3D結構光

3D結構光

3D結構光的整個系統包含結構光投影設備、攝像機、圖像採集和處理系統。其過程就是投影設備發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，拍攝圖像經採集處理系統處理後獲得被測物體表面數據。在這個系統中，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於物體表面的深度，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 紅外發射器

紅外光發射部分是整個3D視覺重要的組件之一，用於發射經過特殊調製的不可見紅外光至拍攝物體，其發射圖像的質量對整個識別效果至關重要。

採用結構光方案的 3D 視覺相比於 TOF 方案要複雜得多，主要是結構光方案需要採用 pattern 圖像（如激光散斑等）進行空間標識，因此需要定製的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）發射模組的工作流程主要爲：

1）不可見紅外光發射源（激光器或者LED）發射出不可見紅外光；2）不可見紅外光通過準直鏡頭進行校準；3）校準後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。因爲散斑圖案發射角度有限，所以需要光柵將散斑圖案進行衍射“複製”後，擴大其投射角度。因此IR發射模組主要部件包括：不可見紅外光發射源（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（邊發射激光二極管）和VCSEL（垂直腔面發射激光器）。

VCSEL 可以說是紅外激光LD的一種，全名爲垂直共振腔表面放射激光器，顧名思義，它採用垂直髮射模式，與其他紅外LD的邊發射模式不同。

VCSEL的垂直結構更加適合進行晶圓級製造和封測，規模量產之後的成本相比於邊發射LD有優勢，可靠性高，沒有傳統的激光器結構如暗線缺陷的失效模式。相比於LED，VCSEL的光譜質量高，中心波長溫漂小，響應速度快，優勢明顯。

邊發射EEL激光二極管LD結構圖

垂直髮射模式VCSEL結構圖

三種主流近紅外光發射光源優劣對比：

綜合分析三種方案，LED 雖然成本低，但是發射光角度大，必須輸出更多的功率以克服損失。此外，LED 不能快速調製，限制了分辨率，需要增加閃光持續時間；邊發射LD 也是手勢識別的可選方案（如DFB），但是輸出功率固定，邊緣發射的模式在製造工藝方面兼容性不好；VCSEL 比 LD-EEL 的優勢在於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
GHz），與化合物半導體工藝兼容，適合大規模集成製造。尤其是 VCSEL 功耗低、可調頻率高、垂直髮射的優點，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，是指晶元級鏡頭製造技術和工藝。與傳統光學器件的加工技術不同，WLO 工藝在整片玻璃晶元上，用半導體工藝批量複製加工鏡頭，多個鏡頭晶元壓合在一起，然後切割成單顆鏡頭，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。傳統光學鏡頭與晶圓級鏡頭對比

在 3D 視覺發射端結構複雜的情況下，光學器件採用 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，採用半導體工藝在大規模量產之後具有成本優勢，是未來標準化的光學透鏡組合的最佳選擇。

由於WLO 工藝由於是採用半導體工藝和設計思路進行光學器件的製造，因此整個流程更加複雜，無論是設計流程還是加工環節，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對於結構光方案至關重要

在3D視覺結構光方案中，經過準直鏡頭校準後的激光束並沒有特徵信息，必須採用特定的 pattern 光學圖案（如激光散斑等）實現深度信息的測量，因此下一步需要對激光束進行調製，使其具備特徵結構，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後，通過DOE進行散射，即可得到所需的散斑圖案。由於DOE對於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“複製”後，擴大其投射角度。

DOE 衍射光學元件（Diffractive Optical
Elements）是基於光的衍射原理，利用計算機輔助設計，並通過半導體芯片製造工藝，在基片上（或傳統光學器件表面）刻蝕產生臺階型或連續浮雕結構（一般爲光柵結構），形成同軸再現、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散角和形成光斑的形貌，實現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紅外接收部分主要爲一顆紅外攝像頭，用於接收被物體反射的紅外光，採集空間信息。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）由於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複雜，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 特製紅外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發送端，VCSEL發射的是940nm波長的紅外光，因此在接受端需要將940nm以外的環境光剔除，讓接受端的特製紅外CMOS只接收到940nm的紅外光。爲達到這一目的，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。窄帶濾光片主要採用干涉原理，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。

2.3 接收端鏡頭（Lens）

接收端鏡頭爲普通鏡頭，業內方案成熟，各個廠商都能提供。

總體而言，接收端除窄帶濾波片較特殊，製造難度較高外，特製紅外CMOS和鏡頭都是成熟產品，不存在製造難度。

3 可見光攝像頭

可見光鏡頭模組，採用普通鏡頭模組，用於2D彩色圖片拍攝，非新增業務。

在 3D 視覺體系中，無論是結構光方案，還是 TOF 方案，紅外光線的作用都是採集深度 Z 軸信息，從而確定物體的景深信息，而物體的平面 XY 軸信息需要藉助普通可見光攝像頭進行採集。

4 圖像處理芯片

圖像處理芯片，將普通鏡頭模組拍攝的2D彩色圖片和IR接收模組獲取的3D信息集合，通過複雜的算法將IR接收端採集的空間信息和鏡頭成像端採集的色彩信息相結合，生成具備空間信息的三維圖像。

該芯片設計壁壘高，尤其是算法層面的要求較高，需要根據3D視覺方案處理深度信息，目前僅有少數幾家公司擁有該技術。

好了，3D成像技術的硬件構成我們全部拆解清楚了，總結成下圖，有了這個基礎，再找其供應商就是對號入座的事情了。