CN212905433U - 基于结构光的深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于结构光的深度相机，包括光发射模组、光接收模组、偏振片以及处理电路；所述光发射模组，用于发射离散准直光束，以使所述离散准直光束光束投射到待拍摄的目标物体上；所述偏振片，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述目标物体反射后的离散准直光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；所述处理电路，用于根据所述偏振光束在所述目标物体上形成光斑图案的形变或位移生成所述目标物体表面的深度数据。本实用新型能够使得通过偏振片后噪声光能量降低一半，显著提高了深度相机的信噪比。

Description

基于结构光的深度相机

技术领域

本实用新型涉及3D成像领域，具体地，涉及一种基于结构光的深度相机。

背景技术

随着三维视觉的不断发展与成熟，3D相机已经广泛应用于自动驾驶、高端制造、机器视觉等领域。在3D相机中，可分为结构光相机和ToF相机。其中ToF相机由于对感光的传感器要求较高，比如苹果公司所使用的SPAD面阵，其生产制作的难度与成本都极高，并且目前集成度有限。

所以目前在实际使用的3D相机中，有60％以上的均采用结构光相机。结构光相机一般采用一个光发射模组，向被测物投射一些特定的光谱(例如，散斑)，然后利用相机采集反射回来的光信号，通过计算机的处理与计算，从而得到图片的深度信息。

为了避免环境光对相机采集光信号的影响，通常结构光采用大气窗口950nm左右的近红外波段。但是晴天室外情况下，高强度的环境光进入到相机中，仍然对结构光相机的接受光信号有较大影响，信噪比低，导致图像深度信息无法还原或者还原精度下降。

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基于结构光的深度相机，解决了结构光相机在晴天等高强度的环境光精度下降的问题。

根据本实用新型提供的基于结构光的深度相机，包括光发射模组、光接收模组、偏振片以及处理电路；

所述光发射模组，用于发射离散准直光束，以使所述离散准直光束光束投射到待拍摄的目标物体上；

所述偏振片，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述目标物体反射后的离散准直光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；

所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；

所述处理电路，用于根据所述偏振光束在所述目标物体上形成光斑图案的形变或位移生成所述目标物体表面的深度数据。

优选地，还包括与所述光发射模组和所述光接收模组相连的驱动电路；

所述驱动电路，用于控制所述光发射模组和所述光接收模组同时开启或关闭，并通过控制所述光发射模组的驱动电流控制所述光发射模组的输出光功率。

优选地，所述偏振方向为水平横向的线偏振方向。

优选地，所述光发射模组采用近红外激光器；

所述偏振片采用近红外波段的线偏振片。

优选地，所述光发射模组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预设置偏振方向的光束；

所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。

优选地，多束所述离散准直光束平行于所述光束投射器的截面包括光斑点阵，所述光斑点阵呈准晶体形状排布；

所述准晶体形状包括多个晶格单元；

每一所述晶格单元包括呈周期性排列的光斑点阵；

多个所述晶格单元呈周期性排列且使得不同的所述晶格单元内的光斑点阵呈准晶体形状排布。

优选地，所述晶格单元中周期性排列的光斑点阵呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

优选地，所述光束投射器为纳米光子芯片、衍射光栅或编码结构光掩膜。

优选地，所述光接收模组包括光学成像镜头和光探测器阵列；所述光探测器阵列包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头，用于使得透过所述光学成像镜头进入光探测器阵列的所述偏振光束的方向向量与光探测器呈一一对应关系；

所述光探测器，用于接收经所述目标物体反射并经所述偏振片筛选出的偏振光束。

优选地，所述光探测器采用如下任一种光传感器：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型中光发射模组发射的离散准直光束为预设置方向的偏振光束，则反射的离散准直光束也多为偏振光束，通过在光接收模组的入光侧设置一偏振片，不会对反射的离散准直光束进行过滤，但是会对于环境光中自然光进行过滤，使得通过偏振片后噪声光能量降低一半，显著提高了深度相机的信噪比。

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为现有技术中基于结构光的深度相机的工作原理示意图；

图2为本实用新型实施例中基于结构光的深度相机的工作原理示意图；

图3为本实用新型实施例中光发射模组的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中光学成像镜头的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中离散准直光束呈准晶体形状排布的示意图。

图中：

1为偏振片；201为边发射激光器；202为光束投射器；301为光探测器阵列； 302为光学成像镜头。

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。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为现有技术中基于结构光的深度相机的工作原理示意图，如图1所示，光接收模块接一方面接收到光发射模组发出的经过待拍摄的目标物体上反射的离散准直光束，另一方面接收到环境中的噪声光信号。因此，当在晴天、室外环境下，环境光光强较大，噪声多，信噪比低，此时处理电路在计算深度图时准确性较差。

本实用新型提供的基于结构光的深度相机，旨在解决现有技术中存在的问题。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本实用新型的实施例进行描述。

图2为本实用新型实施例中基于结构光的深度相机的工作原理示意图，如图2所示，本实用新型提供的基于结构光的深度相机，包括光发射模组、光接收模组、偏振片1以及处理电路；

所述光发射模组，用于发射离散准直光束，以使所述离散准直光束光束投射到待拍摄的目标物体上；

所述偏振片，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述目标物体反射后的离散准直光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；

所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；

所述处理电路，用于根据所述偏振光束在所述目标物体上形成光斑图案的形变或位移生成所述目标物体表面的深度数据。

在本实用新型实施例中，所述处理电路与所述光发射模组和所述光接收模组相连；

所述处理电路，用于控制所述光发射模组和所述光接收模组同时开启或关闭，并通过控制所述光发射模组的驱动电流控制所述光发射模组的输出光功率。

在本实用新型实施例中，所述处理电路可以是独立的专用芯片，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中去，终端中的处理器可以作为该处理电路的至少一部分。

在本实用新型实施例中，所述偏振方向为水平横向的线偏振方向。所述光发射模组采用950nm的近红外激光器；

在本实用新型实施例中，所述偏振片1为近红外波段的线偏振片，所述线偏振片为900～980nm偏振度大于500：1的偏振片，对小于900nm波段透过率小于5％。

图3为本实用新型实施例中离散光束投射器的一种结构示意图，如图3所示，所述光发射模组包括设置在一光路上的边发射激光器201和光束投射器202；

所述边发射激光器201，用于向所述光束投射器202投射激光；

所述光束投射器202，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201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201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。所述分束投射器可以采用分束器或衍射光栅。

在本实用新型实施例中，所述光束投射器为纳米光子芯片、衍射光栅或编码结构光掩膜。其中，所述纳米光子芯片包括第一表面和第二表面，所述第一表面包括光栅结构；

所述纳米光子芯片构造为引导耦合入光束在第一表面和第二表面之间进行全内反射；

所述光栅结构构造为干扰全内反射以使至少部分耦合入光束自第一表面耦合出纳米光子芯片，从纳米光子芯片耦合出的这部分耦合入光束形成耦合出光；

多束所述耦合出光束平行于所述第一表面或第二表面截面中的光斑点阵呈准晶体形状排布。

在本实用新型实施例中，所述耦合出光束从第一表面会聚形成直立光锥，然后发散以在直立光锥的上方形成倒立光锥；及

所述直立或倒立光锥与第一表面平行的截面包括与耦合出光束对应的光斑点阵。

在本实用新型变形例中，所述耦合出光束从第一表面发散形成倒立光锥；及所述倒立光束与第一表面平行的截面包括与耦合出光束对应的点阵。

图4为本实用新型实施例中光学成像镜头的结构示意图，如图4所示，所述光接收模组包括光学成像镜头302和光探测器阵列301；所述光探测器阵列301包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头302，用于使得透过所述光学成像镜头302进入光探测器阵列301 的所述偏振光束的方向向量与光探测器呈一一对应关系；

所述光探测器，用于接收经所述目标物体反射并经所述偏振片1筛选出的偏振光束。

为了过滤背景噪声，所述光学成像镜头302内通常还装有窄带滤光片，使得所述光探测器阵列301仅能通过预设的波长的入射准直光束。所述预设的波长可以为入射准直光束的波长，也可以为小于入射准直光束50纳米和大于入射准直光束50纳米之间。所述光探测器阵列301可以呈周期或者非周期性排列。每个光探测器与辅助电路配合可以实现对准直光束的飞行时间进行测量。根据离散准直光束数量的需求，光探测器阵列301 可以是多个单点光探测器的组合或者是一个集成了多个光探测器的传感器芯片。为了进一步优化光探测器的灵敏度，一个离散准直光束在目标物体上的照射光斑可以对应一个或者多个光探测器。在多个光探测器对应同一个照射光斑时，每个探测器的信号可以通过电路连通，从而在能够合并为一个探测面积更大的光探测器。

图5为本实用新型实施例中离散准直光束呈准晶体形状排布的示意图，如图5所示，所述准晶体形状包括多个晶格单元；

每一所述晶格单元包括呈周期性排列的光斑点阵；

多个所述晶格单元呈周期性排列且使得不同的所述晶格单元内的光斑点阵呈准晶体形状排布。

在本实用新型实施例中，所述晶格单元中周期性排列的光斑点阵呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；四边形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

在发本实用新型明一实施例中，通过光束投射器202投射出呈准晶体形状排布的光斑点阵，从而能够通过光斑点阵的局部信息恢复丢失的点，增强了结构光摄像头的鲁棒性。

在本实用新型的一实施例中，所述多束离散准直光束为周期性排布呈一预设定的形状的点阵光，即呈几何规律分布。所述预设定的形状包括如下任一形状或能够相互切换的任多个形状：

-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。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。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。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。多束离散准直光束的周期性排布将有利于简化多束离散准直光束和光探测器阵列301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为非周期性排布呈另一预设定的形状的点阵光。所述非周期性排布包括如下任一排布方式或能够相互切换的任多个排布方式：

-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。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；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；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。多束离散准直光束的非周期性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。

泛光投射至所述目标物体上。还可以直接对所述光发射模组采用LED近红外光源。

在本实用新型实施例中，所述光探测器采用如下任一种光传感器：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

其中，所述光探测器的型号选择并不限于上述光传感器，也可包括其他类型的光传感器。

本实用新型实施例中，光发射模组发射的离散准直光束为预设置方向的偏振光束，则反射的离散准直光束也多为偏振光束，通过在光接收模组的入光侧设置一偏振片，不会对反射的离散准直光束进行过滤，但是会对于环境光中自然光进行过滤，使得通过偏振片后噪声光能量降低一半，显著提高了深度相机的信噪比。

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)

1.一种基于结构光的深度相机，其特征在于，包括光发射模组、光接收模组、偏振片以及处理电路；

所述光发射模组，用于发射离散准直光束，以使所述离散准直光束光束投射到待拍摄的目标物体上；

所述偏振片，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述目标物体反射后的离散准直光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；

所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；

所述处理电路，用于根据所述偏振光束在所述目标物体上形成光斑图案的形变或位移生成所述目标物体表面的深度数据。

2.根据权利要求1所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述处理电路与所述光发射模组和所述光接收模组相连；

所述处理电路，用于控制所述光发射模组和所述光接收模组同时开启或关闭，并通过控制所述光发射模组的驱动电流控制所述光发射模组的输出光功率。

3.根据权利要求1所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述偏振方向为水平横向的线偏振方向。

4.根据权利要求2所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述光发射模组采用近红外激光器；

所述偏振片采用近红外波段的线偏振片。

5.根据权利要求1所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述光发射模组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预设置偏振方向的光束；

所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。

6.根据权利要求5所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，多束所述离散准直光束平行于所述光束投射器的截面包括光斑点阵，所述光斑点阵呈准晶体形状排布；

所述准晶体形状包括多个晶格单元；

每一所述晶格单元包括呈周期性排列的光斑点阵；

多个所述晶格单元呈周期性排列且使得不同的所述晶格单元内的光斑点阵呈准晶体形状排布。

7.根据权利要求6所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述晶格单元中周期性排列的光斑点阵呈如下任一种或任多种形状：

直线形；三角形；矩形；圆形；六边形；五边形；七边形；八边形；星形；椎形；梯形；椭圆形；多焦点圆；月牙形；弓形；扇形；菱形。

8.根据权利要求5所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述光束投射器为纳米光子芯片、衍射光栅或编码结构光掩膜。

9.根据权利要求1所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述光接收模组包括光学成像镜头和光探测器阵列；所述光探测器阵列包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头，用于使得透过所述光学成像镜头进入光探测器阵列的所述偏振光束的方向向量与光探测器呈一一对应关系；

所述光探测器，用于接收经所述目标物体反射并经所述偏振片筛选出的偏振光束。

10.根据权利要求9所述的基于结构光的深度相机，其特征在于，所述光探测器采用如下任一种光传感器：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

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