本發(fā)明涉及光學及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組及深度相機。

背景技術(shù)：

深度相機可以獲取目標的深度信息借此實現(xiàn)3d掃描、場景建模、手勢交互，與目前被廣泛使用的rgb相機相比，深度相機正逐步受到各行各業(yè)的重視。例如利用深度相機與電視、電腦等結(jié)合可以實現(xiàn)體感游戲以達到游戲健身二合一的效果，微軟的kinect、奧比中光的astra是其中的代表。另外，谷歌的tango項目致力于將深度相機帶入移動設(shè)備，如平板、手機，以此帶來完全顛覆的使用體驗，比如可以實現(xiàn)非常真實的ar游戲體驗，可以使用其進行室內(nèi)地圖創(chuàng)建、導(dǎo)航等功能。

深度相機中的核心部件是激光投影模組，按照深度相機種類的不同，激光投影模組的結(jié)構(gòu)與功能也有區(qū)別，比如專利cn201610977172a中所公開的投影模組用于向空間中投射斑點圖案以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光深度測量，這種斑點結(jié)構(gòu)光深度相機也是目前較為成熟且廣泛采用的方案。隨著深度相機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，激光投影模組將向越來越小的體積以及越來越高的性能上不斷進化。

另外，在激光投影模組的制造、安裝以及使用等過程中，均會使得激光投影模組的投影功率與設(shè)計產(chǎn)生偏差。一般在設(shè)計時會要求激光投影模組達到一定級別的激光安全，比如class1激光安全標準。然而在制造以及安裝過程中會出現(xiàn)偏差，另外在使用過程中，溫度對光源以及光學元件都有較大的影響，可能會使得激光的強度過高，達不到安全標準從而可能會對投影視場中的人體造成傷害，或者使得激光的強度過低，投射出的光束對比度和測量距離均較小，影響激光投影模組的使用性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的激光投影模組無法在減小體積的同時兼顧檢測激光強度的問題，提出一種自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組及深度相機。

本發(fā)明自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組，包括：光源，用于發(fā)射光束；特定光學元件，具有至少一個分光面，所述分光面用于反射并透射所述光源發(fā)射的至少部分所述光束；圖案生成器，接收至少部分經(jīng)所述分光面反射或透射的光束，并向外發(fā)射結(jié)構(gòu)光圖案；光束檢測器，用于接收至少部分由所述分光面透射或反射的光束，并檢測其強度。

在一些實施方案中，所述自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組還包括透鏡，所述透鏡用于匯聚或準直所述光源發(fā)射的光束；或者用于匯聚或準直所述分光面反射或透射的光束。在其中一個實施方案中，所述透鏡包括匯聚透鏡和準直透鏡，所述匯聚透鏡用于匯聚所述光源發(fā)射的光束；所述準直透鏡用于準直所述分光面反射或透射的光束，所述特定光學元件被設(shè)置在所述匯聚透鏡的焦距位置。在另一個實施方案中，所述透鏡包括微透鏡陣列。

在一個實施方案中，所述光束檢測器為將光強度信號轉(zhuǎn)化為電信號的元器件，所述圖案生成器接收的光束與所述光束檢測器接收的光束強度之比大于1，分光面為平面、凸面或凹面中的一種。在另一個實施方案中，所述自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組還包括光源控制器，所述光源控制器接收所述光束檢測器檢測到光強度信息，并預(yù)設(shè)閾值執(zhí)行以下操作：當所述光強度超過預(yù)設(shè)的閾值時，降低所述光源的功率或者關(guān)閉所述光源；當所述光強度低于預(yù)設(shè)的閾值時，增加所述光源的功率。

本發(fā)明還提出一種深度相機，包括上面任一所述的自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組，用于向目標空間中投射結(jié)構(gòu)化光束圖像；圖像采集裝置，用于采集目標空間中的所述結(jié)構(gòu)化光束圖像；處理器，接收由所述圖像采集裝置采集的結(jié)構(gòu)化光束圖像，并根據(jù)所述結(jié)構(gòu)化光束圖像生成所述目標空間的深度圖像；所述根據(jù)所述結(jié)構(gòu)化光束圖像生成所述目標空間的深度圖像，指的是利用匹配算法計算所述結(jié)構(gòu)化光束圖像與參考光束圖像之間的偏離值，根據(jù)所述偏離值計算出所述深度圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果有：

本發(fā)明自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組，利用具有反射和透射功能的特定光學元件使得激光投影模組具有較小的體積，同時結(jié)合光學檢測器可即時地對光源進行檢測，從而可以在減小體積的同時兼顧檢測激光的強度。

進一步地，本發(fā)明自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組，還包括光源控制器，接收所述光束檢測器檢測到光強度信息，并預(yù)設(shè)閾值從而自適應(yīng)地調(diào)整激光光源的發(fā)光功率，以避免對人體造成傷害，同時也使得投射出的光束對比度和測量距離適中，不會影響激光投影模組的使用性能。

進一步地，本發(fā)明自適應(yīng)調(diào)整的激光投影模組，同時在特定光學元件與光源以及特定光學元件與圖案生成器之間設(shè)置透鏡來進一步減小特定光學元件或者圖案生成器的體積，并且實現(xiàn)更高對比度的結(jié)構(gòu)光圖案投影。另外，采用曲面的特定光學元件可以進一步降低模組厚度以及提高光束檢測器對光束的接收量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實施例的深度相機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一個實施例的激光投影模組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明另一個實施例的激光投影模組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明另一個實施例的激光投影模組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明另一個實施例的激光投影模組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明另一個實施例的激光投影模組結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式并對照附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。其中相同的附圖標記表示相同的部件，除非另外特別說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

本發(fā)明提出一種光學投影裝置以及基于此的深度相機。在后面的說明中將對光學投影裝置以及深度相機為例進行說明，但并不意味著這種光學投影裝置僅能應(yīng)用在深度相機中，任何其他裝置中凡是直接或間接利用該方案都應(yīng)被包含在本發(fā)明的保護范圍中。

圖1所示的基于結(jié)構(gòu)光的深度相機側(cè)面示意圖。深度相機101主要組成部件有光學投影模組104、采集模組105、主板103以及處理器102，在一些深度相機中還配備了rgb相機107。光學投影模組104、采集模組105以及rgb相機107一般被安裝在同一個深度相機平面上，且處于同一條基線，每個模組或相機都對應(yīng)一個進光窗口108。一般地，處理器102被集成在主板103上，而光學投影模組104與采集模型105通過接口106與主板連接，在一種實施例中所述的接口為fpc接口。其中，光學投影模組用于向目標空間中投射經(jīng)編碼的結(jié)構(gòu)光圖案，采集模組采集到該結(jié)構(gòu)光圖像后通過處理器的處理從而得到目標空間的深度圖像。在一個實施例中，結(jié)構(gòu)光圖像為紅外激光散斑圖案，圖案具有顆粒分布相對均勻但具有很高的局部不相關(guān)性，這里的局部不相關(guān)性指的是圖案中各個子區(qū)域都具有較高的唯一性。對應(yīng)的采集模組105為與光學投影模組104對應(yīng)的紅外相機。利用處理器獲取深度圖像具體地指接收到由采集模組采集到的散斑圖案后，通過計算散斑圖案與參考散斑圖案之間的偏離值來進一步得到深度圖像。

圖2是圖1中激光投影模組104的一種實施例。激光投影模組104包括光源201、特定光學元件202、透鏡203、圖案生成器204以及光學檢測器205。光源為激光光源，比如邊發(fā)射激光發(fā)射器或者垂直腔面激光發(fā)射器(vcsel)，也可以由多個邊發(fā)射激光發(fā)射器或者vcsel組成的光源陣列，進一步的實施例見圖6所示。特定光學元件202含有至少一個光學表面，該光學表面可以是反射面、透鏡面或者像本實施例中具有一定反射及透射比的分光面。分光面可以是在透明基材的光學元件表面通過一些工藝貼附單層或多層光學薄膜來實現(xiàn)反射及透射功能，同時控制反射與透射的比率。透鏡203提供準直光束的作用，圖案生成器204用于生成結(jié)構(gòu)光圖案，在一個實施例中，圖案生成器204為衍射光學元件(doe)，也可以為光柵、微透鏡陣列等元件。透鏡203與圖案生成器204可以被制作在同一個光學元件的不同面上以減小體積。光束檢測器205用于對光束的強度進行檢測，比如光敏電阻、光電二極管、光電三極管等任何可以將光強度信號轉(zhuǎn)換成電信號的元器件。

光源201發(fā)射出激光光束，經(jīng)特定光學元件202的分光面后一部分被反射后被透鏡203準直，準直光束經(jīng)過doe204并被調(diào)制后向外發(fā)射結(jié)構(gòu)光圖案，比如散斑圖案，散斑圖案中的各個斑點是doe204對準直光束進行擴束的結(jié)果。另一部分光束經(jīng)分光面透射后被光學檢測器205接收，光學檢測器205不一定需要接收全部透射的光源光束，也可以僅接收部分透射光束。

在激光投影模組的制造、安裝以及使用等過程中，均會使得激光投影模組的投影功率與設(shè)計產(chǎn)生偏差。一般在設(shè)計時會要求激光投影模組達到一定級別的激光安全，比如class1激光安全標準。然而在制造以及安裝過程中會出現(xiàn)偏差，另外在使用過程中，溫度對光源以及光學元件都有較大的影響，可能會使得激光達不到安全標準。因此在激光投影模組中還可以設(shè)置光源控制器，光源控制器接收光束檢測器所檢測到光強度信號，并預(yù)設(shè)閾值，當光強度信號超過或低于相應(yīng)的閾值時，實行對光源的控制。在一個實施例中，光學檢測器205接收光束并轉(zhuǎn)化成電信號，光源控制器接收電信號并判斷該電信號是否超過預(yù)設(shè)的閾值，若超過則減小光源功率或關(guān)閉光源以防止較強的激光對目標人體造成傷害；在另一實施例中，光源控制器接收電信號后判斷該電信號是否低于預(yù)設(shè)的閾值，若低于則增加光源功率以提高激光投影儀的投影光束強度以提高對比度或測量距離。

在一個實施例中，光源控制器可以是處理器102，或者其他元器件，光源控制器可以被放置在激光投影模組104內(nèi)，也可以像處理器102被放置在深度相機內(nèi)，甚至在一些實施例中也可以是深度相機的外部其他設(shè)備內(nèi)的部件，比如與深度相機連接的計算終端，比如電腦、手機、平板、電視等。

圖2所示的實施例中，圖案生成器204接收到的是經(jīng)特定光學元件202分光面的反射光束，光學檢測器205接收到的是經(jīng)特定光學元件202分光面的透射光束。一般地，光束的主要部分是用來進行投影的，僅需要小部分來進行檢測，即反射的光強要大于透射的光量，優(yōu)選地，反射與透射的比大于9，即進入圖案生成器的光要占光源光束的90％以上(理論上可以有其他任何反射與透射的比例)。值得注意的是，即使透射部分的光占比較小，這部分的光束也不一定會全部被光學檢測器205接收，比如圖2中由于透射光束是發(fā)散的，因此當光學檢測器較小時，僅能接收到部分透射光束。因此根據(jù)分光面的透射率以及光學檢測器所能接收到的光束量，所要設(shè)置的閾值也會不一樣。

圖2所示的實施例中，利用特定光學元件202的分光面將用于投影圖案的光路進行折疊，避免在一個方向上延伸。一般地激光投影模組的厚度方向為特定光學元件202與圖案生成器204中心連接的方向，折疊的好處在于可以減小激光投影模組的厚度以及體積。

在另一實施例中，也可以將透鏡203和圖案生成器204與光學檢測器205調(diào)換位置，相應(yīng)的，分光面的透射率與反射率也需要進行調(diào)整。此時，透射光束進入圖案生成器204，而反射光束進行光學檢測器205。

圖3所示的實施例中，與圖2相比，特定光學元件202上的分光面由平面變成了曲面，具體地為凸面。當光源201發(fā)射的發(fā)散光束至特定光學元件202上時，透射后的光束被凸面匯聚，可以使得光學檢測器205接收更多的透射光束，另外，經(jīng)凸面的反射后，光源201的光束被進一步發(fā)散，使得以更短的距離到達圖案生成器且覆蓋圖案生成器上的有效作用區(qū)域，從而有利于減少激光投影模組的體積?？梢岳斫獾氖牵攬D案生成器接204收是的透鏡光束而光學檢測器205接收的是反射光束時，特定光學元件202的分光面可以被設(shè)置成凹面。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的激光投影模組的示意圖。與圖2、3相比，在光源201與特定光學元件202之間設(shè)置了一個準直透鏡401，光束經(jīng)準直透鏡401準直后被特定光學元件202反射，反射光束進行圖案生成器204后向外發(fā)射結(jié)構(gòu)光圖案。同樣地，在一個實施例中，還設(shè)置有光學檢測器206，準直光束經(jīng)特定光學元件202透射后進行光學檢測器205。這種光路在激光投影模組的厚度方向上少了透鏡，因而可以進一步減少厚度，另外透射光束經(jīng)過準直因而到達光學檢測器205上的光束相對更多。

可以理解的是，在其他實施例中，圖2或圖3中的透鏡203也可以通過改變其與特定光學元件202之間的距離，發(fā)揮匯聚透鏡的作用，用于匯聚特定光學元件202反射或透射的光束，即圖2或圖3中的透鏡203可以被替換為匯聚透鏡；圖4中的準直透鏡401也可以通過改變其與光源201之間的距離，發(fā)揮匯聚透鏡的作用，用于匯聚光源發(fā)射的光束，即圖4中的透鏡401可以被替換為匯聚透鏡。當圖2或圖3中的透鏡203被替換為匯聚透鏡后，圖案生成器204僅需要較小的體積，就可以接收較多的光束。另外，當圖4中的準直透鏡401被替換為匯聚透鏡后，光源光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚后到達特定光學元件202上，當特定光學元件202被設(shè)置在匯聚透鏡的焦斑位置(焦面)或焦斑位置附近時，相對于前述實施例而言，這里的特定光學元件202僅需要較小的體積即可較多的光束，另外光學檢測器205也可以設(shè)置成較小的體積即可以接收較多的透射光束。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例的激光投影模組的示意圖。有兩個透鏡分別放置在光源201與特定光學元件202之間、圖案生成器204與特定光學元件202之間，其中透鏡501為匯聚透鏡、透鏡203為準直透鏡。光源光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚后到達特定光學元件202上，當特定光學元件202被設(shè)置在透鏡501的焦斑位置(焦面)或者焦斑位置附近時，相對于前述實施例而言，這里的特定光學元件202僅需要較小的體積即可接收較多的光束，另外光學檢測器205也可以設(shè)置成較小的體積即可以接收較多的透射光束。本實施例中雙透鏡設(shè)置可以看成是雙透鏡成像，在距離激光投影模組104相同的平面上，采用雙透鏡即透鏡501和透鏡203組合時，與單獨采用透鏡401或透鏡203相比，雙透鏡成像將擁有更低的放大倍數(shù)。比如當結(jié)構(gòu)光圖案為散斑圖案時，圖案中各個斑點看成是光源的像，當像的放大倍數(shù)較低時，散斑圖案中斑點的亮度、整體的對比度將更高。

可以理解的是，在另一實施例中，透鏡501和透鏡203均可以設(shè)置為匯聚透鏡，分別用于匯聚光源201發(fā)射的光束和特定光學元件202反射或透射的光束，在此實施例中，特定光學元件202、光學檢測器205和/或圖案生成器204均可以被設(shè)置為較小的體積，就可以接收較多的光束。

圖6所示的實施例中，光源201為激光陣列光源，優(yōu)選地為vcsel陣列光源，即在半導(dǎo)體襯底2011上以一定的排列圖案布置多個vcsel光源2012，排列圖案可以為規(guī)則也可以為不規(guī)則，比如隨機排列二維圖案。圖中僅在一維上用3個vcsel光源來示例，實際上為二維圖案。透鏡501也由兩個部分組成，一個是與vcsel光源2012一一對應(yīng)的微透鏡陣列5011，另一個是匯聚透鏡5012。vcsel光源光束被微透鏡陣列5011中各單元準直后經(jīng)匯聚透鏡5012聚焦至特定光學元件202上。在另一實施例中，微透鏡單元被集成到vcsel光源上，以實現(xiàn)更小的體積。在另一實施例中，微透鏡陣列5011與5012被制作在同一光學器件上，比如在光學器件的兩個表面分別刻蝕出微透鏡陣列與透鏡。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。