淺談3D結構光原理和典型可見光攝像頭基本構成

淺談3D結構光原理

3D結構光

3D結構光的整個系統(tǒng)包含結構光投影設備、攝像機、圖像采集和處理系統(tǒng)。其過程就是投影設備發(fā)射光線到被測物體上，攝像機拍攝在被測物體上形成的三維光圖形，拍攝圖像經采集處理系統(tǒng)處理后獲得被測物體表面數(shù)據。在這個系統(tǒng)中，當相機和投影設備相對位置一定時，投射在被測物體上的光線畸變程度取決于物體表面的深度，所以在拍攝圖像中可以得到一張擁有深度的光線圖像。

3D結構光的根本就是通過光學手段獲取被拍攝物體的三維結構，再通過這一信息進行更深度的應用。

1 紅外發(fā)射器

紅外光發(fā)射部分是整個3D視覺重要的組件之一，用于發(fā)射經過特殊調制的不可見紅外光至拍攝物體，其發(fā)射圖像的質量對整個識別效果至關重要。
采用結構光方案的 3D 視覺相比于 TOF 方案要復雜得多，主要是結構光方案需要采用 pattern 圖像（如激光散斑等）進行空間標識，因此需要定制的DOE（衍射光柵）和 WLO（晶圓級光學透鏡，包括擴束元件、準直元件、投射透鏡等）。但實際上WLO要視情況而定，在我從事的VCSEL項目中，就只有準直Lens，沒有擴束元件和投射透鏡。

整個不可見光紅外線（IR）發(fā)射模組的工作流程主要為：

1）不可見紅外光發(fā)射源（激光器或者LED）發(fā)射出不可見紅外光；2）不可見紅外光通過準直鏡頭進行校準；3）校準后的不可見紅外光通過光學衍射元件（DOE）進行散射，進而得到所需的散斑圖案。因為散斑圖案發(fā)射角度有限，所以需要光柵將散斑圖案進行衍射“復制”后，擴大其投射角度。因此IR發(fā)射模組主要部件包括：不可見紅外光發(fā)射源（激光器或者LED）、準直鏡頭（WLO）、光學衍射元件（DOE）。
1.1 近紅外光源選擇，VCSEL是最佳方案
目前，可以提供 800-1000nm 波段的近紅外光源主要有三種：紅外LED、紅外LD-EEL（邊發(fā)射激光二極管）和VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。
VCSEL 可以說是紅外激光LD的一種，全名為垂直共振腔表面放射激光器，顧名思義，它采用垂直發(fā)射模式，與其他紅外LD的邊發(fā)射模式不同。
VCSEL的垂直結構更加適合進行晶圓級制造和封測，規(guī)模量產之后的成本相比于邊發(fā)射LD有優(yōu)勢，可靠性高，沒有傳統(tǒng)的激光器結構如暗線缺陷的失效模式。相比于LED，VCSEL的光譜質量高，中心波長溫漂小，響應速度快，優(yōu)勢明顯。? ? ? ? ?

邊發(fā)射EEL激光二極管LD結構圖

垂直發(fā)射模式VCSEL結構圖

三種主流近紅外光發(fā)射光源優(yōu)劣對比：

綜合分析三種方案，LED 雖然成本低，但是發(fā)射光角度大，必須輸出更多的功率以克服損失。此外，LED 不能快速調制，限制了分辨率，需要增加閃光持續(xù)時間；邊發(fā)射LD 也是手勢識別的可選方案（如DFB），但是輸出功率固定，邊緣發(fā)射的模式在制造工藝方面兼容性不好；VCSEL 比 LD-EEL 的優(yōu)勢在于所需的驅動電壓和電流小，功耗低，光源可調變頻率更高（可達數(shù) GHz），與化合物半導體工藝兼容，適合大規(guī)模集成制造。尤其是 VCSEL 功耗低、可調頻率高、垂直發(fā)射的優(yōu)點，使其比 LD-EEL 更加適合消費電子智能終端。

1.2 晶圓級光學元件WLO是核心組件

WLO 晶圓級光學器件，是指晶元級鏡頭制造技術和工藝。與傳統(tǒng)光學器件的加工技術不同，WLO 工藝在整片玻璃晶元上，用半導體工藝批量復制加工鏡頭，多個鏡頭晶元壓合在一起，然后切割成單顆鏡頭，具有尺寸小、高度低、一致性好等特點。光學透鏡間的位置精度達到 nm 級。傳統(tǒng)光學鏡頭與晶圓級鏡頭對比

在 3D 視覺發(fā)射端結構復雜的情況下，光學器件采用 WLO 工藝，可以有效縮減體積空間，同時器件的一致性好，光束質量高，采用半導體工藝在大規(guī)模量產之后具有成本優(yōu)勢，是未來標準化的光學透鏡組合的最佳選擇。

由于WLO 工藝由于是采用半導體工藝和設計思路進行光學器件的制造，因此整個流程更加復雜，無論是設計流程還是加工環(huán)節(jié)，都需要更加先進的設計思路和更加精細的加工處理。

1.3 DOE對于結構光方案至關重要
在3D視覺結構光方案中，經過準直鏡頭校準后的激光束并沒有特征信息，必須采用特定的 pattern 光學圖案（如激光散斑等）實現(xiàn)深度信息的測量，因此下一步需要對激光束進行調制，使其具備特征結構，光學衍射元件（DOE）就是用來完成這一任務的。
VCSEL射出的激光束經準直后，通過DOE進行散射，即可得到所需的散斑圖案。由于DOE對于光束進行散射的角度（FOV）有限，所以需要光柵將散斑圖案進行衍射“復制”后，擴大其投射角度。

DOE 衍射光學元件（Diffractive Optical Elements）是基于光的衍射原理，利用計算機輔助設計，并通過半導體芯片制造工藝，在基片上（或傳統(tǒng)光學器件表面）刻蝕產生臺階型或連續(xù)浮雕結構（一般為光柵結構），形成同軸再現(xiàn)、且具有極高衍射效率的一類光學元件。通過不同的設計來控制光束的發(fā)散角和形成光斑的形貌，實現(xiàn)光束形成特定圖案的功能。

2 不可見光紅外線（IR）接收模組
在3D結構光方案中，RX紅外接收部分主要為一顆紅外攝像頭，用于接收被物體反射的紅外光，采集空間信息。該紅外攝像頭主要包括三部分：紅外CMOS傳感器、光學鏡頭、紅外窄帶干涉濾色片。在基本結構上與目前主流的可見光攝像頭類似，但是在具體的零部件方面存在差異：
1）可見光CMOS傳感器需要識別RGB三色，對分辨率的要求高，紅外CMOS只需要識別近紅外光，分辨率要求不高；
2）可見光攝像頭需要紅外截止濾色片將紅外光截止掉，只通過可見光，而紅外攝像頭只通過特定波段的近紅外光，而將可見光截止掉，因此需要窄帶濾色片；
3）由于可見光攝像頭對圖像分辨率要求高，因此光學鏡頭的設計非常復雜，紅外攝像頭對光學鏡頭的要求不高。
紅外攝像頭主要結構

典型可見光攝像頭基本構成

2.1 特制紅外CMOS

在 3D 視覺方案中，紅外 CMOS的要求是其能接受被拍攝物體發(fā)射回來的紅外散斑圖案，不需要對其他波長的光線進行成像。

2.2窄帶濾光片
在IR發(fā)送端，VCSEL發(fā)射的是940nm波長的紅外光，因此在接受端需要將940nm以外的環(huán)境光剔除，讓接受端的特制紅外CMOS只接收到940nm的紅外光。為達到這一目的，需要用到窄帶濾光片。
所謂窄帶濾光片，就是在特定的波段允許光信號通過，而偏離這個波段以外的兩側光信號被阻止。窄帶濾光片主要采用干涉原理，需要幾十層光學鍍膜構成，相比普通的RGB吸收型濾光片具有更高的技術難度和產品價格。這個鏡片在國內，很大部分由水晶光電提供。