CN114257802A - 结构光发生器及深度数据测量头和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光发生器及深度数据测量头和测量装置。该结构光发生器包括：发光元件，包括一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，所述阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光组成所述阵列发出的图案光；布置在所述图案光的出射光路上的准直元件，用于准直所述图案光中的每一个光束；以及布置在经准直光路上的衍射光学元件(DOE)，用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。本发明的结构光发生器通过VCSEL阵列与单个准直元件的恰当配合，实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以由DOE直接进行复制和投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光，例如，离散光斑。

Description

结构光发生器及深度数据测量头和测量装置

技术领域

本发明涉及激光发射装置，尤其涉及一种结构光发生器以及使用该结构光发生器的深度数据测量头和测量装置。

背景技术

传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息(亦称景深信息)，但实际上物体表面的空间深度信息，尤其是深度信息的实时获取在各种工业、生活及娱乐应用中都起着至关重要的作用。

目前，有一种基于结构光检测的三维测量方法能够实时地对物体表面进行三维测量。基于结构光检测的三维测量方法是一种能够对运动物体表面进行实时三维检测的方法。简单地说，该测量方法首先向自然体表面投射带有编码信息的激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由另一位置相对固定的图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元将采集的激光纹理图案与预先存储在存储器内的已知纵深距离的参考面纹理图案进行比较，根据所采集到的纹理图案和已知的参考纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。基于结构光检测的三维测量方法采用并行图像处理的方法，因此能够对运动物体进行实时检测，具有能够快速、准确进行三维测量的优点，特别适用于对实时测量要求较高的使用环境。

随着技术的发展和消费需求的激增，越来越多的便携式移动设备(例如，智能电话等)期望并入上述三维测量功能。但现有技术中缺乏能够满足移动设备小型化和低功耗要求的结构光发生装置。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明提出了一种新型结构光发生器及深度数据测量头和测量装置，该结构光发生器通过垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列与单个准直元件的恰当配合，能够实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以直接由衍射光学元件(DOE)进行复制和投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光，例如，离散光斑。

根据本发明的一个方面，提供了一种结构光发生器，包括：发光元件，包括一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，所述阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光组成所述阵列发出的图案光；布置在所述图案光的出射光路上的准直元件，用于准直所述图案光中的每一个光束；以及布置在经准直光路上的衍射光学元件，用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。

可选地，各自发射的所述激光组成与发射激光的VCSEL的布置一致的离散光斑图案。

可选地，各自发射的所述激光在入射所述准直元件时互不交叠。

可选地，所述阵列的激光出射平面与所述准直元件的入射平面平行，并且所述阵列的中心与所述准直元件的光轴对齐。

可选地，所述准直元件是平凸透镜。

可选地，在等于或小于所述准直元件的有效焦距处设置所述衍射光学元件。

可选地，所述阵列中所有VCSEL和/或被点亮的VCSEL组成的图案与所述衍射光学元件用于复制的图案一致。

可选地，所述阵列中的VCSEL呈矩阵排列或随机排列。

可选地，该结构光发生器还包括：布置在所述发光元件和所述准直元件之间的盖体玻璃，所述盖体玻璃用于保护所述发光元件。

可选地，该结构光发生器还包括：用于固定所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的相对位置的固定件。

可选地所述固定件是用于覆盖所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的至少一部分的壳体，所述壳体具有用于所述结构光出射的开口。

可选地，所述发光元件可以发射红外光。

根据本发明的另一方面，还提供了一种深度数据测量头，包括如上所述的结构光发生器，用于向拍摄区域投射结构光；以及与所述结构光具有预定相对位置关系的成像单元，用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像。

根据本发明的另一方面，还提供了一种深度数据测量头，包括如上所述的结构光发生器，用于向拍摄区域投射结构光；以及具有预定相对位置关系的第一和第二成像单元，用于对所述拍摄区域进行拍摄以分别获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像。

优选地，上述深度数据测量头还可以包括不与所述结构光发生器同时工作的均匀光投射装置，用于向所述拍摄区域投射基本均匀的均匀光，其中，所述成像单元还用于拍摄所述均匀光下拍摄区域的二维图像。

根据本发明的另一方面，还提供了一种深度数据测量装置，包括如上所述的深度数据测量头，以及处理器，用于基于所述二维图像以及所述预定相对位置计算所述拍摄区域中目标对象的深度数据。

由此，本发明提供的新型结构光发生器通过垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列与单个准直元件的恰当配合，能够实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以由衍射光学元件(DOE)直接进行复制并投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明一个实施例的结构光发生器的组成示意图。

图2示出了根据本发明的准直透镜进行准直的一个光路图的例子。

图3A-C示出了根据本发明的结构光发生器的结构和投射结构光的对应关系的一个例子。

图4示出了根据本发明一个实施例的包括壳体结构的结构光发生器的组成示意图。

图5示出了包括本发明的结构光发生器的双目深度数据测量头的一个例子。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息，而利用结构光和成像装置(例如，成像镜头)进行深度测量的方法非常有效。该方法所需计算量较小，精度较高且能用于亮度较小的场所。因此，越来越多的三维测量方案选择结构光结合成像装置(单目或双目)来实现对目标深度信息的测量。

现有技术中通常使用边沿发射型激光器(EdgeEmittingLaser，EEL)作为结构光发生装置的光源。但是边沿发射型激光二极管的上述边缘射出的特性为其小型化和并入便携式设备制造了障碍。例如，智能手机通常难以在其顶端预留出足够布置上述长管脚的高度。虽然可以通过引入诸如直角棱镜等光路改变元件来使得横向布置的边沿发射型激光二极管也能够从顶面出射激光，但使用现有的边沿发射型激光二极管依然面临着光电转化效率低、发热量大和成本高等缺陷。

作为替换，还可以利用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为结构光的发光装置。由于VCSEL的激光垂直于顶面射出且光电转化率高，因此相比于现有的基于边沿发射型激光二极管的结构光发生器，能够实现更为紧凑的布局、更低的功耗且发热量更小。但由于每一单体发光亮度不高，VCSEL需要以阵列的形式进行发光。此时，为了生成结构光，需要极为复杂的逐单体准直，或是DOE的二次衍射。上述复杂工艺提升的结构光发生器的制造成本，也更容易引发各类故障。

有鉴于此，本发明通过垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列与单个准直元件的恰当配合，能够实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以直接由衍射光学元件(DOE)进行复制和投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的离散光斑的投射。

图1示出了根据本发明一个实施例的结构光发生器的组成示意图如图所示，结构光发生器可以包括发光元件1、准直元件2和衍射光学元件(DOE)3。

发光元件1可以用于发射激光。在本发明中，发光元件1由垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现。由于单个VCSEL的发光功率有限，并且为了直接发射图案(例如，具有可分辨的分布规则的一组离散光斑)，为此发光元件1可以包括由多个VCSEL组成的发光阵列。虽然图中为了说明需要示出了由5x6个VCSEL组成的阵列，但在实际应用中，为了给出具有更高可分辨性的图案(例如，通过更多的光斑)，可以包括更大规模的VCSEL阵列，例如20x10的阵列。所述阵列中的VCSEL可以呈矩阵排列、同心圆排列，交错排列或随机排列等。在不同的实施例中，发光元件1可以是在工作时会被全部被点亮的阵列，也可以是具有例如逐颗可控能力的被选择性点亮的阵列。在后一种情况中，同一个发光元件1可以发射不同的图案(即，呈不同分布的离散光斑)。

在用于投射结构光时，阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光可以组成所述阵列发出的图案光。换句话说，发光元件1发出的光在出射时就已经具有一定的图案。上述图案是由阵列里每个发光的VCSEL的位置和发出光束本身决定的，并且可以是由多个光点组成的离散光斑图案。

布置在图案光的出射光路上的准直元件2用于准直所述图案光中的每一个光束。如图2所示，可以由单个准直透镜2来完成对阵列中每个VCSEL发出光束的准直。每个VCSEL发出光束在离开发光元件1后会由一定程度的扩散，但是各自发射的所述激光在入射所述准直元件时互不交叠，或者至少是可被分辨的。换句话说，发光元件1所发射的离散光斑图案在到达准直元件时，虽然每个光斑会略微扩散，但仍然以出射时的离散光斑图案入射准直元件2。

各自发射的激光能够以呈现用于衍射的图案的截面入射所述准直元件。如图所示，所述阵列的激光出射平面与所述准直元件的入射平面平行。并且为了减少准直误差，上述阵列的中心应该与准直元件2的光轴对齐。此时，位于阵列中心的VCSEL所发出的光束能够与准直元件2的光轴完全重合，因此能够得到最为精准的准直。在阵列其他位置(例如，外围)的VCSEL，由于其发出的光束不经过准直元件2的光轴，为此在经由准直元件2聚焦成像后的准直度会比阵列中心位置VCSEL所发出光束的准直度要低。

所述准直元件可以是平凸透镜。图2示出了根据本发明的准直透镜进行准直的一个光路图的例子。如图所示，发光元件1平行于用作准直透镜2的平凸透镜的入射平面设置，DOE3同样可以平行于准直元件的入射平面设置，并且可以如图2所示设置在所述准直元件2的有效焦距(EFL)处。

如图所示，从发光元件1发射的实线光代表从位于发光元件1中央的VCSEL发出的光，从发光元件1发射的虚线光则代表从位于发光元件1外围的VCSEL发出的光。

应该理解的是，虽然为了说明平凸透镜2的光学性能而示出了从中央VCSEL和外围VCSEL所发出的发散型光束，但在本发明的应用场景中，发光元件1中各个VCSEL所发出的光是垂直于发光平面的高会聚性的光，因而不会如图2所示互相交叠。

虽然外围VCSEL发出的光由于不与光轴重合，其经由平凸透镜2的准直效果会弱于中央VCSEL的准直效果，但由于VCSEL阵列的小型性(例如，中央VCSEL和外围VCSEL仅相隔0.1～0.2mm)，哪怕是最外围的发光单元与准直透镜光轴的偏离距离也仅为零点几个毫米，因此使用一个准直透镜对阵列中的全体发光单元进行准直，也可以在结构光投射的有效范围内(例如，0.3～6米)，获取各个离散点的清晰度接近一致的投射图案。

在本发明中，中央和外围VCSEL所发射的光经由平凸透镜2的汇聚准直，可以在有效焦距处形成最为清晰的图案，即，此时的图案面积最小。将DOE3设置在有效焦距处，可以实现最小面积的DOE尺寸。但在具体的应用场景中，例如，应用于手机中时，出于紧凑性的考虑，也可以将DOE3设置相距平凸透镜2小于有效焦距的位置上。此时，根据衍射原理，经由DOE3复制的图案仍然可以在有效焦距处形成最为清晰的图案。

布置在经准直光路上的衍射光学元件3则可用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。所述阵列中所有VCSEL和/或被点亮的VCSEL组成的图案与所述经准直的图案相同。图3A-C示出了根据本发明的结构光发生器的结构和投射结构光的对应关系的一个例子。

图3A示出了VCSEL在发光平面上的布置例。图3A所示的发光元件1为包括64个随机布置的VCSEL的发光阵列。每个VCSEL都被单独配线，因此可以在实际使用中确定哪些发光单元被点亮，哪些不被点亮，从而实现多种图案的投射。由于采用随机布置，因此每个发光单元(即，每个VCSEL1-64)各自与相邻单元的间距不同，但仍然落入预定的范围内。在一个优选实施例中，每个发光单元各自具有5-8μm的直径(例如，7μm)，其与相邻发光单元的间距为20-25μm。

图3B示出了基于VCSEL位置而生成的图案光。上述图案光的图案与图3A所示的VCSEL位置分布一致。在64个发光单元都被点亮的情况下(例如，以相同亮度)，则能够以图3B所示图案入射准直透镜2时(例如，入射平凸透镜2的入射平面)。在经过准直之后，上述图案能够具有更好的随传播距离增加的会聚性，并且可以在有效焦距处呈现最小面积的图3B所示图案。

经准直后的上述图案可以投射到DOE上进行复制。图3C示出了经由DOE规则复制的结构光图案。为了方便说明，图中在图案拼接处示出了虚线，但应该理解实际投射的结构光不包括上述虚线，而只是一个由离散光斑组成的点阵。在图示的例子中，由64个光点组成的经准直图案被DOE复制为一个5x4的规则重复的矩阵，因此是一个包括1280个光点的结构光。上述结构光中的每一个光点都在经过准直后具有良好的准直性(例如，平行光发散角为0.7毫弧)。由此，在有效工作距离(例如，0.3～6米的投射范围)内保持离散性和可分辨性。

虽然图3A示出了由随机分布的64个发光单元组成的VCSEL阵列，5x4的规则DOE复制，但是在其他实现中，也可以利用其他的分布方式、更多或是更少的发光单元、或是不同的复制规则，本发明对此不作限制。

图1出于清楚示意的考虑没有示出结构光分束器的壳体。图4示出了根据本发明一个实施例的包括壳体结构的结构光发生器的组成示意图。

如图4所示，壳体4具有与发光元件1和DOE 3的矩形结构相配合的矩形外壳，其覆盖发光元件1、准直元件2和DOE 3的至少一部分，以起到保护各元件并固定发光元件1、准直元件2和DOE 3的相对位置的作用。例如，发光元件1可以与壳体4的下表面粘合，准直元件2和DOE 3可以卡接在壳体4的相应结构内。壳体4具有用于结构光出射的开口。优选如图4所示，DOE 3可以嵌入在壳体4的开口内。

应该理解的是，图中示出的壳体4仅仅是固定件的一个示例。在其他实施例中，本发明的结构光发生器只要具有用于固定发光元件1、准直元件2和DOE 3的相对位置的固定件即可。在模块化的实现上，上述固定件可以实现为图1和2所示的壳体。在其他实施例中，上述固定件可以是更大组件的固定件或壳体的一部分，例如双目或单目测量头固定结构或壳体的部分。本发明在此不做限制。

虽然图中未示出，但是在某些实施例中，发光元件1上多个VCSEL发出的激光可以经过盖体玻璃5出射至准直透镜2，并由准直透镜2准直。随后，上述准直光束入射至DOE 3。准直光束经DOE 3衍射成预定图案的结构光，上述结构光被投射至拍摄空间，例如在拍摄对象上形成离散光斑。

盖体玻璃可以布置在发光元件1和准直元件2之间，用于保护发光元件1。回到图1和图2所示的结构光发生器，在发光元件1所对应的矩形结构中，VCSEL可以布置在矩形结构的底部，并在其上覆盖盖体玻璃。

在一个实施例中，DOE 3具有通过光学微加工技术制成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。同样回到图1和图4所示的结构光发生器，在DOE 3所对应的矩形(例如，方形)结构中，表面微结构可以布置在矩形结构的底部或顶部。优选将表面微结构布置在底部以避免诸如灰尘等的外界不利影响。

如上结合图1-4示出并描述了仅包括结构光发生器结构的单独模组，但是应该理解，本公开的结构光发生器结构适用于与一个或两个成像设备相结合以实现单目或是双目深度测量的更大组合或是模组中。例如，本发明的结构光发生器可被集成在单目或双目深度数据测量头中，上述测量头可以布置在例如智能电话的顶部，以实现人脸识别等高级功能。还应该理解的是，附图所示的实施例仅仅是为了说明本公开原理的优选实施例，而非对本发明范围的具体限制。

本发明的结构光发生器能够用于实时地对物体表面进行三维测量的单目或双目视觉识别技术。例如，在单目实现中，首先向自然体表面投射带有编码信息的激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由另一位置相对固定的图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元将采集的激光纹理图案与预先存储在存储器内的已知纵深距离的参考面纹理图案进行比较，根据所采集到的纹理图案和已知的参考纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。相比之下，双目视觉识别技术直接模拟人类双眼处理景物的方式，根据三角测量的原理，采用不同位置的两台摄像机拍摄同一景物，以一个摄像机所拍摄到的画面为主画面，通过在另一个摄像机所拍摄到的画面上去寻找与主画面匹配的同一目标，通过计算目标在两幅图像中的视差，即可计算得到该目标的三维空间坐标。该技术只需要经过简单的标定程序，获得两台摄像机之间的相对空间关系，就可以建立测量物体所在的空间坐标系统。基于结构光检测的三维测量方法采用并行图像处理的方法，因此能够对运动物体进行实时检测，具有能够快速、准确进行三维测量的优点，特别适用于对实时测量要求较高的使用环境。

图5示出了包括本发明的结构光发生器的双目深度数据测量头的一个例子。

如图5所示，根据本发明以上描述的结构光发生器10可以用于向拍摄区域投射结构光。具有预定相对位置关系的第一成像单元30和第二成像单元40可以对拍摄区域进行拍摄以分别获得在结构光照射下的第一和第二二维图像。可选地，该测量头还可以包括不与结构光发生器10同时工作的均匀光投射装置20，用于向拍摄区域投射基本均匀的均匀光。上述第一和/或第二成像单元还用于拍摄所述均匀光下拍摄区域的二维图像。上述投射和成像单元可由连接机构50固定，其各自的引线可经由上述连接机构50汇总至线缆60，以方便与处理和控制单元，例如处理器的连接。

该测量组件在结构光发生器10点亮的情况下使用第一成像单元30和第二成像单元40拍摄获取目标对象深度信息所需的第一和第二二维图像，并且在均匀光投射装置20点亮的情况下进行拍摄以获取带有拍摄区域中目标对象轮廓信息的二维图像。

由测量组件分帧获取的至少三幅二维图像可以经由线缆60送至处理器(图5中未示出)。处理器可以基于第一和第二二维图像获取拍摄区域中目标对象(例如，人脸)的深度图信息，基于在投射所述均匀光下拍摄的二维图像获取所述目标对象的轮廓信息。

首先对获取目标对象深度信息的拍摄进行描述，上述拍摄是在结构光发生器10点亮且均匀光投射装置20关闭的情况下进行的。三维图像(或是深度图像)可以由处理器从彼此具有视差的第一二维图像和第二二维图像中获取，第一二维图像与第二二维图像既可以为静态图像，也可以为动态图像。

结构光发生器10能够向拍摄区域投射结构光，例如离散光束，所述离散光束被调制以在拍摄区域中形成多个离散斑点。例如，照射在用于解锁智能电话的人脸上的离散斑点。在一个实施例中，该离散斑点可以是能被从其周围预定空间范围内的其它离散斑点中识别出的离散斑点。

第一成像单元30用于对拍摄区域进行拍摄以获得第一二维图像。第二成像单元40，与第一成像单元30之间具有预定相对位置关系，用于对拍摄区域进行拍摄以获得第二二维图像。离散斑点可以被编码。虽然第一成像单元30与第二成像单元40可以相继对二维图像进行捕获，但优选同时捕获第一和第二二维图像以实现对深度信息的准确求取。

在本发明中，由于投射离散光斑的目的可以只是为了增加被测对象表面可识别的特征纹理，并且也无需使用参考面纹理序列数据，因此即使是多台设备同时使用而导致离散光斑发生交联投影也不影响对被测对象空间三维信息的测量。

进一步地，第一成像单元30和第二成像单元40可以为两个阵列式图像传感器，例如，CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)，可以将物像聚焦到第一成像单元30和第二成像单元40的表面，从而转化为可处理的数字信号。同时第一成像单元30和第二成像单元40例如可以通过带通滤光片来使得仅允许第一投射装置10所在工作波长的激光通过，除此之外的其他波长的光线均被截止，这样能够防止工作激光的照明强度湮没在其他波长的环境光照中，起到抗干扰作用。在一个实施例中，结构光发生器10投射红外光，例如，940nm的红外光。由于在太阳光谱中所占成分很小，因此940nm红外光不易受到环境光的影响。

其次，对获取目标对象轮廓信息的拍摄进行描述，这一拍摄是在结构光发生器10关闭且均匀光投射装置20点亮的情况下进行的。

均匀光投射装置20可以是点光源或是面光源，例如，LED阵列，其能够向拍摄区域投射基本均匀的均匀光。上述均匀光可以照亮位于拍摄区域内的特定对象，例如，想要解锁智能电话的用户的脸部。可以在均匀光投射装置20点亮时对拍摄区域进行拍摄，以获取包含用户脸部的二维图像。处理器可以对在该均匀光照射下的图像进行处理，以提取进行人脸识别所需的信息，例如，拍摄区域中人脸的轮廓位置信息。

上述均匀光可以照亮拍摄区域中的目标对象，这时对拍摄区域中的目标对象进行拍摄，由此确保至少在低光照条件下对目标对象信息的准确获取。在一个实施例中，均匀光投射装置20可以投射红外光，并由例如配备有带通滤波器的成像装置对投射了均匀红外光的拍摄区域进行成像，由此能够在避免可见光干扰的情况下进行目标对象拍摄。优选地，投射的红外光也可以是940nm红外光，以便在照亮目标对象的同时最小化自然光的影响(例如，在阳光强烈的室外)。另外，在人脸识别的应用场景中，940nm红外光对人体皮肤下的毛细血管有很好的显影作用(氧合血红蛋白对940nm光照吸收多，会呈现偏暗的颜色)，因此能够进一步避免在例如使用诸如树脂的特效化妆物对目标人脸进行恶意模仿时，人脸被错误识别的概率。

虽然如上结合图5描述了包括均匀光投射装置的双目测量头，但本领域技术人员应该理解的是，上述均匀光投射装置不是深度数据测量所必须的，并且本发明的结构光发生器也适用于单目实现。在一个实施例中，深度数据测量头可以包括前述结构光发生器以及与其有预定相对位置关系的成像单元，后者用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像。

如上所述，上述测量头和可以与基于所述二维图像以及所述预定相对位置计算所述拍摄区域中目标对象的深度数据的处理器相结合，以实现深度数据测量装置。本发明在此不再展开。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的结构光发生器。本发明提供的新型结构光发生器通过垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列与单个准直元件的恰当配合，能够实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以由衍射光学元件(DOE)直接进行复制并投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (16)

1.一种结构光发生器，包括：

发光元件，包括一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，所述阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光组成所述阵列发出的图案光；

布置在所述图案光的出射光路上的准直元件，用于准直所述图案光中的每一个光束；以及

布置在经准直光路上的衍射光学元件，用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。

2.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，各自发射的所述激光组成与发射激光的VCSEL的布置一致的离散光斑图案。

3.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，各自发射的所述激光在入射所述准直元件时互不交叠。

4.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述阵列的激光出射平面与所述准直元件的入射平面平行，并且所述阵列的中心与所述准直元件的光轴对齐。

5.如权利要求4所述的结构光发生器，其中，所述准直元件是平凸透镜。

6.如权利要求5所述的结构光发生器，其中，在等于或小于所述准直元件的有效焦距处设置所述衍射光学元件。

7.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述阵列中所有VCSEL和/或被点亮的VCSEL组成的图案与所述衍射光学元件用于复制的图案一致。

8.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述阵列中的VCSEL呈矩阵排列或随机排列。

9.如权利要求1所述的结构光发生器，还包括：

布置在所述发光元件和所述准直元件之间的盖体玻璃，所述盖体玻璃用于保护所述发光元件。

10.如权利要求1所述的结构光发生器，还包括：

用于固定所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的相对位置的固定件。

11.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述固定件是用于覆盖所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的至少一部分的壳体，所述壳体具有用于所述结构光出射的开口。

12.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述发光元件发射红外光。

13.一种深度数据测量头，包括：

如权利要求1-12中任一项所述的结构光发生器，用于向拍摄区域投射结构光；以及

与所述结构光具有预定相对位置关系的成像单元，用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像。

14.一种深度数据测量头，包括：

如权利要求1-12中任一项所述的结构光发生器，用于向拍摄区域投射结构光；以及

具有预定相对位置关系的第一和第二成像单元，用于对所述拍摄区域进行拍摄以分别获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像。

15.如权利要求13或14所述的深度数据测量头，还包括：

不与所述结构光发生器同时工作的均匀光投射装置，用于向所述拍摄区域投射基本均匀的均匀光，其中，

所述成像单元还用于拍摄所述均匀光下拍摄区域的二维图像。

16.一种深度数据测量装置，包括：

如权利要求13-15中任一项所述的深度数据测量头，以及

处理器，用于基于所述二维图像以及所述预定相对位置计算所述拍摄区域中目标对象的深度数据。

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