CN210109475U - 3d成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种3D成像装置，包括离散光束投射器用于向目标物体投射多束离散准直光束；面光源投射器用于向目标物体投射泛光；成像模块包括RGB摄像头和红外摄像头；RGB摄像头用于当光照度大于等于预设置的光照度阈值时采集目标物体表面的2D图像；红外摄像头用于接收目标物体反射的散准直光束，并根据多束散准直光束形成的光斑图案获得目标物体表面的深度图像，在光照度小于预设置的光照度阈值在泛光下采集目标物体表面的2D图像。本实用新型能够在向目标物体投射泛光，使得红外摄像头采集目标物体表面的2D图像，从能够省略红外泛光照明器，有利于装置的小型化。

Description

3D成像装置

技术领域

本实用新型涉及3D成像领域，具体地，涉及一种3D成像装置。

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。

由于在黑暗环境中也需要形成红外2D图像，一般3D摄像头都需要额外配置一个红外泛光照明器，照亮黑暗中的物体，同时用红外摄像头记录红外2D图像。红外泛光照明器一般是由一个或多个红外激光器以及扩散膜组成，红外泛光照明器的设置不仅增加了整个3D摄像头的成本以及功耗，不利于3D摄像头的小型化。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种3D成像装置，能够在光照度小于预设置的光照度阈值向目标物体投射泛光，使得红外摄像头采集目标物体表面的2D图像，从能够省略红外泛光照明器，有利于3D成像装置的小型化。

本实用新型提供的3D成像装置，包括光投射器和成像模块；所述光投射器包括离散光束投射器和面光源投射器；

所述离散光束投射器，用于向目标物体投射多束离散准直光束；

所述面光源投射器，用于向所述目标物体投射泛光；

所述成像模块包括RGB摄像头和红外摄像头；

所述RGB摄像头，用于当光照度大于等于预设置的光照度阈值时采集所述目标物体表面的2D图像；

所述红外摄像头，用于接收所述目标物体反射的所述散准直光束，并根据多束所述散准直光束形成的光斑图案获得所述目标物体表面的深度图像，并在光照度小于预设置的光照度阈值在所述泛光下采集所述目标物体表面的2D图像。

优选地，还包括处理模块；

所述处理模块，用于根据所述目标物体表面的所述深度图像和所述2D图像得到所述目标物体表面的3D图像。

优选地，所述离散光束投射器、所述面光源投射器与所述成像模块相邻设置；

所述面光源投射器的出光口、所述离散光束投射器的出光口与所述RGB摄像头、所述述红外摄像头入光口朝向相同。

优选地，所述离散光束投射器包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；

所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；

所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束所述离散准直光束。

优选地，所述离散光束投射器包括设置在一光路上的激光器阵列、准直镜头和分束器件；

所述激光器阵列，用于向所述准直镜头投射第一数量级的激光；

所述准直镜头，用于将入射的所述多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；

所述分束器件，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；

所述第二数量级大于所述第一数量级。

优选地，所述面光源投射器采用LED光源。

优选地，所述多束离散准直光束周期性排布呈一预设定的形状。

优选地，所述预设定的形状包括如下任一形状：

-直线形

-三角形；

-四边形；

-矩形；

-圆形；

-六边形；

-五边形。

优选地，所述多束离散准直光束非周期性排布呈另一预设定的形状。

优选地，所述非周期性排布包括如下任一排布方式：

-随机排布；

-空间编码排布；

-准晶格排布。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型中设置有离散光束投射器和面光源投射器，能够在光照度小于预设置的光照度阈值时，向目标物体投射泛光，使得红外摄像头采集目标物体表面的2D 图像，从能够省略红外泛光照明器，有利于3D成像装置的小型化，降低了3D成像装置的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型中3D成像装置的原理示意图；

图2为本实用新型中光投射器的结构示意图；

图3为本实用新型中离散光束投射器的一种结构示意图；

图4为本实用新型中离散光束投射器的另一种结构示意图；

图5为本实用新型中多束离散准直光束周期性排布第一种类型的示意图；

图6为本实用新型中多束离散准直光束周期性排布第二种类型的示意图；

图7为本实用新型中多束离散准直光束周期性排布的第三种类型的示意图；

图8为本实用新型中多束离散准直光束非周期性排布的第一种类型的示意图；

图9为本实用新型中多束离散准直光束非周期性排布的第二种类型的示意图；

图10为本实用新型中多束离散准直光束非周期性排布的第三种类型的示意图。

图中：

101为离散光束投射器；

102为面光源投射器；

103为RGB摄像头；

104为红外摄像头；

105为目标物体；

1011为边发射激光器；

1012为光束投射器；

1013为激光器阵列；

1014为准直镜头；

1015为分束器件。

具体实施方式

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

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实用新型实施例和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型实施例的描述中，“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1为本实用新型中3D成像装置的结构示意图，图2为本实用新型中光投射器的结构示意图，如图1、图2所示，本实用新型提供的3D成像装置，包括光投射器和成像模块

所述光投射器包括离散光束投射器101和面光源投射器102；

所述离散光束投射器101，用于向目标物体105投射多束离散准直光束；

所述面光源投射器102，用于向所述目标物体105投射泛光；

所述成像模块包括RGB摄像头103和红外摄像头104；

所述RGB摄像头103，用于当光照度大于预设置的光照度阈值时，采集所述目标物体105表面的2D图像；

所述红外摄像头104，用于接收所述目标物体反射的所述散准直光束，并根据多束所述散准直光束形成的光斑图案获得所述目标物体表面的深度图像，并在光照度小于预设置的光照度阈值在所述泛光下采集所述目标物体表面的2D图像。

在本实用新型一实施例中，本实用新型中设置有离散光束投射器101和面光源投射器102，能够在光照度小于预设置的光照度阈值时，向目标物体投射泛光，使得红外摄像头104采集目标物体表面的2D图像，从能够省略红外泛光照明器，有利于3D成像装置的小型化，降低了3D成像装置的成本。

以上是本实用新型的核心思想，为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型一实施例中，可以通过照度计对所述光照度进行测量，也可以通过光敏传感器对所述光照度进行测量。对于所述RGB摄像头103和所述红外摄像头104之间的切换可以通过人工进行切换，也可以通过电路进行切换，还可以通过程序进行控制切换。

在本实用新型一实施例中，当光照度低于一预设定值时，通过面光源投射器102投射的泛光进行照明，在泛光的照明下，通过所述红外摄像头104可捕捉目标物体表面的 2D图像；最后，处理模块根据目标物体表面的深度图像以及2D图像即可生成该目标物体的3D图像。其中，所述离散光束投射器101、所述面光源投射器102与所述成像模块相邻设置；所述面光源投射器102的出光口、所述离散光束投射器101的出光口与所述 RGB摄像头103、所述述红外摄像头104入光口朝向相同。

在本实用新型一实施例中，所述光照度阈值为10lux至50lux的任意值，所述距离阈值为1米至5米的任意值。

在本实用新型一实施例中，所述离散光束投射器101投射的呈离散形的多束离散准直光束经过目标物体105反射，部分反射后的准直光束被光探测器阵列201接收，每个光探测器都能够获得对应光束的从发射到接收的飞行时间t，从而通过光速c来获得准直光束的飞行距离s＝ct，从而能够测量出每个被离散光束照射的目标物体105表面位置的深度信息。这些离散位置的深度图像点构建了可以复现物体3D形态的点云数据，从而实现对于目标物体105的3D成像。所述多束所述离散准直光束呈锥形。

在本实用新型一实施例中，所述面光源投射器102采用LED光源。在变形例中，还可以采用其他光源，如红外光源。

图3为本实用新型中离散光束投射器的一种结构示意图，如图3所示，所述离散光束投射器101包括设置在一光路上的边发射激光器1011和光束投射器1012；

所述边发射激光器1011，用于向所述光束投射器1012投射激光；

所述光束投射器1012，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。

在本实用新型一实施例中，由于所述分束投射器的内表面加工了微纳结构的光芯片并配合光学透镜组成。所述分束投射器能够实现将来自于边发射激光器1011的入射光分成任意多束准直光束的功能。所述边发射激光器1011的发射方向和所述分束投射器的投射方向即可以相同，也可以成90度或者为光学系统设计所需的任意角度。

在本实用新型一实施例中，所述多束离散准直光束的数量在两束和几万束之间，如 2束至10万束。

在本实用新型一实施例中，所述光束投射器采用分束器。

图4为本实用新型中离散光束投射器的另一种结构示意图，如图4所示，所述离散光束投射器101包括设置在一光路上的激光器阵列1013、准直镜头1014和分束器件1015；

所述激光器阵列1013，用于向所述准直镜头1014投射第一数量级的激光；

所述准直镜头1014，用于将入射的所述多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；

所述分束器件1015，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；

所述第二数量级大于所述第一数量级。

在本实用新型一实施例中，所述第二数量级是所述第一数量级的一至两倍。

在本实用新型实施例中，所述激光器阵列1013可以采用多个垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)或者多个边发光激光器(EdgeEmitting Laser，EEL)组成。多束激光经过准直镜头1014后可以成为高度平行的准直光束。根据实际应用中可以根据离散光束数量的需求，可以采用分束器件1015实现更多的准直光束。所述分束器件1015可以采用衍射光栅(DOE)和空间光调制器(SLM)等。

在本实用新型的一实施例中，所述多束离散准直光束周期性排布呈一预设定的形状，即呈几何规律分布。

图5为本实用新型中多束离散准直光束周期性排布第一种类型的示意图，图6为本实用新型中多束离散准直光束周期性排布第二种类型的示意图，图7为本实用新型中多束离散准直光束周期性排布的第三种类型的示意图，如图5、图6、图7所示，在本实用新型的一实施例中，所述预设定的形状包括如下任一形状：

-直线形

-三角形；

-四边形；

-矩形；

-圆形；

-六边形；

-五边形。

其中，所述多束离散准直光束周期性排布的形状并不限于上述形状，也可排布呈其他形状。如图5所示，当预设定的形状为矩形时，即在一个周期内的准直光束单位排布形状为矩形，在并且在空间中周期性重复。如图6所示，当预设定的形状为三角形时，即在一个周期内的准直光束的单位排布形状为三角形，并且在空间中周期性重复。如图 7所示，当预设定的形状为六边形时，即在一个周期内的准直光束单位排布形状为六边，并且在空间中周期性重复。由于本实用新型在实现时受限于光学系统，实际准直光束在截面的排布可能存在畸变，比如发生拉伸、扭曲等。而每个准直光束在截面中的能量分布可以是圆形、圆环或椭圆形等者其他形状。在如图5、图6、图7所示的这种排布方式，将有利于简化多束离散准直光束和光探测器阵列201的空间对应关系。

在本实用新型的一实施例中，所述多束离散准直光束非周期性排布呈另一预设定的形状。

在本实用新型的一实施例中，所述非周期性排布包括如下任一排布方式：

-随机排布；

-空间编码排布；

-准晶格排布。

其中，所述多束离散准直光束非周期性排布的形状并不限于上述形状，也可排布呈其他形状。如图8所示，所述空间编码排布，具体为在在周期性排布中，缺省一部分的光束，从而实现排布位置的空间编码，在实际可以采用的编码不受限于图9中示例；如图9所示，所述随机排布，具体为准直光束的排布随机分布，使得不同位置的排布方式的相似性很小或者接近于零，如图10所示，所述准晶格排布，具体为准直光束在近距离相邻位置非周期性排布，在远距离周期性排布。由于本实用新型在实现时受限于光学系统，实际准直光束在截面的排布可能存在畸变，比如发生拉伸、扭曲等。而每个准直光束在截面中的能量分布可以是圆形、圆环或椭圆形等者其他形状。在如图8、图9、图10所示的这种排布方式，这种排布有利于对非确定目标的均匀采样，优化最终3D深度图的效果。

在本实施例中，本实用新型中设置有离散光束投射器101和面光源投射器102，能够在光照度小于预设置的光照度阈值时，向目标物体105投射泛光，使得红外摄像头104 采集目标物体105表面的2D图像，从能够省略红外泛光照明器，有利于3D成像装置的小型化，降低了3D成像装置的成本。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型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，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种3D成像装置，其特征在于，包括光投射器和成像模块；所述光投射器包括离散光束投射器和面光源投射器；

所述离散光束投射器，用于向目标物体投射多束离散准直光束；

所述面光源投射器，用于向所述目标物体投射泛光；

所述成像模块包括RGB摄像头和红外摄像头；

所述RGB摄像头，用于当光照度大于等于预设置的光照度阈值时，采集所述目标物体表面的2D图像；

所述红外摄像头，用于接收所述目标物体反射的所述散准直光束，并根据多束所述散准直光束形成的光斑图案获得所述目标物体表面的深度图像，并在光照度小于预设置的光照度阈值在所述泛光下采集所述目标物体表面的2D图像。

2.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，还包括处理模块；

所述处理模块，用于根据所述目标物体表面的所述深度图像和所述2D图像得到所述目标物体表面的3D图像。

3.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，

所述离散光束投射器、所述面光源投射器与所述成像模块相邻设置；

所述面光源投射器的出光口、所述离散光束投射器的出光口与所述RGB摄像头、所述述红外摄像头入光口朝向相同。

4.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，所述离散光束投射器包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；

所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；

所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束所述离散准直光束。

5.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，所述离散光束投射器包括设置在一光路上的激光器阵列、准直镜头和分束器件；

所述激光器阵列，用于向所述准直镜头投射第一数量级的激光；

所述准直镜头，用于将入射的所述多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；

所述分束器件，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；

所述第二数量级大于所述第一数量级。

6.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，所述面光源投射器采用LED光源。

7.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，所述多束离散准直光束周期性排布呈一预设定的形状。

8.根据权利要求7所述的3D成像装置，其特征在于，所述预设定的形状包括如下任一形状：

-直线形

-三角形；

-四边形；

-矩形；

-圆形；

-六边形；

-五边形。

9.根据权利要求1所述的3D成像装置，其特征在于，所述多束离散准直光束非周期性排布呈另一预设定的形状。

10.根据权利要求9所述的3D成像装置，其特征在于，所述非周期性排布包括如下任一排布方式：

-随机排布；

-空间编码排布；

-准晶格排布。

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