电连接安装在所述结构光投射器10用以控制结构光投射器10。

如图1至图2所示，所述结构光投射器10包括一激光发射器11和一光学系统12，其中，所述激光发射器11可用于发射光线并传送给所述光学系统12，通过所述光学系统12形成一具有投射图案的光线；在本发明中，所述激光发射器11可以为发光二极管(laserdiode)也可以为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)，还可以为其他类似激光器。另外所述结构光投射器10进一步包括一电路板14和一镜筒13用于固定和保护所述光学系统12，其中，所述激光发射器11电连接于所述电路板14并安装于所述电路板14；其中，所述镜筒13被用于安装所述光学系统12，所述光学系统12安装于所述镜筒13内，其中，所述镜筒13可安装在所述电路板14上。

在本发明中，所述结构光投射器10可以为散斑投射器，也可以为编码投射器，为了清楚说明本发明的结构光投射器10在自动对焦装置20的作用下的调整过程，以下将以散斑投射器为例作为结构光投射器10。因此，本领域技术人员应当理解的是，在本发明中，所述结构光投射器10不仅仅局限于所述散斑投射器和所述编码投射器，可以为其他类型的投射器。

如图1至图2所示，以散斑投射器为例，所述散斑投射器10包括所述的激光发射器11和所述光学系统12，其中，所述光学系统12用于将所述激光发射器11发出的光线转化为特定的投射图案，所述光学系统12包括一准直系统122和一衍射光学元件121(DiffractiveOptical Elements简称DOE)，其中所述准直系统122用于将所述激光发射器11所发出的光线转化为平行光束，并将穿过所述准直系统122至所述衍射光学元件121，将所述光线形成特定的所述投射图像。

另外，熟悉本领域的技术人员应当理解，所述结构光投射器10通过调整所述激光发射器11和所述光学系统12之间的位置关系可以调节不同距离的散斑点的均匀性。例如，传统散斑投射器工作距离只有0.3M-1.2M，如果超过了这一距离，就会导致散斑投射器的散斑图案过暗，特别是随着距离的增加，所形成散斑图案的散斑点的均匀性更差，因此可以适当调整所述激光发射器11和所述光学系统之间的相对位置一获得更为均匀的投射图案；相应地，如果该散斑投射器的工作距离小于0.3m，又会造成该散斑投射器所形成的散斑图案太亮，因此可以适当增加，因此可以适当调整所述激光发射器11和所述光学系统之间的相对位置一获得更为均匀的投射图案。从而可以扩大所述结构光投射器10的工作距离和工作范围，以便适用更多的工作场景。

具体来说，调整所述散斑投射器10的所述激光发射器11和所述光学系统12之间的相对位置关有几种调整方式，我们可以保持所述激光发射器11位置不变，调整所述光学系统12相对于所述激光发射器11的位置关系，在调整所述光学系统12移动过程中，也分为几种方式，分别为光学系统12在自动对焦装置20带动下移动来调整所述光学系统12和激光发射器11之间的相对位置关系以达到调节散斑点的均匀性；也可以通过调整所述光学系统12的所述准直系统122相对于所述激光发射器11的位置，而所述激光发射器11和所述光学系统12的所述衍射光学元件121的相对位置不变来达到调节所述散斑点均匀性一致的目的；也可以通过调节所述光学系统12的所述衍射光学元件121性相对于所述激光发射器11之间的位置，而所述激光发射器11和所述准直系统122之间的相对位置关系不变来达到调节所述散斑点均匀性一致的目的；另外，还可以保持所述光学系统12固定，通过自动对焦装置20带动激光发射器11移动来达到散斑点的均匀性。

如图2所示，所述自动对焦装置20被安装在所述结构光投射器10上，所述结构光投射器以所述散斑投射器为例，其中，所述自动对焦装置20包括一马达22，可用于带动所述光学系统12的移动，和一马达控制器21，用于驱动马达22，其中，所述马达控制器21被固定安装于所述电路板14，并电连接于所述激光发射器11可用以控制所述马达22；所述马达22被可活动地安装在所述镜筒内用于驱动所述光学系统12，进而用于调整所述光学系统12相对于所述激光发射器11的相对位置。具体来说，所述马达控制器21驱动所述马达22移动，通过所述马达22移动带动所述光学系统12相对所述激光发射器11移动用以改变所述激光发射器11和所述光学系统12的所述准直系统122之间的相对位置，以便实现结构光投射器10在不同距离的光斑点均匀性一致，即在这个实施例中使不同距离的散斑点均匀性一致。更进一步地，所述马达控制器21可以驱动所述马达22沿着X轴，或者Y轴，或者Z轴方向移动，以达到更为精确的调整以获得更为均匀的投射图案。

更进一步地，当所述马达控制器21带动所述马达22沿着X轴方向或者Y轴方向移动时，所述马达22带动所述光学系统12发生相应地位移，不改变所述激光发射器11和所述光学系统12之间的距离，但是改变所述激光发射器11和所述光学系统12之间的相对位置，从而可以调整所述散斑点的均匀性；相似的，当所述马达控制器21驱动所述马达22沿着Z轴方向移动时，所述马达22带动所述光学系统12发生相应地位移，改变所述激光发射器11和所述光学系统12之间的距离，以便调节散斑点的均匀性。需要说明的是，所述马达12带动所述光学系统12移动，意味着所述马达12同时带动所述准直系统122和所述光学衍射元件121移动，而所述准直系统122和所述光学衍射元件121之间的相对位置不变，仅仅调整所述准直系统122和所述光学衍射元件121相对于所述激光发射器11之间的位置关系。

例如，假定所述结构光投射器10为散斑投射器，当所述激光发射器11发射光线并经过所述光学系统12形成一具有散斑图案的光线，由于所述散斑投射器的工作距离过远，就会得到一个散斑点均匀性很差并且较暗的散斑图案。此时，所述马达控制器21就会驱动所述马达21移动，进而带动所述光学系统12移动，以便来改变所述光学系统2和所述激光发射器11之间的相对位置，更具体地，所述马达22可以带动所述光学系统12沿着X轴，或者Y轴，或者Z轴方向移动，从而改变所述光学系统12和所述激光发射器11之间的相对位置，获得相对均匀的投射图案。本领域的技术人员应当理解，所述马达22带动所述光学系统12的移动步骤是不断重复和矫正的过程，以上例子不代表只能进行一次调整，可以多次调整和纠正以获得均匀性更好的投射图案。

因此，如图1至图2所示，完成所述结构光投射器10自动对焦过程的步骤如下：

首先是由通过所述结构光投射器10的所述激光发射器11发出光线；并传送给所述结构光投射器10的所述光学系统12；所述激光发射器11发出的光线在通过所述光学系统12后会形成具有投射图案的光线；形成的投射图案的散斑点可能均匀性并非一致，需要通过所述自动对焦装置20调整所述结构光投射器10的光学系统12和所述激光发射器11之间的相对位置关系；其次，调节所述自动对焦装置的所述马达控制器21驱动所述马达22，根据所述结构光投射器10所形成的投射图案的散斑点的均匀性是否一致，来调整所述马达22在X轴或者Y轴或者Z轴方向上移动；最后，所述马达22带动所述光学系统12发生相应的位移，其中，由于所述马达22被固定安装在所述光学系统12上，所述光学系统12会随着所述马达22的移动而发生相应地位移，例如，如果所述马达22沿着所述Z轴方向移动，相应地，所述光学系统12的所述准直系统122和所述光学衍射元件121同时地也会沿着Z轴方向移动，从而调整所述光学系统12和所述激光发射器11之间的相对位置，以便提高所述投射图案在不同距离的均匀性。值得一说的是，调整所述投射图案的过程为一个持续调整过程，不断重复以上步骤，以便更好的提高投射图案在不同距离上的均匀性。

另外，类似地，所述马达22可以带动所述激光发射器11移动进而改变所述激光发射器11和所述光学系统12之间的相对位置。所述自动对焦装置20的所述马达控制器21被固定设置在所述光学系统12，用于驱动所述马达22，通过马达的移动带动所述激光发射器11的移动，进而调整所述激光发射器11和所述光学系统12之间的相对位置。具体来说，当所述结构光投射器投射出的特定投射图案的散斑点均匀性不一致时，所述马达控制器21会驱动所述马达22移动，同时，所述马达22移动带动所述激光发射器11移动，进而可以调整所述光学系统12和所述激光发射器11之间的相对位置，以便提高结构光投射器投射图案的均匀性和对比度。

本领域的技术人员应当理解，所述马达控制器21驱动马达可以沿着X轴或者Y轴或者Z轴方向移动，值得注意的是，所述马达被固定安装在所述激光发射器11上，当所述马达控制器21驱动所述马达移动时，所述激光发射器11会随着所述马达的移动而移动，而所述光学系统12不会随着所述马达的移动而移动，进而改变光学系统12和所述激光发射器11之间的相对位置关系，从而可以调节所述投射图案的均匀性和对比度。

如图3所示，显示了本发明的上述实施例的变形实施例的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中，所述结构光投射装置包括一结构光投射器10A和一自动对焦装置20A，所述自动对焦装置包括一马达22A和一马达控制器21A，所述马达控制器21A被固定安装在结构光投射器10的一电路板14A上，其中，所述马达控制器21A可驱动所述马达22A的移动，进一步地，所述光学系统12A进一步包括一准直系统122A和一衍射光学元件121A，其中，所述衍射光学元件121A和所述准直系统122A间隔设置，所述自动对焦装置20A的所述马达22A被固定设置在所述准字系统122A上用于带动所述准直系统122的移动。具体来说，当所述结构光投射器10A投射出的特定投射图案的散斑点均匀性不一致时，所述马达控制器21A会驱动马达22A移动，同时，所述马达22A移动带动所述光学系统12A的所述准直系统122A移动，进而可以调整所述光学系统12A的准直系统122A和所述激光发射器11A之间的位置关系，以便提高结构光投射器10的投射图案的均匀性。

本领域的技术人员应当理解，所述马达控制器21A驱动所述马达22A可以沿着X轴或者Y轴或者Z轴方向移动，值得注意的是，所述马达22A被固定安装在所述准直系统122A上，当所述马达控制器21A驱动所述马达22A移动时，所述光学系统12A的所述衍射光学元件121A不会随着所述马达22A的移动而移动，而所述光学系统12A的所述准直系统122A随着所述马达22A的移动而移动，进而改变所述准直系统122A和所述激光发射器11A之间的相对位置关系，从而可以调节所述投射图案的均匀性。其具调节方式和本发明的第一实施例相同，这里不再赘述。

如图4所示，显示了本发明的上述实施例另一个变形实施例的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中，所述结构光投射装置包括一结构光投射器10B和一自动对焦装置20B，所述自动对焦装置包括一马达22B和一马达控制器21B，所述马达控制器21B被固定安装在结构光投射器10B的一电路板14B上，其中，所述马达控制器21B可驱动所述马达22B的移动，所述结构光投射器10B包括一激光发射器11B和一光学系统12B，其中所述光学系统12B用于将所述激光发射器11发出的光线变化为一具有特定投射图案的光线。

进一步地，所述光学系统12B进一步包括一准直系统122B和一衍射光学元件121B，其中，所述衍射光学元件121B和所述准直系统122B间隔设置，所述自动对焦装置20B的所述马达22B被固定设置在所述衍射光学元件121B上用于带动所述衍射光学元件121B的移动。具体来说，当所述结构光投射器10B投射出的特定投射图案的散斑点均匀性不一致时，所述马达控制器21B会驱动所述马达22B移动，同时，所述马达22B移动带动所述光学系统12B的所述衍射光学元件121B移动，进而可以调整所述光学系统12的衍射光学元件121B和所述激光发射器11B之间的相对位置关系，以便提高结构光投射器10B的投射图案的均匀性。

本领域的技术人员应当理解，所述马达控制器21B驱动22B马达可以沿着X轴或者Y轴或者Z轴方向移动，值得注意的是，所述马达22B被固定安装在所述衍射光学元件121B上，当所述马达控制器21B驱动所述马达22B移动时，所述光学系统12B的所述衍射光学元件121B随着所述马达22B的移动而移动，而所述光学系统12B的所述准直系统122B这不会随着所述马达22B的移动而移动，进而改变所述衍射光学元件121B的和所述激光发射器11B之间的相对位置关系，从而可以调节所述投射图案的均匀性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (24)

1.一具有自动对焦装置的结构光投射装置，其特征在于，包括：

一结构光投射器，包括用于发射光线的一激光发射器和一光学系统；和

一自动对焦装置，包括用于调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置的一马达和用于驱动马达移动的一马达控制器。

2.根据权利要求1所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述马达带动所述激光发射器移动。

3.根据权利要求1所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述马达带动所述光学系统移动。

4.根据权利要求3所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述光学系统进一步包括一准直系统和一衍射光学元件，其中，所述马达带动所述准直系统和所述衍射光学元件同时移动。

5.根据权利要求1至4所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述马达沿着X轴，Y轴，Z轴方向中至少一个方向移动以调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置。

6.根据权利要求5所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述结构光投射器为散斑投射器。

7.一具有自动对焦装置的结构光投射装置，其特征在于，包括：

一结构光投射器，包括用于发射光线的一激光发射器和一光学系统；和

一自动对焦装置，包括用于带动所述光学系统的至少一光学部件移动的一马达和用于驱动马达移动的一马达控制器。

8.根据权利要求7所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述光学系统进一步包括一准直系统和一衍射光学元件用于将光线转化为投射图案。

9.根据权利要求8所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述马达用于带动衍射光学元件移动。

10.根据权利要求8所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述马达用于带动准直系统移动。

11.根据权利要求7至10任一所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述马达沿着X轴，Y轴，Z轴方向中至少一个方向移动。

12.根据权利要求11所述的具有自动对焦装置的结构光投射装置，其中所述结构光投射器为散斑投射器。

13.一具有自动对焦装置的结构光投射装置产生投射光的方法，其中包括以下步骤：

一激光发射器发出光线经过一光学系统形成一具有投射图案的光线；

一马达控制器驱动一马达移动；

所述马达调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置以使所述投射图案在不同距离的光斑点的均匀性一致。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在步骤所述马达调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置中，所述马达带动所述激光发射器移动。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在步骤所述马达调整所述激光发射器和光学系统之间相对位置中，所述马达带动所述光学系统移动。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述光学系统进一步包括一准直系统和一衍射光学元件，其中，所述马达带动所述准直系统和所述衍射光学元件同时移动。

17.根据权利要求13至16所述的方法，其中在步骤调节马达控制器驱动马达中，所述马达沿着X轴，Y轴，Z轴方向中至少一个方向移动。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述结构光投射器为散斑投射器。

19.一具有自动对焦装置的结构光投射装置产生投射光的方法，其中包括以下步骤：

一激光发射器发出光线经过一光学系统形成一具有投射图案的光线；

一马达控制器驱动一马达移动；

所述马达带动所述光学系统的至少一光学部件移动以使所述投射图案在不同距离的光斑点的均匀性一致。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述光学系统进一步包括一准直系统和一衍射光学元件用于将光线转化为投射图案。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述马达用于带动所述光学系统的衍射光学元件移动。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述马达用于带动带动所述光学系统的准直系统移动。

23.根据权利要求19至22任一所述的方法，其中所述马达沿着X轴，Y轴，Z轴方向中至少一个方向移动。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述结构光投射器为散斑投射器。