CN115135957B - 用于电子设备的深度估计系统 - Google Patents

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Abstract

一种光图案生成系统(1)，包括光源(2)和衍射系统(3)，由所述光源(2)发射的光线穿过所述衍射系统(3)并生成光图案。所述衍射系统(3)包括准直透镜(4)、衍射光学元件(5)和扩展透镜(6)。所述准直透镜(4)、所述衍射光学元件(5)和所述扩展透镜(6)共用光轴(O1)，所述衍射光学元件(5)设置在所述准直透镜(4)与所述扩展透镜(6)之间。入射光线相对于所述光轴(O1)以多个角度进入所述准直透镜(4)，使得所述入射光线形成具有第一投射角度(α1)的第一发散图案。出射光线相对于所述光轴(O1)以多个角度离开所述扩展透镜(6)，使得所述出射光形成具有第二投射角度(α2)的第二发散图案，所述第二投射角度(α2)大于所述第一投射角度(α1)。所述出射光线将所述光图案投射到物体上。这种系统有助于深度估计系统，所述系统较小、功耗低，但仍然覆盖非常宽的视场。

Description

用于电子设备的深度估计系统
技术领域
本发明涉及一种用于电子设备的深度估计系统的光图案生成系统。
背景技术
当前的许多商业移动电子设备需要深度估计系统，以便提供人工现实(artificial reality，AR)和/或虚拟现实(virtual reality，VR)功能。这些功能的操作条件随着技术发展而不断变化。
为了使用一些现有技术方案扫描整个房间，用户需要在房间里徘徊，使得深度系统可以收集所有必要的数据，即覆盖宽视场。在其它现有技术方案中，电子设备包括多个传感器(例如摄像机)，以便覆盖宽视场。
此外，深度系统可以基于结构化光、无源立体声、有源立体声或飞行时间原理。当应用结构化光原理时，使用一个投射器和一个摄像机。对于立体声原理，使用两个摄像机。飞行时间原理利用一个摄像机和一个激光源。
当使用摄像机、投射器和激光源等大量硬件时，深度估计系统不仅占用了小型移动电子设备中可用的大部分体积，而且相对昂贵，消耗了大量的功率。
此外，摄像机必须校准才能正常工作。多年来，移动电子设备承受着大量的物理应力，这可能会使工厂校准失效。
发明内容
目的是提供一种用于电子设备的深度估计系统的光图案生成系统。上述和其它目的通过独立权利要求的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
根据第一方面，提供了一种光图案生成系统，包括光源和衍射系统。由光源发射的光线穿过衍射系统并生成光图案。衍射系统包括准直透镜、衍射光学元件和扩展透镜。准直透镜、衍射光学元件和扩展透镜共用光轴。衍射光学元件设置在准直透镜与扩展透镜之间。入射光线相对于光轴以多个角度进入准直透镜，使得入射光线形成具有第一投射角度的第一发散图案。出射光线相对于光轴以多个角度离开扩展透镜，使得出射光线形成具有第二投射角度的第二发散图案。第二投射角度大于第一投射角度，出射光线将光图案投射到物体上。
这种系统有助于深度估计系统，该系统较小、功耗低，但仍然覆盖非常宽的视场。此外，光图案可以设计成适合特定的深度估计摄像机，例如通过使用等距图案元素、变化距离图案元素、径向或圆形图案等。此外，摄像机可以校准到当前的光图案。
在第一方面的一种可能的实现方式中，第二投射角度大约比第一投射角度大2至3倍，有助于宽角度输出，同时仍然利用窄角度输入。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，第二投射角度相对于光轴在±50°至±100°之间。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，衍射光学元件重定向光线，使得光线形成具有第三投射角度的第三发散图案，第三投射角度大于第一投射角度并且小于第二投射角度，第三发散图案包括光图案。这可以增大角度，即扩展光图案，同时仍然保持高质量的光准直。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，光图案为点图案或网格图案。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，第三投射角度相对于光轴小于±20°。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，衍射光学元件包括光栅或反射表面。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，准直透镜重定向光线，使得光线形成具有第四投射角度的第一会聚图案，有助于保持窄角度。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，准直透镜是非球面的，使光线在朝向衍射光学元件的方向上会聚。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，扩展透镜包括凹表面和垂直于光轴延伸的平坦表面，凹表面准直光线，出射光线通过平坦表面离开光图案生成系统。这种方案同时准直衍射级光束并扩展光图案生成系统的视场。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，光源为激光器。
根据第二方面，提供了一种用于电子设备的深度估计系统，深度估计系统包括摄像机、根据上述的光图案生成系统和计算装置，其中，深度估计系统将光图案投射到物体上，摄像机记录光图案，并且计算装置通过光图案生成深度图。这种系统较小、功耗低，视场非常宽。
在第二方面的一种可能的实现方式中，摄像机的光轴与光图案生成系统的光轴偏移。
根据第三方面，提供了一种电子设备，包括上述深度估计系统。
这一方面和其它方面在下文描述的实施例中是显而易见的。
附图说明
在本发明的以下详细部分中，将参考附图中示出的示例性实施例详细解释各方面、实施例和实现方式。
图1为本发明的一个实施例提供的深度估计系统的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种包括深度估计系统的电子设备，例如智能手机或平板电脑(未示出)。
如图1所示，深度估计系统包括摄像机7、计算装置和光图案生成系统1，下文将详细描述。
深度估计系统将光图案投射到物体上，例如固定物体或人类。摄像机7记录光图案，计算装置通过光图案生成深度图。计算装置利用算法根据光图案的行为定义深度图。
摄像机7设置成使得摄像机7的光轴O2偏离光图案生成系统1的光轴O1，但优选平行于光图案生成系统1的光轴O1。
光图案生成系统1包括光源2和衍射系统3。由光源2发射的光线穿过衍射系统3并生成上述光图案。光源2可以是激光器。
衍射系统3包括共用光轴O1的准直透镜4、衍射光学元件5和扩展透镜6。衍射光学元件5设置在准直透镜4与扩展透镜6之间。
由光源2发射的入射光线相对于光轴O1以多个角度进入衍射系统3，使得入射光线形成具有第一投射角度α1的第一发散图案。出射光线相对于光轴O1以多个角度离开衍射系统3，使得出射光线形成具有第二投射角度α2的第二发散图案。第二投射角度α2大于第一投射角度α1。换句话说，由光源2发射的光线首先穿过准直透镜4，然后穿过衍射光学元件5，最后穿过扩展透镜6，光线在扩展透镜6离开衍射系统3，并在物体上生成上述光图案。
由光源2发射的上述入射光线相对于光轴O1以多个角度进入准直透镜4，使得入射光线形成具有第一投射角度α1的第一发散图案。准直透镜4可以是非球面的。
准直透镜4重定向光线，使得光线形成具有第四投射角度α4的第一会聚图案。
衍射光学元件5重定向光线，使得光线形成具有第三投射角度α3的第三发散图案。第三投射角度α3大于第一投射角度α1并且小于第二投射角度α2。第三发散图案包括光图案，光图案可以是任何类型的图案，例如点图案或网格图案。第三投射角度α3可以相对光轴O1小于±20°，即覆盖最多40°的总面积。
上述出射光线相对于光轴O1以多个角度离开扩展透镜6，使得出射光线形成具有第二投射角度α2的第二发散图案。出射光线将光图案投射到物体上。
第二投射角度α2大于第一投射角度α1。在一个实施例中，第二投射角度α2大约比第一投射角度α1大2至3倍。第二投射角度α2可以相对于光轴O1在±50°至±100°之间，即覆盖100°至200°之间的总面积。
扩展透镜6可以包括凹表面6a和垂直于光轴O1延伸的平坦表面6b。凹表面6a准直光线，出射光线通过平坦表面6b离开光图案生成系统1。扩展透镜6的半径，即凹表面6a的半径，被配置成匹配衍射光学元件5的衍射级，并且平坦表面6b扩展光图案视场。
可以调整多个参数，以生成所需的系统布局。例如，可以调整准直透镜4的以下参数：前后透镜半径、厚度、6x非球面系数、光源2与衍射光学元件5之间的距离以及玻璃材料。对于扩展透镜6，可以调整半径、与衍射光学元件5的距离、材料和厚度。对于衍射光学元件5，所生成的级的视场可以变化。
衍射光学元件5优选使用称为迭代傅里叶变换算法(iterative Fouriertransform algorithm，IFTA)的行业标准方法设计。衍射光学元件5用作相位或振幅元件，其调节击中DOE的场，使得输出场将是衍射光学元件5之后一段距离的衍射图案，即远场。衍射光学元件5由一维或二维周期结构组成，在x方向和y方向上分别具有周期dx,y。该周期将确定衍射级的间距，如以下所示的公式1中所计算。在一个实施例中，衍射光学元件5包括二维光栅或一维反射表面。
公式1：d＝mλ/sin(θm)。例如，m＝+第100衍射级；θ100＝20°；λ＝900nm，从而d＝263μm。
所需的图案包括目标区域中所有衍射级的均匀强度图案。为了确保能够设计这种图案，应有足够的设计自由度。为了确保这一点，特征尺寸应至少为公式2给出的尺寸，如下所示，并且优选小一些，以确保良好的均匀性。
公式2：特征尺寸＝d/2m。例如，特征尺寸＝0.5μm。
为了使衍射光学元件5在实践中发挥作用，应照亮x方向和y方向上的多个周期。这是为满足这些光栅的干涉条件所必需的，使得设计的衍射图案出现在光栅之后一定距离。
本文已经结合各种实施例描述了各个方面和实现方式。但是，本领域技术人员在实践所请求保护的主题时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，能够理解并实现所公开实施例的其它变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求书中列举的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举一些措施并不表示这些措施的结合不能被用于获取优势。计算机程序可存储或分配到合适的介质上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分配。
权利要求书中所用的参考符号不应解释为限制了范围。除非另有说明，否则附图(例如，交叉阴影线、部件的设置、比例、度数等)应结合说明书理解，并应被视为本发明的整个书面描述的一部分。如描述中所使用，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”和“下”以及其形容词和副词(例如，“水平地”、“向右”、“向上”等)，简单地指的是当特定附图面向读者时所示结构的方向。类似地，术语“向内”和“向外”通常是指表面相对于其伸长轴或旋转轴的方向，视情况而定。

Claims (12)

1.一种光图案生成系统(1)，其特征在于，包括：
光源(2)和衍射系统(3)，由所述光源(2)发射的光线穿过所述衍射系统(3)并生成光图案，
所述衍射系统(3)包括：
准直透镜(4)，所述准直透镜(4)是非球面的，
衍射光学元件(5)，
扩展透镜(6)，
所述准直透镜(4)、衍射光学元件(5)和扩展透镜(6)共用光轴(O1)，
所述衍射光学元件(5)设置在所述准直透镜(4)与所述扩展透镜(6)之间，所述准直透镜(4)与所述光源(2)之间的距离可调整；
入射光线相对于所述光轴(O1)以多个角度进入所述准直透镜(4)，使得所述入射光线形成具有第一投射角度(α1)的第一发散图案，所述准直透镜(4)重定向所述光线，使得所述光线形成具有第四投射角度(α4)的第一会聚图案，
出射光线相对于所述光轴(O1)以多个角度离开所述扩展透镜(6)，使得所述出射光线形成具有第二投射角度(α2)的第二发散图案，所述第二投射角度(α2)大于所述第一投射角度(α1)，
所述出射光线将所述光图案投射到物体上。
2.根据权利要求1所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述第二投射角度(α2)大约比所述第一投射角度(α1)大2至3倍。
3.根据权利要求1或2所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述第二投射角度(α2)相对于所述光轴(O1)在±50°至±100°之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述衍射光学元件(5)重定向所述光线，使得所述光线形成具有第三投射角度(α3)的第三发散图案，所述第三投射角度(α3)大于所述第一投射角度(α1)并且小于所述第二投射角度(α2)，所述第三发散图案包括所述光图案。
5.根据权利要求4所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述光图案是点图案或网格图案。
6.根据权利要求4或5所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述第三投射角度(α3)相对于所述光轴(O1)小于±20°。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述衍射光学元件(5)包括光栅或反射表面。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述扩展透镜(6)包括凹表面(6a)和垂直于所述光轴(O1)延伸的平坦表面(6b)，
所述凹表面(6a)准直所述光线，
所述出射光线通过所述平坦表面(6b)离开所述光图案生成系统(1)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光图案生成系统(1)，其特征在于，所述光源(2)是激光器。
10.一种用于电子设备的深度估计系统，其特征在于，所述深度估计系统包括：摄像机(7)，
根据权利要求1至9中任一项所述的光图案生成系统(1)，
计算装置，其中，
所述深度估计系统将光图案投射到物体上，
所述摄像机(7)记录所述光图案，
所述计算装置通过所述光图案生成深度图。
11.根据权利要求10所述的深度估计系统，其特征在于，所述摄像机(7)的光轴(O2)与所述光图案生成系统(1)的光轴(O1)偏移。
12.一种电子设备，其特征在于，包括根据权利要求10或11所述的深度估计系统。
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