CN212779132U - 深度数据测量设备和结构光投射装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种深度数据测量设备和其中包括的结构光投影装置。该设备包括：投射装置，用于向拍摄对象投射结构光；成像装置，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像帧，其中，所述结构光投射装置包括：激光发生器，用于生成激光；硅基液晶(LCOS)器件，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。本实用新型使用LCOS进行结构光的精细投影，改善深度数据的成像精度。LCOS还可以变换包括散斑或是条纹在内的各种投影编码，从而满足各种成像场景。进一步地，可以结合采用VCSEL结构来实现投影装置的低功耗和小型化。

Description

深度数据测量设备和结构光投射装置

技术领域

本实用新型涉及三维成像领域，具体地说，涉及一种深度数据测量设备和结构光投射装置。

背景技术

深度摄像头是一种采集目标物体深度信息的采集设备，这类摄像头广泛应用于三维扫描、三维建模等领域，例如，现在越来越多的智能手机上配备了用于进行人脸识别的深度摄像装置。

虽然三维成像已经是领域内多年研究的热点，但现有的深度摄像头依然具有功耗高、体积大、抗干扰能力差、无法实现精细实时成像等诸多问题。

为此，需要一种改进的深度数据测量设备。

实用新型内容

本公开要解决的一个技术问题是提供一种改进的深度数据测量设备，该设备使用LCOS进行结构光的精细投影，从而改善深度数据的成像精度。 LCOS还可以变换包括散斑或是条纹在内的各种投影编码，从而满足各种成像场景。进一步地，可以采用VCSEL结构来实现投影装置的低功耗和小型化。

根据本公开的第一个方面，提供了一种深度数据测量设备，包括：投射装置，用于向拍摄对象投射结构光；成像装置，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像帧，其中，所述结构光投射装置包括：激光发生器，用于生成激光；硅基液晶(LCOS)器件，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。由此，利用LCOS进行像素级精度的投影图案控制。进一步地，可由例如处理装置来控制LCOS器件的每个像素开合，以产生不同的投射结构光图案。由此拓展该设备的应用领域。

可选地，激光发生器包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于生成所述激光。由此，能够利用VCSEL垂直发射的性能，进一步缩减体积、功耗和发热。

可选地，所述投射装置可以包括：扩散片，布置在所述激光的传播光路上，以将所述VCSEL生成的激光转换为面光源。所述投射装置可以还包括：整形光学组件，用于将所述扩散片产生的面光源提供给所述LCOS 器件。

可选地，可以利用VCSEL的特性，产生偏振光，并且所述LCOS器件通过调整每个像素对应液晶的相位差来控制光的反射。

可选地，VCSEL可以是包括多个发光单元组成的发光阵列，并且所述VCSEL根据投射的结构光图案，关闭特定行、列或是发光单元。换句话说，VCSEL本身可以发出各种发光图案

可选地，所述投射装置还可以包括：透镜组，用于投射由所述LCOS 器件生成的结构光。

可选地，所述设备可以是单目成像设备，于是所述成像装置还包括：与所述投射装置相对距离固定的一个图像传感器，其中，该图像传感器拍摄获得的所述结构光的二维图像帧被用于与参考结构光图像帧相比较，以求取所述拍摄对象的深度数据。

作为替换，所述设备也可以是双目成像设备，于是，所述成像装置还可以包括：与所述投射装置相对距离固定的第一和第二图像传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像帧，其中，基于所述第一和第二二维图像帧以及所述第一和第二图像传感器之间的预定相对位置关系求取所述拍摄对象的深度数据。

可选地，所述投射装置投射的结构光为红外结构光，并且所述成像装置还包括：可见光传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在可见光照射下的二维图像帧。由此提供拍摄对象的彩色信息。

可选地，该设备还可以包括：与所述投射装置和所述成像装置相连的处理装置，用于控制所述投射装置的投影和所述成像装置的成像。进一步地，所述处理装置用于：利用所述成像装置拍摄的所述二维图像帧求取所述拍摄对象的深度数据。

在不同的实现中，所述LCOS器件可以用于：投射呈二维平面分布的经编码的离散光斑，并且，所述成像装置用于同步拍摄投射的所述呈二维平面分布的结构光以获取所述二维图像帧。所述LCOS器件也可以用于：分别投射具有不同条纹编码的一组结构光，并且，所述成像装置用于同步拍摄投射的每一种结构光以获取一组二维图像帧，该组二维图像帧共同用于求取一次所述拍摄对象的深度数据。具体地，所述LCOS器件可以用于：扫描投射所述条纹编码，并且所述成像装置包括：同步开启与当前扫描位置相对应的条纹方向上的像素列进行成像的卷帘传感器。

所述摄像头可以独立设置，为此该设备还可以包括：壳体，用于容纳所述投射装置和所述成像装置，并固定所述投射装置和所述成像装置的相对位置。进一步地，该设备还可以包括：穿过所述壳体与所述投射装置和所述成像装置连接的信号传输装置，用于用于向内传输针对所述投射装置和所述成像装置的控制信号，以及向外传输所述二维图像帧。

根据本公开的第二个方面，提供了一种结构光投射装置，包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于生成所述激光。硅基液晶(LCOS)器件，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。进一步地，该装置还可以包括：扩散片，布置在所述激光的传播光路上，以将所述VCSEL 生成的激光转换为面光源；整形光学组件，用于将所述扩散片产生的面光源提供给所述LCOS器件；以及透镜组，用于向外投射由所述LCOS器件生成的结构光。由此可以用于各类深度数据计算设备的结构光投射。

由此，本实用新型的深度数据测量设备使用LCOS进行结构光的精细投影，从而改善深度数据的成像精度，尤其适用于对微小对象或是细节的深度数据测量。LCOS还可以变换包括散斑或是条纹在内的各种投影编码，从而满足各种成像场景。进一步地，可以采用VCSEL结构来实现投影装置的低功耗和小型化，VCSEL可以具有阵列结构，并且可以部分发光，以进一步降低功耗和器件发热。

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示出了待测对象的一个示例的示意图。

图2示出了激光束投影到待测对象表面的离散斑点示意图。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量设备的结构示意图。

图4示出了利用条纹编码的结构光进行深度成像的原理。

图5示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量设备的组成示意图。

图6示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量设备的组成示意图。

图7示出了图3所示投影装置的发光路径。

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。

本实用新型采用的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二维激光纹理图案，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。

图1示出了待测对象的一个示例的示意图。图中示意性地给出了人手作为待测对象。图2示出了激光束投影到待测对象表面的离散斑点示意图。在单目成像的场景中，拍摄得到的图2所示的离散斑点图像可以与参考标准图像进行比对，由此计算出每个离散斑点的深度数据，并由此整合出待测对象整体的深度数据。从图2中可以看出，由于离散的各个激光光斑间有一定距离，因此针对投射面较细窄的位置无法发射较多的光斑信息，这样就容易丢失部分真实深度信息。

现有技术中，缺乏能够进行精细投影的结构光投射装置，因此也就无法对精细对象进行高精度的深度数据测量。

为此，本实用新型提供了一种改进的深度数据测量设备，该设备使用 LCOS进行结构光的精细投影，从而改善深度数据的成像精度。LCOS还可以变换包括散斑或是条纹在内的各种投影编码，从而满足各种成像场景。进一步地，可以采用VCSEL结构来实现投影装置的低功耗和小型化。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量设备的结构示意图。如图所示，深度数据测量设备300可以包括投射装置310和成像装置320。

投射装置310用于向拍摄对象投射结构光。成像装置320则用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像帧。

为了显示出投射装置310的内部结构，图3并未示出投射装置310的壳体和/或固定件，上述壳体和/或固定件可以用于固定图示的各个器件的相对位置，并且可以起到保护器件免于外部污染和外部冲击损害的效果。

如图所示，用于投射结构光的投射装置主要包括两个器件：激光发生器311和硅基液晶(LCOS)器件312。

在此，激光发生器311用于生成激光。硅基液晶(LCOS)器件则可用作投射图案的发生装置，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。由此，利用LCOS进行极高精度的投影图案控制。进一步地，可由例如设备内部或是外部的处理装置来控制LCOS器件的每个像素开合，以产生不同的投射结构光图案。由此拓展该设备的应用场景。

在此，LCOS(Liquid Crystal on Silicon)，即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用 CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。

具体地，LCOS可以采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。LCOS将控制电路放置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而达到更大的光输出和更高的分辨率。

LCOS可视为LCD的一种，传统的LCD是做在玻璃基板上，LCOS 则是做在硅晶圆上，并且由于采用反射式投射，光利用效率可达40％以上。 LCOS面板的结构类似TFT LCD，是在上下二层基板中间分布隔板以加以隔绝后，再填充液晶于基板间形成光阀，借由电路的开关以推动液晶分子的旋转，以决定投射的明与暗。LCOS面板的上基板可以是ITO导电玻璃，下基板则可以是涂有液晶硅的CMOS基板。由于下基板的材质是单晶硅，因此拥有良好的电子移动率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此能够实现高解析度。现有的LCOS器件的像素间距(即，两个相同颜色像素之间的水平距离)可以极小，例如8至20微米(10-6)。

在本实用新型中，由于激光发生器优选投射红外光，例如，940nm的红外光，因此不同于现有技术中常用于显示RGB三色的LCOS面板，本实用新型中使用的LCOS器件用于生成针对一种波长下的图案(即，仅需“单色”)的投影。因此，本实用新型的LCOS器件可以具有更小的像素间距，从而实现极为精细的结构光图案的投影。

在一个实施例中，激光发生器311可以包括垂直腔面发射激光器 (VCSEL)或尤其实现。VCSEL可用于生成所述激光。由此，能够利用 VCSEL垂直发射的性能，进一步缩减体积、功耗和发热。

进一步地，如图3所示，投射装置310还可以包括：扩散片(diffuser) 313，布置在所述激光的传播光路上，以将所述VCSEL生成的激光转换为面光源。由此，为LCOS器件312提供其所需的背景光。进一步地，投射装置还可以包括：整形光学组件314，用于将所述扩散片产生的面光源进行整形(例如，整形成符合LCOS器件的形状)提供给所述LCOS器件。

另外，投射装置310还可以包括：透镜组，用于投射由所述LCOS器件生成的结构光。

应该理解的是，虽然图中示出了扩散片313、整形光学组件314和用于投射的透镜组315，但在其他实施例中，可以省略如上的一个或多个部件(例如，使得VCSEL311的出射形状直接符合LCOS所需的截面形状，以省略整形光学组件314)，或是替换、添加其他的组件。所有这些常规的光学更改都位于本实用新型的范围之内。

进一步地，基于LCOS反射偏振光的原理，可以使得VCSEL311直接生成偏振光，并且所述LCOS器件通过调整每个像素对应液晶的相位差来控制光的反射。由于LCOS 312经由透镜组315投射的是偏振光，因此能够降低镜面反射对成像装置320成像质量的不利影响，从而提升成像质量。进一步地，该设备还可以用于反射表面(例如，玻璃表面)的高精度瑕疵检验。

另外，虽然LCOS312本身是由多个像素组成的像素矩阵，并且可以通过控制每个像素的“开关”(例如，控制像素中的液晶与入射偏振光的角度)来精确控制投射图案。但是，另一方面，VCSEL311同样可以包括矩阵结构，例如包括由多个发光单元组成的发光阵列。为此，在某些实施例中，VCSEL311也可以在发射激光时根据投射的结构光图案，关闭特定行、列或是发光单元。换句话说，虽然VCESL 311用作LCOS 312的面光源，但是VCESL 311的发光图案与LCOS312接收到的面光源的图案仍有一定的相关性，并且可由LCOS 312进行精确微调。

例如，在某些情况下，投射装置310可以投射条纹图案作为结构光并精细成像。根据结构光测量原理可知，能否精确地确定扫描角α是整个条纹图案测量系统的关键，在本实用新型中可由LCOS实现确定的扫描角，而图像编码及解码的意义就在于确定编码结构光即面结构光系统的扫描角。图4示出了利用条纹编码的结构光进行深度成像的原理。为了方便理解，图中以两灰度级三位二进制时间编码简要说明条纹结构光的编码原理。投射装置可以向拍摄区域中的被测对象依次投射如图所示的三幅图案，三幅图案中分别用亮暗两灰度将投射空间分为8个区域。每个区域对应各自的投射角，其中可以假设亮区域对应编码“1”，暗区域对应编码“0”。将投射空间中景物上一点在三幅编码图案中的编码值按投射次序组合，得到该点的区域编码值，由此确定该点所在区域进而解码获得该点的扫描角。

在投射图4最左侧图案时，在一个实施例中，VCESL 311可以完全点亮，并由LCOS312通过关闭左侧对应于0-3的像素列来进行投射。在另一个实施例中，VCESL 311可以部分点亮，例如，点亮对应于右侧部分(通常无需是精确的4-7，而可以是范围更大的3-7部分)，由此确保LCOS 312 与4-7对应的像素列接收到足够的背光，并由LCOS 312通过关闭左侧对应于0-3的像素列来进行投射。

由此，通过在投影是关闭VCSEL的部分发光单元，可以进一步地降低VCSEL的功耗，由此降低设备生成的热量，并且为VCSEL的每个发光单元获取了更多的休息时间。由此，尤其适用于在热量敏感的场景下使用，并且能够延长VCSEL的寿命。

如图3所示，本实用新型的深度数据测量设备可以是单目设备，即，只包括一个摄像头来拍摄结构光。为此，成像装置320可以实现为与所述投射装置相对距离固定的一个图像传感器，其中，该图像传感器拍摄获得的所述结构光的二维图像帧被用于与参考结构光图像帧相比较，以求取所述拍摄对象的深度数据。

作为替换，本实用新型的深度数据测量设备可以是双目设备，即，包括两个摄像头来同步拍摄结构光，并利用两幅图中的视差求取深度数据。为此，成像装置还包括：与所述投射装置相对距离固定的第一和第二图像传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像帧，其中，基于所述第一和第二二维图像帧以及所述第一和第二图像传感器之间的预定相对位置关系求取所述拍摄对象的深度数据。

在双目成像系统中，例如图4所示条纹编码的上述解码过程可以通过对第一和第二图像传感器中的各个点的编码值直接进行匹配而得以简化。为了提升匹配精度，可以增加时间编码中投射图案的数量，例如两灰度级的五位二进制时间编码。在双目成像的应用场景下，这意味着例如左右每幅图像帧中的每个像素都包含5个或0或1的区域编码值，由此能够以更高精度(例如，像素级)实现左右图像匹配。在投射装置的投射速率不变的情况下，相比于图4的三幅编码图案，五幅编码图案相当于以更高的时域代价实现了更高精度的图像匹配。这在投射装置原本的投射速率极高的情况下(如，LCOS投射图案的快速切换)，仍然是相当可取的。

如前所述，所述投射装置投射的结构光优选为红外结构光，由此避免可见光的干扰。此时，本实用新型的深度数据测量设备还可以包括：可见光传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在可见光照射下的二维图像帧。例如，可以包括RGB传感器，以获取拍摄对象的彩色二维信息，以便与求取的深度信息组合，例如得到3维信息，或是作为深度学习的补充或是修正。

此时，LCOS器件可以用于：分别投射具有不同条纹编码的一组结构光(例如，图4所示的三组，或是更多组条纹图案)，并且，所述成像装置用于同步拍摄投射的每一种结构光以获取一组二维图像帧，该组二维图像帧共同用于求取一次所述拍摄对象的深度数据。

在某些情况下，LCOS器件可以每次投射一幅完整的图案。在其他情况下，LCOS器件可以用于：扫描投射所述条纹编码，并且所述成像装置包括：同步开启与当前扫描位置相对应的条纹方向上的像素列进行成像的卷帘传感器。例如，VCSEL可以轮番点亮自己的某几个数列，并且配合 LCOS的轮番反射(即，LCOS投射轮番点亮的几个列的结构光图案)，同时与卷帘传感器的像素列开启进行同步。由此，进一步降低VCSEL的散热，并且避免环境光对结构光成像的干扰。

图5示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量设备的组成示意图。如图5所示，深度数据测量头500包括投影装置510以及两个图像传感器520_1和520_2。

投影装置510用于向拍摄区域扫描投射具有条纹编码的结构光。例如，在相继的3个图像帧投射周期内，投影装置510可以接连投射如图4所示的三个图案，这三个图案的成像结果可用于深度数据的生成。可以分别称为第一和第二图像传感器的520_1和520_2则具有预定相对位置关系，用于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帧。例如，在投影装置510投射如图1所示的三个图案的情况下，第一和第二图像传感器520_1和520_2可以在三个同步的图像帧成像周期内分别对投射有这三个图案的拍摄区域(例如，图5中的成像平面及其前后一定范围内的区域)进行成像。

如图5所示，投射装置510可以在z方向上(即，朝向拍摄区域)投射在x方向上延伸的线型光。在不同的实施例中，上述线型光的投射可以是已经成形的(即，出射光本身即是线型光)，也可以是在x方向上移动的光点(即，扫描得到的线型光)。相应地，投射装置510中的LCOS可以反射出一个或多个像素列(线型光)，或是由一个或多个像素构成的像素块(光点)。投射的线型光可以在y方向上持续移动，以覆盖整个成像区域。图5下部针对拍摄区域的透视图对线型光的扫描给出了更易理解的图示。

在本实用新型的实施例中，将光线出射测量头的方向约定为z方向，拍摄平面的竖直方向为x方向，水平方向为y方向。于是，投射装置所投射的条纹结构光，可以是在x方向延伸的线型光在y方向上移动的结果。虽然在其他实施例中，也可以针对水平y方向上延伸的线型光在x方向上移动得到的条纹结构光进行同步和成像处理，但在本实用新型的实施例中仍优选使用竖直条纹光进行说明。

进一步地，测量头500还包括同步装置550，例如，可由下文的处理装置实现。同步装置550分别与投影装置510(包括VCSEL和LCOS两者)以及第一和第二图像传感器520_1和520_2相连接，以实现三者之间的精确同步。具体地，同步装置550可以基于投影装置510的扫描位置，同步开启第一和第二图像传感器520_1和520_2中与当前扫描位置相对应的条纹方向上的像素列进行成像。如图5所示，当前条纹正扫描至拍摄区域的中心区域。为此，图像传感器520_1和520_2中，位于中心区域的像素列(例如，3个相邻的像素列)被开启进行成像。随着条纹在y方向上的移动(如图5下部透视图中的箭头所示)，图像传感器520_1和520_2 中开启用于成像的像素列也相应地同步移动(如图5左上框图中矩阵上方的箭头所示)。由此，可以利用条纹图像的一维特性，控制每一时刻进行成像的像素列的范围，从而降低环境光对测量结果的不利影响。为了进一步降低环境光的影响，投射装置尤其适用于投射不易与环境光混淆的光，例如红外光。另外，由于像素列与扫描光的对应关系受到投射光的宽度、功率、速度、图像传感器的感光效率等诸多因素的影响，因此每次同步开启的像素列范围(及对应数量)例如可以基于标定操作来确定。

在其他实施例中，LCOS器件也可以用于投射呈二维平面分布的经编码的离散光斑，并且，所述成像装置用于同步拍摄投射的所述呈二维平面分布的结构光以获取所述二维图像帧。例如，LCOS器件可以投射图2所示的离散光斑(但精度要高得多，拍摄对象也通常要小得多)。

如前所述，所述投射装置投射的结构光优选为红外结构光，由此避免可见光的干扰。此时，本实用新型的深度数据测量设备还可以包括：可见光传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在可见光照射下的二维图像帧。例如，可以包括RGB传感器，以获取拍摄对象的彩色二维信息，以便与求取的深度信息组合，例如得到3维信息，或是作为深度学习的补充或是修正。

在不同的实施例中，该设备可以实现为仅用于实现拍摄功能的测量头，也可以包含处理和计算装置。另外，在包含处理和计算设备的情况下，根据不同的应用场合，测量头与处理和计算装置可以封装在同一个壳体内，或是经由信号传输装置分开连接。

虽然图3未示出，本实用新型的深度数据测量设备还可以包括：与所述投射装置和所述成像装置相连的处理装置(控制功能)，用于控制所述投射装置的投影和所述成像装置的成像。例如，所述处理装置可以用于：控制所述LCOS器件的像素开合，以产生不同的投射结构光图案。

另外，处理装置还可以包括计算功能，并且用于：利用所述成像装置拍摄的所述二维图像帧求取所述拍摄对象的深度数据。

进一步地，本实用新型的深度数据测量设备还可以包括：壳体，用于容纳所述投射装置和所述成像装置，并固定所述投射装置和所述成像装置的相对位置。图3所示的固定装置330可以是壳体的一部分。

在某些实施例中，用于控制和/或计算的处理装置可以包括在壳体内部。但是在某些情况下，需要将摄像头和处理这种分立设置。此时，设备可以包括：穿过所述壳体与所述投射装置和所述成像装置连接的信号传输装置，用于用于向内传输针对所述投射装置和所述成像装置的控制信号，以及向外传输所述二维图像帧。在本实用新型的深度数据测量设备包括处理装置时，上述信号传输装置可以是与处理装置的信号连接线，例如光纤或是同轴电缆。在设备自身不包括处理功能时，上述信号传输装置可以是与处理装置的连接接口。

图6示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量设备的组成示意图。

如图所示，深度数据测量设备包括单独的测量头600、信号传输装置 640和处理器650。图中示意性的示出了测量头600的透视图，以及信号传输装置(传输线缆)640的线缆示意以及处理器650的符号示意图。应该理解的是，在不同的实现中，处理器650可以被单独的处理器外壳包围，或是插入其他设备，例如下文所述的采集设备的计算主板上，或是以其他方式被固定，本公开对此不作限制。

测量头在此完成结构光主动投射以及针对结构光的双目测量功能。测量头600可以包括结构光投射装置610、具有预定相对位置关系的第一和第二图像传感器620_1和620_2、以及壳体630。

结构光投射装置610可以用于向拍摄对象投射结构光，并且包括如前所述的VCSEL结合LCOS的结构。第一和第二图像传感器620_1和620_2 用于对所述拍摄对象进行拍摄以各自获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像帧。壳体630则用于容纳所述结构光投射装置和所述第一和第二图像传感器，并固定所述结构光投射装置和所述第一和第二图像传感器的相对位置。

信号传输装置640可以穿过所述壳体630与所述结构光投射装置111 和所述第一和第二图像传感器连接，用于向(壳体内)内传输针对所述所述结构光投射装置610以及第一和第二图像传感器的控制信号，以及向(壳体外)外传输图像传感器拍摄的第一和第二二维图像帧。

处理器650与信号传输装置640相连且位于所述壳体630之外，用于通过所述信号传输装置发送所述控制信号，并基于继续获取的所述第一和第二二维图像帧以及所述第一和第二图像传感器之间的所述预定相对位置关系，计算所述拍摄对象的运动数据。

由此，本实用新型的深度数据测量设备通过将测量头与处理器(例如，处理电路)分离，能够对测量头进行小型化、轻量化和低散热的设置，从而方便在例如医学成像设备的成像空间内的安装。

在此，信号传输装置640可以包括同轴电缆，由此直接通过电信号来进行控制信号以及图像数据从传输。进一步地，在诸如MRI采集等的高磁场环境中，为了避免采用铁镍材料，可以使用光纤作为信号传输装置640。此时，结构光投射装置、图像传感器和处理器可以各自包括光电转换器，用于将所述光纤传输的光信号转换为电信号，或是将要发送的信号转换为光信号。

在另一个实施例中，本实用新型也可以实现为一种结构光投射装置。该装置可以包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于生成所述激光；以及硅基液晶(LCOS)器件，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。进一步地，该装置，还可以包括：扩散片，布置在所述激光的传播光路上，以将所述VCSEL生成的激光转换为面光源；整形光学组件，用于将所述扩散片产生的面光源提供给所述LCOS器件；以及透镜组，用于向外投射由所述LCOS器件生成的结构光。上述结构光投射装置可以与各种成像装置相配合，以实现用于各种场景的深度数据测量和计算。

应该理解的是，本实用新型由于采用了利用反射原理进行投影的 LCOS，所以激光发生器和投影透镜组可以被布置在折叠的光路上，从而有助于设备的紧凑和小型化。图7示出了图3所示投影装置的发光路径。如图所示，由激光发生器711，例如VCSEL发出的激光，经由扩散片713 和整形组件714，送至LCOS712，在经LCOS712内部相关液晶的反射后，由透镜组715投射出。

上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的深度数据测量设备和组成该设备的结构光投射装置。本实用新型使用LCOS进行结构光的精细投影，从而改善深度数据的成像精度，尤其适用于对微小对象或是细节的深度数据测量。LCOS还可以变换包括散斑或是条纹在内的各种投影编码，从而满足各种成像场景。进一步地，可以采用VCSEL结构来实现投影装置的低功耗和小型化，VCSEL可以具有阵列结构，并且可以部分发光，以进一步降低功耗和器件发热。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，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 (17)

1.一种深度数据测量设备，其特征在于，包括：

投射装置，用于向拍摄对象投射结构光；

成像装置，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像帧，

其中，所述投射装置包括：

激光发生器，用于生成激光；

硅基液晶LCOS器件，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光发生器包括：

垂直腔面发射激光器VCSEL，用于生成所述激光。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述投射装置包括：

扩散片，布置在所述激光的传播光路上，以将所述VCSEL生成的激光转换为面光源。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述投射装置还包括：

整形光学组件，用于将所述扩散片产生的面光源提供给所述LCOS器件。

5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述VCSEL是生成偏振光的VCSEL。

6.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述VCSEL包括由多个发光单元组成的发光阵列。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投射装置还包括：

透镜组，用于投射由所述LCOS器件生成的结构光。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像装置包括：

与所述投射装置相对距离固定的一个图像传感器，用于拍摄所述结构光的二维图像帧。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像装置包括：

与所述投射装置相对距离固定的第一和第二图像传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像帧。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光发生器为红外激光发生器，并且所述深度数据测量设备还包括：

可见光传感器，用于对所述拍摄对象进行拍摄以获得在可见光照射下的二维图像帧。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

与所述投射装置和所述成像装置相连的处理装置，用于控制所述投射装置的投影和所述成像装置的成像。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

利用所述成像装置拍摄的所述二维图像帧求取所述拍摄对象的深度数据的计算装置。

13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述处理装置还包括：

控制所述LCOS器件的像素开合以产生不同的投射结构光图案的控制装置。

14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

壳体，用于容纳所述投射装置和所述成像装置，并固定所述投射装置和所述成像装置的相对位置。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，还包括：

穿过所述壳体与所述投射装置和所述成像装置连接的信号传输装置，用于用于向内传输针对所述投射装置和所述成像装置的控制信号，以及向外传输所述二维图像帧。

16.一种结构光投射装置，其特征在于，包括：

垂直腔面发射激光器VCSEL，用于生成所述激光；以及

硅基液晶LCOS器件，用于获取所述激光并生成用于进行投射的结构光。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：

扩散片，布置在所述激光的传播光路上，以将所述VCSEL生成的激光转换为面光源；

整形光学组件，用于将所述扩散片产生的面光源提供给所述LCOS器件；以及

透镜组，用于向外投射由所述LCOS器件生成的结构光。

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