CN219512497U - 一种激光投射模组、结构光深度相机及tof深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光投射模组、结构光深度相机及TOF深度相机，激光投射模组包括：光源，包括光源包括多个发光部，每个所述发光部包括至少一个发光单元，所述发光单元在每个所述发光部中的位置不相同；衍射光学元件，用于接收光源发出的光束并进行复制投射到空间区域；驱动器，用于控制光源中各发光部发光以投射泛光光束或散斑图案光束。其中，当全部发光部发射光束，经衍射光学元件复制形成的多个衍射图案光束重叠使得光束覆盖填充部分空间区域实现泛光光束；或，驱动器驱动部分发光部发射光束，经衍射光学元件复制后形成散斑图案光束。由此将现有技术中的激光散斑投射模组和泛光照明模组集成到一起，从而减小了模组的整体体积。

Description

一种激光投射模组、结构光深度相机及TOF深度相机

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及的是一种激光投射模组、结构光深度相机及TOF深度相机。

背景技术

现有技术中，3D成像装置已经开始应用在一些电子消费产品中，比如体感游戏中的动作识别、手机中的人脸识别等等，比较流行的当属基于结构光技术和飞行时间技术的深度相机。其中，基于结构光技术的深度相机主要由三部分构成：激光散斑投射模组、泛光照明模组以及采集模组。因而若将深度相机应用于屏下，需要在屏上增添3个开孔区域，这会显著增加屏幕的整体体积。基于飞行时间技术的深度相机主要包括泛光照明模组和采集模组，但泛光照明测量时导致远距离测量精度降低以及存在多路径干扰问题，提出了投射激光散斑进行深度测量的方案，但激光散斑进行深度测量时会导致分辨率降低，进而提出了一种近距离处投射泛光、远距离处投射散斑的测距模式。这种方案里基于飞行时间技术的深度相机也需要三部分：激光散斑投射模组、泛光照明模组以及采集模组，无疑增大了深度相机的体积，也为在电子产品中的应用带来了阻碍。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光投射模组、结构光深度相机及TOF深度相机，旨在解决现有技术中基于结构光的屏幕的体积较大的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种激光投射模组，其中，其包括：光源，用于发射光束；所述光源包括多个发光部，每个所述发光部包括至少一个发光单元，所述发光单元在每个所述发光部中的位置不相同；衍射光学元件，用于接收所述光束并进行复制形成多个衍射图案光束以投射到空间区域；驱动器，用于控制所述光源中各发光部发光以实现泛光光束或散斑图案光束；其中，所述驱动器驱动全部发光部发射光束，经所述衍射光学元件复制形成的多个衍射图案光束重叠使得光束覆盖填充部分所述空间区域实现所述泛光光束；或，所述驱动器驱动部分发光部发射光束，经所述衍射光学元件复制后形成散斑图案光束。

在一些实施例中，所述衍射图案光束包括多个子衍射图案光束；所述驱动器驱动全部发光部发射光束，经所述衍射光学元件复制后使得每个衍射图案光束中的一个子衍射图案光束投射到空间区域中的同一区域相互重叠形成所述泛光光束；其中，重叠的子衍射图案光束对应不同的发光部。

在一些实施例中，所述光源包括m*n个发光部，经所述衍射光源元件复制并投射出K*L份发光区域，当所有发光部发出光束时，形成泛光光束的区域面积占总区域面积的比例η为：

在一些实施例中，所述光源包括第一发光部以及与第一发光部相邻的第二发光部，所述第一发光部包括第一发光单元，所述第二发光部包括第二发光单元；其中，所述第一发光单元平移预设位移后在所述第一发光部的位置与所述第二发光单元在所述第二发光部的位置相同。

一种结构光深度相机，其中，包括如上任一项所述的激光投射模组、采集模组以及控制与处理器；当所述激光投射模组向空间区域投射散斑图案光束时，所述采集模组采集被目标反射的所述散斑图案光束，所述控制与处理器根据采集的所述散斑图案光束计算目标的深度信息；当所述激光投射模组向空间区域投射泛光光束时，所述采集模组采集泛光光束生成红外图像。

一种TOF深度相机，其中，包括如上任一项所述的激光投射模组、TOF图像传感器以及控制与处理器；在近距探测模式下，所述激光投射模组向空间区域投射泛光光束；在远距探测模式下，激光投射模组向空间区域投射散斑图案光束；所述TOF图像传感器采集被目标反射的光信号；所述控制与处理器根据采集的光信号计算目标的深度信息。

有益效果：通过设置多个发光部中发光单元的排列方式不同，当全部发光部发射光束，经衍射光学元件复制形成的多个衍射图案光束重叠使得光束覆盖填充部分空间区域实现泛光光束；或，驱动器驱动部分发光部发射光束，经衍射光学元件复制后形成散斑图案光束，不需要现有技术中的激光散斑投射模组和泛光照明模组，从而减小了模组的整体体积。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的深度相机的原理示意图

图2是根据本实用新型一个实施例的激光投射模组的结构示意图。

图3a和图3b是根据本实用新型一个实施例的激光投射模组的投射原理示意图。

图4是本实用新型一个实施例的光源的结构示意图。

图5是本实用新型一个实施例的激光投射模组的投影示意图。

图6是本实用新型又一个实施例的光源的结构示意图

图7是本实用新型中光源中所有发光单元集中在一个发光部时的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了一种结构光深度相机的原理示意图。深度相机包括控制与处理器40以及与其连接的激光散斑投射模组10、采集模组20，激光散斑投射模组10用于向空间区域投射结构光光束，当结构光光束照射到目标上时，将在空间区域上产生结构光图案(散斑图案光束)，采集模组20用于采集目标上的结构光图案形成测量结构光图像。当进行深度计算时，控制与处理器首先将被目标反射的测量结构光图像与参考结构光图像进行匹配计算，这里的匹配计算指的是在测量结构光图像(或参考结构光图像)上以某像素为中心选取一定大小的子区域，比如7x7、11x11像素大小的子区域，然后在参考结构光图像(或测量结构光图像)上搜索与子区域最为相似的子区域，两个子区域在两幅图像上像素坐标之间的差值即为偏离值；其次利用偏离值与深度值之间的对应关系，基于偏离值就可以计算出深度值，多个像素的深度值就构成了深度图像。控制与处理器40可以是配置在深度相机内的深度计算处理器，该处理器可以专用处理器如SOC、FPGA等，也可以是通用处理器。在一些实施例中，也可以利用外部计算设备，如计算机、移动终端、服务器等设备，外部计算设备接收来自采集模组20的结构光图像后实施深度计算，得到的深度图像可直接用于该设备的其他应用。

在一些实施方式中，深度相机中还包括与控制与处理器连接泛光照明模组30，泛光照明模组30用来提供泛光光束。控制与处理器30通过总线等方式控制泛光照明模组30、激光散斑投射模组10以及采集模组20，也可以通过一些数据传输接口进行连接，比如通过MIPI、VGA等接口与采集模组20连接，以接收由采集模组20采集到的图像。

图2示出了本申请提供的一种激光投射模组的结构示意图，激光投射模组包括光源21、准直镜22和衍射光学元件23和驱动器(未图示)。光源21用于发射光束，发射的光束经过准直镜22准直后入射衍射光学元件23，衍射光学元件23，用于接收光束并进行复制形成多个衍射图案光束以投射到空间区域，驱动器用于控制光源发射光束。在一些实施例中，驱动器也可以作为控制与处理器的一部分。其中，光源包括多个发光部，每个发光部包括至少一个发光单元，发光单元在每个发光部中的位置不相同；驱动器控制光源中各发光部发光以实现泛光光束或散斑图案光束。具体的，驱动器驱动全部发光部发射光束，经衍射光学元件复制形成的多个衍射图案光束重叠使得光束覆盖填充部分空间区域实现泛光光束；或，驱动器驱动部分发光部发射光束，经衍射光学元件复制后形成散斑图案光束。

其中，发光部是指将光源21划分得到的部件，发光单元是指发出光束的器件，衍射光学元件23是指将光束复制投射的器件，由于衍射光学元件可以复制投射光束，通过衍射光学元件复制投射光束，可以增加投射光束的数量，复制的倍数可以根据需要设置。单个发光部中所有发光单元并不铺满该发光部，相邻两个发光单元之间存在一定的间距，单个发光部中每个发光单元均形成独立的点光源用于发射斑点光束，使得每个发光部发射出的光束形成一个散斑图案光束。衍射光学元件23用于对每个发光部发射的光束进行复制投射出多个衍射图案光束。

值得说明的是，为了达到泛光光束的目的，这里所说的多个衍射图案光束重叠使得光束覆盖填充空间区域，具体指的是多个衍射图案重叠使得出射光束相互之间邻接或者重叠，形成一个连续的面光束均匀的覆盖住被照明的空间区域，没有出现明显未照明的区域。

下面将结合图3a和图3b来具体说明激光投射模组的投射原理。

图3a示出了常规的衍射光学元件的复制原理，光束经过衍射光学元件衍射后形成多个衍射级(图中仅示出-1、0、1级衍射光束)的出射光束。假设光源31包括三个发光部(A，B，C)，当光源31发射光束时，每个发光部发射出一个子散斑图案光束组成光源31发射的散斑图案光束，则经过衍射光学元件33后复制形成多个衍射图案光束(图3a示出了3个)，每个衍射图案光束中包括三个子衍射图案光束，子衍射图案光束与发光部一一对应(例如，A_-1、A₀以及A₊₁与A对应，B_-1、B₀以及B₊₁与B对应，C_-1、C₀以及C₊₁与C对应)，通常配置相邻衍射图案光束之间彼此拼接或存在一定的间间隙，投射到空间区域形成散斑图案光束。

图3b为本申请实施例中衍射光学元件的复制原理，为了能够实现泛光光束，本申请中配置衍射光学元件复制的相邻衍射级之间的衍射角减小，从而使得相邻级的衍射图案光束部分重叠，即复制的多个子衍射图案光束之间存在重叠，由于每个子衍射图案光束中光束的位置不同，则当重叠的子衍射图案光束数量足够多时，可以使得光束相互之间邻接或者彼此重叠而形成连续的面光束均匀的覆盖空间区域(301,302,303,304,305)以形成泛光光束。

可以理解的是，图3a和图3b所示的投射原理中并未配置准透镜，在实际应用中，根据透镜成像原理，复制出衍射图案光束中的子衍射图案光束的排列方式会与发光部互为镜像。

进一步的，为了更好的实现泛光光束，可以对每个发光部中光源的位置进行设置，图4示出了一种光源的结构示意图，结合图3b所示的实施例。比如将光源31分成三个发光部(A，B，C)，每个发光部中包括多个发光单元，每个发光部中发光单元的位置(这里的位置是指发光单元在所在发光部中的位置)不相同，每个发光部的发光单元空位的位置也不相同，若将多个发光部重叠时，即可以认为将所有发光单元集中在一个发光部中，发光单元依次拼接遍布发光部的各个位置且铺满整个发光部。换言之，如将所有发光部重叠起来，看成一个发光部，则该发光部铺满了发光单元。

当全部发光部发光时形成一个散斑图案光束，经过衍射光学元件复制后形成三个散斑图案光束(如图3b所示，复制3份)，对应的每个散斑图案光束中包括三个子散斑图案光束，由于配置了相邻衍射级之间的夹角减小，使得三个散斑图案光束存在重叠，即将对应不同发光部的子散斑图案完全重叠，比如子散斑图案C₊₁、子散斑图案B_-1和子散斑图案A₀三者重叠，即可形成在空间区域形成泛光光束，如图5的空间区域303为泛光光束。通过配置相邻衍射级之间的夹角减小，使得经衍射光学元件复制后形成的多个衍射图案光束存在重叠，并且每个衍射图案光束中都有一个子衍射图案光束投射到空间区域中的同一个区域，且每个子衍射图案光束对应不同的发光部，在该区域中全部的子衍射图案光束中的光束相互邻接以形成泛光光束。

而若驱动器控制一个发光部发光或者部分发光部发光时，则可以形成散斑图案光束实现散斑图案光束。可以理解的是，虽然部分发光部发光时，也会存在子散斑图案光束重叠，但此时重叠区域的光束之间仍存在间隙，所以还是散斑图案光束模式。

可以理解的是，仅有当每个发光部对应的一个子散斑图案光束都投射到空间区域中的某个区域时，该区域才为泛光光束，其他区域均为散斑图案光束。进一步的，在本方案中，还可以通过调控一个或多个发光部发光来调控投射出的散斑密度，从而实现不同分辨率的深度测量。

可以理解的是，当实现泛光光束时，由于边缘区域叠加的散斑图案数量不够，无法形成均匀的泛光光束，因而在实际应用中，该区域不作为探测视场，仅有泛光光束的区域作为有效探测视场。在一个实施例中，光源包括m*n个发光部，经衍射光源元件复制并投射出K*L份散斑图案光束，当所有发光部发出光束时，形成泛光光束的区域面积占总发光区域的面积的占比η为：

图6示出了本申请有一个光源的结构示意图。光源包括第一发光部以及与第一发光部相邻的第二发光部，第一发光部包括第一发光单元，第二发光部包括第二发光单元；其中，第一发光单元平移预设位移后在第一发光部的位置与第二发光单元在第二发光部的位置相同。

具体地，为了简化发光部中发光单元的排列方式，采用平移发光单元的方式，得到不同的发光部。平移的方向可以是横向移动，也可以是纵向移动。发光部中发光单元的移动方式，可以采用相同的平移方向，也可以采用不同的平移方向。为了进一步简化发光部中发光单元的排列方式，发光部中发光单元的移动方式采用相同的平移方向。采用如下的矩阵表示光源中所有发光单元的位置：

具体地，如图6所示，光源包括9个发光部，分别为a、b、c、d、e、f、g、h、i，每个发光部包括2个发光单元。发光部a中2个发光单元分别位于a₁₁和a₂₄。经过向横向移动，下标11变成下标12，下标24变成下标25，形成发光部d中2个发光单元，分别位于d₁₂和d₂₅。继续横向移动，下标12变成下标13，下标25变成下标26，形成发光部g中2个发光单元，分别位于g₁₃和g₂₆。发光部a中2个发光单元分别位于a₁₁和a₂₄。经过向纵向移动，下标11变成下标31，下标24变成下标14，形成发光部b中2个发光单元，分别位于b₃₁和b₁₄。继续纵向移动，下标31变成下标21，下标14变成下标34，形成发光部c中2个发光单元，分别位于c₂₁和c₃₄。发光部b中2个发光单元分别位于b₃₁和b₁₄，经过两次横向移动可以得到e₃₂、e₁₅、h₃₃以及h₁₆，发光部c中2个发光单元分别位于c₂₁和c₃₄，经过两次横向移动可以得到f₂₂、f₃₅、i₂₃以及i₃₆。

如图7所示，将9个发光部中所有发光单元(即18个发光单元，各自的位置分别为a₁₁、a₂₄、d₁₂、d₂₅、g₁₃、g₂₆、b₃₁、b₁₄、e₃₂、e₁₅、h₃₃、h₁₆、c₂₁、c₃₄、f₂₂、f₃₅、i₂₃以及i₃₆)放在同一个发光部时，按照下标来排列，得到a₁₁、d₁₂、g₁₃、b₁₄、e₁₅、h₁₆、c₂₁、f₂₂、i₂₃、a₂₄、d₂₅、g₂₆、b₃₁、e₃₂、h₃₃、c₃₄、f₃₅以及i₃₆，可以看出，这些下标覆盖了单个发光部中所有的发光单元的下标，因此，这些发光单元可以铺满一个发光部，也是刚好可以铺满一个发光部。

在本实用新型的一个较佳实施例中，预设位移小于发光单元发出光斑的直径。具体地，为了使发光单元更好地形成泛光，发光单元的移动距离小于发光单元发出的光斑的直径，如将光源21中所有发光单元放在一个发光部中时，发光单元发出的光斑与发光单元发出的光斑之间是相交的，发光单元发出的光斑与相邻发光单元发出的光斑之间的间隙较小，可以更好的铺满一个发光部，形成的泛光的均匀性更好。

在本实用新型的一个较佳实施例中，光源21包括：激光器、LED中的至少一种。具体地，光源1可以采用激光器或LED等光学有源器件，光源1发出的光可以是红外波段的光，还可以是其它波段的光。优选地，光源1为集成到一个芯片上的垂直腔面发射激光器阵列。衍射光学元件2包括衍射分束器、相位调制器、振幅调制器中的至少一种。具体地，衍射光学元件2可以采用衍射分束器，如衍射光学元件DOE等。当然还可以采用相位调制器或振幅调制器，实现光线的分束。

激光投射模组还包括：壳体24，壳体24包括底壁和侧壁，侧壁设置于底壁；其中，光源21设置于底壁；衍射光学元件23和准直镜22设置于侧壁。具体地，壳体24具有开口，四个侧壁形成该开口，衍射光学元件23设置在开口处，准直镜22设置在壳体24内。

本实用新型还提供了一种结构光深度相机，包括上述任一实施例中所述的激光投射模组、采集模组以及控制与处理器，激光投射模组投射散斑图案光束时，采集模组采集光信号用于进行深度计算，当激光投射模组进行泛光光束时，采集模组采集光信号用于生成红外图像。具体计算过程如图1所述，在此不再重复赘述。

本实用新型还提供一种TOF深度相机，包括上述任一实施例中所述的激光投射模组、TOF图像传感器以及控制与处理器，在近距探测模式下，激光投射模组向空间区域投射泛光光束，在远距探测模式下，激光投射模组向空间区域投射散斑图案光束，TOF图像传感器采集被目标反射的光信号，控制与处理器根据采集的光信号计算目标的深度信息。

具体的，TOF图像传感器包括至少一个像素，与传统的仅用于拍照的图像传感器相比，TOF图像传感器的每个像素包含两个及以上的抽头(tap，用于在相应电极的控制下存储并读取或者排出由入射光子产生的电荷信号)，在单个帧周期(或单次曝光时间内)内以一定的次序依次切换抽头以采集相应的光子，以接收光信号并转换成电信号。控制与处理器接收电信号进行处理并计算出光束从发射到反射回被接收的相位差，基于相位差计算出光束从发射到反射回被接收所需要的时间来计算目标的深度信息。

本实用新型提供的摄像模组，因设置有上述任一技术方案中所述的激光投射模组，从而具有以上全部有益效果，在此不再赘述。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光投射模组，其特征在于，包括：

光源，用于发射光束；所述光源包括多个发光部，每个所述发光部包括至少一个发光单元，所述发光单元在每个所述发光部中的位置不相同；

衍射光学元件，用于接收所述光束并进行复制形成多个衍射图案光束以投射到空间区域；

驱动器，用于控制所述光源中各发光部发光以投射泛光光束或散斑图案光束；

其中，所述驱动器驱动全部发光部发射光束，经所述衍射光学元件复制形成的多个所述衍射图案光束重叠使得光束覆盖填充部分所述空间区域实现所述泛光光束；

或，所述驱动器驱动部分发光部发射光束，经所述衍射光学元件复制后形成散斑图案光束。

2.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述衍射图案光束包括多个子衍射图案光束；所述驱动器驱动全部发光部发射光束，经所述衍射光学元件复制后使得每个衍射图案光束中的一个子衍射图案光束投射到空间区域中的同一区域相互重叠形成所述泛光光束；其中，重叠的子衍射图案光束对应不同的发光部。

3.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述光源包括m*n个发光部，经所述衍射光学元件复制并投射出K*L个衍射图案光束，当全部发光部发光时，形成泛光光束的区域面积占所述多个衍射图案光束的总区域面积的比例η为：

4.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述光源包括第一发光部以及与第一发光部相邻的第二发光部，所述第一发光部包括第一发光单元，所述第二发光部包括第二发光单元；

其中，所述第一发光单元平移预设位移后在所述第一发光部的位置与所述第二发光单元在所述第二发光部的位置相同。

5.根据权利要求4所述的激光投射模组，其特征在于，所述预设位移不大于所述发光单元发出光斑的直径。

6.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述光源与所述衍射光学元件之间设置有准直镜，所述准直镜用于准直所述光束。

7.根据权利要求6所述的激光投射模组，其特征在于，所述激光投射模组还包括：

壳体，包括：底壁和侧壁，所述侧壁设置于所述底壁；

其中，所述光源设置于所述底壁；

所述衍射光学元件和所述准直镜设置于所述侧壁。

8.根据权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述发光单元为垂直腔面发射激光器。

9.一种结构光深度相机，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的激光投射模组、采集模组以及控制与处理器；

当所述激光投射模组向空间区域投射散斑图案光束时，所述采集模组采集被目标反射的所述散斑图案光束，所述控制与处理器根据采集的所述散斑图案光束计算目标的深度信息；

当所述激光投射模组向空间区域投射泛光光束时，所述采集模组采集泛光光束生成红外图像。

10.一种TOF深度相机，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的激光投射模组、TOF图像传感器以及控制与处理器；

在近距探测模式下，所述激光投射模组向空间区域投射泛光光束；

在远距探测模式下，激光投射模组向空间区域投射散斑图案光束；

所述TOF图像传感器采集被目标反射的光信号；

所述控制与处理器根据采集的光信号计算目标的深度信息。