CN112825139A - 结构光发射模组及图像采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结构光发射模组，用于发射结构光至待测物；所述结构光发射模组包括：发光元件，用于发射光源光；光调制器，设置于所述光源光的出射路径上，用于对所述光源光进行调制得到结构光并将所述结构光出射；镜头，所述结构光从所述镜头出射；镜头控制组件，用于根据所述结构光发射模组的当前运动信息驱动所述镜头同步位移，以使得所述结构光出射至所述待测物的预定位置；以及控制器，所述控制器与所述发光元件及所述光调制器电连接，用于控制所述发光元件发射光源光并控制所述光调制器调制所述光源光。本发明还提供一种图像采集装置。

Description

结构光发射模组及图像采集装置
技术领域
本发明涉及3D成像技术领域，尤其涉及一种结构光发射模组及应用该结构广发射模组的图像采集装置。
背景技术
现有的3D视觉结构光装置中，若实现深度信息的测量，则需要采用携带特定的光学图案(如，激光散斑)的结构光投射至待测物表面，由于该结构光装置中的光源本身发出的光束并没有携带特定的光学图案，因而常使用衍射光学元件(Diffractive OpticalElements，DOE)对光源发出的光束进行散射使光束具备特定的光学图案。
一方面，由于衍射光学元件是基于光的衍射原理，利用计算机辅助设计，并采用半导体芯片制造工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构(一般为光栅结构)，通过改变该基片上的浮雕结构来改变入射的光束的发散角和形成的光斑的形貌，实现光束形成特定的光学图案。因此，衍射光学元件需要根据其应用场景定制且只对应一种特定图案，缺乏实用性和灵活性。另外，在检测静态的待测物体的三维立体图像时，结构光装置中出射的结构光希望照射在该待测物体的特定位置。但在检测过程中，结构光装置难免发生移动，例如以手持结构光装置进行检测时，由于无法保证手臂完全处于静止状态会导致结构光装置发生位移，那么结构光装置的位移会导致其出射的结构光照射在待测物体上的位置相对所述特定的位置发生偏移，从而影响检测结果。
发明内容
本发明一方面提供一种结构光发射模组，用于发射结构光至待测物；所述结构光发射模组包括：
发光元件，用于发射光源光；
光调制器，设置于所述光源光的出射路径上，用于对所述光源光进行调制得到结构光并将所述结构光出射；
镜头，所述结构光从所述镜头出射；
镜头控制组件，用于根据所述结构光发射模组的当前运动信息驱动所述镜头同步位移，以使得所述结构光出射至所述待测物的预定位置；以及
控制器，所述控制器分别与所述发光元件及所述光调制器电连接，用于控制所述发光元件发射光源光并控制所述光调制器调制所述光源光。
本发明另一方面提供一种图像采集装置，包括：
如上述的结构光发射模组，用于发射结构光至待测物；
传感器模组，用于根据待测物反射的结构光生成结构光图像；以及
图像处理模组，用于根据所述结构光图像，计算得到所述待测物的位置信息和深度信息，以得到所述待测物的三维立体图像。
本发明实施例提供的结构光发射模组，通过镜头控制组件，根据所述结构光发射装置的当前运动信息驱动所述镜头同步位移，以使得所述结构光出射至所述待测物的预定位置，可有效改善结构光发射模组的移动影响检测结果的问题；并且，通过设置光调制器以形成不用的结构光图案，可避免使用单一设计的衍射光栅，提高了结构光发射模组的功能灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的图像采集装置及待测物的模块结构示意图。
图2为图1中结构光发射模组的立体结构示意图。
图3为图2所示结构光发射模组的分解示意图。
图4为图2所示结构光发射模组沿Ⅳ-Ⅳ线的剖面结构示意图。
图5为图4中所示光调制器的工作状态示意图。
主要元件符号说明
图像采集装置 10
结构光发射模组 100
发光元件 110
光调制器 120
微反射镜 121
镜头 130
电路板 140
控制器 150
壳体 160
收容空间 161
出光口 162
光吸收元件 170
光引导元件 180
镜头控制组件 190
运动检测单元 191
驱动单元 192
连接引脚 1921
传感器模组 200
图像处理模组 300
待测物 400
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1，本实施例提供的图像采集装置10，用于测量待测物400的三维立体图像，可应用于3D扫描、人脸识别等领域。该图像采集装置10可以为智能手机、相机、智能门锁等设备。
请继续参阅图1，本实施例提供的图像采集装置10，包括结构光发射模组100、传感器模组200及图像处理模组300。结构光发射模组100用于发射结构光。所述结构光照射在所述待测物400，经待测物400反射，传感器模组200用于接收待测物400反射回的结构光，根据该反射回的结构光生成结构光图像。传感器模组200可例如为电荷耦合元件(ChargeCoupled Device，CCD)或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)。图像处理模组300与传感器模组200电连接，用于接收所述结构光图像，并根据所述结构光图像，计算得到待测物400的位置信息和深度信息，从而得到待测物400的三维立体图像。应当理解，根据待测物400的表面形态，待测物400所反射的结构光相较于从结构光发射模组100发射出的结构光发生了变形，图像处理模组300可根据结构光图案的变形程度来计算得到待测物400的位置信息和深度信息，从而还原待测物400的三维立体图像。
请一并参阅图2～图4，本实施例提供的结构光发射模组100，包括发光元件110、光调制器120、镜头130、电路板140、控制器150及壳体160，电路板140与壳体160围合形成一收容空间161，发光元件110、光调制器120设置于电路板140上且位于收容空间161中，控制器150设置于电路板140上且位于收容空间161之外。壳体160开设有一出光口162，镜头130位于出光口162上，结构光发射模组100产生的结构光从镜头130射出。
请参阅图4，发光元件110用于发射光源光。发光元件110可为红外激光二极管芯片(包括多个红外激光二极管)或红外发光二极管(包括多个红外发光二极管)。本实施例中，红外激光二极管为垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器所需的驱动电压和电流较小，功耗较低；可调变频率高，可达数GHz；与半导体制造工艺兼容，适合大规模集成制造。此外，垂直腔面发射激光器的发光波长随温度的变化量大约只有0.07nm/℃，故使用垂直腔面发射激光器有利于降低温度对激光器的发光波长的影响来提高结构光投射的准确率。控制器150与发光元件110电连接，用于控制发光元件110发光或关闭。
请继续参阅图4，本实施例中，光调制器120为数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，DMD)。具体地，请参阅图5，光调制器120包括间隔排布的多个微反射镜121，每个微反射镜121对应结构光的图案的一个像素122，用于对所述光源光选择性投射到镜头130中。微反射镜121的数量越多，结构光发射模组100出射的结构光的图案的分辨率越高，微反射镜121的数量越少，结构光发射模组100出射的结构光的图案的分辨率越低。每个微反射镜121具有“开”和“关”两个状态，当微反射镜121为“开”状态时，该微反射镜121将其接收到的光源光反射至镜头130再从镜头130出射，则结构光的图案中对应该微反射镜121的像素为“亮”；本实施例中，结构光发射模组100还包括光吸收元件170，当微反射镜121为“关”状态时，该微反射镜121将其接收到的光源光反射至光吸收元件170被光吸收元件170吸收，而不从镜头130出射，则结构光的图案中对应该微反射镜121的像素为“暗”。
控制器150与光调制器120电连接，用于控制各个微反射镜121的偏转从而控制各个微反射镜121的状态，从而可控制结构光的图案中各个像素的亮暗分布，由此出射不同的结构光图案，有效改善了使用结构单一的衍射光栅而使得结构光发射模组仅能发射单一图案的结构光的问题。
请再参阅图4，本实施例中，由于发光元件110与光调制器120设置于同一平面上(电路板140的同一表面上)，且发光元件110发射光源光的方向垂直于所述平面，因此发光元件110发射的光源光不能直接出射至光调制器120上，因此本实施例中，结构光发射模组100还进一步包括光引导元件180，设置于发光元件110发射的光源光的出射路径上，用于将光源光引导至光调制器120上。本实施例中光引导元件180为一反射棱镜，固定设置于壳体160上，用于将接收到的光源光反射至光调制器120，反射棱镜在壳体160上的设置角度根据发光元件110与光调制器120的位置关系确定。于其他实施例中，光引导元件180可为透镜、直角棱镜、梯形棱镜等其他结构，且结构光发射模组100也可包括多个光引导元件180。
请继续参阅图4，本实施例中，壳体160可由金属材料(如，铜、铝、铁或不锈钢等)制成以便于散热，有利于改善发光元件110的发光温度过高导致的热饱和现象(即随着工作电流的增大，发光元件110的发光强度随着工作电流的增大不再明显地增大甚至下降)。另外，由于壳体160需与发光元件110之间保持绝缘，因此可对壳体160进行阳极氧化表面处理(如，黑色阳极氧化处理)。为降低壳体160的制作成本，壳体160也可使用塑胶材质进行制作。
请再参阅图1，本实施例提供的结构光发射模组100，尤其适用于检测静态的待测物400的三维立体图像的情况，结构光发射模组100所发射的结构光需要出射至待测物400的预定位置上，但由于在一些情况下结构光发射模组100在检测过程中会发生一定程度的移动(例如手持结构光发射模组100进行检测的情况下会因为手臂的抖动导致结构光发射模组100移动)，则结构光发射模组100的移动会影响其出射的结构光最终照射的位置相较于所述预定位置发生偏移，会影响检测结果。
请再参阅图4，本实施例提供的结构光发射模组100还包括镜头控制组件190。镜头控制组件190用于根据结构光发射模组100的当前运动信息驱动镜头130同步位移，以使得结构光出射至待测物的预定位置。
如图2和图3所示，镜头控制组件190包括运动检测单元191及驱动单元192。本实施例中，运动检测单元191为一设置于电路板140上的陀螺仪，其可感知结构光发射模组100的设备整体(重心)的运动并获知运动信息，所述运动信息至少包括运动方向及运动距离。运动检测单元191与控制器150电连接，控制器150用于根据所述运动方向及运动距离输出一控制信号。本实施例中，驱动单元192为一音圈马达，设置于所述结构光出射路径上，位于壳体160的出光口162上方，驱动单元192包围所述镜头130。如图3所示，驱动单元192具有多个连接引脚1921，每个连接引脚1921连接至电路板140，从而使得驱动单元192与控制器150实现电连接，以使得控制器150输出控制信号至驱动单元192。本实施例中，所述控制信号为电流信号，驱动单元192根据该电流信号驱动镜头130产生同步位移。其中，驱动单元192根据所述电流信号的强度控制镜头130位移的距离，并根据音圈马达中磁场方向控制镜头130位移的方向。
应当理解，上述的“同步位移”并非指的是镜头130的移动与结构光发射模组100的移动在方向和距离上同步(或一致)，而是指镜头130的移动与结构光发射模组100的移动在距离上同步并在方向上刚好相反。例如，运动检测单元191检测到结构光发射模组100向左移动了30毫米，则控制单元根据该移动距离与移动方向计算出一电流值，并输出电流信号控制驱动单元192驱动镜头向右移动30毫米，从而补偿因为结构光发射模组100的移动造成的结构光出射位置的偏移。
因此本实施例提供的结构光发射模组100，通过设置镜头控制组件190，可有效改善因为结构光发射模组100的位移(或抖动)影响检测结果的问题，有利于使得所述结构光在结构光发射模组100发生位移(或抖动)的情况下也能出射至待测物的预定位置上。
于一实施例中，结构光发射模组100还可进一步包括一透镜(图未示)，所述透镜可设置于光调制器120出射的结构光的出射路径上，光调制器120出射的结构光经所述透镜准直后再经过镜头130出射，有利于提高光利用率。于其他实施例中，结构光发射模组100也可以包括多个透镜。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种结构光发射模组，其特征在于，用于发射结构光至待测物；所述结构光发射模组包括：
发光元件，用于发射光源光；
光调制器，设置于所述光源光的出射路径上，用于对所述光源光进行调制得到结构光并将所述结构光出射；
镜头，所述结构光从所述镜头出射；
镜头控制组件，用于根据所述结构光发射模组的当前运动信息驱动所述镜头同步位移，以使得所述结构光出射至所述待测物的预定位置；以及
控制器，所述控制器分别与所述发光元件及所述光调制器电连接，用于控制所述发光元件发射光源光并控制所述光调制器调制所述光源光。
2.如权利要求1所述的结构光发射模组，其特征在于，所述镜头控制模组包括：
运动检测单元，用于检测所述结构光发射装置的当前运动信息；以及
驱动单元；
所述运动检测单元及所述驱动单元与所述控制器电连接，所述控制器用于根据所述运动信息输出控制信号，所述驱动单元用于根据所述控制信号控制所述镜头进行同步位移，以使得所述结构光出射至所述待测物的预定位置。
3.如权利要求2所述的结构光发射模组，其特征在于，所述运动信息至少包括运动方向及运动距离。
4.如权利要求3所述的结构光发射模组，其特征在于，所述驱动单元为音圈马达，所述控制信号为电流信号。
5.如权利要求2所述的结构光发射模组，其特征在于，所述运动检测单元为陀螺仪。
6.如权利要求2所述的结构光发射模组，其特征在于，所述驱动单元位于所述结构光的出射路径上，所述驱动单元围绕所述镜头。
7.如权利要求1所述的结构光发射模组，其特征在于，所述光调制器为数字微镜器件；
所述数字微镜器件包括多个微反射镜组成的阵列，每个微反射镜对应结构光的图像的一个像素，每个微反射镜用于对所述光源光选择性投射到所述镜头，以使得所述镜头出射不同图案的结构光。
8.如权利要求7所述的结构光发射模组，其特征在于，所述结构光发射模组还包括光吸收元件，所述光吸收元件用于吸收从所述光调制器出射且未透射至所述镜头的光。
9.如权利要求1所述的结构光发射模组，其特征在于，所述发光元件为红外激光二极管芯片或红外发光二极管芯片。
10.一种图像采集装置，其特征在于，包括：
如权利要求1～9任意一项所述的结构光发射模组，用于发射结构光至待测物；
传感器模组，用于根据待测物反射的结构光生成结构光图像；以及
图像处理模组，用于根据所述结构光图像，计算得到所述待测物的位置信息和深度信息，以得到所述待测物的三维立体图像。
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