一种3D结构光成像模组的制作方法

一种3d结构光成像模组
技术领域
1.本发明涉及3d视觉领域，具体涉及一种3d结构光成像模组。


背景技术：

2.相比以往的指纹密码、普通摄像头人脸识别，3d结构光在原有二维图像的基础上，可以获取物体的深度信息，在人脸识别领域具有识别速度快、准确度高等优势，将人脸识别认证的安全等级提高到了一个新的台阶，目前在智慧零售、智能安防上有着广泛应用，未来前景更是备受关注。
3.目前应用于人脸识别的3d结构光成像模组主要包括结构光投射器、泛光照明器、红外相机以及彩色相机。红外相机接收结构光投射器投射的结构光，得到带结构特征的结构光斑图，经算法解析得到深度图；红外相机还能够接收泛光照明器投射的均匀红外光，得到均匀红外图；彩色相机获取彩色图；均匀红外图和彩色图能在不同场景下进行人脸检测、框出人脸、人脸特征对比、人脸识别等工作，深度图增加了人脸深度信息，可以进行活体检测，有效应对平面攻击手段。
4.现有技术中，公开号为cn111323930a的专利申请文件提供一种结构光发射模组，其包括：光源，用以产生激光；衍射光学组件，设置于所述光源发出的激光的光学路径上，用于对激光进行衍射；所述光源发出的激光的光学路径上未设置有透镜。以及公开号为cn107908064a的专利申请提供的一种结构光投影模组，包括：光源，包括布置成二维阵列的多个子光源，用于发射与所述二维阵列对应的二维图案化光束。现有人脸识别领域中，3d结构光成像模组上有结构光投射器和泛光照明器两个光源，生产制造成本较高，且上述结构光投射器中包含激光发射光源、准直镜、doe(衍射光学元件)，涉及的核心光学元器件较多，又进一步提高了整个模组的成本，高成本限制了3d结构光的应用场景。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出一种低成本3d结构光成像模组，用一颗投射器即可实现结构光投射和泛光照明功能，且该投射器中将准直和衍射功能集成在一片光学元件上，减少了一颗发射光源和一个核心光学元件，大大缩减了3d结构光成像模组的成本，提高了3d结构光模组在3d技术方案中的价格竞争优势，扩展了3d结构光成像模组的应用场景。
6.为实现上述发明目的，采用如下技术方案：
7.一种3d结构光成像模组，包括：投射器、红外相机和彩色相机；所述投射器包括基板、安装在基板上的激光光源和支架；所述激光光源位于支架内部，支架上还设有位于激光光源出光测的衍射光学元件；所述投射器具有结构光投射模式和泛光照明模式；在结构光投射模式下，激光光源发出的激光经衍射光学元件的复制和扩散，得到散斑结构光；在泛光照明模式下，激光光源发出的激光经光学元件的复制和扩散，得到均匀红外光。
8.本技术的技术方案中，在同一颗投射器内集成结构光投射和泛光照明功能，实现向目标场景投射结构光和均匀红外光；相较于现有的两颗独立投射器，可以缩减模组成本，
具有更广泛的应用场景。
9.在投射器内部，激光光源和衍射光学元件位于支架的结构件内，可以采用两个或多个光源实现两种不同的照明模式，也可以通过改变所述衍射光学元件的结构，用单一光源实现两种不同的照明模式。
10.以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
11.可选的，所述衍射光学元件上集成准直和衍射功能为一体。
12.在同一投射器内的布置两个激光光源，可以通过改变激光光源的位置实现不同的发光模式。可选的，所述激光光源包括第一激光光源和第二激光光源；第一激光光源位于衍射光学元件准直相位面的焦平面处，发出的光束经衍射光学元件形成散斑结构光；第二激光光源位于衍射光学元件准直相位面的虚焦平面处；发出的光束经衍射光学元件形成均匀红外光。
13.可选的，所述第二激光光源的下部设有垫片，使第二激光光源的出光位置不同于第一激光光源，经衍射光学元件得到均匀红外光图像；在另一方案中，垫片也可以设置在第一激光光源的下部。
14.为实现对衍射光学元件的监控，可选的，所述衍射光学元件的表面有一对或多对ito导电薄膜，支架内设有金属端子，所述金属端子的上端与ito导电薄膜连接，下端与基板连接。
15.ito导电薄膜通过金属端子与基板连接，可以监控衍射光学元件上ito的阻值状态，当衍射光学元件出现脱落、碎裂等不正常情况时，给系统输出一个异常信号，停止对投射器的供电，起到保护人眼安全的作用。
16.在另一可选的技术方案中，所述激光光源为单一光源，所述衍射光学元件的下部设有电控扩散片，所述电控扩散片不通电时，激光光源发出的光束被复制并扩束形成散斑结构光，所述电控扩散片通电时，激光光源发出的光束扩散为均匀红外光。
17.本技术方案中利用电控扩散片使单一光源实现两种不同的照明模式。
18.可选的，所述基板上安装有监控激光光源温度的ntc。当光源温度过高使，关闭光源，起到保护光源的作用。
19.可选的，所述基板为陶瓷基板、铜基板或软硬结合板，基板设有与主板电联为投射器供电的b2b连接器。
20.可选的，所述红外相机包括红外成像芯片、红外窄带滤光片和红外成像透镜，用于采集目标场景的均匀红外图像和红外散斑图。
21.红外相机输出目标场景的红外图像。当激光光源发出均匀的红外光时，输出为均匀的红外图像，用于人脸检测与识别；当激光光源发出带结构特征的结构光斑时，输出为带结构特征的红外散斑图，经算法处理后，输出目标场景的深度图，用于活体检测
22.彩色相机输出目标场景的彩色图像，用于人脸检测与识别。可选的，所述彩色相机包括彩色成像芯片、红外截止滤光片和彩色成像透镜，用于采集目标场景的彩色图像。
23.相较于现有技术，本发明用一颗投射器即可实现结构光投射和泛光照明功能，大大缩减了3d结构光成像模组的成本，提高了3d结构光模组在3d技术方案中的价格竞争优
势，扩展了3d结构光成像模组的应用场景。
附图说明
24.图1为本发明提供的一种低成本3d结构光成像模组示意图。
25.图2为图1中投射器的结构示意图。
26.图3为本发明提供的另一种低成本3d结构光成像模组示意图。
27.图4为图3中投射器的结构示意图。
具体实施方式
28.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.如图1-4所示的3d结构光成像模组，包括：投射器1、红外相机2和彩色相机3；投射器1包括基板17、安装在基板17上的激光光源(141和142)和支架13；所述激光光源位于支架13内部，支架上还设有位于激光光源出光测的衍射光学元件；所述投射器1具有结构光投射模式和泛光照明模式；在结构光投射模式下，激光光源发出的激光经衍射光学元件的复制和扩散，得到散斑结构光；在泛光照明模式下，激光光源发出的激光经光学元件的复制和扩散，得到均匀红外光。
32.本技术中，在同一颗投射器1内集成结构光投射和泛光照明功能，实现向目标场景投射结构光和均匀红外光；具体地，可以采用两个或多个光源实现两种不同的照明模式，也可以通过改变衍射光学元件的结构，用单一光源实现两种不同的照明模式。
33.在图1所示的实施例中，在同一投射器内，利用两颗不同的激光光源，实现两种不同的照明模式。图中包括投射器1、第一激光光源141、第二激光光源142、垫片15、集准直-衍射为一体的衍射光学元件11(二合一)；彩色相机2、彩色成像芯片21、红外截止滤光片22、彩色成像透镜23；红外相机3、红外成像芯片31、红外窄带滤光片32、红外成像透镜33；和主芯片100。主芯片100用于控制投射器1选择不同的激光光源发光，并对彩色相机2和红外相机3输出的图像进行处理，得到目标场景的红外图、深度图和彩色图。
34.投射器1中第一激光光源141可以是vcsel、hcsel或其它激光阵列发光光源，一般波长有850nm、940nm等，光源中点为伪随机排布；第二激光光源142可以是led、vcsel或hcsel，上面分布一个或多个发光点，发光点之间的排列可以是规律排列也可以是随机排
列，波长与第一激光光源141一致。第一激光光源141位于衍射光学元件11的准直相位面的焦平面上，第一激光光源141发出的点阵光经衍射光学元件11复制并扩束为视场较大的散斑结构光。第二激光光源142通过垫片垫高，位于衍射光学元件11的准直相位面的虚焦平面上，第二激光光源142发出的光经11复制并扩束为视场较大的均匀红外光。
35.彩色相机2中彩色成像透镜23是为了将目标场景反射的可见光聚焦成像在彩色成像芯片21上，彩色成像芯片21经过光电转换，输出目标场景的彩色图像，用于人脸检测与识别，红外截止滤光片22是为了过滤掉环境光中除可见光波段外的其它波段，避免彩色成像芯片21输出伪彩色图像。
36.红外相机3中红外成像透镜33是为了将目标场景反射的红外光聚焦成像在红外成像透镜31上，红外成像透镜31经过光电转换，输出目标场景的红外图像，红外窄带滤光片32是为了过滤掉环境光中除与投射器1中发光波段一样的其它波段；当投射器1发出均匀的红外光时，红外相机3输出为均匀的红外图像，用于人脸检测与识别；当投射器1发出带结构特征的结构光斑时，红外相机3输出为带结构特征的红外散斑图，经算法处理后，输出目标场景的深度图，用于活体检测；工作时彩色相机2输出目标场景的彩色图和红外相机3输出目标场景的均匀红外图进行2d人脸检测与识别，红外相机3输出目标场景的散斑图，通过主芯片100解析为目标场景的3d图，对人脸进行或活体检测，提高检测精度。
37.图2为图1中投射器的结构示意图；图中包括：衍射光学元件11(a)、胶水12(a)、支架13、金属端子131、第一激光光源141、第二激光光源142、垫片15、ntc 16，基板17、软硬结合板18和btb连接器19。衍射光学元件11(a)为准直和衍射功能一体的，可以将第一激光光源141发出的光复制并扩束为视场较大的散斑结构光，第一激光光源141位于衍射光学元件11(a)准直相位面的焦平面处，第一激光光源141发射的光入射经过衍射光学元件11(a)后被复制并扩束，若衍射光学元件11(a)的复制比例为80，第一激光光源141上激光发光光点的数量为300，则最终得到300*80＝24000个红外散斑点的红外散斑图，此外衍射光学元件11(a)表面上有一对或多对ito导电薄膜；第二激光光源142位于衍射光学元件11(a)准直相位面的虚焦平面处，第二激光光源142发射的光入射经过衍射光学元件衍射光学元件11(a)后被复制并扩束，若衍射光学元件11(a)的复制比例为80，最终将得到80块均匀红外光拼接而成的视场角较大的均匀红外光束(此时第二激光光源142因为位于衍射光学元件11(a)准直相位面的虚焦平面，经过准直相位面投射出来的散斑是弥散的，衍射相位面将弥散的光斑复制并扩束，整个画面成比较均匀的弥散光斑，这里简称均匀红外光)；ntc 16可以监控第一激光光源141和第二激光光源142的温度，当光源温度过高使，关闭光源，起到保护光源的作用，基板17是陶瓷基板或铜基板，相比软硬结合板散热效果会更好。软硬结合板18通过锡膏焊接在基板17上，或通过acf导电胶与基板17电联。投射器通过b2b连接器19与主板电联，为投射器供电。衍射光学元件11(a)通过胶水12(a)固定在支架13上，金属端子131埋在支架13结构件里面，金属端子上端露出支架13结构件与衍射光学元件11(a)上导电薄膜的电极用导电胶粘连，下端露出支架13结构件通过激光焊，或是锡膏焊在基板17上，通过控制金属端子131的供电，可以监控衍射光学元件11(a)上ito的阻值状态，当衍射光学元件11(a)出现脱落、碎裂等不正常情况时，给系统输出一个异常信号，停止对投射器的供电，起到保护人眼安全的作用，支架13通过胶水固定在基板17上，ntc 16通过锡膏焊在基板17上，第一激光光源141和第二激光光源142的阴极通过导电胶与17表面的阴极焊盘连接，第一激光
光源141和第二激光光源142的阳极通过金线固定在17表面的阳极焊盘上，当然在某些场景基板17也可以是软硬结合板。
38.在图3所示的实施例中，通过改进衍射光学元件的结构，利用单一的激光光源实现两种不同的照明模式。图中包括：投射器1、第一激光光源141、集扩散-准直-衍射为一体的衍射光学元件11(三合一)；彩色相机2、彩色成像芯片21、红外截止滤光片22、彩色成像透镜23；红外相机3、红外成像芯片31、红外窄带滤光片32、红外成像透镜33；和主芯片100；主芯片100用于控制1选择不同的光源工作模式，并对彩色相机2和红外相机3输出的图像进行处理，得到目标场景的红外图、深度图、彩色图。
39.投射器1中第一激光光源141可以是vcsel、hcsel或其它激光阵列发光光源，一般波长有850nm、940nm等，光源中点为伪随机排布，衍射光学元件11有两种工作模式，当不通电时，工作在扩散模式，第一激光光源141通过衍射光学元件11后光束被均匀扩散，第一激光光源1发出均匀的红外光，照在目标场景上；当给衍射光学元件11通电时，衍射光学元件11工作在准直-衍射模式，第一激光光源141通过衍射光学元件11后光束被复制并扩束，投射器1发出带结构特征的结构光斑，照在目标场景上。
40.彩色相机2与红外相机3的功能与图1中所述的功能一致。
41.图4为图3中投射器的结构示意图；图中包括：衍射光学元件11(a)、胶水12(a)、电控扩散片11(b)、胶水12(b)、支架13、金属端子131、第一激光光源141、ntc16、基板17、软硬结合板18、btb连接器19；衍射光学元件11(a)为准直和衍射功能为一体的衍射光学元件，可以将第一激光光源141发出的光复制并扩束为视场较大的散斑结构光，电控扩散片11(b)的材质可以是聚合物液晶，当不给电控扩散片11(b)通电时，聚合物液晶中的液晶微滴光轴处于自由取向，液晶微滴的折射率与聚合物的折射率不一致，电控扩散片11(b)处于散射状态(雾状)，第一激光光源141发射的光入射经过电控扩散片11(b)后会变成均匀的红外光，再经衍射光学元件11(a)后光束被复制并扩束，若衍射光学元件11(a)的复制比例为80，则最终得到80块均匀红外光拼接而成的视场角较大的均匀红外光束；当给电控扩散片11(b)通电时，聚合物液晶中的液晶微滴光轴取向变化，当电压加到某一值时，液晶微滴折射率与周围聚合物折射率一致，电控扩散片11(b)处完全透明状态，第一激光光源141发射的光入射经过电控扩散片11(b)后还是点阵光，再经衍射光学元件11(a)后光束被复制并扩束，若衍射光学元件11(a)的复制比例为80，第一激光光源141上激光发光光点的数量为300，则最终得到300*80＝24000个红外散斑点的红外散斑图；ntc 16可以监控第一激光光源141的温度，当光源温度过高使，关闭光源，起到保护光源的作用。基板17是陶瓷基板或铜基板，相比软硬结合板散热效果会更好，软硬结合板18通过锡膏焊接在基板17上，或通过acf导电胶与基板17电联。通过b2b连接器19投射器与主板电联，为投射器供电；衍射光学元件11(a)通过胶水12(a)与电控扩散片11(b)相连，电控扩散片11(b)通过胶水12(b)固定在支架13上。金属端子131是埋在支架13结构件里面，金属端子上端露出支架13结构件与电控扩散片11(b)的电极用导电胶连接，下端露出支架13结构件通过激光焊，或是锡膏焊在基板17上，通过控制金属端子131的供电，可以调整电控扩散片11(b)的工作状态，支架13通过胶水固定在基板17上，ntc 16通过锡膏焊在基板17上。第一激光光源141的阴极通过导电胶与基板17表面的阴极焊盘连接，阳极通过金线固定在基板17表面的阳极焊盘上，当然在某些场景基板也可以是软硬结合板，衍射光学元件11(a)与电控扩散片11(b)也可以集成在一个光学元件
上，如使电控扩散片11(a)的基底材料为液晶聚合物，这样集成度更高。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。