结构光发生器及深度数据测量头和测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种结构光发生器及深度数据测量头和测量装置。该结构光发生器包括：发光元件，包括一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，所述阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光组成所述阵列发出的图案光；布置在所述图案光的出射光路上的准直元件，用于准直所述图案光中的每一个光束；以及布置在经准直光路上的衍射光学元件(DOE)，用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。本发明专利技术的结构光发生器通过VCSEL阵列与单个准直元件的恰当配合，实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以由DOE直接进行复制和投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光，例如，离散光斑。离散光斑。离散光斑。

【技术实现步骤摘要】
结构光发生器及深度数据测量头和测量装置


[0001]本专利技术涉及激光发射装置，尤其涉及一种结构光发生器以及使用该结构光发生器的深度数据测量头和测量装置。

技术介绍

[0002]传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息(亦称景深信息)，但实际上物体表面的空间深度信息，尤其是深度信息的实时获取在各种工业、生活及娱乐应用中都起着至关重要的作用。
[0003]目前，有一种基于结构光检测的三维测量方法能够实时地对物体表面进行三维测量。基于结构光检测的三维测量方法是一种能够对运动物体表面进行实时三维检测的方法。简单地说，该测量方法首先向自然体表面投射带有编码信息的激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由另一位置相对固定的图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元将采集的激光纹理图案与预先存储在存储器内的已知纵深距离的参考面纹理图案进行比较，根据所采集到的纹理图案和已知的参考纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。基于结构光检测的三维测量方法采用并行图像处理的方法，因此能够对运动物体进行实时检测，具有能够快速、准确进行三维测量的优点，特别适用于对实时测量要求较高的使用环境。
[0004]随着技术的发展和消费需求的激增，越来越多的便携式移动设备(例如，智能电话等)期望并入上述三维测量功能。但现有技术中缺乏能够满足移动设备小型化和低功耗要求的结构光发生装置。

技术实现思路

[0005]为了解决上述至少一个问题，本专利技术提出了一种新型结构光发生器及深度数据测量头和测量装置，该结构光发生器通过垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列与单个准直元件的恰当配合，能够实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以直接由衍射光学元件(DOE)进行复制和投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光，例如，离散光斑。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供了一种结构光发生器，包括：发光元件，包括一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，所述阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光组成所述阵列发出的图案光；布置在所述图案光的出射光路上的准直元件，用于准直所述图案光中的每一个光束；以及布置在经准直光路上的衍射光学元件，用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。
[0007]可选地，各自发射的所述激光组成与发射激光的VCSEL的布置一致的离散光斑图案。
[0008]可选地，各自发射的所述激光在入射所述准直元件时互不交叠。
[0009]可选地，所述阵列的激光出射平面与所述准直元件的入射平面平行，并且所述阵
列的中心与所述准直元件的光轴对齐。
[0010]可选地，所述准直元件是平凸透镜。
[0011]可选地，在等于或小于所述准直元件的有效焦距处设置所述衍射光学元件。
[0012]可选地，所述阵列中所有VCSEL和/或被点亮的VCSEL组成的图案与所述衍射光学元件用于复制的图案一致。
[0013]可选地，所述阵列中的VCSEL呈矩阵排列或随机排列。
[0014]可选地，该结构光发生器还包括：布置在所述发光元件和所述准直元件之间的盖体玻璃，所述盖体玻璃用于保护所述发光元件。
[0015]可选地，该结构光发生器还包括：用于固定所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的相对位置的固定件。
[0016]可选地所述固定件是用于覆盖所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的至少一部分的壳体，所述壳体具有用于所述结构光出射的开口。
[0017]可选地，所述发光元件可以发射红外光。
[0018]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种深度数据测量头，包括如上所述的结构光发生器，用于向拍摄区域投射结构光；以及与所述结构光具有预定相对位置关系的成像单元，用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像。
[0019]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种深度数据测量头，包括如上所述的结构光发生器，用于向拍摄区域投射结构光；以及具有预定相对位置关系的第一和第二成像单元，用于对所述拍摄区域进行拍摄以分别获得在所述结构光照射下的第一和第二二维图像。
[0020]优选地，上述深度数据测量头还可以包括不与所述结构光发生器同时工作的均匀光投射装置，用于向所述拍摄区域投射基本均匀的均匀光，其中，所述成像单元还用于拍摄所述均匀光下拍摄区域的二维图像。
[0021]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种深度数据测量装置，包括如上所述的深度数据测量头，以及处理器，用于基于所述二维图像以及所述预定相对位置计算所述拍摄区域中目标对象的深度数据。
[0022]由此，本专利技术提供的新型结构光发生器通过垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列与单个准直元件的恰当配合，能够实现单个元件对VCSEL阵列发射的图案光的直接准直。经准直的图案可以由衍射光学元件(DOE)直接进行复制并投射。由此，能够在简化准直元件和DOE制造工艺的同时，提供高精度的投射结构光。
附图说明
[0023]通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0024]图1示出了根据本专利技术一个实施例的结构光发生器的组成示意图。
[0025]图2示出了根据本专利技术的准直透镜进行准直的一个光路图的例子。
[0026]图3A-C示出了根据本专利技术的结构光发生器的结构和投射结构光的对应关系的一个例子。
[0027]图4示出了根据本专利技术一个实施例的包括壳体结构的结构光发生器的组成示意
图。
[0028]图5示出了包括本专利技术的结构光发生器的双目深度数据测量头的一个例子。
具体实施方式
[0029]下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0030]传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息，而利用结构光和成像装置(例如，成像镜头)进行深度测量的方法非常有效。该方法所需计算量较小，精度较高且能用于亮度较小的场所。因此，越来越多的三维测量方案选择结构光结合成像装置(单目或双目)来实现对目标深度信息的测量。
[0031]现有技术中通常使用边沿发射型激光器(EdgeEmittingLaser，EEL)作为结构光发生装置的光源。但是边沿发射型激光二极管的上述边缘射出的特性为其小型化和并入便携式设备制造了障碍。例如，智能手机通常难以在其顶端预留出足够布置上述长管脚的高度。虽然可以通过引入诸如直角棱镜等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构光发生器，包括：发光元件，包括一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，所述阵列中的VCSEL各自发射激光，并且各自发射的所述激光组成所述阵列发出的图案光；布置在所述图案光的出射光路上的准直元件，用于准直所述图案光中的每一个光束；以及布置在经准直光路上的衍射光学元件，用于复制所述图案光中的经准直的图案以生成用于投射的结构光。2.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，各自发射的所述激光组成与发射激光的VCSEL的布置一致的离散光斑图案。3.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，各自发射的所述激光在入射所述准直元件时互不交叠。4.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述阵列的激光出射平面与所述准直元件的入射平面平行，并且所述阵列的中心与所述准直元件的光轴对齐。5.如权利要求4所述的结构光发生器，其中，所述准直元件是平凸透镜。6.如权利要求5所述的结构光发生器，其中，在等于或小于所述准直元件的有效焦距处设置所述衍射光学元件。7.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述阵列中所有VCSEL和/或被点亮的VCSEL组成的图案与所述衍射光学元件用于复制的图案一致。8.如权利要求1所述的结构光发生器，其中，所述阵列中的VCSEL呈矩阵排列或随机排列。9.如权利要求1所述的结构光发生器，还包括：布置在所述发光元件和所述准直元件之间的盖体玻璃，所述盖体玻璃用于保护所述发光元件。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏捷，梁雨时，
申请(专利权)人：上海图漾信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：