TWI756546B - 結構光發射模組及應用其的深度感測設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種結構光發射模組，包括：光源組，包括至少兩個可獨立控制開關的光源，每個光源用於發出相干光作為光源光；以及繞射光學組件，包括至少兩個繞射單元，每個光源發出的光源光分別入射至一個繞射單元，每個繞射單元出射的繞射光在投影區域內分別形成複數不相重疊的投影圖形，任意單一繞射單元對應的投影圖形、或者任意兩個或兩個以上繞射單元對應的投影圖形的組合，構成一幀投影圖像。本發明還提供了包括上述結構光發射模組的深度感測設備。

Description

結構光發射模組及應用其的深度感測設備
本發明涉及一種結構光發射模組及應用其的深度感測設備。
習知技術中用於投射具有特定圖案的光束的結構光發射模組包括光源和多片繞射光學組件(Diffractive optical element，DOE)，其中光源多為垂直腔面發射雷射器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，多片繞射光學組件通常層疊設置，由於入射繞射光學組件的光波對投影圖形的影響較大，故層疊設置的多片繞射光學組件在使用時必須使用對位技術對準多片繞射光學組件，組裝的困難度較高。藉由設計垂直腔面發射雷射器的發光模式配合使用層疊設置的多片繞射光學組件可控制投影圖形(例如，散斑)的分佈密度，但無法控制投影區域的範圍(或投影區域能改變的範圍極小)，且光源受限於使用垂直腔面發射雷射器。習知技術中結構光發射模組或使用多片繞射光學組件進行組裝拼接，需要將多片繞射光學組件進行多道裁切和組裝對位。機械加工導致的機構公差可達微米等級，故繞射光學組件的入射光波形與設計值存在較大差異，投影的成像品質受到影響。
一般來說，因投影圖形為固定圖案，投影圖像的橫向分辨率、幀數與照明範圍皆為定值，無法依照使用需求調整。以WO2017176901A1為例，該案提出的動態調整投影圖形的方法包含一非單光光源，發出含有多波長之光線，入射一繞射組件組，其繞射組件組包含兩個以上繞射組件，可輪流切換使得上述之光線繞射至指定投影範圍內。另一種動態調整投影圖形的裝置，以US20160178915A1為例，該案提出的裝置中包含一半導體基板，一陣列式光幅射裝置，置於前述之基板上，一投影鏡頭，一繞射光學組件，投影鏡頭用以將陣列式光幅射裝置發出的光束聚焦至繞射光學組件，繞射光學組件用以將入射 光束分為多道出射光並投影至一投影範圍中，其中光學陣列的發光點被分為兩區域，利用控制組件控制其光輸出，能調控投影範圍中的光點數目。上述兩個專利所提及的動態調整投影圖形的裝置無法滿足同時調控投影範圍中的光點數目以及投影範圍的需求。
本發明提供了一種結構光發射模組，包括：光源組，包括至少兩個可獨立控制開關的光源，每個光源用於發出相干光作為光源光；以及繞射光學組件，包括至少兩個繞射單元，每個光源發出的光源光分別入射至一個繞射單元，每個繞射單元出射的繞射光在投影區域內分別形成複數不相重疊的投影圖形，任意單一繞射單元對應的投影圖形、或者任意兩個或兩個以上繞射單元對應的投影圖形的組合，構成一幀投影圖像。
本發明第二方面提供一種深度感測設備，包括：上述結構光發射模組；光偵測器，用於採集所述投影區域的投影圖像；以及處理器，用於對所述光偵測器採集的投影圖像進行特徵比對，計算得到投影區域的深度信息；以及控制器，根據所述處理器產生的反饋信號，控制所述光源組中各個光源的驅動電流。
本發明提供的結構光發射模組能夠同時控制投影圖形的分佈密度及投影區域的範圍，無需對多片繞射光學組件進行組裝對位，對光源的選用不局限於垂直腔面發射雷射器，有利於減少繞射光學組件實際入射光波形與設計值的差異，保證較好的投影成像品質，有利於實現高分辨率與高取樣率的深度視覺應用。本發明提供的深度感測設備可應用於三維人臉辨識、機器視覺應用、姿體動作辨識等領域。
10:深度感測設備
10A:結構光發射模組
11:光源組
11a:光源
12:繞射光學組件
12a:繞射單元
13:光偵測器
14:處理器
15:控制器
16、16a、16b、16c:投影區域
17:投影圖形
18、18a、18b、18c:投影圖像
19:非投影區域
圖1為本發明第一實施例提供的深度感測設備的工作原理示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的繞射光學組件的三個繞射單元對應的結構示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的繞射光學組件的三個繞射單元分別在投影區域上投射的投影圖像。
圖4A和圖4B分別為本發明第一實施例提供的深度感測設備在較低分辨率狀態下的投影區域示意圖及光偵測器採集的投影圖像。
圖5A和圖5B分別為本發明第一實施例提供的深度感測設備在較高分辨率狀態下的投影區域示意圖及光偵測器採集的投影圖像。
圖6為本發明第二實施例提供的深度感測設備的工作原理示意圖。
圖7為本發明第二實施例提供的繞射光學組件的三個繞射單元對應的結構示意圖。
圖8為本發明第二實施例提供的深度感測設備在高幀數應用時的投影區域示意圖。
圖9為本發明第二實施例提供的深度感測設備在寬視野應用時的投影區域示意圖。
實施例一
如圖1所示，本發明第一實施例提供的深度感測設備10，其包括結構光發射模組10A、光偵測器13、處理器14及控制器15。其中，結構光發射模組10A包括光源組11和繞射光學組件12，光源組11包括至少兩個可獨立控制開關的光源11a，每個光源11a用於發出相干光作為光源光；繞射光學組件12包括至少兩個繞射單元12a，每個光源11a發出的光源光分別入射至一個繞射單元12a，每個繞射單元12a出射的繞射光在投影區域16內分別形成複數不相重疊的投影圖形17，任意單一繞射單元12a對應的投影圖形17、或者任意兩個或兩個以上繞射單元12a對應的投影圖形17的組合，構成一幀投影圖像18。圖1所示的實施例中，為所有繞射單元12a對應的所有投影圖形17組合成一幀投影圖像18的示例，在其他實施例中，亦可以僅僅是單一繞射單元12a對應的投影圖形17、或者任意兩個或兩個以上繞射單元12a對應的投影圖形17的組合構成一幀投影圖像18。光偵測器13用於採集投影區域16的投影圖像18。處理器14用於對光偵測器採集的投影 圖像18進行特徵比對，計算得到投影區域16的深度信息。控制器15根據處理器14的反饋信號，控制光源組11中各個光源11a的驅動電流，以藉由增減光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數目，控制投影圖形17的分佈密度或投影區域16的範圍。
本實施例中，所有繞射單元12a出射的繞射光投射在同一投影區域16內，而且由各繞射單元12a出射的繞射光形成的投影圖形17互不重疊。
本實施例中，光源組11為雷射器組，包含複數雷射器作為光源11a，發出雷射作為光源光。光源組11中的每個光源11a可獨立控制開關。本實施例中使用的雷射器為紅外雷射器，例如為垂直腔面發射雷射器或邊發射雷射器(EEL)。可以理解，本實施例提供的結構光發射模組10A適用於具有不同光束、不同形狀、不同尺寸的光源11a。本實施例中結構光發射模組10A還包括對光源組11發出的光源光進行準直整形的準直透鏡(圖未示)，使得光源光以準直光(平面波)的形式入射至繞射光學組件12。
請一併參閱圖1和圖2，為方便說明，圖1中僅示出繞射光學組件12的三個繞射單元12a，其具體的數量可根據實際情況進行設計，本發明對此不做限制。不同的繞射單元12a具有不同的繞射微結構，用以在對應的投影區域內得到不同的投影圖形17的分佈，如圖2中繞射光學組件12的三個繞射單元12a可分別對應具有不同繞射微結構的結構A、結構B、結構C，該三個繞射單元12a出射的繞射光在同一投影區域16上投射的投影圖形17具有不同的分佈情況，以使投影區域16上的投影圖形17的分佈不相重疊，繞射光學組件12的繞射微結構具體可根據實際情況進行設計，本發明對此不作限制。本實施例中繞射光學組件12可藉由半導體微影曝光制程制得。請一併參閱圖1和圖3，投影圖像18a、投影圖像18b、投影圖像18c分別為繞射光學組件12的三個繞射單元12a出射的繞射光在同一投影區域16上能夠形成的投影圖像，當控制器15同時控制光源組11中的至少兩個光源11a發出光源光至對應的繞射單元12a時，該同一投影區域16上可得到如圖1所示的重疊後的投影圖像18。
本實施例中結構光發射模組10A僅使用單一的繞射光學組件12，無需像習知技術那樣對多片繞射光學組件進行組裝對位，簡化了工藝流程。本實施例中繞射光學組件12可藉由半導體微影曝光制程制得，由於半導體微影曝光制程的對位誤差(約為10nm至100nm)遠小於機械加工導致的機構公差，故相 比於習知技術中組裝對位的多片繞射光學組件，本發明提供的結構光發射模組10A有利於減少實際入射光波形與設計值的差異，保證較佳的投影成像品質。
請再參閱圖1，投影圖形17相互間隔且隨機分佈。本實施例中，投影圖形17為相互間隔且隨機分佈的點狀圖案。在其它實施例中，投影圖形17還可為線性圖案。可以理解，投影圖形17的具體圖案可根據實際情況進行設計，本發明對此不做限制。光源11a發出的光源光具有特定的已知編碼圖案，當在投影區域16內的物體(圖未示)的表面投射高密度的投影圖形17時，由於物體表面各點通常不處於同一平面上，故光偵測器13採集到的物體表面的編碼圖案相比已知編碼圖案存在一定的偏差量，處理器14對光偵測器13採集的投影圖像18進行特徵比對，分析投影圖像18相較於已知編碼圖案的形變與位移，計算得到投影區域16內物體的深度信息，從而還原出處於投影區域16的物體的三維影像。在物體表面投射投影圖形17有利於縮小處理器14比對特徵時所使用的獨特性視窗(uniqueness window)，其中獨特性視窗是指算法比對已知編碼圖案並分析偏差量的最小範圍，獨特性視窗越小，橫向分辨率越高，有利於改善投影圖像18中的破圖現象(speckle)。
藉由增減光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數量，可控制投影圖形17的分佈密度。請一併參閱圖1、圖4A和圖4B，若減少光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數量(如，繞射光學組件12只有一個光源11a發出光源光至對應的繞射單元12a)，則可投影出較低分佈密度的投影圖形17，藉由特定的算法(如，binning、max pooling)，可降低光偵測器13採集的投影圖像18的分辨率，從而可加速光偵測器13對投影圖像18的採集及處理器14對投影圖像18的特徵比對，進而實現高幀數應用。請參閱圖5A和圖5B，若增加光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數量(如，繞射光學組件12有三個光源11a發出光源光至對應的繞射單元12a)，則可投影出較高分佈密度的投影圖形17，有利於縮小處理器14對投影圖像18進行特徵比對所使用的獨特性視窗，進而實現高橫向分辨率應用，改善投影圖像18的破圖現象。是故，根據所需的投影圖像18的投影圖形17的分佈密度，調整光源光照射在繞射光學組件12的繞射單元12a的數量，可實現高分辨率或高幀數的應用。
實施例二
請一併參閱圖6和圖7，本發明實施例二提供的深度感測設備10與實施例一的主要區別在於：繞射單元12a出射的繞射光分別投射在不同的投影區域16，不同投影區域16a、16b和16c彼此鄰接，每個繞射單元12a出射的繞射光在對應的投影區域內(如，圖6中的投影區域16a、投影區域16b和投影區域16c)分別投射複數不同重疊的投影圖形17。投影圖像18可由所有投影區域16的投影圖形17組合形成，亦可由任意相鄰的兩個投影區域16的投影圖形17組合構成，還可由任意一個投影區域16的投影圖形17構成。圖6是由所有投影區域16的投影圖形17組合形成投影圖像18的示例。
本實施例中，藉由增減光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數量，可控制投影區域16的範圍。如圖8所示，減少光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數量(如，只有一個光源11a發出光源光至對應的繞射單元12a)，則投影區域16的範圍較小，藉由特定的算法可將光偵測器13採集到的投影圖像18中的非投影區域19去除，從而降低光偵測器13採集的投影圖像18的分辨率，有利於加速光偵測器13對投影圖像18的採集及處理器14對投影圖像18的特徵比對，實現高幀數應用。如圖9所示，增加光源光入射繞射光學組件12的繞射單元12a的數量(如，有三個光源11a發出光源光至對應的繞射單元12a)，則投影區域16的範圍增大，有利於獲取全視野的投影圖像18。是故，根據投影圖像18所需的投影區域16的範圍，調整光源光照射在繞射光學組件12的繞射單元12a的數量，可實現高幀數或寬視野的應用。
習知技術中常使用單一光源搭配雙片繞射光學組件對光源光進行大視角繞射，繞射光光在投影區域的中心部分和周邊部分的經過的光路的長度不同，在投影區域的周邊部分繞射光的光路較長，光斑呈現出較寬的投影。當投影區域為矩形時，處於投影區域的四個角的光路最長，因而視覺上投影區域的四個角呈現伸長的枕狀變形像差。本實施例中，投影圖像18可藉由複數較小範圍的投影區域16的組合採集得到，減小了繞射光的繞射視角，繞射光學組件12上的每一繞射單元12a對應的投影區域16的中心部分和周邊部分的光斑的光路長度的差值相比上述習知技術較小，因而本實施例的結構光發射模組10A有利於改善枕狀變形像差的現象。
相比於習知技術，本發明提供的結構光發射模組10A能夠同時控制投影圖形17的分佈密度及投影區域16的範圍，無需對多片繞射光學組件12進行 組裝對位，對光源11a的選用不局限於垂直腔面發射雷射器，有利於減少繞射光學組件12實際入射光波形與設計值的差異，保證較好的投影成像品質。
本發明提供的結構光發射模組10A藉由被動式繞射光學組件12搭配主動式光源11a來達成對投影區域16的範圍、投影圖形17的分佈密度與橫向分辨率的調控，有利於實現高分辨率與高取樣率的深度視覺應用，可應用於三維人臉辨識、機器視覺應用、姿體動作辨識等領域。
10:深度感測設備
10A:結構光發射模組
11:光源組
11a:光源
12:繞射光學組件
12a:繞射單元
13:光偵測器
14:處理器
15:控制器
16:投影區域
17:投影圖形
18:投影圖像

Claims (9)

  1. 一種結構光發射模組，其改良在於，包括：光源組，包括至少兩個可獨立控制開關的光源，每個光源用於發出相干光作為光源光；以及繞射光學組件，包括至少兩個繞射單元，每個光源發出的光源光分別入射至一個繞射單元，每個繞射單元出射的繞射光在投影區域內分別形成複數不相重疊的投影圖形，任意單一繞射單元對應的投影圖形、或者任意兩個或兩個以上繞射單元對應的投影圖形的組合，構成一幀投影圖像；其中，所述結構光發射模組被配置為藉由增減該光源光入射該繞射光學組件的繞射單元的數量，控制投影圖形的投影區域的範圍。
  2. 如請求項1所述的結構光發射模組，其中，所有所述繞射單元出射的繞射光投射在同一投影區域內。
  3. 如請求項1所述的結構光發射模組，其中，所述繞射單元出射的繞射光分別投射在不同的投影區域，所述不同投影區域彼此鄰接。
  4. 如請求項2或3所述的結構光發射模組，其中，不同的繞射單元具有不同的繞射微結構，用以在對應的投影區域內得到不同的投影圖形的分佈。
  5. 如請求項3所述的結構光發射模組，其中，所述投影圖像由所有投影區域的投影圖形組合形成；或者由任意相鄰的兩個投影區域的投影圖形組合形成；或者由任意一個投影區域的投影圖形構成。
  6. 如請求項1所述的結構光發射模組，其中，所述投影圖形相互間隔且隨機分佈。
  7. 如請求項1所述的結構光發射模組，其中，所述光源為紅外雷射器。
  8. 如請求項1所述的結構光發射模組，其中，所述結構光發射模組還包括對所述光源組發出的光源光進行準直整形的準直透鏡。
  9. 一種深度感測設備，其改良在於，包括：如請求項1-8任意一項所述的結構光發射模組；光偵測器，用於採集所述投影區域的投影圖像；以及 處理器，用於對所述光偵測器採集的投影圖像進行特徵比對，計算得到投影區域的深度信息；以及控制器，根據所述處理器產生的反饋信號，控制所述光源組中各個光源的驅動電流。
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