CN217982120U - 一种双目结构光3d相机的光学系统和双目结构光3d相机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机，在双目结构光3D相机的光学系统中设置接收模组和包括光源和超透镜单元的结构化光生成器，光源发出的红外光，经由超透镜单元扩束后，在双目结构光3D相机外部投射为散斑，并通过接收模组接收经目标物体反射的散斑结构光，利用超透镜单元替代传统的光学透镜组对光源发出的红外光进行散斑，利用超透镜单元轻薄的特点，降低双目结构光3D相机的重量和体积，大大有利于双目结构光3D相机向小型化轻量化的方向发展。

Description

一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机

技术领域

本申请涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机。

背景技术

目前，双目结构光3D相机不论在军事、教育、生产、娱乐、科研，还是医学、航空、学术等众多领域中都具有广泛的应用前景，双目结构光3D相机中使用的传统光学透镜组等光学器件，会增加双目结构光3D相机的重量和体积，不利于双目结构光3D相机向小型化轻量化的方向发展。

实用新型内容

为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机。

第一方面，本申请实施例提供了一种双目结构光3D相机的光学系统，包括：结构化光生成器和两个接收模组；

所述结构化光生成器，包括：光源和超透镜单元；

所述光源发出的红外光，经由所述超透镜单元扩束后，在所述双目结构光3D相机外部投射为散斑；

两个所述接收模组，分别接收经目标物体反射的散斑结构光。

第二方面，本申请实施例还提供了一种双目结构光3D相机，包括上述第一方面所述的双目结构光3D相机的光学系统。

本申请实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，在双目结构光3D相机的光学系统中设置接收模组和包括光源和超透镜单元的结构化光生成器，光源发出的红外光，经由超透镜单元扩束后，在双目结构光3D相机外部投射为散斑，并通过两个接收模组接收经目标物体反射的散斑结构光，与相关技术中双目结构光3D相机使用传统光学透镜组等光学器件的方式相比，利用超透镜单元替代传统的光学透镜组对光源发出的红外光进行散斑，利用超透镜单元轻薄的特点，降低双目结构光3D相机的重量和体积，大大有利于双目结构光3D相机向小型化轻量化的方向发展。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种双目结构光3D相机的光学系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的一种双目结构光3D相机的光学系统，具有大共识区的双目结构光3D相机的光学系统的示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的一种双目结构光3D相机的光学系统中，会聚超透镜和扩束超透镜中分别包含的超透镜结构单元的结构示意图。

图标：10、双目结构光3D相机；100、光源；102、超透镜单元；104、会聚超透镜；106、图像传感器。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。

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个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前，双目结构光3D相机不论在军事、教育、生产、娱乐、科研，还是医学、航空、学术等众多领域中都具有广泛的应用前景。

双目结构光3D相机的光学系统一般由以下两部分组成：散斑结构光投影系统和散斑接收系统，其中，散斑接收系统中包括成像镜头和图像传感器。

散斑结构光投影系统投射散斑的方法是使用传统透镜组对激光器发出的光做准直，经过准直后的激光经过衍射光学元件(DOE)后产生远场散斑图。散斑的具体图案类别由衍射光学元件决定，准直透镜组起将发散的激光点阵光源转换成平行光的作用。同时，可采用激光点阵分区点亮的方式实现远场散斑的投射。

散斑接收系统通常是采用多枚球面或非球面镜片组成的镜头组。示例地，镜头组可以使用两枚红外(IR)镜头组成双目系统，用来接收照射在物体表面被物体反射的散斑结构光。为了实现大视野远距离的使用特性，通常选用短焦镜头组，能够实现对远场散斑图的全覆盖。

双目结构光3D相机中使用的传统光学透镜等光学器件，会增加双目结构光3D相机的重量和体积，不利于双目结构光3D相机向小型化轻量化的方向发展。

本申请提出的一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机，通过使用超透镜来代替传统的光学透镜组，减小器件尺寸，使系统朝小型化、轻量化方向发展。同时，通过调制超透镜表面微结构，优化成像系统，提高成像质量，达到提高精度的目的，同时也扩大了相机视野。

基于此，本申请实施例提出一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机，在双目结构光3D相机的光学系统中设置接收模组和包括光源和超透镜单元的结构化光生成器，光源发出的红外光，经由超透镜单元扩束后，在双目结构光3D相机外部投射为散斑，并通过接收模组接收经目标物体反射的散斑结构光，利用超透镜单元替代传统的光学透镜组对光源发出的红外光进行散斑，利用超透镜单元轻薄的特点，降低双目结构光3D相机的重量和体积，大大有利于双目结构光3D相机向小型化轻量化的方向发展。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本申请做进一步详细的说明。

实施例

参见图1所示的一种双目结构光3D相机的光学系统的结构示意图，本实施例提出一种双目结构光3D相机的光学系统，包括：结构化光生成器和两个接收模组。

所述结构化光生成器，包括：光源100和超透镜单元102。

其中，所述光源。可以采用红外垂直腔面发射激光器阵列；当然，所述光源还可以采用现有技术中任何其他能够发出红外光的激光器，这里不再一一赘述。

在一个实施方式中，所述光源发出的红外光是波长在850纳米至940纳米之间任意波长的近红外光。

在一个实施方式中，所述超透镜单元，采用扩束超透镜或者超透镜阵列；所述超透镜阵列，包括：并排设置的多个扩束超透镜。

所述光源发出的红外光，经由所述超透镜单元扩束后，在所述双目结构光3D相机10外部投射为散斑。例如，所述超透镜单元可以将所述光源所发出的红外光调整为结构化光图案(如散斑)向外投射。

两个所述接收模组，分别接收经目标物体反射的散斑结构光。

在一个实施方式中，所述接收模组，就是本实施例提出的双目结构光3D相机的光学系统中的双目相机。

在一个实施方式中，所述光源为红外垂直腔面发射激光器阵列。当然，所述光源还可以使用现有的任何能够发出红外光的激光器，这里不再一一赘述。

相关技术中，常规的光学镜头一般只对可见光有较高的透过率，而对非可见光范围内的红外光的响应不高。往往需要通过特殊的方式来增加对红外光的透过率，例如镀膜等。除此之外，由于大视场的原因，镜头边缘入射角大，进光量少，导致图像中心亮度和边缘亮度差距较大，整体画面亮暗不均，边缘精度因此下降；并且，镜头边缘的畸变也会导致本来呈现均匀点状的散斑在成像时被拉长，影响对散斑的成像效果。

那么，为了解决上述技术问题，在本实施例提出的所述的双目结构光3D相机的光学系统中，两个所述接收模组，包括：分别设置在所述结构化光生成器两侧的第一镜头组件和第二镜头组件。

这里，就是说两个所述接收模组中的一个接收模组包括第一镜头组件，另一个接收模组包括第二镜头组件。

所述第一镜头组件和所述第二镜头组件，分别包括：会聚超透镜104和图像传感器106。

所述会聚超透镜，能够将所述目标物体反射的散斑结构光会聚到所述图像传感器上。

所述图像传感器106，可以采用电荷耦合器件或者互补金属氧化物半导体。

所述图像传感器，能够将接收到的作为光信号的散斑结构光转换为电信号，对目标物体进行成像操作。

所述扩束超透镜和所述会聚超透镜，分别包括：衬底和设置在所述衬底上的多个纳米结构。

所述扩束超透镜和所述会聚超透镜，还分别包括：填充于所述多个纳米结构之间的填充材料。

所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

通过以上的描述可知，通过分别在所述结构化光生成器两侧设置分别具有会聚超透镜的第一镜头组件和第二镜头组件，使用会聚超透镜代替传统的光学镜头实现接收模组，对在第一镜头组件和第二镜头组件公共视野范围内出现的目标物体反射的散斑结构光进行成像。由于会聚超透镜自身的属性，可以将入射到会聚超透镜自身的全部散斑结构光均匀的会聚到图像传感器中，不仅可以增加对红外光的透过率，而且可以避免采集到的图像中心亮度和边缘亮度的差距，保持采集的图像的画面亮度均匀；再者，可以避免镜头边缘的畸变影响成像效果的缺陷。

如图1所示，由于双目视觉的特性所致，第一镜头组件和第二镜头组件的有效成像视野范围为两镜头组件的共识区。

对于双目结构光3D相机的光学系统来说，作为该光学系统中的双目镜头的第一镜头组件和第二镜头组件之间的基线距离，是影响双目结构光3D相机测量精度的重要因素。

对需要接收远场中出现的目标物体所反射的散斑结构光的双目镜头来说，基线距离也必须相应增加，才能获得更好的三维成像效果。但双目结构光3D相机中双目镜头的共识区受到双目镜头之间的基线距离的限制，双目镜头之间的基线距离越大会使双目镜头之间的共识区越小，即会减小双目结构光3D相机的视野。因此，可以通过设计会聚超透镜中的纳米结构的尺寸/周期/材料，从纳米结构数据库中得到符合大共识区(如大共识区的条件是：双目相机的视场角(FOV)大于70度)要求的纳米结构设置到会聚超透镜上。从而通过设计得到的会聚超透镜，扩大双目结构光3D相机的光学系统中第一镜头组件和第二镜头组件的共识区，以增加光学系统中第一镜头组件和第二镜头组件的成像视野范围。

在本实施例提出的双目结构光3D相机的光学系统中，参见图2所示的具有大共识区的双目结构光3D相机的光学系统的示意图，所述会聚超透镜中的纳米结构对目标物体反射的散斑结构光的调制相位满足广义斯涅尔定律。

具体地，所述会聚超透镜中的纳米结构对目标物体反射的散斑结构光的调制相位满足如下公式：

其中，n_i表示目标物体反射的散斑结构光在双目结构光3D相机的光学系统外部的第一介质的传播过程中，第一介质对目标物体反射的散斑结构光的折射率；n_t表示目标物体反射的散斑结构光在被会聚超透镜会聚后，在双目结构光3D相机的光学系统内的第二介质传播过程中，第二介质对目标物体反射的散斑结构光的折射率；θ_r表示目标物体反射的散斑结构光入射到会聚超透镜后，被会聚超透镜反射后的反射角度；θ_i表示目标物体反射的散斑结构光入射到会聚超透镜的入射角度；Φ(x,y)表示会聚超透镜中位于(x,y)位置的纳米结构对目标物体反射的散斑结构光的调制相位；θ_t表示目标物体反射的散斑结构光入射到会聚超透镜后，被会聚超透镜相位调制后的出射角度；φ_r1表示被会聚超透镜反射的目标物体反射的散斑结构光的波矢在与入射平面相垂直的平面上的投影；φ_t1表示被会聚超透镜相位调制后出射的目标物体反射的散斑结构光的波矢在与入射平面相垂直的平面上的投影；k₀＝2π/λ，λ表示散斑结构光的波长。

通过以上描述的内容可知，所述会聚超透镜中的纳米结构对目标物体反射的散斑结构光的调制相位是符合广义斯涅耳定律的；那么，所述第一介质就是光密介质，所述第二介质就是相对第一介质的光疏介质；所述第一介质的折射率大于所述第二介质的折射率。

先确定在能够达到大共识区的条件下，第一镜头组件和第二镜头组件的视野范围，然后可以进一步确定出目标物体反射的散斑结构光入射会聚超透镜的入射角和会聚超透镜对入射的散斑结构光相位调制后的折射角，代入上述公式中可以确定具体的会聚超透镜的相位分布；在纳米结构数据库中直接寻找满足上述相位分布的纳米结构设置在会聚超透镜中，从而得到具有大共识区的双目结构光3D相机的光学系统。

在一个实施方式中，所述结构化光生成器产生的所述散斑，包括：阵列散斑图案和伪随机无规则散斑图案。

所述散斑图案的具体排布形式，主要和光源的排布方式还有扩束超透镜具体的调制作用有关，在本实施例中不作限定。

参见图3所示的会聚超透镜和扩束超透镜中分别包含的超透镜结构单元的结构示意图，每个超透镜结构单元均能够调制入射光，纳米结构可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，其至少在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，多个纳米结构呈阵列排布，从而能够划分出超透镜结构单元；该超透镜结构单元可以为正六边形、正方形、扇形等，每个超透镜结构单元的中心位置，或者每个超透镜结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。其中，所有的纳米结构可以位于衬底的同一侧，或者，部分纳米结构位于衬底的一侧，另一部分纳米结构位于衬底的另一侧，本实施例对此不作限定。

需要说明的是，会聚超透镜和扩束超透镜的基底为整体的层结构，会聚超透镜和扩束超透镜中的多个超透镜结构单元可以是人为划分出来的，即在基底上布设多个纳米结构，从而可以划分出包含一个或多个纳米结构的超透镜结构单元，或者说，多个超透镜结构单元可以形成一体式结构的会聚超透镜和扩束超透镜。

相关技术中，在生产多枚镜片组成的镜头模组过程中，难免会因为生产的误差原因导致个体间出现差异，这样会导致两个红外相机所采集的散斑图像不一致，影响算法对图像的匹配，导致检测精度下降。而会聚超透镜和扩束超透镜的生产制造采用大规模集成电路的制造方法，生产精度更高，一致性更好，良率更佳。

所述会聚超透镜和所述扩束超透镜的具体生产制造过程是现有技术，不在本实施例的讨论范围之内。

在完成对上述双目结构光3D相机的光学系统的介绍之后，本实施例还提出一种双目结构光3D相机，包括上述的双目结构光3D相机的光学系统。

综上所述，本实施例提出一种双目结构光3D相机的光学系统和双目结构光3D相机，在双目结构光3D相机的光学系统中设置接收模组和包括光源和超透镜单元的结构化光生成器，光源发出的红外光，经由超透镜单元扩束后，在双目结构光3D相机外部投射为散斑，并通过接收模组接收经目标物体反射的散斑结构光，与相关技术中双目结构光3D相机使用传统光学透镜组等光学器件的方式相比，利用超透镜单元替代传统的光学透镜组对光源发出的红外光进行散斑，利用超透镜单元轻薄的特点，降低双目结构光3D相机的重量和体积，大大有利于双目结构光3D相机向小型化轻量化的方向发展。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，包括：结构化光生成器和两个接收模组；

所述结构化光生成器，包括：光源和超透镜单元；

所述光源发出的红外光，经由所述超透镜单元扩束后，在所述双目结构光3D相机外部投射为散斑；

两个所述接收模组，分别接收经目标物体反射的散斑结构光。

2.根据权利要求1所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，两个所述接收模组，分别包括：分别设置在所述结构化光生成器两侧的第一镜头组件和第二镜头组件；

所述第一镜头组件和所述第二镜头组件，分别包括：会聚超透镜和图像传感器；

所述会聚超透镜，能够将所述目标物体反射的散斑结构光会聚到所述图像传感器上。

3.根据权利要求2所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述超透镜单元，采用扩束超透镜或者超透镜阵列；

所述超透镜阵列，包括：并排设置的多个扩束超透镜。

4.根据权利要求3所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述扩束超透镜和所述会聚超透镜，分别包括：衬底和设置在所述衬底上的多个纳米结构。

5.根据权利要求4所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述扩束超透镜和所述会聚超透镜，还分别包括：填充于所述多个纳米结构之间的填充材料。

6.根据权利要求5所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

7.根据权利要求4-6任一项所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述会聚超透镜中的纳米结构对目标物体反射的散斑结构光的调制相位，满足广义斯涅耳定律。

8.根据权利要求1所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述散斑，包括：阵列散斑图案和伪随机无规则散斑图案。

9.根据权利要求1所述的双目结构光3D相机的光学系统，其特征在于，所述光源为红外垂直腔面发射激光器阵列。

10.一种双目结构光3D相机，其特征在于，包括上述权利要求1-9任一项所述的双目结构光3D相机的光学系统。

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