CN106972347B - 用于3d成像的激光阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于3D成像的激光阵列、用于3D成像的激光阵列的图案设计方法、激光投影装置及3D成像设备，其中用于3D成像的激光阵列包括：在半导体衬底上以二维阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述二维阵列的排布方式是通过至少一个子阵列旋转复制的形式产生，以简单地旋转复制子阵列的形式获取到的二维阵列的排布方式沿任一方向上的包含了其他任何象限的子区域均具有不相关性，二维阵列对应的是VCSEL光源的分布情况，从而分布在半导体衬底表面的VCSEL光源具有极高的不相关性，解决了现有技术中用于3D成像的VCSEL光源的不相关性低的问题，本发明的激光阵列主要应用在深度相机中。

Description

用于3D成像的激光阵列

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种用于3D成像的激光阵列。

背景技术

3D成像特别是应用于消费领域中的3D成像技术将不断冲击甚至取代传统的2D成像技术，3D成像技术除了拥有对目标物体进行2D成像能力之外还可以获取目标物体的深度信息，根据深度信息可以进一步实现3D扫描、场景建模、手势交互等功能。深度相机特别是结构光深度相机或TOF(时间飞行)深度相机是目前普遍被用来3D成像的硬件设备。

深度相机中的核心部件是激光投影模组，按照深度相机种类的不同，激光投影模组的结构与功能也有区别，比如现有技术中所公开的投影模组用于向空间中投射斑点图案以实现结构光深度测量，这种斑点结构光深度相机也是目前较为成熟且广泛采用的方案。随着深度相机应用领域的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。

采用VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列光源的深度相机因为具有体积小、功率大、光束集中等优点将会取代边发射激光发射器光源，VCSEL阵列的特点是在一个极其小的基地上通过布置多个VCSEL光源的方式来进行激光投影，比如在5mmx5mm的半导体衬底上布置100个VCSEL光源。对于结构光深度相机而言，其激光投影模组向外投射的斑点图案要求具有极高的不相关性，这一要求增加了VCSEL阵列上光源排列的设计难度。

发明内容

为了解决用于3D成像的VCSEL光源的不相关性低的问题，本发明提出一种用于3D成像的VCSEL阵列光源。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：本发明的解决方案包括用于3D成像的激光阵列、用于3D成像的激光阵列的图案设计方法、激光投影装置及3D成像设备。所述用于3D成像的激光阵列，包括：在半导体衬底上以二维阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述二维阵列的排布方式是通过至少一个子阵列旋转复制的形式产生。在某些实施例中，所述子阵列分布的区域一般包括扇形区域和/或环形区域。在另一些实施例中，旋转复制包括由所述子阵列通过同一个中心点旋转到其他区域后在该区域产生一个复制的子阵列。二维阵列包括了多个子阵列，其中，相邻的两个子阵列之间一般包括：部分相互重叠、存在无所述VCSEL光源的间隔区域、边缘重合的一种或多种情况。

在又一些实施例中，所述子阵列数量不小于2时，所述子阵列之间大小、分布区域形状、旋转角度三方面中的至少一个方面不同。

另外，所述子阵列中VCSEL光源的排列优选为不规则图案。

考虑到光源数量及子阵列的圆心角的影响，经过研究得出，所述子阵列中VCSEL光源的数量不超过24，所述二维阵列中VCSEL光源的数量不超过576；所述子阵列的圆心角包括15°、30°、45°、60°、90°或120°。

本发明所提出的用于3D成像的激光阵列的图案设计方法包括：生成至少一个排列不规则的子阵列图案；旋转复制所述子阵列图案获取所述激光阵列的图案。

另外，本发明所提出的激光投影装置，包括：

上述任一所述的激光阵列；

透镜，用于接收且汇聚由所述激光阵列发射的光束；

斑点图案生成器，用于将所述光束进行分束后向空间中发射斑点图案光束。

所述透镜最好为单个透镜、微透镜阵列中的一种或组合；所述斑点图案生成器最好为微透镜阵列、衍射光学元件、光栅中的一种或组合。

此外，本发明所提出的3D成像设备，包括：

上述任一所述的激光投影装置，用于向空间中发射结构光图案光束；

图像采集装置，用于采集由所述结构光图案光束照射在目标物体上所形成的结构光图像；

处理器，接收所述结构光图像并根据三角法原理计算出所述目标物体的深度图像。其中：

所述三角法原理指的是利用匹配算法计算所述结构光图像与参考图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：多个VCSEL光源以二维阵列的形式排列在所述半导体衬底上，其中，所述二维阵列的排布方式是通过至少一个子阵列旋转复制的形式产生，以简单地旋转复制子阵列的形式获取到的二维阵列的排布方式沿任一方向上(比如沿横向方向x轴方向或纵向方向y轴方向)的包含了其他任何象限的子区域均具有不相关性，二维阵列对应的是VCSEL光源的分布情况，从而分布在半导体衬底表面的VCSEL光源具有极高的不相关性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的结构光深度相机系统的侧视图。

图2是本发明具体实施方式中的激光投影装置的侧视图。

图3是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图4是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图5是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图6是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图7是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图8是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图9是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图10是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提出一种用于3D成像的激光阵列，并基于这一激光阵列提出了对应的激光投影装置以及3D成像设备，这里的3D成像设备又叫深度相机，深度相机所拍摄到的物体的图像中每个像素上的值代表的是空间中对应的点距离深度相机的之间的深度值。在后面的说明中将对激光阵列、激光投影装置以及深度相机为例进行说明，但并不意味着这种激光阵列仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本发明的保护范围中。

图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机(3D成像设备)101主要组成部件有激光投影模组(相当于激光投影装置)104、采集模组(相当于图像采集装置)105、主板103以及处理器102，在一些深度相机中还配备了RGB相机107。激光投影模组104、采集模组105以及RGB相机107一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口108。一般地，处理器102被集成在主板103上，而激光投影模组104与采集模型105通过接口106与主板连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。其中，激光投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案光束，采集模组，用于采集由所述结构光图案光束照射在目标物体上所形成的结构光图像；处理器，接收采集模组采集的结构光图像并根据三角法原理计算出所述目标物体的深度图像。

在一个实施例中，结构光图像为红外激光散斑图案，图案具有颗粒分布相对均匀但具有很高的局部不相关性，这里的局部不相关性指的是图案中沿某一个方向维度上(一般指沿着激光投影模组与采集模组连线所在的方向)各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组105为与光学投影模组104对应的红外相机。利用处理器获取深度图像具体地指接收到由采集模组采集到的散斑图案后，通过计算散斑图案与参考散斑图案之间的偏离值来进一步得到深度图像。

图2是图1中激光投影模组104的一种实施例。激光投影模组104包括衬底201、光源202、透镜203以及斑点图案生成器204。衬底201一般为半导体衬底，比如晶圆，在其上布置多个光源202，衬底201与光源202共同构成了激光阵列，例如VCSEL阵列芯片。光源202包含多个子光源用于发射多个子光束，光源可以是可见光、不可见光如红外、紫外等激光光源，光源的种类可以是边发射激光也可以垂直腔面激光，为了使得整体的投影装置体积较小，最优的方案是选择垂直腔面激光发射器阵列(VCSEL阵列)作为光源，VCSEL阵列还具有光源发散角小等优点。图中为了方便示意，仅在一维上列出3个子光源，事实上VCSEL阵列是以固定二维图案排列的二维光源。VCSEL阵列芯片可以是裸片也可以经过封装后的芯片，两者的区别在于，裸片拥有更小的体积和厚度，而封装芯片则具有更好的稳定性以及更方便的连接。

为了使得激光投影装置发射出的图案具有均匀、不相关等特性，要求VCSEL阵列芯片的排列图案为不规则图案，即光源并非以规则阵列排列，而是以一定的不规则图案排列。在一些实施例中，VCSEL阵列芯片整体大小仅在微米量级，比如5mm×5mm大小，上面排列了几十个甚至上百个光源，各个光源之间的距离处于微米量级，比如30μm。

透镜203用于接收由VCSEL阵列光源202发射的光束，并对光束进行汇聚，所述VCSEL阵列光源具体是指本发明所提出的激光阵列，在一种实施例中，将发散的VCSEL光束准直成平行光束，以确保发射出的斑点能量更加集中。除了用单个透镜之外，在一个实施例中也可以采用微透镜阵列(MLA)，微透镜阵列中每一个微透镜单元与每个VCSEL阵列光源202对应，也可以一个微透镜单元与多个VCSEL阵列光源202对应。

斑点图案生成器204用于接收透镜光束并向空间中发射能形成斑点图案的光束，在一种实施例中，斑点图案生成器204是衍射光学元件(DOE)，DOE起到分束的作用，比如当光源202数量为100时，即经由透镜传输到DOE上的光束为100，DOE可以将透镜光束以某一数量(比如200)的倍率进行分束，最终向空间中发射20000个光束，理想情况下将会看到有20000个斑点(在一些情况下会有一些斑点重叠的情形，导致斑点数量减少)。除了DOE之外，也可以采用其他任何可以形成斑点的光学元件，比如MLA、光栅或者多种光学元件的一种或组合。

透镜203与DOE204在一些实施例中可以被制作在同一个光学元件上，以达到缩小体积的效果。

图3至图10是根据本发明的实施例的VCSEL阵列的光源排列示意图。在每个图中圆圈代表的光源所在的位置，方形代表的是半导体衬底。为了便于对本发明概念的阐述，在图中还增加了一些分隔线以及圆形的轮廓线，这些线仅用于说明，并不一定真实存在于VCSEL阵列中。

基于结构光深度相机特别是基于斑点图案的结构光而言，三角法测量深度的关键步骤是要计算斑点图像与参考斑点图案之间的像素偏离值，这一计算的步骤由深度处理器(或专用处理芯片)来执行的，计算的执行过程中最重要的一步是要根据匹配算法寻找斑点图像与参考斑点图像中相同的子区域，这里的子区域指的是图像中一个固定大小的像素区域，比如7x7、11x11像素。匹配算法要求斑点图像中沿基线方向上的各个子区域内的图案均不相同，即要求斑点图像具有高度的局部不相关性，这里的基线指的是激光投影模组104与采集模组105的连线。

为了满足局部不相关性这一要求，一般地，VCSEL阵列中光源202的排列要求不规则排列，一种常用的方案是在设计时在衬底201上随机生成光源202位置信息，这一方案的优点在于设计思路清晰，设计执行起来较为简单；缺点在于光源202排列图案的不可控性较强，要想生成一个比较好的不相关图案往往需要经过大量的实验和验证，另一方面在芯片制造过程中对每个斑点的定位精度难以把握，往往具有一些规则排列或者对称特性的VCSEL芯片在制作时的精度、效率等方面会更好。本发明提出了一种用于3D成像的激光阵列，具有极高的不相关性。激光阵列包括VCSEL光源，VCSEL光源以二维阵列的形式分布在所述半导体衬底的表面，其中，二维阵列的排布方式是通过至少一个子阵列旋转复制的形式产生。二维阵列包括多个子阵列，所述子阵列共用同一个圆心。当二维阵列的排布方式是通过扇形子阵列旋转复制的形式产生时，二维阵列包括多个相同的扇形子阵列，所述扇形子阵列共用同一个圆心。图3～图10所示实施例中的VCSEL阵列可以理解为类似所述激光阵列的描述，但变形的实施方式不仅限于此。

在图3所示的是本发明的一种实施例的VCSEL阵列的示意图，多个光源202排列在衬底201上，光源202分布在圆形边界208以内，并且可以被分成角度为90度的4个扇形区域。四个扇形区域之间的关系为，相邻两个区域中，其中一个区域可以看成是相邻的区域以扇形圆心旋转90度后所形成的区域，比如区域210可以看成区域209围绕圆心顺时针旋转90度所形成的区域，也可以看成是区域205以圆心逆时针旋转90度所形成的区域。在其他实施例中，所述扇形子阵列的圆心角也可以是15°、30°、45°、60°、或120°等，在后面列举了相关的实施例。在本实施例中，相邻的区域之间边缘重合，图案之间则没有重合。在图案设计时，只要随时生成其中任何一个扇形区域的图案，就可以通过旋转的方法复制出其他扇形区域的图案，直到整个区域都被填满。具体地方式为：

以图3为例，假如以圆心为原点建立直角坐标系，扇形区域203所在的象限为第一象限。首先在第一象限随机生成多个(以24个为例)斑点的坐标：

其中上标1代表第一象限，若用极坐标表示，则为

其次计算第二、三、四象限中斑点的坐标，其中：

第二象限中各个斑点的坐标为：

第三象限中各个斑点的坐标为：

第四象限中各个斑点的坐标为：

这样只要有了第一象限代表的扇形区域中的各个斑点的坐标就可以根据以上的公式直接得到其他扇形区域中各个点的坐标了。

通过旋转复制的方式除了仅需要随机生成部分区域内的斑点就可以生成整个区域的斑点以提高可控性之外，最大的优点在于，沿任何一个方向上(比如沿横向方向x轴方向或纵向方向y轴方向)的子区域均具有高度的不相关性。由于每个扇形区域内的斑点是随机生成的，因而在扇形区域内斑点具有不相关性，另外由于是旋转复制，导致沿任一方向上的包含了其他任何象限的子区域均具有不相关性，以图3中为例，比如沿横向方向(x轴方向)，任意选取一个子区域206(指的是以该横向方向上任一点为中心的子区域)，而在第一象限中在该横向方向上任何一个点为中心的子区域207的形状均不可能与子区域206相同，由此即保证了子区域高度的不相关性。在本实施例中，扇形区域的边缘上也可以放置斑点。

图4所示的是另一种VCSEL阵列芯片排列的实施例，其中扇形区域的角度为45度，通过顺/逆时针旋转45度进行相邻扇形区域的复制直到填满整个区域，总共有8个扇形区域。相对于图3而言，当扇形区域内斑点数量相同时，旋转复制次数的增加则增加了斑点的数量与密度，斑点数量是图3所示VCSEL阵列的两倍。

图5中所示的是相邻两个扇形区域有重叠的情形，对比于图3，图3中扇形区域的角度为90度，通过旋转90度复制的方式总共生成了4个扇形区域，而图5中扇形区域的角度虽然也是90度，但旋转角度则为72度，最终生成了5个扇形区域，相邻的两个扇形区域之间有部分重叠，如图5中所示。也可以将旋转角度设置为可变化的，例如交替旋转72度跟90度直到填满整个区域，如此获取的二维阵列的相邻的两个扇形子阵列之间同时存在部分重叠与边缘重合的情况。

图6中所示是相邻两个扇形区域之间有间隔的情形，对比于图4，图4中扇形区域角度为45度，通过旋转45复制的方式总共生成了8个扇形区域，而图6中扇形区域的角度依然是45度，但旋转角度则为每90度旋转，最终导致相邻两个扇形区域之间存在无VCSEL光源的间隔区域。这种方式所生成的VCSEL阵列较为稀疏，稀疏阵列有利于近距离的深度图像的获取。也可以交替旋转90度、45度、30度，如此获取的二维阵列的扇形子阵列之间包括部分相互重叠、存在无VCSEL光源的间隔区域、边缘重合三种情况，通过变化旋转角度可获取同时存在上述三种情况的多种或一种的二维阵列。

经过论证，发明人发现扇形区域的大小即圆心角宜设置为15°、30°、45°、60°、90°或120°等角度，而旋转复制的角度最好根据扇形区域的角度来设置，最终保证填满整个区域、相邻的扇形区域边缘重合且相互之间的内容没有重合。比如当扇形区域的大小为15°时，旋转复制的角度为15°，总共产生24个扇形区域。

图7所示的实施例中，旋转复制的子阵列位于一个扇形区域701以及多个环形区域702和703中，三个子阵列中的光源数量及排列方式可以相同也可以不同。控制各个环形区域内光源的排列可以达到对整体光源排列的效果控制，比如由内至外光源的密度越来越小，会导致整体光源排列越靠近圆心越密集。所述子阵列中VCSEL光源的排列为不规则图案。另外，各个环形区域的角度以及旋转的角度也可以不一样，在此不做限定，如图8所示，内圈的扇形区域角度为45度，旋转复制的角度也为45度，而外圈两个环形区域的角度分别为60度和90度，旋转角度分别为60度及90度，另外由内至外斑点(即光源)的密度越来越小。在又一些实施例中，内圈的扇形区域角度为90度，旋转复制角度为72度，外圈两个环形区域的角度分别为120度和45度，旋转角度分别为120度及90度，相应的二维阵列中相邻的两个子阵列之间包括：部分相互重叠、存在无VCSEL光源的间隔区域、边缘重合三种情况，通过变化旋转角度可获取同时存在上述三种情况的多种或一种的二维阵列。

所述子阵列分布的区域包括扇形区域和/或环形区域，在本实施例中扇形区域数量为1个、环形区域数量2个，在其他实施例中也可以没有扇形区域的子阵列，环形区域的数量也可以是其他数量。

如图9所示，相比于图3～图6中扇形区域单一的情形，这里的扇形区域有不相同的两个，分别是901及902，角度分别为15度与30度，旋转角度均为45度，区域中光源的数量也不相同。可以理解的是，扇形区域的角度大小以及斑点分布可以有其他任意情形。

而对于旋转角度，各个扇形区域也可以不同，如图10所示，扇形区域901的旋转角度为75度，而扇形区域902的旋转角度在不断发生变化，即30度、60度、30度、60度、30度、60度、30度。

由图3至图10所描述的方法中可知，根据不同的需求，通过设置子阵列的分布区域形状(扇形和/或环形)、大小、数量、斑点排列方式(包括密度)以及旋转复制的角度，可以生成多种多样的图案形状。所述子阵列数量不小于2时，所述子阵列之间大小、分布区域形状、旋转角度三方面中的至少一个方面不同。因此，以上的说明并非是对本发明的局限，而是对本发明的思想进行举例说明。

但也并非任意设置子阵列所在区域的大小以及旋转复制的角度都是可行的，当扇形区域太小或旋转复制的角度太小时，会导致不相关性降低。另外子阵列所在区域中斑点的数量也会影响不相关性。

经过论证，发明人发现扇形或环形区域的大小即角度宜设置为15°、30°、45°、60°、90°、120°等角度，而旋转复制的角度最好根据扇形或环形区域的角度来设置，最终保证填满整个区域、相邻的区域边缘重合且相互之间的内容没有重合。比如当扇形区域的大小为15°时，旋转复制的角度为15°，总共产生24个扇形区域。当环形区域的大小为30°时，旋转复制的角度为30°，总共产生12个环形区域。

另外，子阵列区域中光源的数量也不能太多，发明人发现光源的数量以不超过24个为宜，整个VCSEL阵列的光源数量以不超过576个为宜，由此可以达到较佳的效果。光源之间的间隔一般根据生产工艺的需求，平均间隔应在8μm～30μm为宜。

在本发明中，图3～图10所示的实施例中VCSEL芯片中光源的排列图案应理解为是对类似图案的一种描述，同时相应给出了一种生成该图案的设计方法，即首先生成一个或多个子阵列，然后对这些子阵列进行旋转复制最终生成整幅图案。不排除有其他设计方法来达到与利用子阵列旋转复制同等的效果，即产生与旋转复制具有相同特征的图案，可以理解的是，其他任何设计方法所达到与旋转复制同等效果的VCSEL图案也属于本发明的保护范围内。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于3D成像的激光阵列，其特征在于，包括：在半导体衬底上以二维阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述二维阵列的排布图案是通过至少一个不规则排列的子阵列旋转复制的形式产生的不相关图案；所述不相关图案是指图案中沿某一个方向维度上各个子区域都具有较高的唯一性。

2.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述子阵列分布的区域包括扇形区域和/或环形区域。

3.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述旋转复制包括由所述子阵列通过同一个中心点旋转到其他区域后在该区域产生一个复制的子阵列。

4.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述二维阵列中相邻的两个子阵列之间包括：部分相互重叠、存在无所述VCSEL光源的间隔区域、边缘重合的一种或多种情况。

5.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述子阵列数量不小于2时，所述子阵列之间大小、分布区域形状、旋转角度三方面中的至少一个方面不同。

6.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述子阵列中VCSEL光源的排列为不规则图案。

7.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述子阵列中VCSEL光源的数量不超过24，所述二维阵列中VCSEL光源的数量不超过576。

8.如权利要求1所述的激光阵列，其特征在于，所述子阵列的圆心角包括15°、30°、45°、60°、90°或120°。

9.一种如权利要求1-8任一所述用于3D成像的激光阵列的图案设计方法，其特征在于，包括：生成至少一个排列不规则的子阵列图案；旋转复制所述子阵列图案获取所述激光阵列的图案。

10.一种激光投影装置，其特征在于，包括：

权利要求1～8任一所述的激光阵列；

透镜，用于接收且汇聚由所述激光阵列发射的光束；

斑点图案生成器，用于将所述光束进行分束后向空间中发射斑点图案光束。

11.如权利要求10所述的激光投影装置，其特征在于：

所述透镜为单个透镜、微透镜阵列中的一种或组合；

所述斑点图案生成器为微透镜阵列、衍射光学元件、光栅中的一种或组合。

12.一种3D成像设备，其特征在于，包括：

权利要求10～11任一所述的激光投影装置，用于向空间中发射结构光图案光束；

图像采集装置，用于采集由所述结构光图案光束照射在目标物体上所形成的结构光图像；

处理器，接收所述结构光图像并根据三角法原理计算出所述目标物体的深度图像。