[发明专利]使用动态结构光的三维深度映射

说明书

用于产生用于在三维空间中的光学追踪的动态结构光图案的设备，包括激光器的阵列，如VCSEL激光器阵列，以按图案透射光至三维空间中；以及布置在单元中的光学元件或者多个光学元件。该单元与该激光器阵列的子集对齐，并且每个单元单独地对来自该子集的激光器或多个激光器的光施加调制，特别是强度调制，以提供动态结构光图案的能区别的和能分离控制的部分。公开了产生结构光图案的方法，其中，从激光器的阵列提供光，并且从激光器的阵列的子集单独地投射光以提供结构光图案的区分部分。

技术领域

本发明涉及使用结构光的三维深度映射，并且更加具体而非排它地，涉及用于追踪的系统以便提供至计算机或者类似装置的输入。

背景技术

为了提供至计算机、或者其他计算装置的输入的追踪，包括这种普遍存在的技术如计算机鼠标。还可获得在计算机前面的在三维领域中的触针和手指的追踪并且使用各种追踪技术如视觉成像和IR成像以及超声。术语‘追踪’可以是指跟随对象的位置和运动，并且包括将追踪计算机接收的输入进行处理以便确定位置或者运动。因此在计算机鼠标的情况下，追踪可以包括处理鼠标输出以确定运动。在经视觉地跟随对象的情况下，术语追踪可以包括连续帧捕捉对象的成像处理。

一种映射法简单地使用相机以观察和处理场景。相机可以跟随放置在场景中的特定标志，或者成像系统可以寻找特别可识别的特征如手指。

这种视觉成像的缺点包括，要求三维区域是足够照亮的。此外，可以进行追踪的唯一特征是可提前识别的特征，并且与特征识别结合的运动追踪可能不能给出精确的结果。

为了克服以上问题，引入了使用结构光的追踪。将已知的像素的图案投射至发生追踪的空间上。图案在引人注意的表面上变形的方式允许视觉系统计算在场景中的对象的深度和表面信息。使用的典型图案是格网或者水平棒。各种装置使用结构光图案以使得能够使用手势识别和3D深度映射。该结构光图案传输器包括激光发射器和衍射光学元件(DOE)。

与投影仪相比，投射窄频带的光至三维成型的表面上产生从其他视角看起来变形的光线，并且可以用于表面形状的几何学重建。

一种更快并且更加通用的方法是投射由许多条带或者任意的条纹同时组成的图案，这允许同时地获取众多样品。从不同的观察点看出，由于对象的表面形状，该图案看起来是几何变形的。

尽管结构光投射的许多其他变体是可能的，但是广泛地使用平形条带的图案。条带的位移允许在对象表面上的任何细节的3D坐标的精确检索。

一种条带图案产生的已知方法是激光干涉法，其利用两个宽平面的激光束前部(laser beam fronts)。光束前部之间的干涉导致有规律的、等距的线形图案。通过改变这些光束之间的角度可以获得不同的图案尺寸。该方法允许精确和容易地产生具有无限制的视场深度的非常精细的图案。缺点是执行的高成本，提供理想的光束几何形状的困难，以及激光器典型的影响，如散斑噪声以及与由对象反射的部分光束的可能的自干扰。此外，不存在调制单独的条带的方法，如利用格雷码(Gray code)。

具体地，使用单一源发射器如矢线(edge)发射器激光二极管的劣势是，事实上其产生的光图案可以仅仅作为单一单元受到控制。这意味着可以将光图案全部地接通、关闭或者变暗淡，但是不能进行动态地改变。

使用不可见的光，如IR光，可以构造结构光图案。可替换地，高帧频可以致使结构光难以被使用者觉察到或者避免干涉计算机的其他视觉任务。

直立-腔表面-发射激光器，或者VCSEL是一种类型的半导体激光二极管，在其中激光束发射是垂直于顶部表面的，与由通过将单个芯片从晶片割开而形成的表面发射的常规的矢线-发射半导体激光器相反。