结构光发生器的制作方法

本实用新型涉及激光发射装置，尤其涉及一种结构光发生器。

背景技术：

传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息(亦称景深信息)，但实际上物体表面的空间深度信息，尤其是深度信息的实时获取在各种工业、生活及娱乐应用中都起着至关重要的作用。

目前，有一种基于结构光检测的三维测量方法能够实时地对物体表面进行三维测量。基于结构光检测的三维测量方法是一种能够对运动物体表面进行实时三维检测的方法。简单地说，该测量方法首先向自然体表面投射带有编码信息的激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由另一位置相对固定的图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元将采集的激光纹理图案与预先存储在存储器内的已知纵深距离的参考面纹理图案进行比较，根据所采集到的纹理图案和已知的参考纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。基于结构光检测的三维测量方法采用并行图像处理的方法，因此能够对运动物体进行实时检测，具有能够快速、准确进行三维测量的优点，特别适用于对实时测量要求较高的使用环境。

随着技术的发展和消费需求的激增，越来越多的便携式移动设备(例如，智能电话等)期望并入上述三维测量功能。但现有技术中缺乏能够满足移动设备小型化和低功耗要求的结构光发生装置。

技术实现要素：

为了解决上述至少一个问题，本实用新型提出了一种新型结构光发生器，该结构光发生器通过引入合理排布的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，能够实现可以比拟边沿发射型激光二极管的高功率光束。另外由于VCSEL的激光垂直于顶面射出且光电转化率高，因此相比于现有的基于边沿发射型激光二极管的结构光发生器，能够实现更为紧凑的布局、更低的功耗和成本且发热量更小。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种结构光发生器，包括：发光元件，包括两个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)，所述两个或多个VCSEL的发射激光用于合成一个出射光束；布置在所述激光的出射光路上的准直元件，用于准直所述出射光束；布置在所述激光的经准直光路上的衍射光学元件，用于生成结构光；以及用于固定所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的相对位置的固定件。

优选地，所述发光元件可以包括在一个发光平面上括呈同心圆布置的多个VCSEL。

优选地，所述多个VCSEL各自可以与相邻VCSEL的间距相同。

优选地，所述多个VCSEL各自可以具有5-8μm的直径，其与相邻VCSEL的间距为20-25μm。

优选地，所述衍射光学元件具有通过光学微加工技术制成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。

优选地，该结构光发生器还可以包括布置在所述发光元件和所述准直元件之间的盖体玻璃，所述盖体玻璃用于保护所述发光元件。

优选地，所述固定件是用于覆盖所述发光元件、所述准直元件和所述衍射光学元件的至少一部分的壳体，所述壳体具有用于所述结构光出射的开口。

优选地，所述衍射光学元件嵌入在所述壳体的所述开口内。

优选地，该结构光发生器还可以包括布置在所述发光元件和所述准直元件之间的光程增加装置，用于缩短所述发光元件和所述准直元件之间的距离。

优选地，所述光程增加装置可以是主截面呈平行四边形的棱镜或平行布置的两块反射镜。

优选地，所述发光元件可以发射红外光。

由此，本实用新型提供的新型结构光发生器通过引入合理排布的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，能够实现可以比拟边沿发射型激光二极管的高功率光束。另外由于VCSEL的激光垂直于顶面射出且光电转化率高，因此相比于现有的基于边沿发射型激光二极管的结构光发生器，能够实现更为紧凑的布局、更低的功耗和成本且发热量更小。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1A和1B示出了现有边沿发射型激光二极管的结构示意图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的剖面图。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的透视图。

图4示出了根据本实用新型一个实施例的发光元件的一个布置例。

图5A-5D示出了根据本实用新型一个实施例的VCSEL合成光束的示意图。

图6示出了根据本实用新型一个实施例的发光元件的出射光经准直透镜准直后的光路图。

图7示出了根据本实用新型另一个实施例的结构光发生器的剖面图。

图8示出了根据本实用新型另一个实施例的结构光发生器的透视图。

图9示出了应用本实用新型的一个深度数据测量头的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息，而利用结构光和成像装置(例如，成像镜头)进行深度测量的方法非常有效。该方法所需计算量较小，精度较高且能用于亮度较小的场所。因此，越来越多的三维测量方案选择结构光结合成像装置(单目或双目)来实现对目标深度信息的测量。

现有技术中通常使用边沿发射型激光器(Edge Emitting Laser，EEL)作为结构光发生装置的光源。边沿发射型激光器是激光二极管(Laser Diode，LD)的一种。图1A和1B示出了现有边沿发射型激光二极管的结构示意图。

如图1A所示，边沿发射型激光二极管1具有向一侧伸出的三个长管脚11，用于分别与正极、负极和PD端(通常空接)相连。而激光则从管脚的相对侧射出。图中的箭头示出了激光的出射位置和方向。类似地，图1B示出了另一种封装结构。边沿发射型激光二极管1’具有向相对侧伸出的三个管脚11’，其中同侧的两个管脚分别接正负极，激光从相对的单管脚所在侧出射。图中的箭头示出了激光的出射位置和方向。边沿发射型激光二极管的上述边缘射出的特性为其小型化和并入便携式设备制造了障碍。例如，智能手机通常难以在其顶端预留出足够布置上述长管脚的高度。虽然可以通过引入诸如直角棱镜等光路改变元件来使得横向布置的边沿发射型激光二极管也能够从顶面出射激光，但使用现有的边沿发射型激光二极管依然面临着光电转化效率低、发热量大等缺陷。

有鉴于此，本实用新型通过引入合理排布的多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现了一种新型结构光发生器。该结构光发生器能够实现可以比拟边沿发射型激光二极管的高功率光束。由于VCSEL的激光垂直于顶面射出且光电转化率高，因此相比于现有的基于边沿发射型激光二极管的结构光发生器，能够实现更为紧凑的布局、更低的功耗和成本且发热量更小。另外，由于合理布置的VCSEL能够模仿现有边沿发射型激光二极管的出射光束，因此可以直接使用现有的准直元件和衍射光学元件(DOE)设计来实现已有图案的结构光出射。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的结构光发生器的剖面图，图3示出了该结构光发生器的透视图，其中虚线表示透过壳体示出的结构。如图所示，结构光发生器可以包括发光元件1、准直元件2、衍射光学元件(DOE)3和壳体4。

发光元件1可以用于发射激光。在本实用新型中，发光元件1由垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现。由于单个VCSEL的发光功率有限，因此在一个实施例中，发光元件1可以包括两个或更多个VCSEL。通过合理排布上述两个或更多个VCSEL的位置和朝向，可以使得多个VCSEL的发射激光能够合成一个出射光束，例如，可以比拟边沿发射型激光二极管发射光束的合成光束。

图4示出了用于本实用新型结构光发生器的一个发光元件的布置例。出于制造便利性的考虑，优选如图所示将多个发光元件布置在同一个发光平面上。为了实现可比拟边沿发射型激光二极管发射光束的合成光束，可以将多个VCSEL在一个发光平面上括呈同心圆布置。多个VCSEL优选各自与相邻VCSEL的间距相同，以实现辐照度的相对均匀。在一个优选实施例中，多个VCSEL各自具有5-8μm的直径，其与相邻VCSEL的间距为20-25μm。

图5A-5D示出了图4所示发光元件的设计原理和效果示意图。如图5A所示，一个现有VCSEL能够以20°的出射角在相距0.5mm的平面上实现一个直径0.184mm的圆形光斑。上述直径8μm的VCSEL如图4间隔25μm布置(即，中心一个VCSEL，外围6个VCSEL，再外围12个VCSEL的三个同心圆布置)，可以形成与边沿发射型激光二极管发射的激光光束相类似的合成光束。上述光束在相距0.5mm的平面上实现如图5B所示的近似圆形的光斑。上述光斑在所述平面的两个垂直方向上分别具有0.271和0.284mm的直径，图5C和图5D进一步示出了这两个方向上的光路图。

以上结合图4-5描述了关于本实用新型发光元件的一个具体布置例。应该理解的是，本实用新型的发光元件还可以采取多个VCSEL的其他布置方式。例如，多个VCSEL甚至可以不布置在一个平面上，或者以其他的相对位置关系布置在一个平面上。只要多个VCSEL的合成光束能够形成符合要求的结构光即可。优选地，所述两个或多个VCSEL的发射激光合成的所述出射光束以大致呈圆形且均匀辐照度的截面入射所述准直元件，例如图5B所示的光束。

准直元件2可以对发光元件1中各VCSEL发射的合成光束进行准直。在一个实施例中，准直元件2可以是准直透镜。图6示出了根据本实用新型一个实施例的发光元件的出射光经准直透镜准直的光路图。应该理解的是，上述光路图是VCSEL出射方向上某一截面的光路图。

如图所示，发光元件1上多个VCSEL发出的激光经过盖体玻璃5出射至准直透镜2，并由准直透镜2准直。随后，上述准直光束入射至DOE3。准直光束经DOE 3衍射成预定图案的结构光，上述结构光被投射至拍摄空间，例如在拍摄对象上形成离散光斑。

如上图6所示，盖体玻璃5可以布置在发光元件1和准直元件2之间，用于保护发光元件1。回到图1和图2所示的结构光发生器，在发光元件1所对应的方形结构中，VCSEL可以布置在方形结构的底部，并在其上覆盖盖体玻璃5。

在一个实施例中，DOE 3具有通过光学微加工技术制成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。同样回到图1和图2所示的结构光发生器，在DOE 3所对应的方形结构中，表面微结构可以布置在方形结构的底部或顶部。优选将表面微结构布置在底部以避免诸如灰尘等的外界不利影响。

如图1和2所示，壳体4具有与发光元件1和DOE 3的方形结构相配合的方形外壳，其覆盖发光元件1、准直元件2和DOE 3的至少一部分，以起到保护各元件并固定发光元件1、准直元件2和DOE 3的相对位置的作用。例如，发光元件1可以与壳体4的下表面粘合，准直元件2和DOE 3可以卡接在壳体4的相应结构内。壳体4具有用于结构光出射的开口。优选如图1和2所示，DOE 3可以嵌入在壳体4的开口内。

应该理解的是，图中示出的壳体4仅仅是固定件的一个示例。在其他实施例中，本实用新型的结构光发生器只要具有用于固定发光元件1、准直元件2和DOE 3的相对位置的固定件即可。在模块化的实现上，上述固定件可以实现为图1和2所示的壳体。在其他实施例中，上述固定件可以是更大组件的固定件或壳体的一部分，例如双目或单目测量头固定结构或壳体的部分。本实用新型在此不做限制。

为了实现更为紧凑的布局，在本实用新型的一个实施例中，还可以通过引入光程增加装置来缩短发光元件1和准直元件2之间的距离。图7示出了根据本实用新型另一个实施例的结构光发生器的剖面图，图8示出了该结构光发生器的透视图，其中虚线表示透过壳体示出的结构。如图所示，结构光发生器除了包括发光元件1、准直元件2、衍射光学元件(DOE)3和壳体4之外，还可以包括布置在发光元件和准直元件之间的光程增加装置7。光程增加装置7可以通过将发光元件1和准直元件2之间的直线光程转换为折现光程来缩短发光元件和准直元件之间的实际间隔距离。如图所示，光程增加装置7可以是主截面呈平行四边形的棱镜。在其他实施例中，光程增加装置7还可以具有其他实现，例如平行布置的两块反射镜。

如上结合图2-8示出并描述了仅包括结构光发生器结构的单独模组，但是应该理解，本公开的结构光发生器结构适用于与一个或两个成像设备相结合以实现单目或是双目深度测量的更大组合或是模组中。例如，本实用新型的结构光发生器可被集成在单目或双目深度数据测量头中，上述测量头可以布置在例如智能电话的顶部，以实现人脸识别等高级功能。还应该理解的是，附图所示的实施例仅仅是为了说明本公开原理的优选实施例，而非对本实用新型范围的具体限制。

本实用新型的结构光发生器能够用于实时地对物体表面进行三维测量的单目或双目视觉识别技术。例如，在单目实现中，首先向自然体表面投射带有编码信息的激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由另一位置相对固定的图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元将采集的激光纹理图案与预先存储在存储器内的已知纵深距离的参考面纹理图案进行比较，根据所采集到的纹理图案和已知的参考纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。相比之下，双目视觉识别技术直接模拟人类双眼处理景物的方式，根据三角测量的原理，采用不同位置的两台摄像机拍摄同一景物，以一个摄像机所拍摄到的画面为主画面，通过在另一个摄像机所拍摄到的画面上去寻找与主画面匹配的同一目标，通过计算目标在两幅图像中的视差，即可计算得到该目标的三维空间坐标。该技术只需要经过简单的标定程序，获得两台摄像机之间的相对空间关系，就可以建立测量物体所在的空间坐标系统。基于结构光检测的三维测量方法采用并行图像处理的方法，因此能够对运动物体进行实时检测，具有能够快速、准确进行三维测量的优点，特别适用于对实时测量要求较高的使用环境。

图9示出了根据本实用新型一个实施例的双目深度数据测量头的结构图。如图9所示，根据本实用新型以上描述的结构光发生器10可以用于向拍摄区域投射结构光。具有预定相对位置关系的第一成像单元30和第二成像单元40可以对拍摄区域进行拍摄以分别获得在结构光照射下的第一和第二二维图像。该测量头还可以包括不与结构光发生器10同时工作的均匀光投射装置20，用于向拍摄区域投射基本均匀的均匀光。上述第一和/或第二成像单元还用于拍摄所述均匀光下拍摄区域的二维图像。上述投射和成像单元可由连接机构70固定，其各自的引线可经由上述连接机构70汇总至线缆60，以方便与处理和控制单元，例如处理器的连接。

该测量组件在结构光发生器10点亮的情况下使用第一成像单元30和第二成像单元40拍摄获取目标对象深度信息所需的第一和第二二维图像，并且在均匀光投射装置20点亮的情况下进行拍摄以获取带有拍摄区域中目标对象轮廓信息的二维图像。

由测量组件分帧获取的至少三幅二维图像可以经由线缆60送至处理器(图1中未示出)。处理器可以基于第一和第二二维图像获取拍摄区域中目标对象(例如，人脸)的深度图信息，基于在投射所述均匀光下拍摄的二维图像获取所述目标对象的轮廓信息。

首先对获取目标对象深度信息的拍摄进行描述，上述拍摄是在结构光发生器10点亮且均匀光投射装置20关闭的情况下进行的。三维图像(或是深度图像)可以由处理器从彼此具有视差的第一二维图像和第二二维图像中获取，第一二维图像与第二二维图像既可以为静态图像，也可以为动态图像。

结构光发生器10能够向拍摄区域投射结构光，例如离散光束，所述离散光束被调制以在拍摄区域中形成多个离散斑点。例如，照射在用于解锁智能电话的人脸上的离散斑点。在一个实施例中，该离散斑点可以是能被从其周围预定空间范围内的其它离散斑点中识别出的离散斑点。

第一成像单元30用于对拍摄区域进行拍摄以获得第一二维图像。第二成像单元40，与第一成像单元30之间具有预定相对位置关系，用于对拍摄区域进行拍摄以获得第二二维图像。离散斑点可以被编码。虽然第一成像单元30与第二成像单元40可以相继对二维图像进行捕获，但优选同时捕获第一和第二二维图像以实现对深度信息的准确求取。

在本实用新型中，由于投射离散光斑的目的可以只是为了增加被测对象表面可识别的特征纹理，并且也无需使用参考面纹理序列数据，因此即使是多台设备同时使用而导致离散光斑发生交联投影也不影响对被测对象空间三维信息的测量。

进一步地，第一成像单元30和第二成像单元40可以为两个阵列式图像传感器，例如，CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)，可以将物像聚焦到第一成像单元30和第二成像单元40的表面，从而转化为可处理的数字信号。同时第一成像单元30和第二成像单元40例如可以通过带通滤光片来使得仅允许第一投射装置10所在工作波长的激光通过，除此之外的其他波长的光线均被截止，这样能够防止工作激光的照明强度湮没在其他波长的环境光照中，起到抗干扰作用。在一个实施例中，结构光发生器10投射红外光，例如，940nm的红外光。由于在太阳光谱中所占成分很小，因此940nm红外光不易受到环境光的影响。

其次，对获取目标对象轮廓信息的拍摄进行描述，这一拍摄是在结构光发生器10关闭且均匀光投射装置20点亮的情况下进行的。

均匀光投射装置20可以是点光源或是面光源，例如，LED阵列，其能够向拍摄区域投射基本均匀的均匀光。上述均匀光可以照亮位于拍摄区域内的特定对象，例如，想要解锁智能电话的用户的脸部。可以在均匀光投射装置20点亮时对拍摄区域进行拍摄，以获取包含用户脸部的二维图像。处理器可以对在该均匀光照射下的图像进行处理，以提取进行人脸识别所需的信息，例如，拍摄区域中人脸的轮廓位置信息。

上述均匀光可以照亮拍摄区域中的目标对象，这时对拍摄区域中的目标对象进行拍摄，由此确保至少在低光照条件下对目标对象信息的准确获取。在一个实施例中，均匀光投射装置20可以投射红外光，并由例如配备有带通滤波器的成像装置对投射了均匀红外光的拍摄区域进行成像，由此能够在避免可见光干扰的情况下进行目标对象拍摄。优选地，投射的红外光也可以是940nm红外光，以便在照亮目标对象的同时最小化自然光的影响(例如，在阳光强烈的室外)。另外，在人脸识别的应用场景中，940nm红外光对人体皮肤下的毛细血管有很好的显影作用(氧合血红蛋白对940nm光照吸收多，会呈现偏暗的颜色)，因此能够进一步避免在例如使用诸如树脂的特效化妆物对目标人脸进行恶意模仿时，人脸被错误识别的概率。

虽然如上结合图9描述了包括均匀光投射装置的双目测量头，但本领域技术人员应该理解的是，上述均匀光投射装置不是深度数据测量所必须的，并且本实用新型的结构光发生器也适用于单目实现。在一个实施例中，深度数据测量头可以包括前述结构光发生器以及与其有预定相对位置关系的成像单元，后者用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的二维图像。

如上所述，上述测量头和可以与基于所述二维图像以及所述预定相对位置计算所述拍摄区域中目标对象的深度数据的处理器相结合，以实现深度数据测量装置。本实用新型在此不再展开。

上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的结构光发生器。该结构光发生器通过引入合理排布的VCSEL，能够实现可以比拟边沿发射型激光器的高功率光束。由于VCSEL的激光垂直于顶面射出且光电转化率高，因此相比于现有的基于边沿发射型激光二极管的结构光发生器，能够实现更为紧凑的布局、更低的功耗和成本以及更小的发热量。另外，由于VCSEL的合成光束能够直接模仿现有边沿发射型激光二极管的出射光束，因此可以直接使用针对现有边沿发射型激光二极管的DOE设计。并且由于结构光图案由DOE而非VCSEL的具体排布实现，因此适用于更为灵活的结构光应用场景。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。