CN209343054U - 一种结构光投影装置及深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学领域，具体涉及一种结构光投影装置。所述结构光投影装置包括：光源，发射具有二维规则图案的光束；透镜，接收并汇聚所述光束；衍射元件，至少包括两个独立衍射功能区域，全部或部分所述独立衍射功能区域的衍射规格不相同；其中，所述光束经过独立衍射功能区域投射出具有对应衍射规格的衍射图像，并且，所述衍射图像在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像。本实用新型还涉及深度相机。本实用新型通过设计一种结构光投影装置，解决小功率光源实现投射高密度图案，同时标准排布光源可实现衍射高密度随机排布散斑。

Description

一种结构光投影装置及深度相机

技术领域

本实用新型涉及光学领域，具体涉及一种结构光投影装置及深度相机。

背景技术

通过投影一个预先设计好的图案作为参考图像(编码光源)，将结构光投射至物体表面，再使用摄像机接收该物体表面反射的结构光图案，这样，同样获得了两幅图像，一幅是预先设计的参考图像，另外一幅是相机获取的物体表面反射的结构光图案，由于接收图案必会因物体的立体型状而发生变形，故可以通过该图案在摄像机上的位置和形变程度来计算物体表面的空间信息。普通的结构光方法仍然是部分采用了三角测距原理的深度计算。

进一步地，参考图像不是获取的，而是经过专门设计的图案，因此特征点是已知的，而且更容易从测试图像中提取。结构光采用三角视差测距，基线(光源与镜头光心的距离)越长精度越高。

在现有深度投影的投影镜头中，有几种方案，1、在光源处设置二维不规则图案的发光元件；2、采用两个DOE镜片，一个用于将规则排布的光源图案转换为不规则图案，一个用于对图案进行复制。

但是，针对上述方案，均有缺点，例如在方案一中，光源需要特别定制，增加成本，针对方案二，采用两DOE镜片，结构复杂，安装不便。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种结构光投影装置，解决深度投影镜头的成本高，结构复杂等问题。

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种深度相机，解决深度相机成本高，结构复杂等问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种结构光投影装置，其特征在于，所述结构光投影装置包括：

光源，发射具有二维规则图案的光束；

透镜，接收并汇聚所述光束；

衍射元件，至少包括两个独立衍射功能区域，全部或部分所述独立衍射功能区域的衍射规格不相同；其中，所述光束经过独立衍射功能区域投射出具有对应衍射规格的衍射图像，并且，所述衍射图像在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像。

其中，较佳方案是：所述至少两独立衍射功能区域均处于二维空间中，并且所述至少两独立衍射功能区域的投影视场处于重叠状态、部分重叠状态或拼接状态。

其中，较佳方案是：所述衍射元件还包括一半导体基板，所述独立衍射功能区域包括设置在半导体基板上的刻蚀区域。

其中，较佳方案是：所述衍射元件还包括一透明基板，所述独立衍射功能区域所构成的半导体结构贴合在半导体基板上。

其中，较佳方案是：所述透明基板的材质为半导体材质、玻璃材质和塑料材质中的一种。

其中，较佳方案是：所述光源包括至少包括两个发光子光源，所述发光子光源均配置一透镜，或者，至少两所述发光子光源构成一发光子光源组，且所述发光子光源组均配置一透镜。

其中，较佳方案是：所述透镜均配置一独立衍射功能区域，或者，至少两所述透镜构成一透镜组，且所述透镜组配置一独立衍射功能区域，或者，所述透镜均配置多个独立衍射功能区域。

其中，较佳方案是：所述结构光投影装置还包括固定壳体，所述光源、透镜和衍射元件均设置在固定壳体上；以及，所述固定壳体的材质包括玻璃、陶瓷、石墨、金属和塑料中的一种或多种。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种结构光投影装置，所述结构光投影装置包括：

光源，发射具有二维规则图案的光束；

透镜，接收并汇聚所述光束；

衍射元件，包括一独立衍射功能区域；其中，所述光束经过独立衍射功能区域投射出具有对应衍射规格的衍射图像，并在目标空间中形成具有二维不规则图案的投影图像。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种深度相机，所述深度相机包括：结构光投影装置，用于向目标空间中投影具有二维不规则图案的投影图像；图像采集装置，用于采集目标空间中的实际图像；处理器，接收由所述图像采集装置采集的实际图像并生成所述目标空间的深度图像；其中，利用匹配算法计算所述投影图像与实际图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，本实用新型通过设计一种结构光投影装置，光束经过独立衍射功能区域投射出具有对应衍射规格的衍射图像，并且，所述衍射图像在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像，解决小功率光源实现投射高密度图案，同时标准排布光源可实现衍射高密度随机排布散斑；进一步地，结构简单，制造成本低，便于大规模的生产推广。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型结构光投影装置的结构示意图；

图2是本实用新型衍射元件的结构示意图；

图3是本实用新型基于多个发光子光源的结构光投影装置的结构示意图；

图4是本实用新型衍射元件实施例一的结构示意图；

图5是本实用新型衍射元件实施例二的结构示意图；

图6是本实用新型基于固定壳体的结构光投影装置的结构示意图；

图7是本实用新型深度相机的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型的较佳实施例作详细说明。

如图1至图3所示，本实用新型提供一种结构光投影装置的优选实施例。

所述结构光投影装置包括光源110、透镜120和衍射元件130，所述光源110、透镜120和衍射元件130依次设置，具体地，所述光源110发射具有二维规则图案的光束101，所述透镜120用于接收并汇聚所述光束101，所述衍射元件130至少包括两个独立衍射功能区域131，全部或部分所述独立衍射功能区域131的衍射规格不相同，即所述独立衍射功能区域131的衍射规格均不同，或者所述独立衍射功能区域131的衍射规格可能有部分相同，但是不会全部相同。

进一步地，所述光束101经过独立衍射功能区域131投射出具有对应衍射规格的衍射图像102，并且，所述衍射图像102在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像103。其中，二维规则图案为阵列排布的二维图案，除了二维规则图案，其他图案均可认为二维不规则图案。

首先，经过衍射元件130投射出的投影图像103可以为全画面随机点构成的二维不规则图案；其次，经过衍射元件130投射出的投影图像103也可以分成多个阵列排布或其他规整排布的投影区域，每一投影区域可视为全区域随机点构成的二维不规则图案。进一步地，每一独立衍射功能区域131可以投影出一个投影区域，或者投影出几个阵列排布或其他规整排布的投影区域，并且，将多个独立衍射功能区域131的投影区域在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像103。

在本实施例中，具体流程是：首先，光源110发射的光束101为具有二维规则图案的多个光束，一般而言，所述具有二维规则图案的多个光束优选阵列排布的多个光束，并且，光源110发射的光束101经过对应的透镜120汇聚后入射至衍射元件130上；其次，衍射元件130包括两种以上的独立衍射功能区域131，每一独立衍射功能区域131为具有特定衍射规格的半导体区域，即所述光束101经过不同特定衍射规格的独立衍射功能区域131会产生不同的衍射图像102，并且，多个衍射图像102在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像103。

优选地，不同的光通独立衍射功能区域131衍射出具有不同衍射规则的图案，并且将所有衍射图像102均投影到目标空间中，所述至少两独立衍射功能区域131均处于一二维空间中，并且所述至少两独立衍射功能区域131的投影视场处于重叠状态、部分重叠状态或拼接状态，形成二维不规则图案。其中，所述至少两独立衍射功能区域131均处于一二维平面中，或者，所述至少两独立衍射功能区域131均处于一二维空间中，且不同的独立衍射功能区域131可能存在具有上下位置的差异。

以及，所述在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像103的方式是：

衍射元件130的作用可以看成是将数量有限的光束经复制、交叉重叠的方式产生数量更多、密度更大、随机性更高的结构光图案。可以采用DOE结构，也可以为光栅。DOE结构即衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，通过多块DOE光学结构与半导体基板211拼接形成一合成结构，实现衍射元件130的整体化设置。

关于特定衍射规格，具体是，将规则排布的二维规则图案进行不同特定衍射规格的重组，或者在同一独立衍射功能区域131中进行两种以上的不同特定衍射规格的重组，例如进行拼接重组、叠加重组、旋转重组、错位重组等。以及，通过独立衍射功能区域131进行衍射，实现“二维不规则图案”及“衍射”的同时进行。不需要采用特定的光源110，以及不需要设置复杂的光学系统(光学镜片)，以及可以将所述光学镜片远离光源110设置，降低光源110热能对光学镜片的影响，从而实现结构光投影装置的小型化，实现紧凑设计，并提高整体结构的稳定性、抗干扰性，从而降低生产成本，提高产品优良率。

优选地，光源110可以是可见光、不可见光如红外、紫外等激光光源110。例如采用VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源110，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。

如图4和图5所示，本实用新型提供衍射元件的较佳实施例。

所述衍射元件130还包括一半导体基板211，所述独立衍射功能区域131均设置在半导体基板211，进一步地，所述独立衍射功能区域131阵列式排列在半导体基板211上。其中，半导体(semiconductor)，指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。通过将独立衍射功能区域131均设置在半导体基板211，实现衍射元件130的整体化设计，便于衍射元件130的生产及安装。

同时，衍射元件130可以设置有多个半导体基板211，每一半导体基板211上均设置多个独立衍射功能区域131，将多个半导体基板211合并并形成新的衍射元件130，实现扩展衍射元件130，以及便于衍射元件130的生产加工。

优选地，所述独立衍射功能区域131为半导体基板211上的刻蚀区域212，实现一体式结构。即所述独立衍射功能区域131通过刻蚀的方式设置在半导体基板211上，形成独立衍射功能区域131。其中，刻蚀，英文为Etch，它是半导体制造工艺，微电子IC制造工艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的步骤。是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺。所谓刻蚀，实际上狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。随着微制造工艺的发展，广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。

以及，所述独立衍射功能区域131可以为DOE光学结构213，将DOE光学结构213均设置在半导体基板211上。其中，衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)是光刻机中一系列可动的镜片，用于产生光刻所需要的光源。

当然，半导体基板211也可以为其他半透明材料。例如，玻璃基板和透明塑料基板。

如图3所示，本实用新型提供光源的较佳实施例。

所述光源110包括至少包括两个发光子光源110，所述发光子光源110均配置一透镜120，或者，至少两所述发光子光源110构成一发光子光源110组，且所述发光子光源110组均配置一透镜120。

每一发光子光源110上均设置有一个或多个光源110发射头，或激光发射头，或发光LED，或其他发光元件，上述发光元件在每一发光子光源110上构成二维规则图案。对应的，透镜120优选为阵列透镜120，通过阵列透镜120将各发光子光源110发出的光束101，进行汇聚操作。

以及，所述透镜120均配置一独立衍射功能区域131，或者，至少两所述透镜120构成一透镜120组，且所述透镜120组配置一独立衍射功能区域131。

如图6所示，本实用新型提供结构光投影装置的较佳实施例。

所述结构光投影装置还包括固定壳体140，所述光源110、透镜120和衍射元件130均设置在固定壳体140上；以及，所述固定壳体140的材质包括玻璃、陶瓷、石墨、金属和塑料中的一种或多种。

首先，可以将固定壳体140设置统一材质，例如采用导温系数低的玻璃、陶瓷、石墨作为固定壳体140的材质，将光源110、透镜120和衍射元件130依次设置在固定壳体140上，当然，固定壳体140可以包括底座、筒身、出光口等结构部件，光源110、透镜120和衍射元件130设置在对应的结构部件中。以及，也可以采用不同的材质作为固定壳体140的材质，即固定壳体140中不同结构采用不同材质，例如筒身采用玻璃材质，出光口采用陶瓷，底座也采用陶瓷等，而光源110设置在底座上，透镜120设置在筒身上，衍射元件130设置在出光口上，尽可能隔离光源110的热量，并且防止固定壳体140由于热量产生形变。

如图7所示，本实用新型提供一种深度相机的较佳实施例。

一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括结构光投影装置310、图像采集装置320和处理器330，其中，

所述结构光投影装置310用于向目标空间中投影具有二维不规则图案的投影图像103，如投影在投影画面301所处在目标空间中的投影图像103，所述图像采集装置320用于采集目标空间中的实际图像，所述处理器330接收由所述图像采集装置320采集的实际图像并生成所述目标空间的深度图像；进一步地，利用匹配算法计算所述投影图像与实际图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

当然，处理器也与结构光投影装置连接，实现结构光投影装置的控制。以上所述者，仅为本实用新型最佳实施例而已，并非用于限制本实用新型的范围，凡依本实用新型申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本实用新型所涵盖。

Claims (11)

1.一种结构光投影装置，其特征在于，所述结构光投影装置包括：

光源，发射具有二维规则图案的光束；

透镜，接收并汇聚所述光束；

衍射元件，至少包括两个独立衍射功能区域，全部或部分所述独立衍射功能区域的衍射规格不相同；

其中，所述光束经过独立衍射功能区域投射出具有对应衍射规格的衍射图像，并且，所述衍射图像在目标空间中合成具有二维不规则图案的投影图像。

2.根据权利要求1所述的结构光投影装置，其特征在于：所述至少两独立衍射功能区域均处于二维空间中，并且所述至少两独立衍射功能区域的投影视场处于重叠状态、部分重叠状态或拼接状态。

3.根据权利要求1所述的结构光投影装置，其特征在于：所述衍射元件还包括一半导体基板，所述独立衍射功能区域包括设置在半导体基板上的刻蚀区域。

4.根据权利要求1所述的结构光投影装置，其特征在于：所述衍射元件还包括一透明基板，所述独立衍射功能区域所构成的半导体结构贴合在半导体基板上。

5.根据权利要求4所述的结构光投影装置，其特征在于：所述透明基板的材质为半导体材质、玻璃材质和塑料材质中的一种。

6.根据权利要求1至5任一所述的结构光投影装置，其特征在于：所述独立衍射功能区域阵列排布设置。

7.根据权利要求1所述的结构光投影装置，其特征在于：所述光源至少包括两个发光子光源，所述发光子光源均配置一透镜，或者，至少两所述发光子光源构成一发光子光源组，且所述发光子光源组均配置一透镜。

8.根据权利要求1或7所述的结构光投影装置，其特征在于：所述透镜均配置一独立衍射功能区域，或者，至少两所述透镜构成一透镜组，且所述透镜组配置一独立衍射功能区域，或者，所述透镜均配置多个独立衍射功能区域。

9.根据权利要求1所述的结构光投影装置，其特征在于：所述结构光投影装置还包括固定壳体，所述光源、透镜和衍射元件均设置在固定壳体上；以及，所述固定壳体的材质包括玻璃、陶瓷、石墨、金属和塑料中的一种或多种。

10.一种结构光投影装置，其特征在于，所述结构光投影装置包括：

光源，发射具有二维规则图案的光束；

透镜，接收并汇聚所述光束；

衍射元件，包括一独立衍射功能区域；

其中，所述光束经过独立衍射功能区域投射出具有对应衍射规格的衍射图像，并在目标空间中形成具有二维不规则图案的投影图像。

11.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：

如权利要求1至10任一所述的结构光投影装置，用于向目标空间中投影具有二维不规则图案的投影图像；

图像采集装置，用于采集目标空间中的实际图像；

处理器，接收由所述图像采集装置采集的实际图像并生成所述目标空间的深度图像；

其中，利用匹配算法计算所述投影图像与实际图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。