浅谈3D结构光原理和典型可见光摄像头基本构成

浅谈3D结构光原理

3D结构光

3D结构光的整个系统包含结构光投影设备、摄像机、图像采集和处理系统。其过程就是投影设备发射光线到被测物体上，摄像机拍摄在被测物体上形成的三维光图形，拍摄图像经采集处理系统处理后获得被测物体表面数据。在这个系统中，当相机和投影设备相对位置一定时，投射在被测物体上的光线畸变程度取决于物体表面的深度，所以在拍摄图像中可以得到一张拥有深度的光线图像。

3D结构光的根本就是通过光学手段获取被拍摄物体的三维结构，再通过这一信息进行更深度的应用。

1 红外发射器

红外光发射部分是整个3D视觉重要的组件之一，用于发射经过特殊调制的不可见红外光至拍摄物体，其发射图像的质量对整个识别效果至关重要。
采用结构光方案的 3D 视觉相比于 TOF 方案要复杂得多，主要是结构光方案需要采用 pattern 图像（如激光散斑等）进行空间标识，因此需要定制的DOE（衍射光栅）和 WLO（晶圆级光学透镜，包括扩束元件、准直元件、投射透镜等）。但实际上WLO要视情况而定，在我从事的VCSEL项目中，就只有准直Lens，没有扩束元件和投射透镜。

整个不可见光红外线（IR）发射模组的工作流程主要为：

1）不可见红外光发射源（激光器或者LED）发射出不可见红外光；2）不可见红外光通过准直镜头进行校准；3）校准后的不可见红外光通过光学衍射元件（DOE）进行散射，进而得到所需的散斑图案。因为散斑图案发射角度有限，所以需要光栅将散斑图案进行衍射“复制”后，扩大其投射角度。因此IR发射模组主要部件包括：不可见红外光发射源（激光器或者LED）、准直镜头（WLO）、光学衍射元件（DOE）。
1.1 近红外光源选择，VCSEL是最佳方案
目前，可以提供 800-1000nm 波段的近红外光源主要有三种：红外LED、红外LD-EEL（边发射激光二极管）和VCSEL（垂直腔面发射激光器）。
VCSEL 可以说是红外激光LD的一种，全名为垂直共振腔表面放射激光器，顾名思义，它采用垂直发射模式，与其他红外LD的边发射模式不同。
VCSEL的垂直结构更加适合进行晶圆级制造和封测，规模量产之后的成本相比于边发射LD有优势，可靠性高，没有传统的激光器结构如暗线缺陷的失效模式。相比于LED，VCSEL的光谱质量高，中心波长温漂小，响应速度快，优势明显。         

边发射EEL激光二极管LD结构图

垂直发射模式VCSEL结构图

三种主流近红外光发射光源优劣对比：

综合分析三种方案，LED 虽然成本低，但是发射光角度大，必须输出更多的功率以克服损失。此外，LED 不能快速调制，限制了分辨率，需要增加闪光持续时间；边发射LD 也是手势识别的可选方案（如DFB），但是输出功率固定，边缘发射的模式在制造工艺方面兼容性不好；VCSEL 比 LD-EEL 的优势在于所需的驱动电压和电流小，功耗低，光源可调变频率更高（可达数 GHz），与化合物半导体工艺兼容，适合大规模集成制造。尤其是 VCSEL 功耗低、可调频率高、垂直发射的优点，使其比 LD-EEL 更加适合消费电子智能终端。

1.2 晶圆级光学元件WLO是核心组件

WLO 晶圆级光学器件，是指晶元级镜头制造技术和工艺。与传统光学器件的加工技术不同，WLO 工艺在整片玻璃晶元上，用半导体工艺批量复制加工镜头，多个镜头晶元压合在一起，然后切割成单颗镜头，具有尺寸小、高度低、一致性好等特点。光学透镜间的位置精度达到 nm 级。传统光学镜头与晶圆级镜头对比

在 3D 视觉发射端结构复杂的情况下，光学器件采用 WLO 工艺，可以有效缩减体积空间，同时器件的一致性好，光束质量高，采用半导体工艺在大规模量产之后具有成本优势，是未来标准化的光学透镜组合的最佳选择。

由于WLO 工艺由于是采用半导体工艺和设计思路进行光学器件的制造，因此整个流程更加复杂，无论是设计流程还是加工环节，都需要更加先进的设计思路和更加精细的加工处理。

1.3 DOE对于结构光方案至关重要
在3D视觉结构光方案中，经过准直镜头校准后的激光束并没有特征信息，必须采用特定的 pattern 光学图案（如激光散斑等）实现深度信息的测量，因此下一步需要对激光束进行调制，使其具备特征结构，光学衍射元件（DOE）就是用来完成这一任务的。
VCSEL射出的激光束经准直后，通过DOE进行散射，即可得到所需的散斑图案。由于DOE对于光束进行散射的角度（FOV）有限，所以需要光栅将散斑图案进行衍射“复制”后，扩大其投射角度。

DOE 衍射光学元件（Diffractive Optical Elements）是基于光的衍射原理，利用计算机辅助设计，并通过半导体芯片制造工艺，在基片上（或传统光学器件表面）刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构（一般为光栅结构），形成同轴再现、且具有极高衍射效率的一类光学元件。通过不同的设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌，实现光束形成特定图案的功能。

2 不可见光红外线（IR）接收模组
在3D结构光方案中，RX红外接收部分主要为一颗红外摄像头，用于接收被物体反射的红外光，采集空间信息。该红外摄像头主要包括三部分：红外CMOS传感器、光学镜头、红外窄带干涉滤色片。在基本结构上与目前主流的可见光摄像头类似，但是在具体的零部件方面存在差异：
1）可见光CMOS传感器需要识别RGB三色，对分辨率的要求高，红外CMOS只需要识别近红外光，分辨率要求不高；
2）可见光摄像头需要红外截止滤色片将红外光截止掉，只通过可见光，而红外摄像头只通过特定波段的近红外光，而将可见光截止掉，因此需要窄带滤色片；
3）由于可见光摄像头对图像分辨率要求高，因此光学镜头的设计非常复杂，红外摄像头对光学镜头的要求不高。
红外摄像头主要结构

典型可见光摄像头基本构成

2.1 特制红外CMOS

在 3D 视觉方案中，红外 CMOS的要求是其能接受被拍摄物体发射回来的红外散斑图案，不需要对其他波长的光线进行成像。

2.2窄带滤光片
在IR发送端，VCSEL发射的是940nm波长的红外光，因此在接受端需要将940nm以外的环境光剔除，让接受端的特制红外CMOS只接收到940nm的红外光。为达到这一目的，需要用到窄带滤光片。
所谓窄带滤光片，就是在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止。窄带滤光片主要采用干涉原理，需要几十层光学镀膜构成，相比普通的RGB吸收型滤光片具有更高的技术难度和产品价格。这个镜片在国内，很大部分由水晶光电提供。

2.3 接收端镜头（Lens）

接收端镜头为普通镜头，业内方案成熟，各个厂商都能提供。

总体而言，接收端除窄带滤波片较特殊，制造难度较高外，特制红外CMOS和镜头都是成熟产品，不存在制造难度。

3 可见光摄像头

可见光镜头模组，采用普通镜头模组，用于2D彩色图片拍摄，非新增业务。
在 3D 视觉体系中，无论是结构光方案，还是 TOF 方案，红外光线的作用都是采集深度 Z 轴信息，从而确定物体的景深信息，而物体的平面 XY 轴信息需要借助普通可见光摄像头进行采集。 

4 图像处理芯片

图像处理芯片，将普通镜头模组拍摄的2D彩色图片和IR接收模组获取的3D信息集合，通过复杂的算法将IR接收端采集的空间信息和镜头成像端采集的色彩信息相结合，生成具备空间信息的三维图像。

该芯片设计壁垒高，尤其是算法层面的要求较高，需要根据3D视觉方案处理深度信息，目前仅有少数几家公司拥有该技术。

好了，3D成像技术的硬件构成我们全部拆解清楚了，总结成下图，有了这个基础，再找其供应商就是对号入座的事情了。

编辑：黄飞