CN110346944A - 一种激光散斑投射装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种激光散斑投射装置，所述激光散斑投射装置能够通过液晶模块控制激光发射器发光点的光线是否透过、透过的强度和角度，从而实现所投射出的散斑点的数量、形状和强度都动态可控的激光散斑编码图案。本公开提供的激光散斑投射装置虽然具有固定排列发光点阵，但能输出不同的散斑编码图案，并且可以动态调节单个发光点的亮暗、形状。本公开可以提高散斑结构光编码的随机性，实现时‑空编码，并改善编码图案的鲁棒性。

Description

一种激光散斑投射装置

技术领域

本发明属于人工智能、机器视觉、激光三维成像技术领域，具体涉及一种激光散斑投射装置。

背景技术

结构光是一种基于立体视觉重建目标的光学技术，通常由编码投射器、接收相机、结构光解码模块组成，通过激光三角法获得深度信息。和其它提取深度信息设备相比，如激光测距仪及声纳测距装置，结构光测量系统在精度、价格及速度方面具有潜在优势，可广泛用于三维空间测量、深度检测及三维表面恢复。

基于结构光的主动视觉深度感知技术中所采用的主动光源，一般为红外激光源，比如垂直腔面发射激光器(VCSEL)和LD激光源等。其中，垂直腔面发射激光器(VSCEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)与传统发射激光器相比，具有小的发散角和圆形对称的远、近场分布，使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形系统。受限于当前的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的发光点阵固定排列，一般只能输出固定编码图案的散斑图案，而无法实现动态调节单个发光点的亮暗。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种激光散斑投射装置，可以生成散斑点的形状、数量和强度都动态可控的激光散斑编码图案。

一种激光散斑投射装置，包括：

发光点阵，用于以点阵的形式生成多束激光束；

液晶模块，用于对每束激光束的是否透过液晶、透过的强度和角度进行控制，以形成基础编码图案；

准直镜，用于对形成所述基础编码图案的激光束进行准直处理；

衍射光学器件DOE，用于接收经准直处理的激光束，并对所述基础编码图案进行复制和拼接，生成大视角的激光散斑编码图案。

可选的，所述发光点阵基于发光基板组成，所述发光基板上规则或不规则排列有发光颗粒，其中，每个发光颗粒对应一束激光。

可选的，所述液晶模块包括薄膜晶体管阵列，通过控制所述薄膜晶体管阵列的形状和数量及所述液晶模块中液晶分子的转换速度和扭转角度可形成散斑点的形状、数量和强度都动态可控的基础编码图案。

可选的，所述薄膜晶体管阵列的形状和数量能够通过液晶显示驱动电路控制。

可选的，所述激光散斑投射装置还包括反射镜，所述反射镜呈45°放置，用于反射所述发光点阵发出的激光束。

可选的，所述激光散斑投射装置还包括镜座，用于固定所述发光点阵、液晶模块、准直镜和衍射光学器件DOE。

可选的，所述液晶模块与所述准直镜在激光光路上布置的位置可互换。

可选的，所述准直镜可合成于所述衍射光学器件DOE的背面。

可选的，所述准直处理是指通过准直镜，将发散角很大的激光束光线变得平行，形成平行光束。

一种智能终端，包括存储器和处理器，其特征在于，所述智能终端包括所述权利要求1-9中任意一项所述的装置。

本发明带来的有益效果：

1、本发明的激光散斑投射装置虽然具有固定排列发光点阵，但能输出不同的散斑编码图案，并且可以实现动态调节单个发光点的亮暗、形状；

2、本可以发明提高散斑结构光编码的随机性，实现时-空编码，并改善编码图案的鲁棒性

附图说明

图1是本发明实施例的液晶模块控制激光束投射的示意图；

图2是本发明实施例的激光散斑投射器的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的激光散斑投射器的结构示意图；

图4是本发明另一实施例的激光散斑投射器的结构示意图；

图5(a)、图5(b)是本发明另一实施例的激光散斑投射器的结构示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明实施例利用液晶模块3来控制发光点阵4发射的光线是否透过、透过的强度和角度，具体如图1所示。在本实施例中，激光发射器优选垂直腔面发生激光器(VSCEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)。对于VCSEL的发光点阵4，其可以是基于一个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或不规则排列有多个VCSEL发光颗粒40，通过驱动电路控制VCSEL发光颗粒40发光后，以点阵形式生成激光束，每个发光颗粒40对应一束激光。所述液晶模块3包括薄膜晶体管阵列，即液晶模块3上被划分为若干液晶小块30。需要说明的是，对于发光颗粒40规则排列的发光基板来说，对应的液晶模块3所划分的液晶小块30也是规则排列的；对于发光颗粒40不规则排列的发光基板来说，液晶模块3所划分的液晶小块30也是不规则排列的。另外，薄膜晶体管阵列的形状和数量可以由液晶显示驱动电路控制，而液晶显示驱动方式可以编程实现，从而可以控制散斑点的形状和数量。

液晶模块3在没有施加外部电压时，发光点阵4发出的激光束无法透过液晶模块3中的液晶分子，因而无法显示编码图案；液晶模块3施加外部电压时，导致液晶模块3中的液晶分子的排列状态发生变化，即液晶分子在电场作用力下发生扭转，其转换速度和扭转角度由所施加电压的大小来决定，电压越大，液晶分子的转换速度越快，扭转角度越大。发光点阵4发出的激光束在通过液晶模块3时由于液晶分子的扭转而得以透过，且透过的强度与电压大小存在线性关系。

结合以上两段内容，可以得到的是：通过对液晶模块3中液晶小块30的形状和数量的控制及对液晶分子转换速度和扭转角度的控制，可以形成散斑点的形状、数量和强度都动态可控的基础编码图案。

相对于传统的散斑编码图案中散斑点大小、形状都是固定不变的，其强度也只是通过改变驱动电流的占空比来实现，也就是说传统投射的散斑编码图案是固定的，散斑编码图案不随时间变化而变化，无法实现时-空编码，本发明的激光散斑投射器生成的散斑编码图案可以实现时-空编码，该编码方式可以提升X-Y方向上的分辨能力，并且具有更优的抗噪声干扰能力。

参见图2，本发明实施例提供一种激光散斑投射装置，包括发光点阵4、液晶模块3、准直镜2、衍射光学器件DOE1和镜座5。其中，所述发光点阵4设置于所述激光散斑投射装置的最下方，用于以点阵的形式生成多束激光束；所述液晶模块3设置于所述发光点阵4和所述准直镜2之间，用于对激光束的是否透过、透过的强度和角度进行控制，进而形成基础编码图案；所述准直镜2设置于所述液晶模块3的上方、衍射光学器件DOE1的下方，用于对形成基础编码图案的激光束进行准直处理，将发散角很大的激光束变得平行，形成平行光线，成为面平行光；所述衍射光学器件DOE1位于激光散斑投射器的最上方，用于接收准直后的激光束点阵，并对基础编码图案进行复制和拼接，生成大视角的激光散斑编码图案；所述镜座5位于最外端，用于固定所述发光点阵4、液晶模块3、准直镜2和衍射光学器件DOE1。

作为另一个实施例，如图3所示，可替换的，将液晶模块3和准直镜2在激光束行进路径上的先后位置进行互换，即将位于准直镜2之下的液晶模块3放置在准直镜2之上，可以理解为，发光点阵4发射的激光束由先经液晶模块3控制再经过准直镜2准直，改为先由准直镜2进行准直，然后由液晶模块2对经准直的激光束进行控制，形成基础编码图案，最后再由衍射光学器件DOE1对基础编码图案进行复制和拼接，生成大视角的激光散斑编码图案。

作为另一个实施例，如图4所示，可将准直镜2贴合到衍射光字器件DOE1的背面，使得经液晶模块3控制生成的基础编码图案在通过衍射光学器件DOE1后，就可以形成激光散斑编码图案。

作为另一个实施例，如图5(a)所示，可将发光点阵4由平行于其它组件改为垂直放置，且在发光点阵4与液晶模块3之间设置反射镜，该反射镜呈45°放置，发光点阵4发出的激光束经反射镜反射后，经液晶模块3控制和准直镜2准直后形成基础编码图案，再通过衍射光学器件DOE1衍射生成激光散斑编码图案，本实施例可以降低激光散斑投射装置的垂直高度

作为另一个实施例，如图5(b)所示，可替换的，可将液晶模块3与发光点阵4一起垂直于准直镜2和衍射光学器件DOE1放置，同图5(b)一样，本实施例也可以降低激光散斑投射装置的垂直高度。

最后需要说明的是，以上各实施例均适用于超薄的智能终端设备，例如包括智能手机、智能电视、PAD和笔记本电脑。

下面，对本发明实施例提供的激光散斑投射装置的工作原理进行描述：

在本实施例中，发光点阵4可以基于一个发光基板组成，也可以基于多个发光基板组成。进一步地，在基于一个发光基板组成的发光点阵上，排列有成规则或不规则分布的发光颗粒40；或在基于多个发光基板组成的发光点阵4上，排列有成规则或不规则分布的发光颗粒40。发光颗粒40通过驱动电路的控制生成激光束，值得注意的是，每个发光颗粒40对应一束激光。

在本实施例中，拟将液晶模块3作为一种动态可调的光强控制器置于激光光路中，利用其高精度、快速的光束衰减控制能力，实现实时、动态光强控制，从而达到高精度、快速的光束控制作用。具体控制过程为：液晶模块3置于两片导电玻璃之间，依靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制激光光源透射或遮蔽功能，在电源开、关之间产生明暗变化，从而将编码图案显示出来。在两片玻璃基板上装有配向膜，液晶模块3会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线透过偏光板跟着液晶分子做90度扭转，通过下方偏光板，可以显示编码图案；当玻璃基板没有加入电场时，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，关闭编码图案。因此，液晶模块3根据施加电压的有无，可以对光线是否通过进行控制，根据施加电压的大小，可以对光线透过的强度进行控制。

在本实施例中，对经液晶模块3透射控制、形成基础编码图案的激光束进行准直处理，即通过准直镜，将发散角很大的激光束变得平行，形成平行光束，成为面平行光。

在本实施例中，衍射光学器件DOE接收经准直后的激光束点阵，进而对所形成的基础编码图案进行复制和拼接。具体地，准直后的基础编码图案中的单个散斑点会分散衍射出更多的散斑点，生成更大视角的激光散斑编码图案；其中，基础编码图案的复制和拼接方式包括规则排列复制、错行排列复制；衍射光学器件DOE可以分一层、多层复制方式，比如两层复制，先进行1×k复制，再进行n×m复制，最终得到n×(m×k)复制后的散斑编码图案。其中，k、m、n都是1、2、3.....整数。本发明实施例中的基础编码图案经拼接后，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。

综上所述，本公开通过调节液晶模块不同区域的透光程度实现对激光束的控制，从而生成散斑点的形状、数量和强度都动态可控的激光散斑编码图案。本发明可以提高散斑结构光编码的随机性，实现时-空编码，并改善编码图案的均匀性。上述附图或实施例中的激光发射器虽然以VCSEL为例，然而本公开并不局限于VCSEL激光发射器，还可以是LD激光发射器，即Laser Diode，或其它激光发射器。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (10)

1.一种激光散斑投射装置，包括：

发光点阵，用于以点阵的形式生成多束激光束；

液晶模块，用于对每束激光束的是否透过液晶、透过的强度和角度进行控制，以形成基础编码图案；

准直镜，用于对形成所述基础编码图案的激光束进行准直处理；

衍射光学器件DOE，用于接收经准直处理的激光束，并对所述基础编码图案进行复制和拼接，生成大视角的激光散斑编码图案。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，优选的，所述发光点阵基于发光基板组成，所述发光基板上规则或不规则排列有发光颗粒，其中，每个发光颗粒对应一束激光。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液晶模块包括薄膜晶体管阵列，通过控制所述薄膜晶体管阵列的形状和数量及所述液晶模块中液晶分子的转换速度和扭转角度可形成散斑点的形状、数量和强度都动态可控的基础编码图案。

4.根据权利要求3所属的装置，其特征在于，所述薄膜晶体管阵列的形状和数量可通过液晶显示驱动电路控制。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光散斑投射装置还包括反射镜，所述反射镜呈45°放置，用于反射所述发光点阵发出的激光束。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光散斑投射装置还包括镜座，用于固定所述发光点阵、液晶模块、准直镜和衍射光学器件DOE。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液晶模块与所述准直镜在激光光路上布置的位置可互换。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准直镜可合成于所述衍射光学器件DOE的背面。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准直处理是指通过准直镜，将发散角很大的激光束光线变得平行，形成平行光束。

10.一种智能终端，包括存储器和处理器，其特征在于，所述智能终端包括所述权利要求1-9中任意一项所述的装置。