一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像設(shè)備及其光投射設(shè)備，尤其涉及一種通過提供光轉(zhuǎn)向元件從而改變從光源發(fā)出的光的投射路徑，以減小其厚度并且便于安裝的轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在先進(jìn)的電子設(shè)備領(lǐng)域，尤其是類似于手機(jī)等設(shè)備上集成了更多的功能，而電子設(shè)備上典型的輸入、輸出設(shè)備，也日漸從鍵盤、鼠標(biāo)等單獨(dú)設(shè)備集成到一體，從而更加多樣化、立體化的設(shè)備也能集合到一個設(shè)備上。
[0003]正在日趨流行，也代表了未來趨勢的一個做法，就是將原來的只是作為輸入設(shè)備的攝像頭成為一個更加具有廣度和深度功能的設(shè)備。經(jīng)過近十年的發(fā)展，基本上大多數(shù)的常見電子設(shè)備，尤其是手機(jī)、電視、電腦等，都已經(jīng)配備了攝像頭，而通過傳統(tǒng)攝像頭的功能能夠?qū)崿F(xiàn)一些攝像、捕捉簡單動作等功能，也已經(jīng)大大的方便了人們的生活。而未來的趨勢則是，攝像頭不僅僅是從一個平面上收集信號，而是實現(xiàn)三維立體成像，并進(jìn)一步實現(xiàn)測量、制圖等深度拓展功能。
[0004]市面上已經(jīng)有一種相對成熟的立體成像技術(shù)——結(jié)構(gòu)光技術(shù)。結(jié)構(gòu)光技術(shù)是一種主動式光學(xué)測量方法。其基本原理是由結(jié)構(gòu)光投射器向被測物體表面投射可控制的光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器(如攝像機(jī))獲得圖像，通過系統(tǒng)幾何關(guān)系，利用三角測量法計算得到物體的三維坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光測量方法具有計算簡單、體積相對較小、價格低、大盆程、便于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)，在實際三維輪廓測量中被廣泛使用。
[0005]其常見的一種方式是通過投射裝置作為光源投射出光線，光線透過特定的光柵圖樣，再經(jīng)由一組鏡頭，投射裝置發(fā)出的光線會投射到被測物體表面，而因為透過光柵圖樣標(biāo)記的柵像會產(chǎn)生折射，柵像的相位和振幅受到物面高度的調(diào)制使柵像發(fā)生變形，而接收裝置可以觀察到由于受物體高度的調(diào)制而變形的柵像，這種柵像變形可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信號。這種變形的柵像被采集并通過處理器對其進(jìn)行解調(diào)，得出相位信息，并根據(jù)三角測量法等算法被準(zhǔn)確的算出特定的高度、深度信息。
[0006]具體的說明，首先，常見的投射裝置的光源，主要為垂直腔面發(fā)射激光器、激光二極管、發(fā)光二極管等，這種光源發(fā)射器的主要特征集中在發(fā)射光線均勻、光功率足夠強(qiáng)。
[0007]所述投射裝置的光源發(fā)射出去的光線首先要經(jīng)過一個光柵，光柵是一種可以使射入的光的振幅或相位(或兩者同時)受到周期性空間調(diào)制的光學(xué)元件。光柵每單位長度內(nèi)的刻痕多少，主要取決于所分光的波長范圍(兩刻痕距離應(yīng)與該波長數(shù)量級相近)，單位長度內(nèi)的刻痕多，色散度越大。光柵的分辨性能取決于刻痕多少。通常所用的光柵，是采用了衍射效應(yīng)對光進(jìn)行調(diào)制的衍射光柵。光柵的設(shè)計與該三維成像裝置后臺算法相關(guān)聯(lián)。
[0008]然后，經(jīng)過光柵調(diào)制的光線投射到一組透鏡上，該組透鏡可以使經(jīng)受光柵調(diào)制的光產(chǎn)生折射。常見的透鏡是通過復(fù)式鏡頭的形式，將若干不同形式和功能的凸凹透鏡組成一個會聚的透鏡。但是由于透鏡自身需要采用多個凸凹透鏡組合的方式，空間體積，尤其是堆疊出來的厚度較大，對于現(xiàn)有的鏡頭模組來說，是整個鏡頭模組的厚度的重要部分。而光源、光柵以及透鏡，三者總和形成的厚度較大，導(dǎo)致現(xiàn)有的三維成像裝置無法向更加薄型化的方向發(fā)展，從而難于應(yīng)用在追求輕薄化的手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦等電子移動設(shè)備上。
[0009]經(jīng)過該透鏡匯聚后的經(jīng)光柵調(diào)制的光線發(fā)射到外部，照射到目標(biāo)物體表面產(chǎn)生反射，同時有一接收裝置能夠收集到該種產(chǎn)生了相位和振幅變化的經(jīng)光柵調(diào)制的光信號，再經(jīng)過一后臺處理器的處理、解調(diào)等步驟，依據(jù)三角測量法等運(yùn)算原理，能夠測算出目標(biāo)物體表現(xiàn)的多個點(diǎn)甚至運(yùn)動的點(diǎn)的距離、高度信息，從而形成一個具有三維立體感的圖像信息，并且可以將這些點(diǎn)的信息匯集到一張圖像上，形成一個具有深度、高度等信息的立體的圖像。
[0010]更具體地，參考圖1和圖2中所示是現(xiàn)在技術(shù)中的一種三維成像裝置的投射裝置10’。如圖1所示，所述投射裝置10’包括依次排列的一光源11’，一光柵12’，一組透鏡組13’和一射出透鏡14’。而這個現(xiàn)有的三維成像裝置中，尤其是投射裝置10’中的光學(xué)總長主要呈現(xiàn)為所述射出透鏡14’到所述光源11’之間的距離。那么，不同于一般的鏡頭，這種投射裝置10’的光學(xué)結(jié)構(gòu)分為多層，各層結(jié)構(gòu)都相對不可缺少，那么該三維成像裝置會比一般情況下由至少一透鏡、一接收裝置為主構(gòu)成的普通鏡頭而言，會占用更大的體積。如圖2中所示，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)中的三維成像裝置的投射裝置10’安裝于電子移動設(shè)備40’如手機(jī)中時，所述光源11’，所述光柵12’，所述一組透鏡13’和所述射出透鏡14’沿著線性排列，其厚度T’會增大手機(jī)的厚度t’。也就是說，按照傳統(tǒng)的三維成像裝置的投射裝置10’的結(jié)構(gòu)，其只能沿著手機(jī)的厚度t’方向排列，從而增大了手機(jī)的厚度t’，這樣這種三維成像裝置的投射裝置10’不適合于安裝于輕薄化的手機(jī)中。
[0011]另外，因為電子移動設(shè)備，如圖2所示的用于安裝這種三維成像裝置的手機(jī)，其內(nèi)部空間有限，從而不容易為所述光源11’配置散熱機(jī)制。也就是說，傳統(tǒng)三維成像裝置的投射裝置10’針對其散熱問題的解決方案，只會進(jìn)一步的增加該三維成像裝置的投射裝置10’的體積以及厚度。
[0012]而該種立體圖像具有廣泛的應(yīng)用前景，可以簡化測量的步驟，節(jié)省測量時間，并且測量的精密程度和效果都有提升，再經(jīng)過進(jìn)一步的處理，還可以衍生出多種嶄新的應(yīng)用方式。而該種立體成像設(shè)備，在目前為止，仍受限于體積等因素，往往是應(yīng)用在單獨(dú)設(shè)備上，而不適合應(yīng)用于追求輕薄化的手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦等電子設(shè)備上，從而影響了三維成像的進(jìn)一步的普及與應(yīng)用。所以，如何將該種立體三維成像裝置進(jìn)一步的薄型化，并且在進(jìn)一步減小厚度從而薄型化的過程中克服應(yīng)運(yùn)而生的各種問題，也就成為了本發(fā)明所要致力于解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的主要目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其通過提供光轉(zhuǎn)向元件從而改變從光源發(fā)出的光的投射路徑，以減小所述投射裝置的厚度并且便于安裝。
[0014]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，因為其厚度有效地降低，其適合安裝于追求輕薄化的手機(jī)、筆記本電腦和平板電子設(shè)備如平板電腦等電子移動設(shè)備。
[0015]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中從所述光源發(fā)出的光線經(jīng)過光柵和聚光透鏡組后，再到達(dá)所述光轉(zhuǎn)向元件后產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，最后從射出透鏡投射出去，這樣，所述投射裝置的有效厚度對應(yīng)于所述光轉(zhuǎn)向元件以及所述射出透鏡的總厚度，從而相對于現(xiàn)有技術(shù)中由各層疊加的光源、光柵、聚光透鏡組和射出透鏡所決定的投射裝置的厚度顯著地得到減少。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中所述投射裝置的所述光轉(zhuǎn)向元件和所述射出透鏡沿著電子移動設(shè)備的厚度方向配置，而所述光源，所述光柵和所述透鏡組可以沿著電子移動設(shè)備的長度方向(高度方向)或?qū)挾确较蚺渲?，這樣所述轉(zhuǎn)光三維成像裝置的所述投射裝置更適合于安裝于輕薄化的電子移動設(shè)備中。
[0017]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中所述光轉(zhuǎn)向元件可以反射和/或折射來自所述光源的光，從而使來自所述光源的光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最終從所述射出透鏡投射出去。
[0018]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中所述射出透鏡可以不與所述聚光透鏡組，所述光柵和所述光源呈線性地排列。也就是說，本發(fā)明的所述投射裝置不是層層累積疊加而形成的規(guī)則直線形狀，而是具有轉(zhuǎn)折部，所述轉(zhuǎn)折部的厚度決定了所述投射裝置的厚度，從而使所述轉(zhuǎn)光三維成像裝置的所述投射裝置的厚度有效地減小。
[0019]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中因為所述投射裝置的所述光源不沿著厚度方向配置，這樣所述投射裝置可以被提供更多的利用空間，這樣所述投射裝置的投射光源發(fā)熱問題可以得到有效解決，所述投射裝置可以安裝在利于散熱的金屬底架上并通過一后臺處理器輔助光學(xué)矯正因光源發(fā)熱導(dǎo)致的波長漂移等偏差。
[0020]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中所述轉(zhuǎn)光三維成像裝置的各個裝置包括所述投射裝置，其厚度減少到6_以下，從而完全可以整體地安裝于電子移動設(shè)備的內(nèi)部。
[0021]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中所述轉(zhuǎn)光三維成像裝置的所述投射裝置和接收裝置的朝向能夠與電子移動設(shè)備的顯示設(shè)備同向或者反向，從而大大的增強(qiáng)所述三維成像裝置的應(yīng)用范圍并且優(yōu)化使用感受。
[0022]本發(fā)明的另一目的在于提供一種轉(zhuǎn)光三維成像裝置及其投射裝置和方法，其中所述轉(zhuǎn)光三維成像裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
[0023]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供一種轉(zhuǎn)光投射裝置，以用于在三維成像裝置中產(chǎn)生投射光，其包括:
[0024]一光源，以用于發(fā)射所述投射光；
[0025]一光柵，以用于對所述投射光進(jìn)行振幅和/或相位的調(diào)制；
[0026]一聚光透鏡組，以用于折射并匯聚所述投射光；
[0027]—射出透鏡，以用于向外投射所述投射光，以及
[0028]一光轉(zhuǎn)向元件，以用于使所述投射光產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，其中經(jīng)過所述光轉(zhuǎn)向元件的轉(zhuǎn)向作用后，所述光源發(fā)射的所述投射光穿過所述射出透鏡從所述轉(zhuǎn)光投射裝置的側(cè)面投射到所述轉(zhuǎn)光投射裝置的外部。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述轉(zhuǎn)光投射裝置中，所述光轉(zhuǎn)向元件設(shè)于所述聚光透鏡組與所述射出透鏡的光路之間，從而所述光源發(fā)射的所述投射光經(jīng)過所述光柵，并經(jīng)所述聚光透鏡組折射并匯聚后，到達(dá)所述光轉(zhuǎn)向元件，然后經(jīng)所述光轉(zhuǎn)向元件的轉(zhuǎn)向作用，最后從所述射出透鏡射出所述轉(zhuǎn)光投射裝置。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述轉(zhuǎn)光投射裝置中，所述光轉(zhuǎn)向元件具有一反射面，到達(dá)所述光轉(zhuǎn)向元件的至少一部分所述投射光經(jīng)反射后從所述射出透鏡射出所述轉(zhuǎn)光投射裝置。
[0031 ] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述轉(zhuǎn)光投射裝置中，所述光轉(zhuǎn)向元件包括一折光透鏡，到達(dá)所述光轉(zhuǎn)向元件的至少一部分