CN113376853A - 结构光投射器及波导器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构光投射器及波导器件，包括：波导器件，波导器件包括第一表面和第二表面，第一表面包括光栅结构；光源，光源用于将光耦合进入波导器件以形成耦合入光束；其中，波导器件构造为能够引导耦合入光束在第一表面和第二表面之间进行全内反射；光栅结构构造为能够干扰全内反射以使至少部分耦合入光束从波导器件耦合出来，从波导器件耦合出的这部分耦合入光束形成多束耦合出光束；多束耦合出光束平行于第一表面或第二表面截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵，光斑点阵呈准晶体形状排布。本发明中通过波导器件投射出呈准晶体形状排布的光斑点阵，从而能够通过光斑点阵的局部信息恢复丢失的点，增强了结构光摄像头的鲁棒性。

Description

结构光投射器及波导器件

技术领域

本发明涉及深度传感设备技术领域，具体地，涉及一种结构光投射器及波导器件。

背景技术

近年来，随着消费电子产业的不断发展，具有深度传感功能的3D摄像头日渐受到消费电子界的重视。

目前比较成熟的深度测量方法是结构光方案，即将特定的结构光图案投影在物体上，然后通过图案的形变或位移计算物体不同位置的深度。一种比较常见的结构光图案是随机点阵。随机点阵，是指随机分布的红外激光点阵，如图1所示，在这样的随机点阵分布中，可以根据光斑的形变或位移计算出物体表面不同区域的深度。相反，周期性排布的点阵是无法作为结构光图案。

但是随机点阵中，不便于在深度计算时，对于随机点阵中光斑点的查找，增加了计算难度，使得在结构光方案在实施时更为困难，制造成本较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种结构光投射器及波导器件。

根据本发明提供的结构光投射器，包括：

波导器件，所述波导器件包括第一表面和第二表面，所述第一表面包括光栅结构；

光源，所述光源用于将光耦合进入波导器件以形成耦合入光束；其中，所述波导器件构造为能够引导耦合入光束在第一表面和第二表面之间进行全内反射；

所述光栅结构构造为能够干扰全内反射以使至少部分耦合入光束从波导器件耦合出来，从波导器件耦合出的这部分耦合入光束形成多束耦合出光束；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面或第二表面截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵，所述光斑点阵呈准晶体形状排布。

优选地，所述光源包括边发射激光器。

优选地，所述准晶体形状包括多个晶格单元；

每一所述晶格单元包括呈周期性排列的光斑点阵；

多个所述晶格单元呈周期性排列且使得不同的所述晶格单元内的光斑点阵呈准晶体形状排布。

优选地，所述晶格单元中周期性排列的光斑点阵呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

优选地，还包括投射透镜；

所述投射透镜构造为用于接收并准直所述耦合出光束并将所述耦合出光束投射到目标环境中。

根据本发明提供的波导器件，包括第一表面和第二表面，所述第一表面包括光栅结构；

所述波导器件构造为引导耦合入光束在第一表面和第二表面之间进行全内反射；

所述光栅结构构造为干扰全内反射以使至少部分耦合入光束自第一表面耦合出波导器件，从波导器件耦合出的这部分耦合入光束形成耦合出光；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面或第二表面截面中的光斑呈准晶体形状排布。

优选地，每一所述光栅结构包括呈周期性排列的多条狭缝；

多个所述光栅结构呈周期性排列且使得不同的所述光栅结构耦合出光束呈准晶体形状排布。

优选地，所述周期性排列的多条狭缝呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

优选地，还包括投射透镜；

所述投射透镜构造为用于接收并准直所述耦合出光束并将所述耦合出光束投射到目标环境中。

优选地，所述耦合出光束从第一表面会聚形成直立光锥，然后发散以在直立光锥的上方形成倒立光锥；及

所述直立或倒立光锥与第一表面平行的截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中通过波导器件投射出呈准晶体形状排布的光斑点阵，使得光斑点阵的排布整体呈随机性同时局部具有一定的规律性，从而能够通过光斑点阵的局部信息恢复丢失的点，增强了结构光摄像头的鲁棒性；在本发明中光斑点阵呈准晶体排布，方便每个光斑点的查找，使得光斑点阵的图案变换能够控制，便于深度图计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中激光点阵呈随机分布的示意图；

图2为本发明实施例中结构光投射器的结构示意图；

图3为本发明实施例中光斑点阵呈准晶体形状排布的示意图；

图4为本发明实施例中准晶体形状排布光斑点阵应用示例的示意图；

图5为本发明实施例中波导器件的结构示意图；

图6(a)至图6(c)为本发明变形例中波导器件的结构示意图；

图7为本发明实施例中光栅结构的排列示意图。

图中：

1为光源；2为波导器件；201为第一表面；202为第二表面；203为光栅结构；3为投射透镜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图2为本发明实施例中结构光投射器的结构示意图，如图2所示，本发明提供的结构光投射器，包括：

波导器件2，所述波导器件2包括第一表面201和第二表面202，所述第一表面201包括光栅结构203；

光源1，所述光源1用于将光耦合进入波导器件2以形成耦合入光束；其中，所述波导器件2构造为能够引导耦合入光束在第一表面201和第二表面202之间进行全内反射；所述光栅结构203构造为能够干扰全内反射以使至少部分耦合入光束从波导器件2耦合出来，从波导器件2耦合出的这部分耦合入光束形成多束耦合出光束；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面201或第二表面202截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵，所述光斑点阵呈准晶体形状排布。

投射透镜3，所述投射透镜3构造为用于接收并准直所述耦合出光束并将所述耦合出光束投射到目标环境中。

在本发明实施例中，本发明中通过波导器件2投射出呈准晶体形状排布的光斑点阵，从而能够通过光斑点阵的局部信息恢复丢失的点，增强了结构光摄像头的鲁棒性。

本发明提供的结构光投射器可以在各种系统或装置上实施，例如，手机、电脑、平板电脑、穿戴式设备，车辆等等。

在本发明实施例中，所述光源1包括边发射激光器。

在本发明变形例中，所述光源1包括还可以采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)、带光准直的发光二极管(LED)或类似物。或者，所述光源1还可包括多个激光器或二极管，例如边发射激光器阵列、VCSEL阵列、LED阵列等。

在本发明实施例中，所述投射透镜3可配置成能增大或减小投射光束阵列的视野。例如，所述投射透镜3可通过分散所述投射光束阵列增大视野，或通过会聚投射光束阵列减小视野。

在本发明实施例中，所述投射透镜3可配置成准直各耦合出的光束。例如，按照不同应用的工作距离要求，经所述投射透镜3准直后的投射光束阵列的激光束腰从10mm至1m不等。这样，所述投射透镜3可准直输出光以在观测的距离处，例如，根据应用，在10cm至10m的范围内，并形成清晰的图像，例如，光斑点阵。

在本发明实施例中，所述光源1发射光，以光学方式将光在波导器件2的一表面的耦合入所述波导器件2。耦合入设置包括端面耦合、光栅耦合、棱镜耦合或类似方式。进入波导器件2后，光在波导器件2内的第一表面201和第二表面202之间进行全内反射。所述波导器件2采用高折射率的材料，如树脂玻璃、石英玻璃、单晶硅和熔融石英制成。如，若使用折射率为1.45的石英玻璃，全内折射的临界角度为44°。当光以相对于第一表面201或第二表面202大于临界角的角度在波导器件2中传播，照射在波导器件2的第一表面201或第二表面202上时，保持了全内反射。在波导器件2中传播的光可在各个耦合出区域从波导器件2耦合出来。例如，所述耦合出区域可为具有耦合出结构，如具有透射光栅、反射光栅、反射器的区域。

在本发明实施例中，所述光栅结构203可指一个栅格，如光学栅格，是平行的、相同的长条形元件匀称地间隔排布的组合。

图3为本发明实施例中光斑点阵呈准晶体形状排布的示意图，如图3所示，所述准晶体形状包括多个晶格单元；

每一所述晶格单元包括呈周期性排列的光斑点阵；

多个所述晶格单元呈周期性排列且使得不同的所述晶格单元内的光斑点阵呈准晶体形状排布。

在本发明实施例中，所述晶格单元中周期性排列的光斑点阵呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

图4为本发明实施例中准晶体形状排布光斑点阵应用示例的示意图，如图4所示，通过多种形状的晶格单元排列形成多种形状的光斑点阵。

图5为本发明实施例中波导器件的结构示意图，如图5所示，所述波导器件包括第一表面201和第二表面202，所述第一表面201包括光栅结构203；

所述波导器件2构造为引导耦合入光束在第一表面201和第二表面202之间进行全内反射；

所述光栅结构203构造为干扰全内反射以使至少部分耦合入光束自第一表面201耦合出波导器件2，从波导器件2耦合出的这部分耦合入光束形成耦合出光；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面201或第二表面202截面中的光斑点阵呈准晶体形状排布。

在本发明实施例中，所述耦合出光束从第一表面201会聚形成直立光锥，然后发散以在直立光锥的上方形成倒立光锥；及

所述直立或倒立光锥与第一表面201平行的截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵。

在本发明变形例中，所述耦合出光束从第一表面201发散形成倒立光锥；及所述倒立光束与第一表面201平行的截面包括与耦合出光束对应的点阵。

图6(a)至图6(c)为本发明变形例中波导器件的结构示意图，如图6(a)所示，所述光栅结构203制作在所述波导器件2的下侧面上，微透镜阵列可设置在与图6(a)中耦合出区域的位置对应地在第一表面201上，使得能对耦合出光进行准直，以使其平行。

如图6(b)所示，光栅结构203可制作在波导器件2的上表面上的各个耦合出区域。例如，可从上表面上蚀刻掉图中所示三角形轮廓的光栅。所述光栅结构203对应于耦合出区域，一部分全内反射光可自所述光栅结构203从波导器件2中耦合出来。

如图6(c)所示，光栅结构203可制作在波导器件的下表面上的各个耦合出区域。例如，可从下表面上蚀刻掉图中所示三角形轮廓的光栅。所述光栅结构203对应于耦合出区域，一部分全内反射光可自所述光栅结构203向上表面反射，随后从波导器件2中耦合出来。

图7为本发明实施例中光栅结构的排列示意图，如图7所示，每一所述光栅结构203包括呈周期性排列的多条狭缝；

多个所述光栅结构203呈周期性排列且使得不同的所述光栅结构203耦合出光束呈准晶体形状排布。

在本发明实施例中，所述周期性排列的多条狭缝呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

在本发明实施例中，本发明通过波导器件投射出呈准晶体形状排布的光斑点阵，使得光斑点阵的排布整体呈随机性同时局部具有一定的规律性，从而能够通过光斑点阵的局部信息恢复丢失的点，增强了结构光摄像头的鲁棒性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种结构光投射器，其特征在于，包括：

波导器件，所述波导器件包括第一表面和第二表面，所述第一表面包括光栅结构；

光源，所述光源用于将光耦合进入波导器件以形成耦合入光束；其中，所述波导器件构造为能够引导耦合入光束在第一表面和第二表面之间进行全内反射；

所述光栅结构构造为能够干扰全内反射以使至少部分耦合入光束从波导器件耦合出来，从波导器件耦合出的这部分耦合入光束形成多束耦合出光束；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面或第二表面截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵，所述光斑点阵呈准晶体形状排布。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源包括边发射激光器。

3.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述准晶体形状包括多个晶格单元；

每一所述晶格单元包括呈周期性排列的光斑点阵；

多个所述晶格单元呈周期性排列且使得不同的所述晶格单元内的光斑点阵呈准晶体形状排布。

4.根据权利要求3所述的结构光投射器，其特征在于，所述晶格单元中周期性排列的光斑点阵呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

5.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，还包括投射透镜；

所述投射透镜构造为用于接收并准直所述耦合出光束并将所述耦合出光束投射到目标环境中。

6.一种波导器件，其特征在于，包括第一表面和第二表面，所述第一表面包括光栅结构；

所述波导器件构造为引导耦合入光束在第一表面和第二表面之间进行全内反射；

所述光栅结构构造为干扰全内反射以使至少部分耦合入光束自第一表面耦合出波导器件，从波导器件耦合出的这部分耦合入光束形成耦合出光；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面或第二表面截面中的光斑呈准晶体形状排布。

7.根据权利要求6所述的波导器件，其特征在于，每一所述光栅结构包括呈周期性排列的多条狭缝；

多个所述光栅结构呈周期性排列且使得不同的所述光栅结构耦合出光束呈准晶体形状排布。

8.根据权利要求7所述的波导器件，其特征在于，所述周期性排列的多条狭缝呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

9.根据权利要求6所述的波导器件，其特征在于，还包括投射透镜；

所述投射透镜构造为用于接收并准直所述耦合出光束并将所述耦合出光束投射到目标环境中。

10.根据权利要求6所述的波导器件，其特征在于，所述耦合出光束从第一表面会聚形成直立光锥，然后发散以在直立光锥的上方形成倒立光锥；及

所述直立或倒立光锥与第一表面平行的截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵。

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