本發(fā)明涉及光學(xué)及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)投影裝置及包含該光學(xué)投影裝置的深度相機。

背景技術(shù)：

深度相機可以獲取目標(biāo)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?；诮Y(jié)構(gòu)光技術(shù)的深度相機由于成本低、精度及分辨率高等優(yōu)點，因此使用最為廣泛且技術(shù)發(fā)展最為成熟。盡管如此，結(jié)構(gòu)光深度相機也面臨著一些待進一步解決的問題，比如視場較小(普遍的水平視場角在50～60度)、測量范圍有限(0.5～6m)等。

在一些具體的應(yīng)用中，比如利用深度相機進行室內(nèi)定位與繪圖，由于視場較小，相比與擁有360度視角的激光雷達而言，繪制相同面積的地圖則需要花費更多的時間，且在進行地圖拼接時要消耗較大的計算量。解決這類問題，往往是借助于多個深度相機，這樣會導(dǎo)致整體成本增加、體積變大，另外不同相機之間的標(biāo)定也較為麻煩。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種多向發(fā)射的光學(xué)投影裝置，可以擴發(fā)結(jié)構(gòu)光的投影范圍，從而有利于實現(xiàn)具有大視場等多種功能的深度信息測量。

本發(fā)明提供一種光學(xué)投影裝置，其特征在于，所述光學(xué)投影裝置包括：

光源，用于發(fā)射光束；

分光裝置，用于接收光源所發(fā)射的光束并將其分束成多個子光束；

圖案生成器，用于分別接收所述多個子光束并向外發(fā)射結(jié)構(gòu)光光束圖案。

優(yōu)選地，分光裝置包括分光鏡、平面鏡、棱鏡中的一種或幾種，所述多個子光束包括經(jīng)分光裝置的反射作用和透射作用分束的反射子光束和透射子光束。

優(yōu)選地，所述光學(xué)投影裝置還包括透鏡，所述透鏡用于準(zhǔn)直所述光束或所述子光束。

進一步地優(yōu)選，所述透鏡與所述圖案生成器設(shè)置在不同或相同的光學(xué)元件上。

優(yōu)選地，所述光學(xué)投影裝置還包括：反射裝置，所述反射裝置用于反射至少一個所述子光束以改變所述子光束的發(fā)射方向。

進一步地優(yōu)選，所述反射裝置與所述分光裝置設(shè)置在不同或相同的光學(xué)元件上。

進一步地優(yōu)選，所述分光裝置及所述反射裝置將多個子光束中的至少兩個子光束向相反的方向發(fā)射。

優(yōu)選地，所述光源為VCSEL光源或VCSEL陣列光源，所述VCSEL陣列光源以一定的圖案排列在半導(dǎo)體襯底上。

優(yōu)選地，所述圖案生成器包括衍射光學(xué)元件(DOE)。

優(yōu)選地，不同的所述圖案生成器向外發(fā)射不同密度的結(jié)構(gòu)光光束圖案。

優(yōu)選地，所述圖案生成器中的至少兩個分別位于所述光學(xué)投影裝置的對應(yīng)平面上，以相反的方向發(fā)射結(jié)構(gòu)光圖案。

優(yōu)選地，不同的所述結(jié)構(gòu)光光束圖案擁有不同的光強。

優(yōu)選地，所述光學(xué)投影裝置還包括：光學(xué)孔徑，所述光學(xué)孔徑與圖案生成器一一對應(yīng)且用于控制所述子光束向外發(fā)射的光通量。

本發(fā)明還提供一種深度相機，所述深度相機包括：如上所述的任一光學(xué)投影裝置，用于以多個光口向空間中投影結(jié)構(gòu)化光束圖像；圖像采集裝置，用于采集目標(biāo)空間中的所述結(jié)構(gòu)化光束圖像；處理裝置，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(biāo)空間的深度圖像。

優(yōu)選地，所述圖像采集裝置的數(shù)量與所述光口數(shù)量一致或小于所述光口數(shù)量；所述處理裝置根據(jù)所述圖像采集裝置的相對位置關(guān)系將獲取的與所述圖像采集裝置對應(yīng)的多幅所述深度圖像進行融合成一幅整體深度圖像。

優(yōu)選地，所述深度相機還包括控制器，所述控制器與光學(xué)孔徑和圖像采集裝置相連，用于控制所述光學(xué)孔徑的開合以及對應(yīng)圖像采集裝置是否進行圖像采集，以使得所述深度相機針對具體的應(yīng)用場景采集相對的深度圖像。

優(yōu)選地，所述應(yīng)用場景包括近、遠(yuǎn)距測量模式，所述近/遠(yuǎn)距測量模式下，控制器打開用于近/遠(yuǎn)距測量的孔徑及圖像采集裝置，關(guān)閉其他孔徑及圖像采集裝置。

在近距測量模式下，所述控制器用于近距測量的光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于打開狀態(tài)，其他光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于關(guān)閉狀態(tài)；在遠(yuǎn)距測量模式下，所述控制器用于遠(yuǎn)距測量的光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于打開狀態(tài)，其他光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述應(yīng)用場景包括混合測量模式，所述混合距測量模式下，控制器以一定的頻率間隔打開用于近/遠(yuǎn)距測量的孔徑以及圖像采集裝置，關(guān)閉其他孔徑以及圖像采集裝置。

優(yōu)選地，所述應(yīng)用場景包括窄、寬視場測量模式，所述窄/寬視場測量模式下，控制器打開用于窄/寬視場測量的孔徑以及圖像采集裝置，關(guān)閉其他孔徑以及圖像采集裝置。

在窄視場測量模式下，所述控制器用于窄視場測量的光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于打開狀態(tài)，其他光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于關(guān)閉狀態(tài)；在寬視場測量模式下，所述控制器用于寬視場測量的光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于打開狀態(tài)，其他光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述應(yīng)用場景包括前、后置測量模式，所述前/后置測量模式下，控制器打開用于前/后置測量的孔徑以及圖像采集裝置，關(guān)閉其他孔徑以及圖像采集裝置。

在前置測量模式下，所述控制器用于前置測量的光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于打開狀態(tài)，其他光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于關(guān)閉狀態(tài)；在后置測量模式下，所述控制器用于后置測量的光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于打開狀態(tài)，其他光學(xué)孔徑及圖像采集裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

本發(fā)明還提供一種終端，所述終端包括如上任一所述的深度相機；所述終端包括移動終端和固定終端。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的光學(xué)投影裝置，通過分光裝置的反射和透射作用，將光源發(fā)射的光束分束成多個子光束，子光束再經(jīng)圖案生成器衍射后形成結(jié)構(gòu)光光束向外發(fā)射。通過該裝置，能夠擴發(fā)結(jié)構(gòu)光的投影范圍，從而有利于以裝置體積小、成本低的方式實現(xiàn)大視場。

在進一步的優(yōu)選方案中還能獲得更多的優(yōu)點：通過反射裝置，將子光束的發(fā)射方向進行改變；在分光裝置和反射裝置的共同作用下，可將光源發(fā)射的光束進行分束，并且使多個子光束的方向朝任意的所需要的方向進行發(fā)射，如相同的方向、相反的方向等。通過不同的圖案生成器向外發(fā)射不同密度的結(jié)構(gòu)光光束圖案，或通過不同的結(jié)構(gòu)光光束圖案擁有不同的光強，可實現(xiàn)不同距離(遠(yuǎn)、近)物體的投影。通過光學(xué)孔徑的開合作用，可實現(xiàn)不同應(yīng)用場景的投影，如：近、遠(yuǎn)距投影，混合投影，窄、寬視場投影，同、不同方向投影。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的光學(xué)投影裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2的光學(xué)投影裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例3的光學(xué)投影裝置示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例4的光學(xué)投影裝置示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例5的光學(xué)投影裝置示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例5的內(nèi)置深度相機的手機示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例6的光學(xué)投影裝置示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例7的光學(xué)投影裝置示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種光學(xué)投影裝置以及基于此的深度相機。在后面的說明中將對結(jié)構(gòu)光深度相機以及用于在其中的結(jié)構(gòu)光投影裝置為例進行說明，但并不意味著這種光學(xué)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)明的范圍中。

實施例1

一種光學(xué)投影裝置的示意圖如圖1所示，光學(xué)投影裝置100包括光源101、透鏡102、分光裝置103、圖案生成器104以及光學(xué)孔徑105。其中光源101為激光光源，光源發(fā)射的光束110經(jīng)過透鏡102準(zhǔn)直后入射到分光裝置103上，即入射到分光鏡的分光面上，由分光鏡的反射及透射作用將光束分成兩個子光束：反射子光束111和透射子光束112。分別在子光束所在的光路上設(shè)置圖案生成器104以及光學(xué)孔徑105。其圖案生成器104，具體為衍射光學(xué)元件(DOE)，圖案生成器的作用是將子光束經(jīng)衍射后形成結(jié)構(gòu)光光束并向外發(fā)射。在一些應(yīng)用中，光學(xué)投影裝置無需同時向外發(fā)射結(jié)構(gòu)光，此時可以通過光學(xué)孔徑來來控制各個DOE是否向外發(fā)射結(jié)構(gòu)光光束，光學(xué)孔徑也可以用來控制各個DOE的發(fā)射視場角，還可以控制向外發(fā)射的光通量。

以上對實施例1進行了說明，但本實施例還可以有一些變型的方式，比如：光源101可為邊發(fā)射激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)；根據(jù)需求不同，可以發(fā)射不同波長的激光，如紅外邊發(fā)射激光器，紅外垂直腔面發(fā)射激光器等；另光源可以為單一光源，也可為光源陣列，光源陣列以一定的圖案排列在半導(dǎo)體襯底上。又如：分光裝置103可以是分光鏡，也可以是棱鏡，更一般的是在設(shè)有分光作用的平面的任何光學(xué)玻璃元件都可以，這個平面通常是通過鍍膜的形式，在鍍膜時需要考慮反射率與透射率的比例，其中中性分光面是較為常用的一種，即反射率與透射率的比例為1:1。

實施例2

在實施例1中，透鏡102設(shè)置在分光裝置與光源之間用于準(zhǔn)直光源發(fā)射的光束，這種情形應(yīng)用較為廣泛，這是由于光源的發(fā)射角一般較大。另一種光學(xué)投影裝置的示意圖如圖2所示，透鏡102設(shè)置在與DOE靠近的位置用于準(zhǔn)直各個子光束，這種設(shè)置的好處在于可以通過各個透鏡的位置來控制各個子光束的發(fā)散角，使得各個子光束的發(fā)散角相同或者不相同。透鏡102可以是普通透鏡、菲涅耳透鏡或者微透鏡陣列等。

實施例3

一種光學(xué)投影裝置的示意圖如圖3所示，利用棱鏡的一個面作為分光面來實現(xiàn)分光功能；在與分光面平行的對應(yīng)面上，通過鍍膜將該對應(yīng)面變成內(nèi)反射面106，由此便可以將子光束112引導(dǎo)與子光束111平行發(fā)射。在本實施例中，兩個DOE被設(shè)置成向外發(fā)射不同密度的結(jié)構(gòu)光圖案，如第一DOE1041所投影的結(jié)構(gòu)光密度小于第二DOE1042，由此可以實現(xiàn)該光學(xué)投影裝置擁有不同的投影模式。

反射面106有一些變型的方式，如反射面為一個單獨的反射鏡，設(shè)置在分光裝置103之后，用于反射經(jīng)分光裝置分束的子光束。

在利用結(jié)構(gòu)光深度相機測量物體時，若向近距離物體投影高密度結(jié)構(gòu)光圖案時，會使得圖案模糊，不便于深度信息的計算，導(dǎo)致有誤差產(chǎn)生。因此對近距離投影低密度結(jié)構(gòu)光圖案、對遠(yuǎn)距離投影高密度結(jié)構(gòu)光圖案是比較好的選擇。因此，當(dāng)配置有該光學(xué)投影裝置的深度相機需要對近距離的物體進行測量時，通過關(guān)閉第二光學(xué)孔徑1052而打開第一光學(xué)孔徑1051以實現(xiàn)向近距離目標(biāo)投射密度較低的結(jié)構(gòu)光圖案；相反地，當(dāng)被測量物體距離較遠(yuǎn)時，通過關(guān)閉第一光學(xué)孔徑1051而打開第二孔徑1052以實現(xiàn)高密度的結(jié)構(gòu)光圖案投影。

實施例4

一種光學(xué)投影裝置的示意圖如圖4所示，在本實施例中，兩個光學(xué)孔徑及DOE相鄰，通過側(cè)面為鈍角三角形的五面體棱鏡上相鄰兩個面的角度設(shè)置來實現(xiàn)兩個DOE的光束發(fā)射視場角相鄰。這種情形擴大了光學(xué)投影裝置的視場角，通過配備擁有大角度的圖像采集裝置就可以組成大視場的深度相機，與傳統(tǒng)的深度相機相比，這種深度相機擁有近兩倍的視場角，而在硬件成本上的增加上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于2倍。其中，視場角也可以有些許重復(fù)或間隔。

采用本實施例所示的光學(xué)投影裝置的深度相機，可以通過光學(xué)孔徑的控制來實現(xiàn)窄、寬視場的深度測量。具體地，同時打開兩個光學(xué)孔徑即可以實現(xiàn)寬視場的深度測量，而僅打開單個光學(xué)孔徑可以實現(xiàn)窄視場的深度測量。

實施例5

一種光學(xué)投影裝置的示意圖如圖5所示，在本實施例中，采用的是銳角三角形的五面體棱鏡，用于分光及反射的兩個面所成的角度與實施例4不同，這里的五面體棱鏡使得兩個子光束的發(fā)射方向相反，通過這種設(shè)置使得該光學(xué)投影裝置擁有了前、后同步或獨立投影的功能。

圖6所示的是根據(jù)實施例的內(nèi)置深度相機的手機的示意圖。手機200內(nèi)置了基于如圖5所示的光學(xué)投影裝置的深度相機201，此光學(xué)投影裝置分別向手機前面和后面投射結(jié)構(gòu)光圖案111及112。除了光學(xué)投影裝置之后還有與之共同組成深度相機的圖像采集裝置，為清晰起見在圖中沒有畫出。

目前由于手機體積小、厚度薄，因此被置入的光學(xué)投影裝置的體積也盡可能小，采用VCSEL陣列作為激光光源，一方面因為VCSEL陣列體積小，另一方面由于VCSEL陣列激光比較穩(wěn)定，受溫度影響波長的變化波動較小，因此被內(nèi)置在手機內(nèi)部相對較為封閉的環(huán)境中會有較穩(wěn)定的輸出以及較長的壽命。另外，手機前、后置的深度鏡頭應(yīng)用常常不同，因此對前后置的光學(xué)圖案輸出也應(yīng)該有相應(yīng)的變化。手機前置深度相機可以用來進行人臉識別、表情識別等近距離的應(yīng)用，并且直接與人臉接觸，因此前置的光學(xué)投影結(jié)構(gòu)光應(yīng)擁有較弱的光強以及相對較稀疏的圖案密度；而手機后置深度相機可以被用于進行3D掃描、建模、SLAM等遠(yuǎn)距離的應(yīng)用，因此后置的光學(xué)投影結(jié)構(gòu)光可以擁有相對較強的光強以及較密集的圖案密度；其中光強的分配主要依靠分光面的反射率與透射率比來實現(xiàn)，而結(jié)構(gòu)光的圖案密度則依靠DOE的設(shè)置來實現(xiàn)。

實施例6

圖7所示的是另一種光學(xué)投影裝置的示意圖。與圖5所示的類似，不同的是由一個五面體棱鏡以及六面體棱鏡共同組成的一個分光面及多個反射面，可以實現(xiàn)前置和后置的投影結(jié)構(gòu)光束在同一軸線上。

實施例7

圖8所示的是又一種光學(xué)投影裝置的示意圖。在本實施例中光源通過兩個分光面以及一個反射面后向外發(fā)射3個結(jié)構(gòu)光圖案。在通過光學(xué)孔徑的配合下可以實現(xiàn)前、后置，以及寬、窄視場的深度信息測量。

實施例8

深度相機主要由光學(xué)投影裝置、圖像采集器以及處理裝置構(gòu)成。其中光學(xué)投影模組為實施例1-7詳述可以向空間中發(fā)射結(jié)構(gòu)化光束圖像，通過光學(xué)元件的引導(dǎo)則可以以多個光口向空間中投影結(jié)構(gòu)化光束圖像。圖像采集裝置則用來采集光學(xué)投影裝置發(fā)射的結(jié)構(gòu)光圖像。由于這里有多個結(jié)構(gòu)光光束，因此圖像采集裝置也可以有多個，比如對于圖1、2、5、7、8所示的光學(xué)投影裝置而言，圖像采集裝置至少為兩個。而對于圖3、4所示的光學(xué)投影裝置，圖像采集裝置也可以為單個。

深度相機還包括有控制器，在一些情形中，深度相機僅僅需要利用單個光口的投影及圖像采集，此時可以利用控制器來控制將該光口對應(yīng)的光學(xué)孔徑以及對應(yīng)的圖像采集裝置打開，而其他光學(xué)孔徑與圖像采集裝置關(guān)閉。例如利用圖1-5、7、8中投影裝置的深度相機，可以通過設(shè)置分光面反射及透射比例，使得較大功率的子光束來實現(xiàn)深度相機的遠(yuǎn)距測量，而功率較小的子光束來實現(xiàn)深度相機的近距測量。相對于目前單一模式的深度相機而言，采用這種投影模組的深度相機結(jié)合可變焦或大景深的采集相機從而可以將近、遠(yuǎn)距深度相機集成于一體，以較小的成本實現(xiàn)更多的功能。

在另一些情形中，深度相機同時需要打開多個光口的投影與圖像采集，此時可以利用控制器來控制多個光學(xué)孔徑以及圖像采集裝置，以同步或者一定的時序來進行控制發(fā)射以及圖像采集。

如對于圖3所示的光學(xué)投影裝置，兩個光口分別對應(yīng)遠(yuǎn)、近投影模式，各自分別有一個與之對應(yīng)的圖像采集裝置。控制器以一定的頻率間隔控制遠(yuǎn)、近光學(xué)投影以及圖像采集，這樣可以獲取分別對應(yīng)遠(yuǎn)、近場景的深度圖像。之后利用處理裝置或者上位的軟件等通過圖像配準(zhǔn)將兩個圖像采集裝置的像素建立一一對應(yīng)關(guān)系，然后將深度信息進行互補，由此可以獲取擁有更高分辨率以及高精度的深度圖像。

如對于圖4所示的光學(xué)投影裝置，控制器同步控制兩個光學(xué)投影裝置發(fā)射結(jié)構(gòu)光，以及同步控制相對的圖像采集裝置進行采集結(jié)構(gòu)光圖像，由此可以同步獲取相鄰視場的兩幅深度圖像。之后利用處理裝置或者上位的軟件等通過圖像整合方式將兩幅深度圖像合并成一幅擁有更大視場角的深度圖像。在具體應(yīng)用中，相鄰的視場往往很難實現(xiàn)，兩個子光束經(jīng)過DOE所生成的圖案光束往往會有重疊，此時可以通過以一定的時序分別控制光學(xué)孔徑來發(fā)射圖案光束，最后通過圖像合成的方式生成大視場的深度圖像。采用如圖4所示的光學(xué)投影裝置，可以根據(jù)實際應(yīng)用需求實現(xiàn)窄、寬視場的深度測量。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)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)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。