CN112781520B - 结构光成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构光成像装置，包括投影器、影像感测器与处理电路，其中投影器具有光学衍射元件。处理电路控制投影器以发出具有特殊图案的光束，并在感测时间内改变光束的振幅。影像感测器用以在感测时间内撷取对应于光束的影像，并将影像传送至处理电路。处理电路用以根据此影像与预设影像计算出深度，其中预设影像具有特殊图案。本发明的实施例通过在感测期间改变光束的振幅，可以降低光波干涉现象。

Description

结构光成像装置
技术领域
本发明涉及一种结构光成像装置，可以降低光波干涉的影响。
背景技术
“结构光扫描”是一种用来计算出场景深度的技术，具有特殊图案的光会投影至对象，然后用影像感测器来撷取此对象的影像，在分析此影像以后便可以得到对象的深度。然而，当特殊图案投影至对象时，可能会受到许多因素干扰，使得特殊图案上的亮度产生变化，进而影响深度的计算。如何改进此深度的计算，为本领域技术人员所关心的议题。
发明内容
本发明实施例提出一种结构光成像装置，包括投影器、影像感测器与处理电路，其中处理器电性连接至投影器与影像感测器。投影器具有光学衍射元件，处理电路控制投影器以发出具有特殊图案的光束，并在感测时间内改变光束的振幅。影像感测器用以在感测时间内撷取对应于光束的影像，并将影像传送至处理电路。处理电路用以根据此影像与预设影像计算出深度，其中预设影像具有特殊图案。
在一些实施例中，投影器还包括：投影透镜；集光透镜，其中光学衍射元件设置于投影透镜与集光透镜之间；光束均化器；以及激光源，其中光束均化器设置于激光源与集光透镜之间。
在一些实施例中，处理电路包括：驱动电路，电性连接至投影器；以及处理器，电性连接至驱动电路与影像感测器。
在一些实施例中，处理器以驱动电路允许的最大频率发送控制信号至驱动电路以改变光束的振幅。
在一些实施例中，处理电路以随机的方式在感测时间内改变光束的振幅。
在上述的结构光成像装置中，由于在感测期间改变了光束的振幅，因此可以减低光波干涉的影响。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是根据一实施例绘示结构光成像装置的示意图。
图2是根据一实施例绘示投影器110的示意图。
图3是根据一实施例绘示干涉现象的示意图。
图4是根据一实施例改变光束振幅的示意图。
图5是根据一实施例绘示降低干涉的示意图。
图6是根据一实施例绘示量测散射平面(scatter flat plane)的深度的示意图。
图7是根据一实施例绘示当不改变光束振幅时所量测的深度的示意图。
图8是根据一实施例绘示当改变光束振幅时所量测的深度的示意图。
附图标记说明
100…结构光成像装置
110…投影器
111…光束
112…光线
113…物件
120…影像感测器
130…处理电路
131…驱动电路
132…处理器
140…影像
210…激光源
220…晶圆级光学元件
221…光束均化器
222…集光透镜
230…光学衍射元件
240…投射透镜
310…特殊图案
311…亮区域
312…暗区域
320、330…图表
W11～W13、W21～W23…波
P1、P2…像素
410…感测时间
510、520…图表
W31～W33、W41～W43…波
610…散射平面
710、810…影像
720、820…图表
730、830…区域
具体实施方式
图1是根据一实施例绘示结构光成像装置的示意图。请参照图1，结构光成像装置100包括了投影器110、影像感测器120与处理电路130，其中处理电路130电性连接至投影器110与影像感测器120。处理电路130会控制投影器110以发出具有特殊图案的光束111，此特殊图案例如包括多个点或是直线，本发明并不在此限。此光束111会投影在周围的对象113上，影像感测器120会感测来自对象113的光线112以撷取影像，所撷取的影像是对应至上述的光束111。也就是说，所撷取的影像中也会具有特殊图案，但因为对象的深度变化，这些特殊图案会有些许的位移，根据特殊图案的位移可以计算出对象的深度。特别的是，在影像感测器120的感测时间内，处理电路130会控制投影器110以改变光束111的振幅，藉此可以降低光束干涉的影响，以下将详细说明。
图2是根据一实施例绘示投影器110的示意图。在一些实施例中，投影器110包括了激光源210、光束均化器(beam homogenizer)221、集光透镜222、光学衍射元件(diffractive optical element，DOE)230与投射透镜240。激光源210可为垂直共振腔面射型激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)或其他合适的激光源。激光源210发出的激光可为红外光，波长可在700nm至1000nm的范围内，但在其他实施例中激光源210发出的激光也可为可见光。光束均化器221与集光透镜222亦合称为晶圆级光学元件220(wafer level optics，WLO)，其中具有一个或多个基板，光束均化器221与集光透镜222可以设置在基板上。光束均化器221的作用在于将激光的横截面积扩大，使激光的横截面积可以覆盖后面的元件，集光透镜222是用以将扩束之后的激光重新调成平行光。光学衍射元件230上具有光栅(grating)，当激光通过光学衍射元件230后会因为衍射原理而具有特殊图案。具有特殊图案的激光会经过投射透镜240而产生上述的光束111。在图2中，光学衍射元件230设置于投影透镜240与集光透镜222之间，光束均化器221设置于激光源210与集光透镜222之间，但此仅是范例，在其他实施例中投影器110中的元件也可以有其他设置，例如投影器110中的一个或多个元件也可以省略或排列为不同的顺序。此外，集光透镜222与投射透镜240可为凸透镜、凹透镜或多组透镜的组合，本发明并不在此限。
请再参照图1，影像感测器120可包括电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)感测器、互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)感测器或其他合适的感光元件。在此实施例中影像感测器120用以感测红外光，但在其他实施例中也可感测可见光。处理电路130包括了驱动电路131与处理器132，驱动电路131可作为投影器110的驱动器(driver)，处理器132可为微处理器、微控制器、数字信号处理器、图像处理芯片、专用集成电路等。在一些实施例中，驱动电路131与处理器132也可以合并成为一个电路，本发明并不在此限。
图3是根据一实施例绘示干涉现象的示意图。请参照图3，投影器110射出光束111至对象113，由对象113将光束111反射至影像感测器120上。然而，由于不同的波到达影像感测器120上的时间不相同，因此可能产生建设性干涉与破坏性干涉。在此以影像感测器120上的两个像素P1、P2为例，影像感测器120所撷取的影像具有特殊图案310，特殊图案310具有亮区域311与暗区域312，其中像素P1位于亮区域311之内，像素P2位于暗区域312之内。到达像素P1上的两个波W11、W12如图表320所示，其中横轴表示时间，纵轴表示波的振幅。两个波W11、W12叠加成为波W13，也就是说发生了破坏性干涉的现象，这会降低亮区域311的亮度。此外，到达像素P2上的两个波W21、W21如图表330所示。两个波W21、W22叠加成为波W23，也就是说发生了建设性干涉的现象，这会增加暗区域312的亮度。最大亮度与最小亮度之间的比值被称为噪声比，在图3的情况下噪声比会降低，因此根据特殊图案310计算出的深度可能会有误差。
图4是根据一实施例改变光束振幅的示意图。请参照图1与图4，图4的横轴代表时间，纵轴代表光束111的振幅(或称功率)。影像感测器120是在感测时间410内撷取影像，此感测时间410可为1/30秒或其他长度的时间，本发明并不在此限。处理器132会发送控制信号给驱动电路131以决定光束的振幅，如图4所示，在感测期间410内光束的振幅会不断地被改变。请参照图3与图5，图5是根据一实施例绘示降低干涉的示意图。在图表510中，波W31、W32会到达像素P1，其中波W31的振幅不同于波W32的振幅，这两个波W31、W32会叠加成为波W33。由于处理器132与驱动电路131并没有改变波W31、W32的相位，因此破坏性干涉的现象依然存在，但是因为波W31、W32的振幅改变了，因此破坏性干涉的程度被降低了，也就是说波W33的振幅会大于波W13的振幅。另一方面，在图表520中，波W41、W42是在相同时间到达像素P2，其中波W41的振幅不同于波W42的振幅，这两个波W41、W42会叠加成为波W43。建设性干涉的现象依然存在，但是因为波W41、W42的振幅改变了，因此建设性干涉的程度被降低了，也就是说波W43的振幅会小于波W23的振幅。也就是说，在感测期间改变光束111的振幅以后，不论是建设性干涉或是破坏性干涉，其干涉的程度都会被降低，因此可以增加噪声比。
以下以实验数据说明上述做法的功效。图6是根据一实施例绘示量测散射平面(scatter flat plane)的深度的示意图。请参照图6，在此用结构光成像装置100来量测散射平面610的深度，理论上散射平面610的每一个位置的深度都是一样的。图7是根据一实施例绘示当不改变光束振幅时所量测的深度的示意图。在图7中，影像710中每个像素都代表散射平面610上对应位置的深度，图表720绘示的是区域730中像素的直方图。图8是根据一实施例绘示当改变光束振幅时所量测的深度的示意图。相同的是，图8中影像810中每个像素都代表散射平面610中对应位置的深度，图表820绘示的是区域830中像素的直方图。从图中可得知根据图8的实施例计算出的深度的变异数小于根据图7的实施例计算出的变异数，这是因为提高了噪声比的关系。
请参照图1，当在影像感测器120感测一张影像的时间内改变光束111振幅的次数越多，则抑制干涉的效果越好。因此在一些实施例中，处理器132是以驱动电路131允许的最大频率(例如，大于1k赫兹)发送控制信号至驱动电路131以改变光束111的振幅。具体来说，处理器132能够发出控制信号的频率受限于驱动电路131与处理器132之间的信道，也受限于驱动电路131的能力。在此，处理器132是以每x纳秒(nanosecond)发出一次控制信号，而影像感测器120是每y微秒(microsecond)撷取一张影像，其中x、y为大于1的实数。也就是说处理器132发出控制信号的频率会大于影像感测器120撷取影像的频率，但本发明并不限制上述的x、y的数值。另一方面，光束111振幅的改变幅度越大，则抑制干涉的效果也会更好，在一些实施例中，处理电路132是以随机的方式在感测时间内改变光束111的振幅。例如，可随机地产生一变量，并根据此变量来决定光束的振幅。然而，本发明并不限制如何决定光束的振幅，只要光束的振幅在感测时间内改变都应在本发明的范围当中。
影像感测器120所撷取的影像140会传送至处理器132，此影像140会与一张预设影像相比较来计算出深度。此预设影像也具有上述的特殊图案，因此比较预设影像与影像140之间的位移(disparity)便可以得到多个深度。在一些实施例中，可比对两张影像中的特征来计算出位移，但本发明并不限制计算位移的算法。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种结构光成像装置，其特征在于包括：
投影器，具有光学衍射元件；
影像感测器；以及
处理电路，电性连接至所述投影器与所述影像感测器，
其中所述处理电路控制所述投影器以发出具有特殊图案的光束，并以随机的方式在感测时间内改变所述光束的振幅，
所述影像感测器用以在所述感测时间内撷取对应于所述光束的影像，并将所述影像传送至所述处理电路，
所述处理电路用以根据所述影像与预设影像计算出深度，其中所述预设影像具有所述特殊图案。
2.根据权利要求1所述的结构光成像装置，其特征在于，所述投影器还包括：
投影透镜；
集光透镜，其中所述光学衍射元件设置于所述投影透镜与所述集光透镜之间；
光束均化器；以及
激光源，其中所述光束均化器设置于所述激光源与所述集光透镜之间。
3.根据权利要求1所述的结构光成像装置，其特征在于，所述处理电路包括：
驱动电路，电性连接至所述投影器；以及
处理器，电性连接至所述驱动电路与所述影像感测器。
4.根据权利要求3所述的结构光成像装置，其特征在于，所述处理器以所述驱动电路允许的最大频率发送控制信号至所述驱动电路以改变所述光束的所述振幅。
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