面陣投影裝置及深度相機的製作方法

2023-11-06 09:04:48 1

本發明涉及光學領域，特別是涉及一種面陣投影裝置及深度相機。

背景技術：

雷射投影已被應用於多種場合。例如，使用雷射投影產生具有圖案的結構光並將其投射在物體上，獲取在物體上投影的圖案並據此獲取物體的深度信息。

現有技術中，由紅外投影儀、紅外相機以及處理器可以組成深度相機。其中，紅外投影儀一般由光源、透鏡以及衍射光學元件組成，並被用來向目標空間投射一定圖案的紅外圖像，且現有技術中的光源一般是單個雷射光源，其體積較大，不易於集成到更小的投影儀中。

技術實現要素：

本發明提供一種面陣投影裝置及深度相機，通過合理設置面陣光源的排列及衍射光學元件的擴束圖案，能夠實現以更小體積的光源發射相同功率且擁有更高均勻性的光學圖案。

本發明採用的一個技術方案是：一種面陣投影裝置，包括：面陣光源，包括多個發光元件，用於發射雷射；衍射光學元件，用於對所述面陣光源發射的雷射進行擴束而轉換為圖案化的雷射；多個發光元件的排布為第一光學圖案，單束光經過所述衍射光學元件擴束後形成的圖案為第二光學圖案，所述圖案化的雷射的圖案為所述第一光學圖案和所述第二光學圖案複合形成的複合光學圖案，所述第一光學圖案、所述第二光學圖案和所述複合光學圖案中包括多個光束；其中所述複合光學圖案中的光束排列具有局部不相關性，且均勻性指標小於預設閾值。

其中，所述局部不相關性是指所述複合光學圖案中任意一個指定大小的子區中的圖案與指定方向上的其他任意一個同樣大小的子區中的圖案均不相同。

其中，所述均勻性指標為將所述複合光學圖案劃分為若干個大小相同的子區域之後，所有所述子區域中的光束數量的方差或者標準差。

其中，所述第一光學圖案的長寬分別為所述第二光學圖案中相鄰光束的平均橫縱間距的整數倍，且倍數大於1。

其中，將所述第一光學圖案平均劃分為多個大小相同的格子，所有格子中的圖案疊加而得到的第三光學圖案為偏移量小於第一閾值的不規則圖案，其中所述偏移量是指所有相鄰光束之間的橫縱間距的標準差。

其中，所述第二光學圖案為偏移量小於第二閾值的不規則圖案，其中所述偏移量是指所有相鄰光束之間的橫縱間距的標準差。

其中，所述複合光學圖案中光束數量大於所述第一、第二光學圖案中光束數量乘積的90％。

其中，所述面陣投影裝置還包括透鏡，所述透鏡設置於所述面陣光源與所述衍射光學元件之間，用於準直和/或聚焦所述面陣光源中各個發光元件發出的光束。所述透鏡為微透鏡陣列，所述微透鏡陣列中的微透鏡與所述發光元件之間一對一對應或一對多對應。

其中，所述的發光元件為垂直腔面發射雷射器。

為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是：提供一種深度相機，包括如上述所述的面陣投影裝置，所述面陣投影裝置用於向目標空間投射圖案化的雷射；圖像採集單元，用於採集由所述面陣投影裝置向目標空間中投射的所述圖案化的雷射形成的光學圖案；處理器，用於對所述光學圖案進行處理以得到目標空間的深度圖像。

本發明的有益效果是：提供一種面陣投影裝置及深度相機，通過合理設置面陣光源的排列及衍射光學元件的擴束圖案，可以實現以更小體積的光源達到更好的光學投影效果，且能夠在較小設備中的集成，提高設備的輕薄化。

附圖說明

圖1是本發明面陣投影裝置一實施方式的結構示意圖；

圖2是本發明多個發光元件一實施方式的光學圖案示意圖；

圖3是本發明單個發光元件經光學衍射元件後一實施方式的光學圖案示意圖；

圖4是本發明第一光學圖案與第三光學圖案對比示意圖；

圖5是本發明面陣光源經光學衍射元件後一實施方式的光學圖案示意圖；

圖6是本發明深度相機一實施方式的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參閱圖1，圖1是本發明面陣投影裝置一實施方式的結構示意圖。如圖1所示，該面陣投影裝置10包：包括面陣光源12、衍射光學元件14以及透鏡16。

其中，面陣光源12進一步包括多個發光元件122，且多個發光元件122均設置於基板18上，在具體實施例中，發光元件122可以為垂直腔面發射雷射器，用於發射雷射。可選地，在其它實施例中，發光元件122還可以為邊緣發射雷射二極體、紅外雷射或者其他類型的雷射器，本發明不作具體限定。

具體地，該垂直腔面發射雷射器122是一種半導體，其雷射垂直於頂面射出，與一般用切開的獨立晶片製成，雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同，且相比於其他雷射器而言，具有體積小、光源發散角小等特點。

進一步地，衍射光學元件14(Diffractive Optical Elements，DOE)，又稱二元光學器件，主要用於雷射束整形，比如均勻化、準直、聚焦、形成特定圖案等，根據不同的應用需求，衍射光學元件14可以作為全息片或菲涅耳波帶片。在具體實施例中，該衍射光學元件14用於面陣光源12發射的雷射進行擴束而轉換為圖案化的雷射，也可以採用液晶光閥取代衍射光學元件14來將面陣光源12發射的雷射進行擴束而轉換為圖案化的雷射。

進一步地，該面陣投影裝置10還包括透鏡16，透鏡16用於準直或聚焦面陣光源12各個發光元件122的光束。圖中所示的透鏡16為微透鏡陣列。其中，微透鏡陣列是由通光孔徑及浮雕深度為微米級的透鏡組成的陣列，它不僅具有傳統透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且具有單元尺寸小、集成度高的特點，使得它能夠完成傳統光學元件無法完成的功能，並能構成許多新型的光學系統。可選地，在其它實施例中，透鏡16也可以為菲涅爾透鏡或者光學透鏡，且透鏡16與發光元件122之間可以一對一對應或一對多對應。

可選地，在其它實施例中，可以不包括透鏡16，由面陣光源12各個發光元件122的光束直接經過衍射光學元件14進行擴束而轉換為圖案化的雷射。

更近一步地，透鏡16與衍射光學元件14可以設置為同一元件，即將透鏡16的準直或聚焦功能以及衍射光學元件14的擴束功能集成在一個元件上，具體地，在該元件的一面具有準直或聚焦功能，另一面具有擴束功能。此種設計方式，有利於裝置的輕薄化設計，提高空間利用率。

請參閱圖2至圖5，圖2是本發明多個發光元件一實施方式的光學圖案示意圖，圖3是本發明單個發光元件經光學衍射元件後一實施方式的光學圖案示意圖，圖4是本發明第一光學圖案與第三光學圖案對比示意圖；圖5是本發明面陣光源經光學衍射元件後一實施方式的光學圖案示意圖。具體描述如下：

如圖2所示，該發光元件122的排布為第一光學圖案20，其中，第一光學圖案20中每個黑色斑點代表一個發光元件122。

如圖3，單束光經過衍射光學元件14擴束後形成的圖案為第二光學圖案40，圖中每個黑色斑點代表的是一個光束，其中斑點的個數僅為示意。在具體實施例中，因衍射光學元件14的擴束功能，隨著目標空間的距離增加，第二光學圖案40所能到達的空間也越來越大。從圖中可以看出，第二光學圖案40為不規則圖案，其中斑點的排列不規則，即相互之間的距離不相等，但斑點總體上的排列仍相對均勻，斑點相互之間的橫、縱向距離相差不大。具體而言，第二光學圖案40的偏移量小於第二閾值，其中偏移量是指所有相鄰光束之間的橫縱間距的標準差，且第二閾值與相鄰光束之間的平均橫縱間距的比值在0.1～1.5之間。需要注意的是，偏移量包括所有相鄰光束之間的橫向間距的標準差sl，以及所有相鄰光束之間的縱向間距的標準差sw，對應的，第二閾值包括橫向第二閾值tl及縱向第二閾值tw，偏移量小於第二閾值是指sl<tl，且sw<tw。計算第二閾值與相鄰光束之間的平均橫縱間距(l，w)的比值時，也應當將tl除以l，tw除以w，且兩者均小於1.5。

第一光學圖案20的長寬(L，W)分別為第二光學圖案40中相鄰光束的平均橫縱間距(l，w)的整數倍，且倍數大於1，即滿足L＝n×l，W＝m×w，其中m和n為大於1的整數。

進一步地，如圖4所示，將第一光學圖案20平均劃分為多個大小相同的格子，每個格子的大小為(l，w)，所有格子中的圖案疊加而得到的第三光學圖案30。第三光學圖案30為偏移量小於第一閾值的不規則圖案，且第一閾值與相鄰光束之間的平均橫縱間距的比值在0.1～1.5之間，且其偏移量是指所有相鄰光束之間的橫縱間距的標準差。需要注意的是，偏移量包括所有相鄰光束之間的橫向間距的標準差sL，以及所有相鄰光束之間的縱向間距的標準差sW，對應的，第一閾值包括橫向第一閾值tL及縱向第二閾值tW，偏移量小於第一閾值是指sL<tL，且sW<tW。計算第一閾值與相鄰光束之間的平均橫縱間距(l，w)的比值時，也應當將tL除以l，tW除以w，且兩者均小於1.5。

如圖5，圖案化的雷射的圖案50為第一光學圖案20和第二光學圖案40複合形成的複合光學圖案，其中，第一光學圖案20、第二光學圖案40和複合光學圖案50中均包括多個光束，且該複合光學圖案40中光束數量大於第一光學圖案20、第二光學圖案40中光束數量乘積的90％。其中，複合光學圖案50中的光束排列具有局部不相關性，且均勻性指標小於預設閾值。

理論上，複合光學圖案50上斑點的數量應該為第一光學圖案20和第二光學圖案40斑點數量的乘積，但在實際操作中難免會出現一些斑點的重疊，過多的斑點重疊會影響到複合光學圖案50的唯一性與均勻性。故在本實施例中，要求該複合光學圖案50中光束數量大於第一光學圖案20、第二光學圖案40中光束數量乘積的90％。

進一步地，該局部不相關性是指複合光學圖案50中任意一個指定大小的子區中的圖案與指定方向上的其他任意一個同樣大小的子區中的圖案均不相同。均勻性指標為將複合光學圖案50劃分為若干個大小相同的子區域之後，所有子區域中的光束數量的方差或者標準差。

上述實施方式中，通過合理設置面陣光源的排列及衍射光學元件的擴束光學圖案，可以實現以更小體積的光源達到更好的光學投影效果，且能夠在較小設備中的集成，提高設備的輕薄化。一般來說，面陣投影裝置應用於深度相機，其子區的大小可以與匹配算法中使用的子區大小一致，其指定的方向也可以與匹配算法中需要計算的方向一致。

請參閱圖6，圖6是本發明深度相機一實施方式的結構示意圖。

如圖所示，該深度相機60包括：面陣投影裝置10、圖像採集單元62以及處理器64。

其中，該面陣投影裝置10用於向目標空間投射光學圖案，其具體實施方式參照上文描述，此處不再贅述。

其中，圖像採集單元62，用於採集由面陣投影裝置10向目標空間中投射的光學圖案。為提高成像質量，圖像採集單元62中可包括僅允許面陣投影裝置10出射雷射波段的光線通過的濾光片，例如，面陣投影裝置10產生的雷射為紅外雷射，圖像採集單元62包括紅外濾光片。

進一步地，處理器64用於對光學圖案進行處理以得到目標空間的深度圖像。其中，對光學圖案的處理指的是利用圖像匹配算法計算出該光學圖案與參考光學圖案的各個像素的偏移量，根據偏移量進一步計算出深度圖像。

在具體實施例中，圖像匹配算法具體指逐個選取光學圖案中的子區，然後在將該子區與參考光學圖案的一定區域內各個子區進行匹配計算，當匹配度達到規定閾值時認為兩個子區為同一子區，兩個子區中心像素的差值即為需要計算的偏移量。

需要說明的是，匹配算法要求光學圖案中各個子區都具有唯一性，即將光學圖案中任一子區與其他子區進行匹配計算時，匹配度均小於閾值。具體來說，若需要在橫/縱向或者任意的方向上進行匹配計算，則要求光學圖案子區在該方向上具有唯一性。

一般來說，面陣投影裝置應用於深度相機，子區的大小與匹配算法中使用的子區大小一致，指定的方向也與匹配算法中需要計算的方向一致。也即是說，在圖6中，所示面陣投影裝置10所透射出的光學圖案與所示圖像採集單元62所採集到的光學圖案相互平行。

綜上所述，本領域技術人員容易理解，本發明提供一種面陣投影裝置及深度相機，通過合理設置面陣光源的排列及衍射光學元件的擴束圖案，可以實現以更小體積的光源達到更好的光學投影效果，且能夠在較小設備中的集成，提高設備的輕薄化。

以上所述僅為本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。