[发明专利]生成结构光

说明书

结构光投影系统包括发光器件的阵列，其被配置成发射光的图案。投影透镜被配置成从阵列接收光的图案并将其投影到第一光学元件。第一光学元件改变光的图案以产生不规则的光的第一发射图案。光的第一发射图案被传输到第二光学元件，第二光学元件被配置成接收光的第一图案并沿着第二发射图案再现第一发射图案，第二发射图案包括以平铺图案排列的第一发射图案的多个实例。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月18日提交的美国临时专利申请第62/533,992号的利益和优先权，该临时专利申请由本申请的受让人所有，并通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及光投影系统以及用于产生结构光图案的方法和装置。

背景技术

光投影系统在各种应用中用于在表面上投射光的图案。例如，已知的光投影系统可用于确定物体的三维(3D)形状。在已知的用于三维形状测量或三维映射的方法中，结构光图案首先投影到对象表面上。记录被物体高度分布相位调制的条纹图案的图像，然后用于计算相位调制，对其应用一种算法来获得与物体高度变化成比例的相位分布。最后，从相位分布出发，构造出真实世界的坐标。通常，由于随后的相位调制计算和相位分布的确定，在用于3D形状测量的方法中使用不规则图案的结构光图案是有利的。

先前用于3D形状测量的光投影系统包括发光元件，其可以是发光二极管(LED)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)二极管，以及将所发射的光图案投影到表面的装置。光投影系统可以使用投影透镜或附加的光学元件以将所发射的光图案投影到表面上，或者改变所发射的光图案然后将其投射到表面上。这种光学元件可以是衍射光学元件(DOE)。DOE被配置成对入射光束或光的图案进行衍射而以预定方式生成输出图案。通过使用DOE，入射光或光的图案可以被对准，或被成形成不同强度的图案，并且具有比入射光或光的图案更低的输出能量。

发明内容

如上所述，不规则的光图案在用于三维形状测量的方法中提供了优势。然而，制造被配置成产生不规则的光图案的光的阵列是昂贵的。本发明提供一种结构光系统，该结构光系统不需要不规则的发光器件的阵列，而是依赖于光学元件从发射规则图案的发光器件的阵列创建不规则发射的光图案。

使用光学元件来获得光的不规则图案，不仅避免了与制造不规则的发光器件的阵列相关的成本，而且还显示出相对于用于产生光的不规则图案的其他替代解决方案的优势。例如，人们可以使用被配置成产生光的规则图案的光的阵列，并选择性地选择阵列中的哪个发光器件来打开或关闭以产生光的不规则图案；然而，这种替代方案将不利地增加由结构光系统消耗的功率。

本发明的结构光投影系统可以包括发光器件的阵列，其可以被配置成发射光的图案。光的图案由第一光学元件接收，第一光学元件被配置成改变光的图案以产生不规则的光的第一发射图案。然后，光的第一发射图案可以被传输到第二光学元件，第二光学元件被配置成接收光的第一图案并沿着第二发射图案再现第一发射图案，第二发射图案包括以平铺图案排列的第一发射图案的多个实例。

产生结构光图案的方法包括从发光器件的阵列发射光的图案，使用第一光学元件改变该图案以产生光的第一发射图案，以及沿着第二发射图案再现光的第一发射图案。

所描述的系统和方法的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。除非另有说明，否则在下面描述的系统和方法中，可以包括各种特征中的任何一个都或者各种特征中的任何一个都可以以彼此的任何组合来实现。

系统和方法可以进一步包括投影透镜系统，投影透镜系统被配置成接收从发光器件的阵列发射的光并将光投影到第一光学元件。

在一些实施方式中，发光器件的阵列包括发光器件的栅格。例如，栅格可以包括12乘9的发光器件的栅格。

在一些实施方式中，发光器件包括VCSEL。