一种结构光发射模组和三维成像装置的制作方法

1.本发明涉及三维成像技术领域，具体而言，涉及一种结构光发射模组和三维成像装置。


背景技术：

2.目前3d成像技术中，用于景深测量和物体识别的3d结构光应用较广泛。这种光的实现方法是运用vcsel(vertical-cavity surface-emitting laser,垂直腔面发射激光器)光源，经过准直透镜，出射成为多束方向不同的平面光，再配合doe(diffractive optical elements,衍射光学元件)，最终形成点阵投影器，把上万个点投影到物体上，通过对这些点的识别而还原物体的三维信息。
3.目前这种方法中，vcsel点阵进行复制，从而增加其密度，形成小角度的点光斑，doe产生一个大角度的衍射斑，变成接近面光源的效果。大角度衍射依靠doe，但这需要doe具有精细的亚波长结构，这使doe的设计和制作都变得非常困难。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种结构光发射模组和三维成像装置，能够产生大角度的光束，且降低了对光束整形器的要求，提升了光束整形器的容差能力。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明实施例的一方面提供一种结构光发射模组，其包括光源，以及沿主光轴依次设置的准直透镜和光束整形器，所述光源包括非相干的点阵光源或非相干的面光源，所述准直透镜的数值孔径大于0.5，以在所述光束整形器的出光侧形成具有光束叠加的图案。
7.可选地，所述光束整形器在快轴方向和慢轴方向的视场角分别在0～120
°
之间。
8.可选地，所述光束整形器包括衍射光元件和折射光元件。
9.可选地，所述准直透镜的数量有多个，多个所述准直透镜沿所述主光轴依次设置。
10.可选地，所述光源为所述非相干的面光源，所述准直透镜和所述非相干的面光源之间的距离等于所述透镜的焦距；所述光源为所述点阵光源，所述准直透镜和所述点阵光源的中心光源之间的距离等于所述透镜的焦距；所述准直透镜有多个时，靠近所述光源的所述准直透镜与所述光源之间的距离作为多个所述准直透镜与所述光源之间的距离。
11.可选地，所述点阵光源包括垂直腔面发射激光器发射的点阵光和点阵led出射的点阵光。
12.可选地，所述光源连接有调制器，用于开关所述光源和调节所述光源的出射光的强度。
13.可选地，还包括和所述调制器连接的摄像机，以及分别连接所述调制器和所述摄像机的控制器，所述摄像机用于拍摄在所述光束整形器的出光侧形成的图案并反馈给所述控制器，所述控制器根据所述图案控制所述调制器调节所述光源的出射光的强度。
14.可选地，所述调制器包括脉冲调制器。
15.本发明实施例的另一方面提供一种三维成像装置，其包括上述的结构光发射模组。
16.本发明实施例的有益效果包括：
17.本发明实施例提供的结构光发射模组和三维成像装置，光源包括非相干的点阵光源或非相干的面光源，光源出射的光经大数值孔径的准直透镜准直，光源和准直透镜形成骨架斑点，骨架斑点大而疏散，产生大角度的光束，光束整形器对骨架斑点进行复制或均匀化，以增加骨架斑点的密度，达到接近面光源的效果，形成光束叠加的图案。光束整形器起到光束分束、匀光、平顶光整形，或者定制图案的光束整形的作用，这样一来，依靠准直透镜形成大角度偏折光束的效果，不需额外对光束整形器提出高的限制要求，降低了对光束整形器的要求，提升了容差能力。且结构光发射模组的尺寸小，易于模组集成。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本发明实施例提供的结构光发射模组结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的结构光发射模组形成的图案图之一；
21.图3为本发明实施例提供的结构光发射模组的准直透镜结构示意图；
22.图4为本发明实施例提供的结构光发射模组的准直透镜形成的图案图；
23.图5为本发明实施例提供的结构光发射模组形成的图案图之二；
24.图6为本发明实施例提供的结构光发射模组形成的图案图之三；
25.图7为本发明实施例提供的结构光发射模组形成的图案图之四；
26.图8为本发明实施例提供的结构光发射模组形成的图案图之五；
27.图9为本发明实施例提供的结构光发射模组形成的图案图之六。
28.图标:10-点阵光源；11-准直透镜；12-光束整形器。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.请参照图1，本实施例提供一种结构光发射模组，其包括非相干的点阵光源10或非
相干的面光源，以及沿主光轴依次设置的准直透镜11和光束整形器12，准直透镜11的数值孔径大于0.5，以在光束整形器12的出光侧形成具有光束叠加的图案。
33.光源为非相干的点阵光源10，点阵光源10可为单色点阵光源，点阵光源10包含多个点光源，排列成阵列形式。或者光源为非相干的面光源，非相干指的是相干性较弱的激光。
34.光源出射光束，依次经准直透镜11和光束整形器12出射，准直透镜11对每个点光源进行准直，使其变为平面光(成像于无穷远)，产生大角度传播的光束。光束整形器可以起到光束分束、匀光、平顶光整形，或者定制图案的光束整形的作用。光束整形器12对每束出射的光束进行复制(或整形)。通过光源和准直后出射多光束形成的骨架光斑，然后经过光束整形器12使得光斑加密，达到近面光源的效果。
35.其中，准直透镜11的数值孔径大于0.5，利用大数值孔径的准直透镜11，产生大角度的光束，在光束整形器12的出光侧形成光束叠加的图案，可理解为形成的图案为图形的复制，复制光源的形状。
36.准直透镜11可以是单个准直透镜，也可以是多个准直透镜的组合，可以是折射型的透镜，也可以是衍射型的菲涅尔透镜，示例地，图1中准直透镜为折射型的透镜，但本实施了对准直透镜不作具体限定，可根据实际需要设置。
37.当准直透镜11有多个(图中未示出)时，多个准直透镜11沿主光轴依次设置。其目的是为大角度情况下，整体准直效果更好。
38.光束叠加还和光源相关，如果光源为点阵光源10，则出射复制点光源且多个点光源叠加的图案。如果光源为非相干的面光源，图案大量交叠，出射光的情况接近于均匀光强分布。点阵光源10的排布和光束整形器12设计一起影响最后的图案效果。
39.点阵光源10包括垂直腔面发射激光器发射的点阵光和点阵led出射的点阵光。
40.如图3所示，光源为vcsel阵列光源，每个发光点都看作是独立的互不相干的点光源，经准直透镜11后，形成平面光(成像于无穷远)，若在准直透镜11的右方设置一平面挡板，则可以观察到如图4所示的点阵光源10，这可以看作是vcsel的倒立的实像；再经图1所示的光束整形器12，准直透镜11和光束整形器12之间无间隙，也就是说光束整形器12紧贴着准直透镜11，可以对每束出射的光束进行整形，若此时在光束整形器12的右侧放置一平面挡板，则观察到阵列的整形后的光束，如图2所示的圆形阵列图案。
41.需要说明的是，本结构光发射模组需要用到定制的光源，其中点光源为阵列排布，排布方式直接决定了成像的图案，即投射图案的骨架斑点。
42.图5～图9表示了不同排布方式形成的不同图案，图5和图6均为点阵光源的普通阵列排布；其中，图5中光束整形器12在水平方向和竖直方向的视场角均为0～20
°
时形成的图案。图6中光束整形器12在水平方向和竖直方向的视场角均满足：20
°
≤视场角＜120
°
时形成的图案。图7为畸变排布的点阵光源以及形成的图案，可配合doe实现无缝拼接；图8为仿键盘排布的点阵光源以及形成的图案；图9为错位排布的点阵光源以及形成的图案。
43.本发明实施例提供的结构光发射模组，光源包括非相干的点阵光源10或非相干的面光源，光源出射的光经大数值孔径的准直透镜11准直，光源和准直透镜11形成骨架斑点，骨架斑点大而疏散，产生大角度的光束，光束整形器12对骨架斑点进行复制或均匀化，以增加骨架斑点的密度，达到接近面光源的效果，形成光束叠加的图案。这样一来，不需额外对
光束整形器12提出高的限制要求，降低了对光束整形器12的要求，提升了容差能力。且结构光发射模组的尺寸小，易于模组集成。
44.进一步地，光束整形器12在快轴方向和慢轴方向的视场角分别在0～120
°
之间，光束整形器12在快轴方向和慢轴方向(水平方向和竖直方向)的视场角为0～120
°
中的任意数值。
45.一般地，准直透镜11起到了大角度偏折光束的效果，投射出骨架光斑点，其视场角(fov)在水平方向和竖直方向都大于40
°
，故光束整形器12仅需要在小角度范围内整形光束，其fov在水平方向和竖直方向小于都120
°
，如图5所示。这样一来，不需额外对光束整形器12提出高的限制要求，降低它的设计和制作难度，提升了容差能力。且结构光发射模组的尺寸小，易于集成。少数情况根据应用需要，也可以使用大角度的光束整形器，使图案相互交叠，获得更好的匀光效果，如图6所示。
46.其中，光束整形器12包括衍射光元件和折射光元件，当光束整形器12为衍射光元件时，光源为点阵光源10。当光束整形器12为折射光元件时，光源为点阵光源10或非相干的面光源。
47.光束整形器12起到对光斑密集的效果，光束整形器12对斑点进行复制或均匀化。
48.doe用做复制点阵的工具，其作用是通过衍射效应，把每束出射光束整形为设计后的光束，其基本原理遵循光栅公式。此结构光发射模组仅需要小角度衍射的doe，避免了大角度的情况，此时doe的设计就可以十分的精确高效，制作精度要求也大大降低，最终的衍射效果也十分理想。doe的衍射图案可以设计为点阵、匀光面、或特定图形。
49.在实现匀光效果时，doe完全可以由roe(折射光元件)代替。roe代替doe时，可应用于制作匀光片。示例地，折射光元件可为微透镜阵列。
50.光源为非相干的面光源，准直透镜11和非相干的面光源之间的距离等于透镜的焦距；光源为点阵光源10，准直透镜11和点阵光源10的中心光源之间的距离等于透镜的焦距。
51.准直透镜11有多个时，靠近光源的准直透镜11与光源之间的距离作为多个准直透镜11形成的准直透镜组与光源之间的距离，靠近光源的那个准直透镜11和光源之间的距离满足上述要求，其他准直透镜11依次沿主光轴依次设置。
52.另外，本结构光发射模组还能主动调节发射光场图案各区域的亮暗关系，更容易实现亮度均匀的图案，以及各种特定亮暗分布的图案。
53.具体地，光源连接有调制器，用于控制光源的开关，以及调节光源的出射光的强度。
54.调制器和光源连接，通过调制器控制光源打开或关闭，并调节光源的出射光的强弱，实现对特定区域光强的调制，且各区域的调制相互独立，优化了大范围光强分布的整体均匀性。
55.具体地，调制器包括脉冲调制器，可通过脉冲的方式进行调制光的强弱。
56.还包括和调制器连接的摄像机，以及分别连接调制器和摄像机的控制器，摄像机用于拍摄在光束整形器12的出光侧形成的图案并反馈给控制器，控制器根据图案控制调制器调节光源的出射光的强度。
57.摄像机可为红外相机，红外相机拍摄形成的图案，并将图案反馈给控制器，控制器根据图案的亮暗分布，控制调制器调节光源出射光的强度，从而调节图案的亮度。
58.这样一来，即可建立起一种反馈循环，使输出的光强随着被照射物的变化而变化。
59.本结构光发射模组充分利用光源的可调制性，达到控制各个投射区域的光强的目的。目前某些高级vcsel和阵列led都可以实现对单点光源的独立控制。因为其主要过程是成像，所以光源的光强分布就直接地决定了投射区域的光强分布。而doe作为一种“静态”的元件，不具备可调制性，所以之前的点投射器不具备这种调制能力。比如用此结构光发射模组实现激光键盘时，可以在用户手指触键时，局部增强该键位的光强，从而实现一种触摸的视觉反馈，增强体验。或者在进行3d测量时，因为一些部分形状不规则，导致反射回来的光强减弱，此时可以单独补偿该区域的光强，从而提升动态范围和对细节的测量。
60.综上，本实施例提供的结构光发射模组，采用大数值孔径的准直透镜11，用于准直，以产生大角度传播的光束，小角度的光束整形器12用于各个光束的复制(或整形)，形成光束叠加的图案。利用大数值孔径的准直透镜11，产生大角度的光束，配合小角度的光束整形器12，在光束整形器12的出光侧形成光束叠加的图案，降低了对光束整形器12的要求，提升了容差能力。并且，光源形状高度定制，光源具有可调制性，可实现对特定区域光强的调制，且各区域的调制相互独立，优化了大范围光强分布的整体均匀性，可以调制，故可以建立起一种反馈循环，使输出的光强随着被照射物的变化而变化。且结构光发射模组的尺寸小，易于集成。
61.本发明实施例还公开了一种三维成像装置，包括如上任意一项的结构光发射模组。该三维成像装置包含与前述实施例中的结构光发射模组相同的结构和有益效果。结构光发射模组的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
62.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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。