CN113034564A - 结构光投射器和投射结构光的方法 - Google Patents

结构光投射器和投射结构光的方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种结构光投射器和投射结构光的方法。结构光投射器包括投射模块、影像感测器和处理器。投射模块经配置为投射光学图案。影像感测器经配置为检测投射至空间区域的光学图案以提取影像。处理器经配置为由提取的影像计算出投射至空间区域的该光学图案的像差信息，且经配置为依据投射模块的环境温度补偿像差信息。

Description

结构光投射器和投射结构光的方法
技术领域
本发明涉及结构光投射，且特别涉及一种具有温度补偿功能的结构光投射器及其光投射方法。
背景技术
结构光扫描为计算视角(field of view；FOV)的深度的技术，且物件的深度可通过分析提取影像而计算出。另一方面，现有的结构光投射器通常透过使用红外光激光源结合绕射光学元件来产生特殊的光斑(speckle)光学图案。然而，由现有的激光元件产生的光学图案的波长会因不同温度而改变，使得投射至空间区域上的光学图案的投射光斑在穿过绕射光学元件(diffractive optical element；DOE)之后，往相对于空间区域中央的方向扩展。对于使用变形位移来计算深度信息的立体结构光感测器而言，斑点扩展将导致深度测量结果中的倾斜偏差。
发明内容
本发明的一目的为提供具有温度补偿功能的结构光投射器，其可补偿因温度改变所造成的投射光斑的扩展，从而得到更精确的深度信息。本发明的另一目的为提供使用结构光投射器进行结构光投射的方法。
本发明的一方面在于提供一种结构光投射器，其包括投射模块、影像感测器和处理器。投射模块经配置为投射光学图案。影像感测器经配置为检测投射至空间区域的光学图案以提取影像。处理器经配置为由提取的影像计算出投射至空间区域的光学图案的像差信息，且经配置为依据投射模块的环境温度补偿像差信息。
依据本发明的一些实施例，上述结构光投射器还包括温度感测器，其经配置为检测上述投射模块的环境温度。
依据本发明的一些实施例，上述处理器包括深度处理模块、微控制器单元(microcontroller unit；MCU)和温度补偿器。深度处理模块经配置为从上述影像感测器接收上述影像、计算上述光学图案的投射位置的深度值、及计算上述影像感测器与上述空间区域之间的距离。微控制器单元经配置为参考查找表以得到分别对应上述空间区域的特定位置点的补偿值。温度补偿器经配置为使用此些补偿值补偿此些深度值，以得到补偿后的深度值。
依据本发明的一些实施例，上述此些补偿值包含角落补偿值，此些角落补偿值分别对应上述光学图案投射的空间区域的四个角落点。
依据本发明的一些实施例，上述处理器经配置为通过使用上述此些角落补偿值进行线性内插(linear interpolation)操作以补偿上述像差信息。
依据本发明的一些实施例，在上述查找表中的此些补偿值为温度相关。
依据本发明的一些实施例，上述查找表的尺寸由上述光学图案的解析度决定。
依据本发明的一些实施例，上述结构光投射器还包括存储器，其经配置为储存上述查找表。
依据本发明的一些实施例，上述投射模块包括光源和绕射光学元件(diffractiveoptical element；DOE)，其中光源经配置为产生光束，而绕射光学元件经配置为将光束转换为上述光学图案。
依据本发明的一些实施例，上述光源为红外光激光源。
依据本发明的一些实施例，上述结构光投射器还包括晶圆级光学元件(wafer-level optics；WLO)，其设置于上述光源与上述绕射光学元件之间。
本发明的另一方面是在于投射结构光的方法，其包括：提供投射模块以投射光学图案；利用影像感测器提取投射至空间区域的光学图案的影像；由提取的影像计算出投射至空间区域的光学图案的像差信息；以及依据投射模块的环境温度补偿像差信息。
附图说明
为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合附图的下列描述，其中：
图1为依据本发明实施例的结构光投射器的示意图；
图2为依据本发明另一实施例的结构光投射器的示意图；
图3为依据一示范例的图1的结构光投射器的投射模块的示意图；
图4为依据另一示范例的图1的结构光投射器的投射模块的示意图；
图5示例性地示出使用图1的结构光投射器测量散射平坦面F的深度信息；
图6为依据一些实施例的图1的处理器的示意图；以及
图7A至图7C示例依据各示范例的储存的查找表。
附图标记说明：
100：结构光投射器
110：投射模块
112：光源
114：绕射光学元件
116：晶圆级光学元件
120：影像感测器
130：处理器
132：深度处理模块
134：微控制器单元
136：温度补偿器
140：温度感测器
150：模拟至数字转换器
CV：补偿值
D：距离
DV、DV’：深度值
F：散射平坦面
具体实施方式
以下仔细讨论本发明的实施例。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论、揭示的实施例仅供说明，并非用以限定本发明的范围。
在本文中所使用的用语仅是为了描述特定实施例，非用以限制本申请范围。除非另有限制，否则单数形式的“一”或“该”用语也可用来表示复数形式。此外，除了在图中所示的方向外，这些空间相对用语意欲涵盖元件在使用或操作中的不同方位。结构可能以不同方式被定位(旋转90度或在其他方位上)，因此可利用同样的方式来解释在此所使用的空间相对描述符号。
为了简化和明确说明，本文可能会在各种实施例中重复使用元件符号和/或字母，但这并不表示所讨论的各种实施例及/或配置之间有因果关系。
图1为依据本发明实施例的结构光投射器100的示意图。如图1所示，结构光投射器100包含投射模块110、影像感测器120以及电性连接至投射模块110和影像感测器120的处理器130。
投射模块110经配置为投射光学图案，其可包含一或多个点和/或线，但本发明不限于此。影像感测器120经配置为检测投射至空间区域的光学图案，以提取对应至光学图案的影像。影像感测器120可以是电荷耦合元件(charge-coupled device；CCD)感测器、互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor；CMOS)感测器或相似者。
处理器130经配置为控制投射模块110。特别地，处理器130传输控制信号至投射模块110，以控制投射模块110投射所要的光学图案。处理器130可依据影像感测器120提取的影像来动态控制投射模块110，且可经由一或多个内部整合电路(inter integratedcircuit；I2C)接口与投射模块110和/或影像感测器120通信，但本发明不限于此。处理器130可以是中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器、影像处理芯片、特殊用途集成电路(application-specific integrated circuit)或相似者。
结构光投射器100还包含温度感测器140，其经配置为检测投射模块110的环境温度。温度感测器140可嵌入于投射模块110中，以精确地得到环境温度。
结构光投射器100还包含模拟至数字转换器(ADC)150，其电性连接至处理器130和温度感测器140。模拟至数字转换器150经配置为将对应温度感测器140所检测到的环境温度的温度信号由模拟形式转换为数字形式。
图2为依据本发明另一实施例的结构光投射器100的示意图。在图2中，模拟至数字转换器150与处理器130实体分离，即模拟至数字转换器150未嵌入于处理器130中，而其他元件则是与图1所示的元件相同，故其详细说明在此不赘述。
图3为依据一示范例的投射模块110的示意图。如图3所示，投射模块110包含光源112和绕射光学元件(diffractive optical element；DOE)114。光源112经配置为产生光束。光源112可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源(vertical cavity surfaceemitting laser；VCSEL)、分布反馈式(distributed feedback；DFB)半导体激光源或其他合适的激光源。由光源112所发射的光束可以是近红外线光束，其波长范围约为700纳米至1000纳米。在其他实施例中，由光源112所发射的光束也可以是可见光束，或者其波长范围约为400纳米至700纳米。绕射光学元件114设置在光源112上，以将光束转换为光学图案。特别地，绕射光学元件114具有光栅结构，使得当光束穿透绕射光学元件114时，光栅结构光束通过光栅结构的绕射原理转换为光学图案。
图4为依据另一示范例的投射模块110的示意图。相较于图3所示的投射模块110，在图4中，投射模块110更具有晶圆级光学元件(wafer-level optics；WLO)116，其介于光源112与绕射光学元件114之间。晶圆级光学元件116可包含一或多个基材，其上方形成有光束均匀器和聚光透镜，其中光束均匀器经配置为增大光束的截面面积，使得光束的截面面积可覆盖后续元件，而聚光透镜经配置为准直光束为平行光，且以实质平行的方式引导光束。其他元件则是与图3所示的元件相同，故其详细说明在此不赘述。
应注意的是，图3、4仅为投射模块110的示例。在其他实施例中，投射模块110的元件可具有其他配置方式。举例而言，投射模块110的一或多个元件可省略，或是以不同顺序配置。此外，晶圆级光学元件116的聚光透镜可以是凸透镜、凹透镜、上述组合或其他合适的透镜。在一些实施例中，投射模块110进一步包含投射透镜(图中未示出)，其可设置在绕射光学元件114上，以引导光学图案朝向空间区域。
图5示例性地示出使用结构光投射器100测量散射平坦面F的深度信息。如图5所示，结构光投射器100与散射平坦面F之间相距距离D。对应散射平坦面F上各点所测量的深度信息的深度值理想上均相同于距离D(假设距离D也为影像感测器120与散射平坦面F之间相距的距离)。然而，来自投射模块110的光束的波长会随着环境温度而改变，使得光学图案投射至散射平坦面F上的点会因光班扩展而偏移，导致处理器130得到不精确的深度值。
图6为依据一些实施例的处理器130的示意图。如图6所示，处理器130包含深度处理模块132、微控制器单元(microcontroller unit；MCU)134和温度补偿器136。深度处理模块132接收由影像感测器120提取的空间区域的影像，且由光学图案投射的位置和影像感测器120与空间区域之间的距离计算出深度值DV。微控制器单元134参照查找表，以依据温度感测器140的感测结果得到对应至空间区域的特定点的补偿值CV。结构光投射器100另包含存储器(图中未示出)，其经配置为储存查找表。模拟至数字转换器150可电性连接温度感测器140和微控制器单元134，使得微控制器单元134使用数字化的温度信号得到对应的补偿值CV。温度补偿器136从深度处理模块132和微控制器单元134分别接收计算出的深度值DV和补偿值CV，且使用补偿值CV补偿计算出的深度值DV，以得到补偿后的深度值DV’。特别地，温度补偿器136首先通过等式DP＝DS×f/DV将深度值DV转换为像差值DP，其中DS为投射模块110与影像感测器120之间的距离，且f为影像感测器120的焦距。接着，温度补偿器136将像差值DP分别加上补偿值CV，以得到像差值DP’(即DP’＝DP+CV)。在上述补偿操作后，温度补偿器136通过等式DV’＝DS×f/DP’将像差值DP’转换为深度值DV’。
查找表可与环境温度相关。在一些实施例中，可提供二或多个查找表，且微控制器单元134依据温度感测器140的感测结果选择其中一个提供的查找表。举例而言，图7A示例依据一示范例的储存的查找表。图7A所示的查找表对应环境温度T1且包含对应空间区域的四个角落点的补偿值。在空间区域中的点以二维坐标系统的坐标表示。例如，在空间区域中的四个角落点分别以(X1,Y1)、(X1,Y2)、(X2,Y1)、(X2,Y2)表示。若温度感测器140检测到环境温度为T1，则微控制器单元134选择并参照图7A所示的查找表，以得到分别对应空间区域的四个角落点的补偿值CT1(X1,Y1)、CT1(X1,Y2)、CT1(X2,Y1)、CT1(X2,Y2)。
在一些实施例中，微控制器单元134可进行线性内插(linear interpolation)操作，以由补偿值CT1(X1,Y1)、CT1(X1,Y2)、CT1(X2,Y1)、CT1(X2,Y2)得到空间区域的其他点的补偿值，且接着传输这些补偿值至温度感测器136以补偿深度信息。举例而言，对应至坐标(X1,Y3)的补偿值可由下列等式得到(Y1<Y3<Y2)：
CT1(X1，Y3)＝[(Y3-Y1)×CT1(X1，Y1)+(Y2-Y3)×CT1(X1，Y2)]/(Y2-Y1)。
在一些实施例中，微控制器单元134可进行非线性内插操作，以由补偿值CT1(X1,Y1)、CT1(X1,Y2)、CT1(X2,Y1)、CT1(X2,Y2)得到空间区域的其他点的补偿值。
图7B示例依据另一示范例的储存的查找表。图7B所示的查找表对应环境温度T2且包含对应空间区域的四个角落点的补偿值。若温度感测器140检测到环境温度为T2，则微控制器单元134选择且参照图7B所示的查找表，以得到分别对应空间区域的四个角落点的补偿值CT2(X1,Y1)、CT2(X1,Y2)、CT2(X2,Y1)、CT2(X2,Y2)。
应注意的是，查找表可通过以对应各环境温度的补偿值特征化在二维坐标空间系统中对应空间区域的各点的坐标而预先决定。此外，图7A-7B所示的查找表仅为示例，其尺寸及内容可依据各设计需求而改变。举例而言，图7C示例依据又一示范例的储存的查找表。图7C所示的查找表对应至环境温度T1。相较于图7A所示的查找表，如图7C所示，查找表包含分别对应空间区域的所有点的补偿值，且空间区域中的点以二维坐标系统的坐标表示。对具有M×N个点的空间区域而言，补偿值CT1(i,j)对应以二维坐标系统中的坐标(i,j)表示的点，其中i为1至M的正整数，且j为1至N的正整数。
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具有普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作一定的更动与润饰，故本发明的保护范围应以随附的权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种结构光投射器，包括：
一投射模块，经配置为投射一光学图案；
一影像感测器，经配置为检测投射至该空间区域的该光学图案以提取一影像；以及
一处理器，经配置为由该影像计算出投射至该空间区域的该光学图案的一像差信息，且经配置为依据该投射模块的一环境温度补偿该像差信息。
2.如权利要求1所述的结构光投射器，还包括：
一温度感测器，经配置为检测该投射模块的该环境温度。
3.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该处理器包括：
一深度处理模块，经配置为从该影像感测器接收该影像、计算该光学图案的投射位置的深度值、及计算该影像感测器与该空间区域之间的距离；
一微控制器单元，经配置为参考一查找表以得到分别对应该空间区域的特定位置点的补偿值；以及
一温度补偿器，经配置为使用该补偿值补偿该深度值，以得到补偿后的深度值。
4.如权利要求3所述的结构光投射器，其中该补偿值包含角落补偿值，该角落补偿值分别对应该光学图案投射的该空间区域的四个角落点。
5.如权利要求4所述的结构光投射器，其中该处理器经配置为通过使用该角落补偿值进行线性内插操作以补偿该像差信息。
6.如权利要求3所述的结构光投射器，其中在该查找表中的该补偿值为温度相关。
7.如权利要求3所述的结构光投射器，其中该查找表的一尺寸由该光学图案的一解析度决定。
8.如权利要求3所述的结构光投射器，还包括：
一存储器，经配置为储存该查找表。
9.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该投射模块包括：
一光源，经配置为产生一光束；以及
一绕射光学元件，经配置为将该光束转换为该光学图案。
10.如权利要求9所述的结构光投射器，其中该光源为一红外光激光源。
11.如权利要求9所述的结构光投射器，还包括：
一晶圆级光学元件，设置于该光源与该绕射光学元件之间。
12.一种投射结构光的方法，包括：
提供一投射模块以投射一光学图案；
利用一影像感测器提取投射至该空间区域的该光学图案的一影像；
由该影像计算出投射至该空间区域的该光学图案的一像差信息；以及
依据该投射模块的一环境温度补偿该像差信息。
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