CN116224612A - 一种结构光投射器及其设计方法、深度相机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种结构光投射器及其设计方法、深度相机。深度相机包括结构光投射器及图像采集器，结构光投射器包括依次设置且中心轴重合的激光光源及超表面光学元件；激光光源用于发射激光光束；超表面光学元件用于对激光光束进行衍射后投射出非对称结构光光束；非对称结构光光束包括在中心轴左右依次排列的第一衍射级子结构光光束及第二衍射级子结构光光束，第一衍射级子结构光光束的视场角小于第二衍射级子结构光光束的视场角；图像采集器设置于结构光投射器的右侧。本申请基于超表面光学元件实现了投射出非对称结构光光束，且非对称结构光光束偏向于图像采集器，进而减少了无效光束，提高了深度相机的光束利用率。

Description

一种结构光投射器及其设计方法、深度相机

【技术领域】

本申请涉及三维视觉传感器技术领域，尤其涉及一种结构光投射器及其设计方法、深度相机。

【背景技术】

单目结构光深度相机包括结构光投射器、图像采集器及处理器。结构光投射器投射散斑图案，图像采集器采集散斑图案生成散斑图像，处理器基于散斑图像计算深度图像。

结构光投射器采用点光源阵列配合衍射光学元件(Diffractive OpticalElements，DOE)，向目标物体投射散斑光束，由于DOE采用的是二阶结构，所以结构光投射器投射出的散斑图案均相对主中心轴中心对称。结构光投射器与图像采集器之间通常存在基线距离，并且基线距离与测量精度正相关，导致结构光投射器投射出的结构光光束中总会有一部分光束(即部分散斑)无法被图像采集器接收，使得这部分信号被直接浪费掉。

【发明内容】

本申请提供了一种结构光投射器及其设计方法、深度相机，旨在解决深度相机存在较多的无效光束的技术问题。

为了解决相关技术中所存在的上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种结构光投射器，结构光投射器包括依次设置且中心轴重合的激光光源及超表面光学元件；激光光源用于发射激光光束；超表面光学元件用于对激光光束进行衍射后投射出非对称结构光光束；非对称结构光光束包括在中心轴左右依次排列的第一衍射级子结构光光束及第二衍射级子结构光光束，第一衍射级子结构光光束的视场角小于第二衍射级子结构光光束的视场角。

在一些实施例中，在垂直于左右方向的上下方向上，结构光光束包括在中心轴上下依次排列的第三衍射级子结构光光束及第四衍射级子结构光光束，第三衍射级子结构光光束的视场角等于第四衍射级子结构光光束的视场角。在一些实施例中，结构光投射器还包括设于激光光源与超表面光学元件之间的准直元件，准直元件与激光光源的中心轴重合，用于对激光光束进行准直。在一些实施例中，超表面光学元件包括沿激光光束出射方向依次设置的第一微纳结构及第二微纳结构，第一微纳结构用于准直激光光束，第二微纳结构用于衍射激光光束投射出非对称结构光光束。

在其中一些实施例中，激光光源为点光源阵列，点光源阵列包括多个点光源，结构光投射器满足以下关系式：

tan(i)＝P/EFL；

其中，P表示点光源与中心轴在左右方向上的距离，EFL表示准直元件或第一微纳结构的焦距，i表示点光源发射的激光光束经准直元件后入射超表面光学元件的角度、或经第一微纳结构后入射第二微纳结构的角度；λ表示激光光束的波长，n表示第一衍射级，m表示第二衍射级，A表示超表面光学元件或第二微纳结构的微结构周期，α′表示激光光束于第一衍射级时的第一衍射角度，θ′表示激光光束于第二衍射级时的第二衍射角度。

本申请实施例第二方面提供了一种深度相机，包括本申请实施例第一方面任一实施例的结构光投射器、图像采集器及处理器。图像采集器设置于结构光投射器的右侧，且图像采集器与结构光投射器的中心轴平行，用于采集由目标反射回的非对称结构光光束以形成结构光图像；其中，结构光投射器的视场在测量范围内覆盖图像采集器的视场；处理器用于接收结构光图像并计算出深度图像。

在一些实施例中，图像采集器的接收视场角包括图像采集器的中心轴的左侧的第一接收子视场角、和右侧的第二接收子视场角，深度相机满足以下关系式：

d_max×tan(α)+B≥d_max×tan(R1)，

d_min×tan(θ)-B≥d_min×tan(R2)；

其中，d_max表示深度相机的最远测量距离，d_min表示深度相机的最近测量距离，B表示深度相机的基线距离，R1表示第一接收子视场角，R2表示第二接收子视场角，α表示第一衍射级子结构光光束的视场角，θ表示第二衍射级子结构光光束的视场角。在其中一些实施例中，第一接收子视场角与第二接收子视场角相同；或，第一接收子视场角大于第二接收子视场角。

本申请实施例第三方面提供了一种结构光投射器的设计方法，结构光投射器包括依次设置且中心轴重合的激光光源、准直元件及超表面光学元件，设计方法包括：获取最远测量距离与最近测量距离、图像采集器的左右方向上的接收视场角及图像采集器与结构光投射器之间的基线距离，其中，图像采集器设置于结构光投射器的右侧；根据最远测量距离、最近测量距离、接收视场角、基线距离及结构光投射器的投射视场角之间的预设关系，计算投射视场角的最小值，其中，投射视场角包括中心轴左右两侧的第一投射子视场角和第二投射子视场角，第一投射子视场角小于第二投射子视场角，最小值包括第一投射子视场角和第二投射子视场角的最小值；调节超表面光学元件的第一衍射级及第二衍射级、准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸及超表面光学元件的微结构周期中的至少一个，以使第一投射子视场角和第二投射子视场角分别大于或等于对应的最小值。

在一些实施例中，接收视场角包括位于中心轴左侧第一接收子视场角及右侧的第二接收子视场角，预设关系包括：

d_max×tan(α)+B≥d_max×tan(R1)，

d_min×tan(θ)-B≥d_min×tan(R2)；

其中，d_max表示最远测量距离，d_min表示最近测量距离，B表示基线距离，R1表示第一接收子视场角，R2表示第二接收子视场角，α表示第一投射子视场角，θ表示第二投射子视场角。在一些实施例中，激光光源包括多个点光源，结构光投射器满足以下关系：

tan(i)＝P/EFL；

其中，P表示点光源与结构光投射器的中心轴在左右方向上的距离，EFL表示准直元件的焦距，i表示点光源发射的激光光束入射超表面光学元件的角度；λ表示激光光束的波长，n表示第一衍射级，m表示第二衍射级，A表示超表面光学元件的微结构周期，α′表示激光光束于第一衍射级时的第一衍射角度，θ′表示激光光束于第二衍射级时的第二衍射角度。

从上述描述可知，与相关技术相比，本申请的有益效果在于：利用超表面光学元件灵活的光波调制能力，使其可以直接投射出非对称结构光光束，第一衍射级子结构光光束的视场角小于第二衍射级子结构光光束的视场角，在深度相机的测量距离内，结构光投射器的视场覆盖图像采集器的视场，图像采集器位于结构光投射器的右侧，进而非对称结构光光束偏向于图像采集器，进而图像采集器可采集到更多的结构光光束，减少无效光束，提高结构光投射器的有效利用率。同时，本申请基于超表面光学元件实现投射非对称结构光光束，无需对结构光投射器或激光光源做偏心或倾斜组装，有效地减小了组装难度和精度要求，对生产良率有益。另外，超表面光学元件的尺寸比DOE更小，有利于结构光投射器的小型化。

【附图说明】

为了更清楚地说明相关技术或本申请实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本申请实施例的描述中所需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申请的一些实施例，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的相关技术中深度相机的系统示意图；

图2为本申请提供的相关技术中结构光投射器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的深度相机的系统示意图；

图4为本申请实施例提供的结构光投射器的投射示意图；

图5为现有的结构光投射器和本申请实施例提供的结构光投射器投射的散斑示意图；

图6为本申请实施例提供的结构光投射器的设计方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加的明显、易懂，下面将结合本申请实施例以及相应的附图，对本申请进行清楚、完整地描述，其中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解的是，下面所描述的本申请的各个实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即基于本申请的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

深度相机包括结构光投射器、图像采集器、处理器，在实际的深度测量中，结构光投射器向目标空间投射激光光束，图像采集器同步采集目标空间反射回的激光光束，处理器用于将根据图像采集器采集到的数据进行深度计算，得到目标空间的深度图像。

相关技术中，结构光投射器大都采用点光源阵列配合DOE的形式以向目标空间投射结构光光束，由于DOE采用的是二阶结构，所以结构光投射器投射出的结构光光束均相对中心轴中心对称，并且结构光投射器与图像采集器之间通常具有较大的基线距离，导致结构光投射器投射出的结构光光束中有一部分信号无法被图像采集器接收，这部分信号的能量被直接浪费掉。

为了避免这种现象，一种方案是采用如图1所示出的深度相机，倾斜组装结构光投射器TX，使结构光投射器TX向图像采集器RX的方向倾斜，进而投射出的结构光光束会向图像采集器RX倾斜。另一种方案是采用如图2所示出的结构光投射器，激光光源相较DOE朝远离图像采集器RX偏心设置，即激光光源的中心轴Z1与DOE的中心轴Z2不重合且Z1位于Z2的远离图像采集器RX的一侧，进而投射出的结构光光束会向图像采集器RX倾斜。以上两种方案虽然都能够使得结构光投射器投射出非对称结构光光束，但是这两种方案结构光投射器的出射光束分布受组装精度的影响较为严重，为了保证产品性能的一致性需要对组装精度提出更高的要求，而过高的组装精度又会为产品带来生产良率低、成本高的弊端。

如图3所示，本申请实施例提出了一种深度相机，该深度相机包括结构光投射器31、图像采集器32及处理器(图未示)。在左右方向u上，图像采集器32位于结构光投射器31的右侧。结构光投射器31用于投射非对称结构光光束至目标空间，图像采集器32的中心轴F与结构光投射器31的中心轴E平行并具有基线距离B(即中心轴F与中心轴E之间的距离)，非对称结构光光束朝图像采集器32所在的一侧倾斜，在深度相机的测量距离内，非对称结构光光束覆盖图像采集器32的接收视场，图像采集器32用于采集经目标空间反射回的非对称结构光光束以形成结构光图像。处理器与结构光投射器31及图像采集器32连接，用于控制结构光投射器31及图像采集器32，并接收图像采集器32采集到的结构光图像计算深度信息得到深度图像，如将结构光图像与参考结构光图像进行匹配后得到视差图像，然后根据视差图像得到深度图像。或者，深度相机也可不包括处理器，由外部的处理器计算得到深度图像。其中，深度相机可以是结构光深度相机。

如图3所示，结构光投射器31包括激光光源311及超表面光学元件312，激光光源311用于发射激光光束，超表面光学元件312用于对激光光束进行衍射后投射出非对称结构光光束，非对称结构光光束包括在中心轴E左右依次排列的第一衍射级子结构光光束Q1及第二衍射级子结构光光束Q2，第一衍射级子结构光光束Q1的视场角小于第二衍射级子结构光光束Q2的视场角。

本申请实施例利用超表面光学元件312灵活的光波调制能力，使得结构光投射器31可以直接投射出非对称结构光光束至目标，非对称结构光光束包括在中心轴E左右排布的第一衍射级子结构光光束Q1及第二衍射级子结构光光束Q2，图像采集器32设于结构光投射器31的右侧，在测量距离内结构光投射器31的视场能够覆盖图像采集器32的视场，使得图像采集器32可采集到非对称结构光光束中较多的光束，减少了无效光束，提高光束有效利用率。同时，本申请实施例基于超表面光学元件312实现非对称结构光光束，无需对结构光投射器31或激光光源311做偏心或倾斜组装，减小了组装难度和精度要求，对生产良率有益。另外，超表面光学元件311的尺寸比DOE更小，有利于结构光投射器31的小型化。

需要说明的是，本申请实施例仅为了阐述方便以左右方向进行描述而并非限定，水平方向、竖直方向、斜向等任意方向均可作为上述左右方向，左右可理解为该方向的反向和正向。本申请实施例以左右方向u为水平方向为例进行说明，实际上左右方向u可根据深度相机的产品结构进行确定。上述左右方向u为深度相机中结构光投射器31与图像采集器32的基线方向。

激光光源311用于发射激光光束，激光光源311可为垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)等类型的光源。激光光源311可为点光源或点光源阵列，点光源阵列包括呈阵列排布的多个点光源。在一些实施例中，激光光源311为点光源阵列，进而激光光源311具有一定大小的发光面。超表面光学元件312对激光光束在左右方向u的左向具有第一衍射级，右向具有第二衍射级，第一衍射级小于第二衍射级，进而衍射后可投射出第一衍射级子结构光光束Q1及第二衍射级子结构光光束Q2。超表面光学元件312包括多个微纳结构，微纳结构被设计成对激光光束在左向上具有第一衍射级，在右向上具有第二衍射级。

结构光投射器31在左右方向u上具有第一投射视场角，在上下方向v上具有第二投射视场角，上下方向v垂直于左右方向u。第一投射视场角包括位于中心轴E左侧的第一子投射视场角α及右侧的第二子投射视场角θ，第一子投射视场角α与第一衍射级子结构光光束Q1对应，第二子投射视场角θ与第二衍射级子结构光光束Q2对应，第二子投射视场角θ大于第一子投射视场角α。其中，同左右方向u，上下方向v中的上下也仅是为了便于描述而非限定。

在一些实施例中，第一衍射级为n，第二衍射级为m，n＜m，即激光光束到达超表面光学元件312在左向会发生n级衍射，右向上发生m级衍射。在其中的一个实施例中，第一衍射级n与第二衍射级m相差1级，即m-n＝1；若需要增大非对称结构光光束的非对称性，即增大第一衍射级子结构光光束Q1与第二衍射级子结构光光束Q2相对于中心轴E的不对称程度，则第一衍射级n与第二衍射级m可以相差2级或2级以上，即m-n＝2、3、…、z(z为大于3的正整数)，具体可根据实际需求设定。

在一些实施例中，非对称结构光光束在上下方向v上相对中心轴E对称。在上下方向v上，非对称结构光光束包括中心轴E上下依次排布的第三衍射级子结构光光束和第四衍射级子结构光光束。第二投射视场角包括中心轴E上下两侧的第三投射子视场角和第四投射子视场角，超表面光学元件312在上下方向v的上下向分别具有第三衍射级及第四衍射级，第三衍射级等于第四衍射级，进而第三投射子视场角与第四投射子视场角相同，如此，在提高了光束利用率的同时，降低了超表面光学元件312的设计难度。

如图5中的图(1)和图(2)所示，分别示出了现有的结构光投射器投射出的散斑示意图和本申请实施例的结构光投射器31投射出的散斑示意图，图5(1)和图5(2)中的黑圆点表示散斑，图5(1)中轴A1左右两侧的散斑相对轴A1对称，轴A2上下两侧的散斑相对轴A2对称；图5(2)中轴B1左右两侧的散斑相对轴B1不对称，右侧宽于左侧，轴B2上下两侧的散斑相对轴B2对称；当图5(1)和图5(2)对应的图像采集器均设于结构光投射器的右侧且视场角相同时，图5(2)较图5(1)更多散斑被图像采集器采集，光束的利用率更高。

图像采集器32在左右方向u上具有第一接收视场角，在上下方向v具有第二接收视场角。在左右方向u上，第一接收视场角包括位于中心轴F的左侧的第一接收子视场角R1、及右侧的第二接收子视场角R2。

在一个实施例中，第一接收子视场角R1等于第二接收子视场角R2。在另一个实施例中，第一接收子视场角R1与第二接收子视场角R2不同，例如，第一接收子视场角R1大于第二接收子视场角R2，具体可通过设计图像采集器32的镜头或偏心设置图像传感器等实现，如此，接收视场角朝结构光投射器31倾斜，尽可能的减少了无效光束。第一接收子视场角R1与第二接收子视场角R2具体可根据接收视场角与投射视场角之间的差异进行设计。第二接收视场角包括位于中心轴F上侧和下侧的第三接收子视场角及第四接收子视场角，第三接收子视场角等于第四接收子视场角。

如图3所示，深度相机具有最远测量距离d_max和最近测量距离d_min，为了提高结构光光束的利用率，在一些实施方式中，在深度相机的最远测量距离d_max处，第一投射子视场角α需要覆盖第一接收子视场角R1；在深度相机的最近测量距离d_min处，第二投射子视场角θ需要覆盖第二接收子视场角R2。如果深度相机的最远测量距离d_max处第一投射子视场角α能够覆盖第一接收子视场角R1，那么深度相机的最近测量距离d_min处第一投射子视场角α必能覆盖第一接收子视场角R1；如果深度相机的最近测量距离d_min处第二投射子视场角θ能够覆盖第二接收子视场角R2，那么深度相机的最远测量距离d_max处第二投射子视场角θ必能覆盖的第二接收子视场角R2。

因此，深度相机满足如下关系：

d_max×tan(α)+B≥d_max×tan(R1)，

d_min×tan(θ)-B≥d_min×tan(R2)。

其中，d_max表示深度相机的最远测量距离，d_min表示深度相机的最近测量距离，B为基线距离，R1表示第一接收子视场角，R2表示第二接收子视场角，α表示第一投射子视场角，θ表示第二投射子视场角。从这个关系中可以看出，如果清楚深度相机的最远测量距离d_max与最近测量距离d_min，以及基线距离B、第一接收子视场角R1和第二接收子视场角R2，可以计算出第一投射子视场角α及第二投射子视场角θ的最小值，这对于结构光投射器31的设计是十分重要的，对此将在下文中详细体现。

在一些实施方式中，结构光投射器31还包括准直元件313，准直元件313设置于激光光源311与超表面光学元件312之间，准直元件313与激光光源311及超表面光学元件312的中心轴重合，准直元件313用于对激光光源311发射的激光光束进行准直以投射至超表面光学元件312，准直元件313可以包括一个或多个透镜。

在另一些实施方式中，超表面光学元件312同时具有准直功能和衍射功能，超表面光学元件312包括用于准直激光光源311发射的光束的第一微纳结构、及用于对准直后的光束进行衍射并投射出非对称结构光光束的第二微纳结构，第一微纳结构及第二微纳结构不同并沿光束的出射方向依次设置；其中，第一微纳结构及第二微纳结构可分别设于基底的相对两侧，可为圆柱、棱柱等形状，可通过第一微纳结构及第二微纳结构所需的目标功能反推设计第一微纳结构和第二微纳结构的形状及相位分布等参数，使得第一微纳结构具有准直功能，第二微纳结构对激光光束具有第一衍射级及第二衍射级。

如图4所示，结构光投射器31的各个元件之间满足如下关系：

tan(i)＝P/EFL；及

其中，P表示激光光源311内的点光源与中心轴E在左右方向上的距离，例如，图4中，激光光源311的发光面尺寸为2L，点光源为左右方向u上最左侧或最右侧的点光源时，则P等于L；EFL表示准直元件313或第一微纳结构的焦距，i表示点光源发射的激光光束入射于超表面光学元件312或第二微纳结构的角度；当点光源和衍射级位于中心轴E异侧时，上述关系中的±号取正；当点光源和衍射级位于中心轴E同侧时，上述关系中的±号取﹣；λ表示点光源发射的激光光束的波长，n表示第一衍射级，m表示第二衍射级，A表示超表面光学元件312或第二微纳结构的微结构周期，α′表示点光源发射的激光光束经超表面光学元件312衍射时于第一衍射级n处的第一衍射角度，左右方向u上最右侧的点光源于第一衍射级n处的第一衍射角度即为第一投射子视场角α，θ′表示点光源发射的激光光束经超表面光学元件312衍射时于第二衍射级m处的第二衍射角度，左右方向u上最左侧的点光源于第二衍射级m处的第二衍射角度即为第二投射子视场角θ，衍射角度为衍射光束从超表面光学元件312出射的角度。其中，i、α′、θ′在中心轴E右侧时则取正，在中心轴E左侧时则取负，对应的m取正，n取负。

上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，其并非是对所描述内容的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。

图6为本申请实施例提供的结构光投射器的设计方法的流程示意图，该设计方法用于设计本申请实施例提供的结构光投射器31，设计方法包括如下步骤601至603。

步骤601、获取深度相机的最远测量距离与最近测量距离、图像采集器在左右方向上的接收视场角及图像采集器与结构光投射器之间的基线距离。

深度相机的最远测量距离d_max与最近测量距离d_min、图像采集器32在左右方向u上的接收视场角及图像采集器32与结构光投射器31之间的基线距离B根据深度相机的使用需求或人为确定，然后可输入至设计系统中，参照上述关于深度相机的实施例，接收视场角包括第一接收子视场角R1和第二接收子视场角R2。

步骤602、根据最远测量距离、最近测量距离、接收视场角、基线距离及结构光投射器的投射视场角之间的预设关系，计算投射视场角的最小值。

参照上述关于结构光投射器的实施例，结构光投射器31投射的非对称结构光光束偏向于图像采集器32，结构光投射器31于左右方向u的包括中心轴E的左侧的第一投射子视场角α及右侧的第二投射子视场角θ，第一投射子视场角α小于第二投射子视场角θ。

在一些实施方式中，上述预设关系包括：

d_max×tan(α)+B≥d_max×tan(R1)，

d_min×tan(θ)-B≥d_min×tan(R2)。

通过上述预设关系，可计算第一投射子视场角α和第二投射子视场角θ的最小值α_min和θ_min，以根据α_min和θ_min对激光光源、准直元件及超表面光学元件的相关参数进行设计。其中，准直元件包括上述深度相机相关实施例所述的准直元件313或第一微纳结构。

步骤603、调节超表面光学元件的第一衍射级及第二衍射级、准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸及超表面光学元件的微结构周期中的至少一个，以使第一投射子视场角和第二投射子视场角分别大于或等于对应的最小值。

参照上述关于结构光投射器的描述，第一衍射级、第二衍射级、准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸及超表面光学元件的微结构周期之间满足以下关系：

tan(i)＝P/EFL；及

其中，最左侧的点光源发出的激光光束经超表面光学元件后于第二衍射级的衍射角度θ′为第二投射子视场角θ，最右侧的点光源发出的激光光束经超表面光学元件后于第一衍射级的衍射角度α′为第一投射子视场角α，因此，可根据上述关系调节第一衍射级、第二衍射级、准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸及超表面光学元件的微结构周期中的至少一个，使得第一投射子视场角大于θ_min，第二投射子视场角大于α_min。

在一些实施例中，预先设定第一衍射级n及第二衍射级m，然后依据α_min、θ_min、第一衍射级n、第二衍射级m及上述关系式，调节准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸以及超表面光学元件的微结构周期中的至少一个，使得第一投射子视场角α和第二投射子视场角θ分别大于或等于θ_min和α_min。

在另一些实施例中，预先设定准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸以及超表面光学元件的微结构周期，然后依据α_min、θ_min及上述关系式，调节第一衍射级n及第二衍射级m，使得第一投射子视场角α和第二投射子视场角θ分别大于或等于θ_min和α_min。

在其它实施例中，也可设定好第一衍射级、第二衍射级、准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸及超表面光学元件的微结构周期中的一个或多个，再调节余下的参数，在此不一一展开描述。

确定激光光源、准直元件及超表面光学元件的上述参数后，还需根据超表面光学元件所需要的第一衍射级n、第二衍射级m及微结构周期，对超表面光学元件进行设计，使得超表面光学元件满足所需条件。

本申请实施例在设计结构光投射器31时，获取深度相机的最远测量距离d_max与最近测量距离d_min、图像采集器32在左右方向u上的接收视场角及图像采集器32与结构光投射器31之间的基线距离B，并根据最远测量距离d_max、最近测量距离d_min、第一接收子视场角R1和第二接收子视场角R2、基线距离B及结构光投射器31的投射视场角之间的预设关系，计算出结构光投射器31的第一投射子视场角α及第二投射子视场角θ的最小值，调节第一衍射级n、第二衍射级m、准直元件的焦距、激光光源的发光面尺寸以及超表面光学元件的微结构周期中的至少一个，使得第一投射子视场角α和第二投射子视场角θ分别大于或等于对应的最小值，从而设计出投射上述非对称结构光光束的结构光投射器。

上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，其并非是对所描述内容的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk)等。

需要说明的是，本申请内容中的各个实施例均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的部分互相参见即可。对于产品类实施例而言，由于其与方法类实施例相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法类实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，在本申请内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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申请内容。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，本申请内容中所定义的一般原理可以在不脱离本申请内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请内容将不会被限制于本申请内容所示的这些实施例，而是要符合与本申请内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种结构光投射器，其特征在于，包括依次设置且中心轴重合的激光光源及超表面光学元件；

所述激光光源用于发射激光光束；

所述超表面光学元件用于对所述激光光束进行衍射后投射出非对称结构光光束；

所述非对称结构光光束包括在所述中心轴左右依次排列的第一衍射级子结构光光束及第二衍射级子结构光光束，所述第一衍射级子结构光光束的视场角小于所述第二衍射级子结构光光束的视场角。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述结构光光束包括在所述中心轴上下依次排列的第三衍射级子结构光光束及第四衍射级子结构光光束，所述第三衍射级子结构光光束的视场角等于所述第四衍射级子结构光光束的视场角。

3.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，

所述结构光投射器还包括设于所述激光光源与所述超表面光学元件之间的准直元件，所述准直元件与所述激光光源的中心轴重合，用于对所述激光光束进行准直；或，

所述超表面光学元件包括沿所述激光光束出射方向依次设置的第一微纳结构及第二微纳结构，所述第一微纳结构用于准直所述激光光束，所述第二微纳结构用于衍射所述激光光束并投射出所述非对称结构光光束。

4.根据权利要求3所述的结构光投射器，其特征在于，所述激光光源为点光源阵列，所述点光源阵列包括多个点光源，所述结构光投射器满足以下关系式：

tan(i)＝P/EFL；

其中，P表示所述点光源与所述中心轴在左右方向上的距离，EFL表示所述准直元件或所述第一微纳结构的焦距，i表示所述点光源发射的激光光束经所述准直元件后入射所述超表面光学元件的角度、或经所述第一微纳结构后入射所述第二微纳结构的角度；λ表示所述激光光束的波长，n表示第一衍射级，m表示第二衍射级，A表示所述超表面光学元件或所述第二微纳结构的微结构周期，α′表示所述激光光束于所述第一衍射级时的第一衍射角度，θ′表示所述激光光束于所述第二衍射级时的第二衍射角度。

5.一种深度相机，其特征在于，包括：

权利要求1～4任一项所述的结构光投射器；

图像采集器，设置于所述结构光投射器的右侧，且所述图像采集器与所述结构光投射器的中心轴平行，用于采集由目标反射回的所述非对称结构光光束以形成结构光图像；其中，所述结构光投射器的视场在测量范围内覆盖所述图像采集器的视场；

处理器，用于接收所述结构光图像并计算出深度图像。

6.根据权利要求5所述的深度相机，其特征在于，所述图像采集器的接收视场角包括所述图像采集器的中心轴的左侧的第一接收子视场角和右侧的第二接收子视场角，所述深度相机满足以下关系式：

d_max×tan(α)+B≥d_max×tan(R1)，

d_min×tan(θ)-B≥d_min×tan(R2)；

其中，d_max表示所述深度相机的最远测量距离，d_min表示所述深度相机的最近测量距离，B表示所述深度相机的基线距离，R1表示所述第一接收子视场角，R2表示所述第二接收子视场角，α表示所述第一衍射级子结构光光束的视场角，θ表示所述第二衍射级子结构光光束的视场角。

7.根据权利要求6所述的深度相机，其特征在于，所述第一接收子视场角与所述第二接收子视场角相同；或，

所述第一接收子视场角大于所述第二接收子视场角。

8.一种结构光投射器的设计方法，其特征在于，所述结构光投射器包括依次设置且中心轴重合的激光光源、准直元件及超表面光学元件；所述设计方法包括：

获取最远测量距离与最近测量距离、图像采集器的左右方向上的接收视场角及所述图像采集器与所述结构光投射器之间的基线距离；其中，所述图像采集器设置于所述结构光投射器的右侧；

根据所述最远测量距离、所述最近测量距离、所述接收视场角、所述基线距离及所述结构光投射器的投射视场角之间的预设关系，计算所述投射视场角的最小值；其中，所述投射视场角包括中心轴左右两侧的第一投射子视场角和第二投射子视场角，所述第一投射子视场角小于所述第二投射子视场角，所述最小值包括所述第一投射子视场角和所述第二投射子视场角的最小值；

调节所述超表面光学元件的第一衍射级及第二衍射级、所述准直元件的焦距、所述激光光源的发光面尺寸及所述超表面光学元件的微结构周期中的至少一个，以使所述第一投射子视场角和所述第二投射子视场角分别大于或等于对应的最小值。

9.根据权利要求8所述的结构光投射器的设计方法，其特征在于，所述接收视场角包括位于中心轴左侧的第一接收子视场角及右侧的第二接收子视场角；所述预设关系包括：

d_max×tan(α)+B≥d_max×tan(R1)，

d_min×tan(θ)-B≥d_min×tan(R2)；

其中，d_max表示所述最远测量距离，d_min表示所述最近测量距离，B表示所述基线距离，R1表示所述第一接收子视场角，R2表示所述第二接收子视场角，α表示所述第一投射子视场角，θ表示所述第二投射子视场角。

10.根据权利要求8所述的结构光投射器的设计方法，其特征在于，所述激光光源包括多个点光源，所述结构光投射器满足以下关系：

tan(i)＝P/EFL；

其中，P表示所述点光源与所述结构光投射器的中心轴在左右方向上的距离，EFL表示所述准直元件的焦距，i表示所述点光源发射的激光光束入射所述超表面光学元件的角度；λ表示所述激光光束的波长，n表示所述第一衍射级，m表示所述第二衍射级，A表示所述超表面光学元件的微结构周期，α′表示所述激光光束于所述第一衍射级处的第一衍射角度，θ′表示所述激光光束于所述第二衍射级处的第二衍射角度。

Images