空間編碼結(jié)構(gòu)化光生成器的制造方法
【專利摘要】一種空間編碼結(jié)構(gòu)化光由激光二極管陣列(1)生成，以執(zhí)行結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量。激光二極管(1a-c)是VCSEL，其中所述光在垂直于半導(dǎo)體晶片表面的方向上發(fā)射。多個(gè)這樣的激光二極管(1a-c)被單片集成以形成陣列(1)。陣列中各個(gè)激光二極管的位置被空間編碼，從而形成非常規(guī)的獨(dú)特圖案。由激光輸出的光由折射或衍射的光系統(tǒng)(2)投影到被監(jiān)測(cè)的空間，以形成結(jié)構(gòu)化光圖案。被檢查的對(duì)象(5)可以由VCSEL陣列(1)照射，并且相機(jī)(3)捕獲幀。處理單元(4)控制VCSEL(1a-c)的功率并且處理來(lái)自相機(jī)(3)的數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】
空間編碼結(jié)構(gòu)化光生成器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及通過(guò)結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量的3D構(gòu)圖領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及基于單片集成表面發(fā)射的激光二極管的陣列的空間編碼結(jié)構(gòu)化光發(fā)生器。

【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量的場(chǎng)景的3D構(gòu)圖包括以光圖案照射場(chǎng)景以及利用相機(jī)觀測(cè)所照射的場(chǎng)景，該相機(jī)的光軸與照射源偏離。如果來(lái)自照射的給定光線與反射對(duì)象交叉，該光線的圖像可以在相機(jī)上形成。該光線的圖像位置與有關(guān)照射成像設(shè)置的準(zhǔn)確幾何的知識(shí)一起能夠允許確定光線和對(duì)象之間交叉的相對(duì)位置。這假定知道哪一束結(jié)構(gòu)化光圖案的光線與對(duì)象交叉。找到圖案中的與圖像中的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的光線通常稱作對(duì)應(yīng)問(wèn)題。
[0003]根據(jù)SalVi等(J.SalVi等，在結(jié)構(gòu)化光學(xué)系統(tǒng)中的圖案編碼策略，圖案識(shí)別37(2004)827-849)，存在多種策略來(lái)解決對(duì)應(yīng)問(wèn)題，這些策略可以被分為如下:
[0004]-時(shí)分復(fù)用
[0005]-直接編碼
[0006]-空間臨近
[0007]時(shí)分復(fù)用策略包括時(shí)間上對(duì)結(jié)構(gòu)化光圖案編碼。不同圖案的序列逐一被投影并且成像。3D圖可以通過(guò)分析圖像的完整序列來(lái)構(gòu)造。
[0008]在直接編碼策略中，對(duì)應(yīng)問(wèn)題為通過(guò)以獨(dú)特方式(通常通過(guò)顏色(波長(zhǎng)))對(duì)光線自身編碼來(lái)解決。該策略因而需要獲取參考幀，因?yàn)樵搱?chǎng)景在光譜反射率中不是一致的。此夕卜，光學(xué)子系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。寬頻譜光必須被發(fā)射，并且成像設(shè)備需要顏色(波長(zhǎng))測(cè)量能力。
[0009]空間臨近策略通過(guò)獨(dú)特方式對(duì)光線的臨近區(qū)進(jìn)行編碼來(lái)解決對(duì)應(yīng)問(wèn)題。通過(guò)觀測(cè)光線的圖像以及圖像的臨近區(qū)，該光線可以被識(shí)別。該策略的一種特定感興趣實(shí)施例包括由光點(diǎn)的偽隨機(jī)噪音圖案形成的結(jié)構(gòu)化光圖案。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)，該圖案可以通過(guò)處理具有衍射光組件(例如，計(jì)算機(jī)生成的全息圖)的激光輸出來(lái)生成。為了使得這種衍射的結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量相對(duì)于陽(yáng)光更為魯棒性，需要確保相對(duì)于背景光存在足夠的活動(dòng)照射的對(duì)比度，來(lái)辨別由相機(jī)捕獲的圖像幀中的結(jié)構(gòu)化光圖案。存在特定的、可以優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)，諸如相機(jī)在其中敏感的頻譜距離，然而最終該唯一方案為增加圖案的強(qiáng)度。這可以通過(guò)增加單個(gè)激光的功率或通過(guò)一些波束合并技術(shù)將來(lái)自多于一個(gè)激光的輸出進(jìn)行合并來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一方法為有限的，使用當(dāng)前單個(gè)發(fā)射機(jī)激光設(shè)備，無(wú)法達(dá)到相對(duì)于陽(yáng)光足以魯棒的強(qiáng)度。第二方法引起光學(xué)子系統(tǒng)大量增加的復(fù)雜度。
[0010]技術(shù)問(wèn)題
[0011]考慮遠(yuǎn)程傳感器，其構(gòu)造具有多達(dá)數(shù)十度的視角以及多達(dá)數(shù)十米的對(duì)象距離的場(chǎng)景的3D圖。結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量是用于生成場(chǎng)景的3D圖的優(yōu)選方法之一。然而，在文獻(xiàn)中已經(jīng)實(shí)施或描述的系統(tǒng)忽略以下兩種基本需求中的至少一個(gè):
[0012]-對(duì)陽(yáng)光的魯棒性。系統(tǒng)應(yīng)該能夠構(gòu)造由太陽(yáng)照射的場(chǎng)景的3D圖。
[0013]-場(chǎng)景的3D圖應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)化光照射的場(chǎng)景的圖像的單個(gè)幀捕獲來(lái)構(gòu)造。
[0014]本文描述的系統(tǒng)將克服這些限制并且實(shí)現(xiàn)兩種基本的需求，同時(shí)仍然基于單個(gè)光子系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的通過(guò)如權(quán)利要求1所述的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中被限定。
[0016]一種空間編碼的結(jié)構(gòu)化光由激光二極管陣列生成。激光二極管是表面發(fā)射型，其中所述光在垂直于半導(dǎo)體晶片表面的方向上發(fā)射。多個(gè)這種激光二極管被單片集成以形成陣列。各個(gè)激光二極管在陣列中的位置被空間編碼，從而形成非常規(guī)的獨(dú)特圖案。由激光輸出的光由反射、折射或衍射的光學(xué)系統(tǒng)投影到被監(jiān)測(cè)的空間，以形成結(jié)構(gòu)化的光圖案。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例現(xiàn)在將參考附圖，通過(guò)示例的方式進(jìn)行描述，其中:
[0018]圖1是針對(duì)結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量的設(shè)置的示意圖；
[0019]圖2是根據(jù)第一示例的單片集成表面發(fā)射激光二極管陣列的視圖；
[0020]圖3為根據(jù)第二示例的單片集成表面發(fā)射激光二極管陣列的視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]針對(duì)結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量的配置在圖1中被示意性描述。附圖標(biāo)記表示為:
[0022]1:單片集成表面發(fā)射激光二極管的陣列
[0023]Ia-1c:各個(gè)激光二極管
[0024]2:投影光學(xué)器件
[0025]3:相機(jī)
[0026]4:電源、控制和處理單元
[0027]5:場(chǎng)景中的對(duì)象
[0028]6:照射光學(xué)軸
[0029]7:相機(jī)光學(xué)軸
[0030]單元4給激光二極管陣列進(jìn)行供電。投影光學(xué)器件2對(duì)由各個(gè)激光二極管發(fā)射的光進(jìn)行投影，從而形成該場(chǎng)景中的空間編碼結(jié)構(gòu)化光圖案。單元4開(kāi)始獲取幀，并且一旦完整的幀被捕獲之后從相機(jī)3中檢索數(shù)據(jù)。單元4處理這些數(shù)據(jù)并且構(gòu)造該場(chǎng)景的3D圖。
[0031]除了用來(lái)處理晶片的掩膜具有幾何形狀，根據(jù)針對(duì)這些激光的標(biāo)準(zhǔn)流程來(lái)制造單片集成表面發(fā)射激光二極管陣列，從而形成激光二極管的空間編碼的圖案。在切割之后獲得這樣的陣列的操作模塊。在圖2中示意性示出這樣的模塊的頂視圖，其中各個(gè)激光的位置由圓形示出。該圓形不表示激光二極管的近場(chǎng)輸出。不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的近場(chǎng)輸出是可能的，這增加了結(jié)構(gòu)化光圖案的空間編碼的信息內(nèi)容。這在圖3中示出，其中考慮了激光二極管的橢圓形近場(chǎng)輸出的兩個(gè)正交方向。
[0032]本發(fā)明允許構(gòu)造結(jié)構(gòu)化光三角測(cè)量系統(tǒng)，其光學(xué)子系統(tǒng)具有特定的簡(jiǎn)單性。它包括表面發(fā)射的激光二極管的單片陣列，其輸出由場(chǎng)景上的折射光學(xué)元件和/或衍射光學(xué)元件或反射光學(xué)元件以及用于捕獲該照射場(chǎng)景的圖像的相機(jī)來(lái)成像。
[0033]各個(gè)激光二極管在單片陣列內(nèi)的位置以非常規(guī)的獨(dú)特圖案的形式來(lái)表示空間編碼，并且該場(chǎng)景的3D圖可以從由相機(jī)捕獲的單個(gè)幀包含的信息中獲得。
[0034]結(jié)構(gòu)化光圖案根據(jù)單片集成的多個(gè)激光二極管的輸出來(lái)產(chǎn)生。用于獲得所需要的陽(yáng)光魯棒性的功率調(diào)節(jié)因此是簡(jiǎn)單直接的。垂直腔表面發(fā)射激光(VCSEL)的商用可用陣列已經(jīng)被證實(shí)能夠給出足夠的功率等級(jí)。
【權(quán)利要求】
1.一種空間編碼結(jié)構(gòu)化光生成器，包括單片集成的表面發(fā)射激光二極管的陣列，其中所述空間編碼通過(guò)各個(gè)激光二極管在陣列中的布置而實(shí)現(xiàn)在晶片級(jí)上，結(jié)構(gòu)化光場(chǎng)是通過(guò)激光陣列的發(fā)射的投射而在場(chǎng)景中形成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成器，其中所述空間編碼通過(guò)所述各個(gè)激光二極管的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述位置形成非常規(guī)的獨(dú)特圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生成器，其中所述空間編碼的圖案的信息內(nèi)容是通過(guò)給予所述激光二極管的輸出不同形狀來(lái)提供或增加的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3所述的生成器，其中所述空間編碼的圖案的信息內(nèi)容是通過(guò)給予所述激光二極管的輸出不同光點(diǎn)大小來(lái)提供或增加的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的生成器，其中所述激光二極管的輸出的不同光點(diǎn)大小的成形或?qū)崿F(xiàn)是通過(guò)給予所述激光二極管的輸出孔徑不同形狀或大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的生成器，其中所述激光二極管陣列以垂直腔表面發(fā)射激光(VCSEL)技術(shù)來(lái)實(shí)施。
【文檔編號(hào)】H01S5/42GK104247178SQ201380012119
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月1日
【發(fā)明者】N·赫施巴赫, J-L·凱澤 申請(qǐng)人:Iee國(guó)際電子工程股份公司