CN214174626U - 一种发射模组及深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种发射模组及深度相机，发射模组包括：光源、光学整形元件及衍射光学元件，光源，用于发射高斯光束；光学整形元件，设置于光源与衍射光学元件之间，用于将高斯光束整形为平顶光束；衍射光学元件，用于接收平顶光束并衍射平顶光束至预设空间。通过采用平顶高斯分布的激光光源代替常规的高斯分布的激光光源，可以提高激光的能量利用率，接收端有效像素及滤波算法的作用，解决某一个像素能量过高产生的过曝问题，最终提升整个三维成像系统的检测性能。

Description

一种发射模组及深度相机

技术领域

本实用新型涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种发射模组及深度相机。

背景技术

三维成像系统中往往使用VCSEL或EEL等激光光源，激光光源发出的光束为高斯光束，高斯光束能量分布具体呈中间强、四周逐渐减弱的分布规律，在实现三维成像应用时，激光光源在接收端成像芯片上，一个散斑激光光源往往占据多个成像像素，接收端接收的像素上也往往呈现出中间某几个像素幅值大，而周围像素的幅值很弱的现象，与高斯光束能量分布规律相似。

但随着距离的增加，高斯光束中心区域和四周区域均逐渐降低，而且四周区域的能量由于高斯分布的特点，下降比中心区域更快，在远距工作时，仅剩光源的中心点信号被接收端接收，在成像芯片上呈现出仅有少数几个像素信号幅值比较大，而周围像素的信号基本为噪声的现象，无法进行深度计算，容易导致某一个像素的能量非常强，容易产生过曝的现象，从而不利于整体三维成像性能的提高。另一方面，虽然中心区域的能量仅被少数几个像素接收，但这几个像素的能量相对周围像素强，占据的像素非常少，不利于深度计算中滤波算法的使用，也不利于通过滤波算法来提高远距的探测精度。

综上，现有技术中缺乏一种解决像素能量过高产生的过曝问题的发射模组及深度相机。

发明内容

本实用新型为了解决现有的问题，提供一种发射模组及深度相机。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

一种发射模组，包括光源、光学整形元件及衍射光学元件，其中：所述光源，用于发射高斯光束；所述光学整形元件，设置于所述光源与所述衍射光学元件之间，用于将所述高斯光束整形为平顶光束；所述衍射光学元件，用于接收所述平顶光束并衍射所述平顶光束至预设空间。

在本实用新型的一种实施例中，还包括透镜，所述透镜设置于所述光学整形元件与所述衍射光学元件之间，用于接收所述光学整形元件整形后的所述平顶光束并准直。

在本实用新型的又一种实施例中，还包括透镜，所述透镜设置于所述光源与所述光学整形元件之间，用于接收所述光源发出的所述高斯光束并准直。

在本实用新型的再一种实施例中，所述光源为多个光源阵列，所述光学整形元件为微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个与所述光源阵列一一对应的微透镜单元；每个所述微透镜单元分别接收对应的所述光源阵列的高斯光束并整形。在所述光源阵列的表面设置所述微透镜单元生成光源点阵整形阵列，所述光源点阵整形阵列发射的光束为平顶光束。

在本实用新型的又一种实施例中，所述光学整形元件包括衍射式整形镜。所述光学整形元件采用锌或硒材料制作。所述光源是激光二极管、边缘发射激光二极管、垂直腔面发射激光器中的至少一种。所述光源发出的光是可见光、红外光、紫外光或不可见光。

本实用新型还提供一种深度相机，包括：如前任一所述的发射模组，用于发射平顶光束；成像模组，用于采集所述平顶光束；处理器，分别与所述发射模组和所述成像模组连接，用于控制所述发射模组和所述成像模组以及生成深度图像。

本实用新型的有益效果为：提供一种发射模组及深度相机，通过采用平顶高斯分布的激光光源代替常规的高斯分布的激光光源，可以提高激光的能量利用率，接收端有效像素及滤波算法的作用，解决某一个像素能量过高产生的过曝问题，最终可以提升整个三维成像系统的检测性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例中第一种发射模组结构示意图。

图2(a)-图2(b)是本实用新型实施例中高斯光束光源能量分布示意图。

图2(c)-图2(d)是本实用新型实施例中平顶光束光源能量分布示意图。

图3是本实用新型实施例中第二种发射模组结构示意图。

图4是本实用新型实施例中第三种发射模组结构示意图。

图5是本实用新型实施例中第四种发射模组结构示意图。

图6是本实用新型实施例中一种深度相机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，是本实用新型提供的一种发射模组结构示意图。发射模组100包括光源101，光学整形元件102及衍射光学元件104，其中，光源101用于发射高斯光束；光学整形元件102用于将高斯光束整形为平顶光束，且不改变光束传播方向；DOE(DiffractiveOptical Elements，衍射光学元件)104，用于接收平顶光束并衍射至预设空间形成散斑形态的平顶光束，以用于后续的三维成像。

本实用新型提供了一种发射模组，采用平顶高斯分布的激光光源代替常规的高斯分布的激光光源，可以提高激光的能量利用率，接收端有效像素及滤波算法的作用，解决某一个像素能量过高产生的过曝问题，最终可以提升整个三维成像系统的检测性能。

在本实用新型的一个实施例中，光源101包括单个光源或者多个光源组成的阵列，光源可以是激光二极管、边缘发射激光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的至少一种。其中，垂直腔面发射激光器具有体积小、功耗小、发散角小等特点。光源101产生的光可以为可见光、红外光、紫外光、不可见光等，光源101也支持不同图像组成的编码投射方案，如散斑状、块状、十字状、条纹状、特定符号等图像。

可以理解的是，光源101由于在方向性、亮度、单色性及相干性等方面具有良好的特性，被广泛应用于工业、军事、通信、医学和科学研究等诸多领域。通常情况下，激光光束空间形态呈高斯分布，即高斯光束。但随着激光技术应用领域扩大，高斯光束已不能满足实际应用中的部分特定需求，尤其是在远距工作。因此，需要将光源101发射的高斯光束整形为平顶光束输出。

如图2(a)-图2(d)所示，与普通的高斯光束相比，平顶高斯光束扩大了中心峰值能量的有效像素数，在光斑横截面内能量分布均匀，提高了激光的利用率减少了能量损失，有利于提升后续深度计算时滤波性能，降低了中心像素的能量，使中心像素不容易产生过曝现象，进而扩展激光技术应用领域。

可以理解的是，在图2(b)和图2(d)中，深色的线为水平方向的能量分布，浅色线为垂直方向的能量分布。

在本实用新型的一个实施例中，光学整形元件102包括高效率衍射式整形镜，用于对高斯光束进行整形，将高斯光强分布的光束变换为平顶分布(Top-hat形貌)，匀化光束焦斑的光强分布，控制并提高焦点处激光功率密度和能量利用率，进而将高斯光束整形为平顶光束，且不改变高斯光束的光路。

如图3所示，在本实用新型的一个实施例中，发射模组100还包括透镜103，透镜103设置于光学整形元件102与DOE104之间，用于接收光学整形元件102整形后的平顶光束。光源101发射高斯光束至光学整形元件102，光学整形元件102将高斯光束整形后得到平顶光束，透镜103接收平顶光束并进行准直，准直后的光束进入DOE14进行衍射。应当理解的是，考虑到激光光束会产生一定的热量，为了使透镜在适宜温度范围内工作，可选取热吸收系数相对较小的Zn或Se材料来制作光学整形元件102。

可以理解的是，继续如图3所示，发射模组100还包括基板或者镜筒，用于支撑。

如图4所示，在本实用新型的另一个实施例中，透镜103设置于光源101与光学整形元件102之间，用于接收光源101发出的高斯光束。光源101发射高斯光束至透镜103，透镜103对高斯光束进行准直，准直后的高斯光束经过光学整形元件102，光学整形元件102对准直后的高斯光束进行整形以获取能量分布的平顶高斯光束，DOE104对平顶高斯光束进行衍射，即进行成倍的复制，生成多个至少部分重叠的平顶光束，以提高整体平顶光束的不相关程度，进而更有利于提高光束的利用率。

如图5所示，是本实用新型提供的又一发射模组结构示意图。光源101为多个光源阵列，光学整形元件102为微透镜阵列，微透镜阵列包括多个与光源阵列一一对应的微透镜单元，即数量相等，排列图像相同，每个微透镜单元分别接收对应的光源阵列的高斯光束并整形。在一个实施例中，将微透镜单元与光源阵列进行集成，在光源阵列的表面设置微透镜单元，生成光源点阵整形阵列，以使光源点阵整形阵列发射的光束为平顶光束，透镜103准直平顶光束至DOE104，DOE104衍射平顶光束至预设空间，进而可减小发射模组的体积，同时亦可对光源点阵整形阵列进行独立分组控制，提高发射光束的不相关度，满足不同的应用需求。

如图6所示，是本实用新型提供的一种深度相机结构示意图。深度相机40包括上述发射模组10、成像模组20以及分别与发射模组10、成像模组20连接的处理器30。其中，发射模组10用于发射平顶光束；成像模组20用于采集平顶光束；处理器30用于控制发射模组10和成像模组20的正常工作，以及生成深度图像。应当理解的是，发射模组10发出的平顶光束的信号均为有效信号被成像模组20接收，采集平顶光束的成像模组20的每个像素的能量分布、幅值大小均匀分布或接近均匀分布现象，与现有技术中成像模组接收的高斯光束相比，接收平顶光束，增加了有效像素，进而提高了滤波算法的作用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种发射模组，其特征在于，包括光源、光学整形元件及衍射光学元件，其中：

所述光源，用于发射高斯光束；

所述光学整形元件，设置于所述光源与所述衍射光学元件之间，用于将所述高斯光束整形为平顶光束；

所述衍射光学元件，用于接收所述平顶光束并衍射所述平顶光束至预设空间。

2.如权利要求1所述的发射模组，其特征在于，还包括透镜，所述透镜设置于所述光学整形元件与所述衍射光学元件之间，用于接收所述光学整形元件整形后的所述平顶光束并准直。

3.如权利要求1所述的发射模组，其特征在于，还包括透镜，所述透镜设置于所述光源与所述光学整形元件之间，用于接收所述光源发出的所述高斯光束并准直。

4.如权利要求1所述的发射模组，其特征在于，所述光源为多个光源阵列，所述光学整形元件为微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个与所述光源阵列一一对应的微透镜单元；每个所述微透镜单元分别接收对应的所述光源阵列的高斯光束并整形。

5.如权利要求4所述的发射模组，其特征在于，在所述光源阵列的表面设置所述微透镜单元生成光源点阵整形阵列，所述光源点阵整形阵列发射的光束为平顶光束。

6.如权利要求1-5任一所述的发射模组，其特征在于，所述光学整形元件包括衍射式整形镜。

7.如权利要求1-5任一所述的发射模组，其特征在于，所述光学整形元件采用锌或硒材料制作。

8.如权利要求1-5任一所述的发射模组，其特征在于，所述光源是激光二极管、边缘发射激光二极管、垂直腔面发射激光器中的至少一种。

9.如权利要求1-5任一所述的发射模组，其特征在于，所述光源发出的光是可见光、红外光、紫外光或不可见光。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1-9任一所述的发射模组，用于发射平顶光束；

成像模组，用于采集所述平顶光束；

处理器，分别与所述发射模组和所述成像模组连接，用于控制所述发射模组和所述成像模组以及生成深度图像。

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