光投射模组以及具有其的图像采集系统和三维传感系统的制作方法

本发明总体上涉及三维传感技术，具体地涉及可应用于三维传感的光投射模组、具有该模组的图像采集系统和三维传感系统。

背景技术：

结构光三维传感技术在消费电子、机器人、物流、工业检测等领域的应用越来越广泛。传统三维传感技术中分开使用结构光光场和泛光照明光场，分别在两种光场下进行图像采集，并基于由此获得的不同图像来进行信息处理。

此外，现有的结构光投射模组和泛光照明投射模组各自采用不同的光源和光学器件，形成为分立的部件，在三维传感技术的应用中二者组合使用，造成系统集成度低、体积大、成本高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光投射模组以及具有该光投射模组的图像采集系统和三维传感系统，其中集成了结构光投射功能和泛光照明光场投射功能，提高了系统集成度，有利于结构小型化，降低成本。

根据本发明的一个方面，提供一种光投射模组，其包括光源和光学器件，其中，所述光学器件接收来自所述光源的光，并形成彼此叠加的结构光光场和泛光照明光场。

有利地，所述泛光照明光场与所述结构光光场的亮度比在1:3～1:50的范围内，优选在1:3～1:9的范围内。

在一些有利的实施例中，所述光学器件为衍射光学元件，即doe，并且该衍射光学元件形成的结构光光场的亮度与该衍射光学元件透射杂散光而形成的均匀背景光的亮度的比在3:1～50:1的范围内，优选在3:1～9:1的范围内，更优选在4:1～8:1的范围内。

所述光学器件可以包括第一光学区域和第二光学区域，所述第一光学区域具有用于形成结构光光场的第一光学微结构，所述第二光学区域具有用于形成泛光照明光场的第二光学微结构。优选，所述光学器件为衍射光学元件，即doe。优选，所述光学器件是整体形成的。

所述第一光学区域可以包括阵列布置的多个子区域，并且所述第二光学区域至少部分地围绕在所述多个子区域的周围。

在一些实施例中，来自同一光源的光照射到第一光学区域和第二光学区域二者上。

在另一些实施例中，所述光源可以包括第一光源和不同于第一光源的第二光源，所述第一光源照射第一光学区域，所述第二光源照射第二光学区域。

或者，所述光学器件可以包括第一光学区域和第二光学区域，所述第一光学区域具有用于形成结构光光场的第一光学微结构，所述第二光学区域具有用于形成泛光照明光场的至少一个透镜。

所述至少一个透镜可以包括微透镜阵列。

所述光投射模组还可以包括壳体，所述光源和光学器件安装在所述壳体中，并且所述壳体内壁采用白色漫反射材质。

根据本发明的另一个方面，提供了一种图像采集系统，其包括如上所述的光投射模组、以及用于采集所述光投射模组所投射的彼此叠加的结构光光场和泛光照明光场照射下的对象的图像的摄像头。优选，所述摄像头为红外摄像头。

根据本发明的另一个方面，提供了一种三维传感系统，其包括：如上所述的光投射模组；摄像头，用于采集所述光投射模组所投射的彼此叠加的结构光光场和泛光照明光场照射下的对象的图像；以及计算单元，其接收所述摄像头所采集的图像，并基于所述图像获取所述对象的三维信息。

根据本发明实施例，光投射模组能够同时实现结构光光场和均匀背景照明光场，投射光场图案、功率和对比度可控，有利于系统的集成化、小型化和降低成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示意性地示出根据本发明实施例的光投射模组的结构及其投射的光场；

图2为根据本发明实施例的三维传感系统的示意性框图；

图3为根据本发明第一实施例的光投射模组的结构示意图；

图4a和图4b示出可用于图3的光投射模组的光学器件的示例；

图5为根据本发明第二实施例的光投射模组的结构示意图；

图6a和图6b示出可用于图5的光投射模组的光学器件的示例；

图7为根据本发明第三实施例的光投射模组的结构示意图；

图8示出可用于图7的光投射模组的光学器件的示例；

图9为根据本发明第四实施例的光投射模组的结构示意图；以及

图10a、图10b和图10c示出可用于图9所示光投射模组的光学器件的示例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1示意性地示出根据本发明实施例的光投射模组10的结构及其投射的光场。如图所示，光投射模组10包括光源11、光学器件12、以及可选的用于安装/容纳光源11和光学器件12的壳体13。光学器件12接收来自光源11的光，并形成彼此叠加的结构光光场lf1和泛光照明光场lf2。

在一些有利的实施例中，光源11可以为红外光光源；相应地，光投射模组10所投射的为红外光的结构光光场和泛光照明光场。本发明的发明人发现，在一些应用场景中，红外光结构光光场和泛光照明光场的同时照射下采集的人脸的图像，能够被更有效地用于获取人脸的三维信息以及进行人脸识别。当然，这也可以被应用于探测和识别其他对象。

图1中，结构光光场lf1示出为散斑光场，但是这仅仅是示例性的，而非限制性的。本领域技术人员会理解，根据本发明实施例的光投射模组10也可以投射其它图案的结构光光场，例如包含光斑、条纹、具有特定形状或位置关系的其它图案或者它们的任意组合；本发明在结构光光场的具体形式上不受限制。结构光光场可以通过例如对光产生衍射作用的光学器件来实现，例如通过衍射光学元件(doe,diffractiveopticalelement)、光栅阵列。

泛光照明光场指的是对目标区域进行基本上均匀的照明的光场。泛光照明光场可以通过透镜增大光的照射角度来实现，也可以通过匀光器件来实现，例如通过微透镜阵列或者具有匀光作用的doe。

光源优选采用激光光源，例如可以采用激光二极管(ld，laserdiode)、垂直腔表面发射激光器(vcsel，vertical-cavitysurface-emittinglaser)；在一些实施方式中，也可以采用发光二极管(led,lightemittingdiode)，但是如果需要利用其光的相干性，则还需要在led的出射光路上设置准直装置。

根据本发明实施例的光投射模组所提供的结构光光场和泛光照明光场彼此叠加，但是可以分别用于获取对象的不同信息。为了使两种光场各自都能够提供充分、有效的照射，同时对希望基于另一光场获取的信息不产生过多的噪音，根据本发明实施例的光投射模组所投射的泛光照明光场与结构光光场的亮度比在1:3～1:50的范围内，优选在1:3～1:9的范围内。

在一些有利的实施例中，光投射模组10可以包括壳体13，壳体13优选采用白色漫反射内壁材质，以提高内壁光学反射效率，使照射在内壁上的光可以通过反射透过光学元件射出，形成一定的泛光照明效果。

图2示意性地示出了根据本发明实施例的三维传感系统200。如图所示，三维传感系统200包括光投射模组10、摄像头20和计算单元30。

光投射模组10为根据本发明实施例的光投射模组，用于投射彼此叠加的结构光光场和泛光照明光场。摄像头20用于采集光投射模组10所投射的彼此叠加的结构光光场和泛光照明光场照射下的对象的图像。光投射模组10与摄像头20结合，可以构成根据本发明实施例的图像采集系统。

计算单元30接收摄像头20所采集的图像，并基于该图像获取三维信息。计算单元30可以包括处理器31和存储器32，存储器32上可以存储程序指令，当所述程序指令由处理器31执行时，使得处理器31对计算单元30接收到的图像进行处理，以获取三维信息。在一些实施例中，所述程序指令的执行还可以使得处理器31进行处理以获取三维信息以外的信息。

采用根据本发明实施例的光投射模组的三维传感系统，可以一个、两个或更多摄像头，构造为单目结构光、双目结构光或多目结构光系统，系统中不需要使用独立的泛光照明模组。根据本发明实施例的三维传感系统工作时，同时投射结构光光场和泛光照明光场，采集对象的图像，可以根据结构光图案图像获取深度信息，根据泛光照明图像获取被摄物体外观信息，形成同时具备两种信息的数据。

根据本发明实施例的三维传感系统，基于根据本发明实施例的光投射模组，可以实现新的简化的三维传感及对象识别算法和三维传感识别系统使用方法，降低系统计算量和计算时间，提高运行效率。

以下将结合图3～图10更加详细地介绍根据本发明实施例的光投射模组10。

图3为根据本发明第一实施例的光投射模组10a的结构示意图。如图所示，光投射模组10a包括第一光源11a和第二光源11b、光学器件12a、以及用于安装光源和光学器件的壳体13。第二光源11b不同于第一光源11a。这里光源的“不同”指的是光源的类型、参数以及光源的布置等实质性的不同，例如第一光源11a为ld，第二光源11b为led，或者第一光源11a为具有随机布置的多个出射点的vcsel，而第二光源11b为具有规则的阵列布置的多个出射点的vcsel。

图4a和图4b示出可用于图3的光投射模组的光学器件的示例。

如图4a所示，光学器件12a包括第一光学区域12a和第二光学区域12b，第一光学区域12a具有用于形成结构光光场的第一光学微结构，第二光学区域12b具有用于形成泛光照明光场的第二光学微结构。根据本实施例，第一光学区域12a和第二光学区域12b彼此平列。在一些实施方式中，第一光学区域12a和第二光学区域12b可以形成在同一光学基体上。例如，光学器件12a可以是整体形成的衍射光学元件，其中第一光学区域12a和第二光学区域12b上分别具有不同的光学微结构图案，从而实质上形成两个不同的衍射光学元件，分别用于提供结构光光场和匀光光场。在另一些实施方式中，第一光学区域12a和第二光学区域12b可以形成在分立的光学基体上并拼接在一起。此外，光学微结构，特别是用于形成泛光照明光场的第二光学微结构，并不限于形成doe元件的光学微结构图案，其也可以是用于通过散射和/或折射实现匀光的其它微结构，例如基于散射的匀光片、微透镜阵列等等。

图4b所示的光学器件12a’为图4a所示光学器件12a的一种变型，其中除了第一光学区域12a和第二光学区域12b之外，光学器件12a’还包括第三光学区域12c。在图示示例中，第三光学区域12c围绕第一光学区域12a和第二光学区域12b。在一些例子中，第三光学区域12c可以是额外的用于提供泛光照明光场的光学区域。在另一些例子中，第三光学区域12c也可以是用于安装光学器件12a’的“空白”光学区域，其中不形成特定的光学微结构。

根据本实施例，如图3所示，来自第一光源11a和第二光源11b分别照射第一光学区域12a和第二光学区域12b。

图5为根据本发明第二实施例的光投射模组10b的结构示意图。根据本发明第二实施例的光投射模组10b与根据本发明第一实施例的光投射模组10a具有基本上相同的结构，不同之处主要在于，在光投射模组10b中只包括一个光源，即光源11，其用于同时照射光学器件12a上的第一和第二光学区域，以形成彼此叠加的结构光光场和泛光照明光场。在一些有利的实施方式中，光源11为激光光源，例如激光二极管或垂直腔表面发射激光器；在另一些实施方式中，光源11为发光二极管，并且光投射模组10b进一步包括用于对来自发光二极管的光进行准直的准直装置。

相比于根据本发明第一实施例的采用不同第一和第二光源的光投射模组，根据本实施例的光投射模组只需使用一个光源，有利地降低系统功耗。此外，对于包括该光投射模组的图像采集系统和三维传感系统而言，由于只需控制一个投射器，所以还能够简化系统结构和工作方式，进一步降低成本。

以上参照图4a和图4b介绍的光学器件12a和12a’可以应用于根据本发明第二实施例的光投射模组10b，在此不再赘述。

图6a和图6b示出可用于光投射模组10b的光学器件的另一些示例。图6a示出光学器件12b，图6b示出了光学器件12b的一种变型，即光学器件12b’。光学器件12b和12b’各自都包括第一光学区域12f和第二光学区域12g，第二光学区域12g至少部分地围绕第一光学区域12f，不同之处在于，光学器件12b’中第一光学区域12f包括多个局部的子区域，第二光学区域12g至少部分地围绕在这些子区域的周围。多个子区域优选是阵列布置的。在一些有利的实施方式中，第一光学区域12f具有用于形成结构光光场的第一光学微结构，第二光学区域12g具有用于形成泛光照明光场的第二光学微结构。在一些有利的实施方式中，光学器件12b、12b’为衍射光学元件，即doe。

当光学器件12b、12b’应用于图5所示光投射模组10b时，可以用来自同一光源11的光照射到光学器件12b、12b’的各个区域上。

图7为根据本发明第三实施例的光投射模组10c的结构示意图。根据本发明第三实施例的光投射模组10c与根据本发明第二实施例的光投射模组10b(见图5)具有基本上相同的结构，不同之处主要在于，在光投射模组10c中采用了具有均一的光学微结构图案的衍射光学元件作为光学器件12c(以下也称为“衍射光学元件12c”)。

图8仅为衍射光学元件12c的示意性表示，其中未显示光学微结构图案。根据本实施例，衍射光学元件12c形成的结构光光场的亮度与该衍射光学元件透射杂散光而形成的均匀背景光的亮度的比在3:1～50:1的范围内，优选在3:1～9:1的范围内，更优选在4:1～8:1的范围内，从而利用透射的、非形成结构光的光量部分提供泛光照明。

尽管现有技术中已经普遍采用衍射光学元件(doe)来形成结构光光场，而且利用doe投射出结构光光场(结构光图案)本身就会伴随有杂散光引起的背景照明，但是应该注意的是，现有技术的doe设计中都是严格抑制杂散光引起的这种背景照明，通常背景光亮度控制在结构光亮度的1％以下，甚至更低。现有技术中尚没有提出过通过控制doe器件提供均匀且具有适当亮度的背景光而同时提供结构光光场和泛光照明光场。

图9为根据本发明第四实施例的光投射模组10d的结构示意图，图10a、图10b和图10c示出可用于图9所示光投射模组10d的光学器件的示例，光学器件12d、12e、12f。

如图9和图10所示，根据本发明第四实施例的光投射模组10d与根据本发明第二、第三实施例的光投射模组10b、10c基本上相同，不同之处在于，光投射模组10d采用的光学器件包括第一光学区域和位于光学器件中心位置的第二光学区域，第一光学区域具有用于形成结构光光场的第一光学微结构，第二光学区域具有用于形成泛光照明光场的至少一个透镜。

图10a所示的光学器件12d包括第一光学区域12k和第二光学区域12l，第二光学区域12l位于中心位置并包括一个折射透镜。该折射透镜可以是凸透镜，也可以是凹透镜，只要在其相对于光源11的位置上能够使来自于光源的光发散从而形成泛光照明。

图10b所示的光学器件12e包括第一光学区域12k和位于中心位置的第二光学区域12m，第二光学区域12m包括一个菲涅尔透镜，用于使进入该菲涅尔透镜的光发散从而形成泛光照明。

图10c所示的光学器件12f包括第一光学区域12k和位于中心位置的第二光学区域12n，第二光学区域12n包括微透镜阵列，该微透镜阵列对照射到其上的光产生匀光作用，从而形成泛光照明。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。