CN106990660A - 结构光投影模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构光投影模组，包括：VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括在半导体基底上以二维规则图案排列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于发射具有所述二维规则图案的第一光束；不规则图案生成器，用于接收第一光束，并发射具有不规则图案的第二光束；透镜，用于接收并汇聚所述第二光束；结构光图案生成器，接收经透镜汇聚后的所述第二光束，并向外发射多个至少部分相互重叠的所述第二光束。与已有技术相比，本发明采用规则排列的VCSEL阵列作为光源，通过不规则图案生成器成为不规则的图案，同样投射出随机结构光散斑图案，从而降低了VCSEL阵列定制的难度及成本。

Description

结构光投影模组

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种结构光投影模组。

背景技术

结构光深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。例如利用深度相机与电视、电脑等结合可以实现体感游戏以达到游戏健身二合一的效果，微软的KINECT、奥比中光的ASTRA是其中的代表。另外，谷歌的tango项目致力于将深度相机带入移动设备，如平板、手机，以此带来完全颠覆的使用体验，比如可以实现非常真实的AR游戏体验，可以使用其进行室内地图创建、导航等功能。

结构光深度相机中的核心部件是其投影模组，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，比如专利CN201610977172A中所公开的投影模组用于向空间中投射散斑图案以实现结构光深度测量，这种散斑结构光深度相机也是目前较为成熟且广泛采用的方案。对于散斑而言，最大的特点就是其高度的不相关性，即需要产生随机散斑，在已有的结构光深度相机中普遍采用两种方案来实现散斑结构光的投射。一种是采用单光源(边发射激光器)加衍射光学元件(DOE)；另一种是采用多光源(VCSEL阵列)加DOE的组合。后一种由于光源本身具有功率高、体积小等特点将会逐步取代前一种方案。由于需要考虑散斑结构光的随机性，采用的VCSEL光源需要不规则排列，因此这种光源往往需要特别定制，由此增加了成本及研发难度。

发明内容

本发明提出一种结构光投影模组，在实现结构光图案的不相关性同时能有效降低定制成本及研发难度。

为此，本发明提供的结构光投影模组，包括：VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括在半导体基底上以二维规则图案排列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于发射具有所述二维规则图案的第一光束；不规则图案生成器，用于接收第一光束，并发射具有不规则图案的第二光束；透镜，用于接收并汇聚所述第二光束；结构光图案生成器，接收经透镜汇聚后的所述第二光束，并向外发射多个至少部分相互重叠的所述第二光束。

在另一实施例中，模组还包括微透镜阵列，被设置在不规则图案生成器与透镜之间，微透镜阵列包含与所述第二光束数量相同且一一对应的微透镜单元，通过微透镜阵列和透镜的二次成像，放大倍数会有所降低，从而最终发射出的结构光图案中子光束会更加集中。

本发明还提供一种深度相机，包括如上所述的结构光投影模组，用于向目标空间中投影结构化光束图像；图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；处理器，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像。所述根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像指的是利用匹配算法计算所述结构化光束图像与参考光束图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

本发明的有益效果：通过不规则图案生成器将VCSEL阵列发射的二维规则图案形成为不规则的图案，实现结构光图案的不相关性，同时因VCSEL阵列是以二维规则图案排列，克服了VCSEL光源阵列不规则排列需要特别定的高成本问题。

附图说明

图1为本发明一种实施方式中基于结构光的深度相机侧面示意图。

图2为本发明一种实施方式中结构光投影模组的侧视图。

图3为本发明一种实施方式中VCSEL芯片的示意图。

图4为本发明一种实施方式中第二光束的示意图。

图5为本发明一种实施方式中第二光束的示意图。

图6为本发明一种实施方式中第二光束的示意图。

图7为本发明一种实施方式中第二光束的示意图。

图8为本发明一种实施方式中结构光投影模组的侧视图。

图9a为本发明一种实施方式中微透镜阵列的示意图。

图9b为本发明一种实施方式中微透镜阵列的示意图。

图9c为本发明一种实施方式中微透镜阵列的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提出一种结构光投影模组以及基于此的深度相机。在后面的说明中将对结构光投影模组以及深度相机为例进行说明，但并不意味着这种结构光投影模组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内。

图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机101主要组成部件有结构光投影模组104、采集模组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。结构光投影模组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，而结构光投影模组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，结构光投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组采集到该结构光图像后通过处理器的处理从而得到目标空间的深度图像。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各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组105为与结构光投影模组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中结构光投影模组104的一种实施例。投影模组104包括基底201、光源202、不规则图案生成器203、透镜204以及结构光图案生成器205。

基底201用于固定光源202，一种优选的实施方式中，基底为半导体基底，在半导体基底表面直接制作VCSEL光源阵列。在一些实施例中，基底也用于提供散热、电连接等作用，比如由散热件、电路板共同组成的底座。光源202包含多个子光源用于发射多个子光束(第一光束)，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模组体积较小，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。图中为了方便示意，仅在一维上列出3个子光源，事实上VCSEL阵列是以固定二维规则图案排列的二维光源，如图3所示。在一些实施例中，VCSEL阵列整体大小仅在微米量级，比如5mmX5mm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10μm。

VCSEL阵列中由于VCSEL单元是规则排列，因而发射出第一光束206同样为规则排列，考虑到结构光投影模组最终输出的结构光图案要求具有随机性或不相关性，而排列规则的光束往往满足不了这一要求。因此在光路中增加不规则图案生成器203，在一种实施例中，该不规则图案生成器203为衍射光学元件(DOE)，排列规则的第一光束206经过不规则图案生成器203后形成图案排列不规则的第二光束207，如图4所示。第二光束207中子光束的数量以及排列的方式均可以通过对DOE的设计来实现，一般地第二光束207中子光束的数量不低于第一光束206的数量(即VCSEL光源的数量)。

在其他的实施例中，通过对不规则图案生成器203进行设计，使得排列规则的第一光束2016经过不规则图案生成器203后，形成的第二光束207除图案位置排列不规则外，其图案在至少一个维度上也发生了变化。该维度包括沿图案的任一方向和以该图案中某店为中心向四周扩散的极坐标方向，任一方向包括图案的左右方向和/或上下方向，变化包括图案的分布密度、图案的大小、形状、样式。

在一种实施例中，如图5所示，第二光束207的图案为散斑颗粒图案，其颗粒的分布密度沿横向发生变化，分布密度也发生改变，具体地指在横向维度上颗粒分布密度越来越小，选择图案的一个子区域，可以明显看到左侧的子区域501中颗粒的数量要大于右侧的子区域502。在其他的实施例中，颗粒的分布密度在横向维度上越来越大。可以理解的是，可以沿其他任何方向来设置密度的变化，比如纵向、45度斜向等等。另外，在其他实施例中散斑颗粒的大小也可以沿横向发生变化。

在一种实施例中，如图6所示，第二光束207的图案由多个矩形子图案构成，而且在图案的左侧为竖向的矩形、右侧为横向的矩形。图案沿横向也发生变化，只不过不是密度变化而是形状变化。可以延伸的是，在其他的实施例中，右侧也可以为圆形等其他样式，即图案沿横向其样式发生变化。可以理解的是，本实施例中形状或样式变化的方向可以沿任一方向，另外发生变化可以不单单仅针对形状或变化，也可以结合前面所述的密度、大小等等。

在一种实施例中，如图7所示，第二光束207的图案可以看成是以图案中心为原点，随着半径越大即随着极坐标发生变化，具体变化的是子图案的形状(半径发生的变化)。图中所示的子图案是整个圆环形状，也可以是由多个圆环的部分共同组成的残缺圆环形状。可以理解的是，图案也可以以其他任何点作为原点，如图像的四个顶点。

在一种实施例中，不规则图案生成器203也可以为微透镜阵列，通过微透镜阵列中各微透镜单元的不规则排列可以实现对光束206的重新排布，以及维度上的变化。可以理解的是，只要是能将规则图案光束重新调整为不规则图案光束的光学元件，和/或使图案的维度发生变化，均可以作为本发明中的不规则图案生成器，比如DOE、微透镜阵列、光栅等。

不规则光束207将会发射到透镜204上，并经透镜204汇聚后形成更准直的不规则图案光束。在透镜204后将设置一个结构光图案生成器205，在一种实施例中，该结构光图案生成器为DOE，该DOE的作用是将不规则图案光束复制出多个向外发射，相邻两个不规则图案光束之间允许有重叠。因而该DOE的作用可以看成是将数量有限的光束经复制、交叉重叠的方式产生数量更多、密度更大、随机性更高的结构光图案。除DOE之外，该结构光图案生成器也可以为微透镜阵列、光栅等光学器件。

为了减小体积，透镜与结构光图案生成器也可以被制作在同一个光学元件上，该光学元件具有两个表面，分别用来执行透镜以及生成结构光图案的功能。

减小体积的另一种方式是利用晶圆级光学工艺将光源202、光学元件203、204、205都直接制作在半导体基底上。这种工艺的好处一方面减小整体模组的体积，另一方面可以在一片晶圆上同时制作N个模组，最后经切割形成多个独立的模组，从而大幅度提高生产效率。

图8是根据本发明实施例的另外一种结构光投影模组。与图2所示的区别在于，在不规则图案生成器203与透镜204之间，放置了一个微透镜阵列301，该微透镜阵列由多个微透镜单元组成，微透镜单元的数量与不规则图案生成器所发射出的不规则图案光束中子光束的数量相同，且处于一一对应关系。微透镜单元将各个子光束汇聚进入透镜204。相比于前一种实施方式，这种方式的好处在于，添加了微透镜阵列后，由单个透镜的一次成像系统变成了二次成像系统，放大倍数会有所降低，从而最终发射出的结构光图案中子光束会更加集中；另一方面，通过微透镜阵列与透镜之间距离的调节可以很方便地调节最终的成像效果以满足不同的成像需求。

图8中的微透镜单元为凸透镜，但微透镜单元不限于此，微透镜阵列301中的微透镜单元可以为凸透镜也可以凹透镜，在这里不予限制，当为凹透镜时，微透镜单元将各个子光束发散后进入透镜204。透镜面一般为球面，在一些实施例中，也可以为非球面，比如在一个实施例中当光源光束形状为椭圆形时，可以通过柱形透镜面将椭圆形光束进行整形以形成圆形光束；又如在一个实施例中，通过特殊设计的非球面透镜以消除透镜的球形像差以形成更加精确的斑点图案。又如在一个实施例中通过特殊设计的非球面透镜将圆形光束整形成具有统一形状的光束形状，这种设置可以使得整体结构光投影模组所发射的斑点具有统一的非圆形形状，在一些情形下有利于提高深度计算的准确性；

多个微透镜所发射的光束，其形状可以相同，也可以不同，如在一个实施例中通过特殊设计的非球面透镜将圆形光束整形成具有统一形状的光束形状，这种设置可以使得整体激光投影装置所发射的斑点具有统一的非圆形形状，在一些情形下有利于提高深度计算的准确性；又如在一个实施例中，通过特殊设计的球面和非球面透镜将光束整形成具有不同形状的光束，进一步增加不相关的特性，有利于提高深度计算的准确性。

当微透镜阵列301中各个透镜单元仅有一个透镜面时，透镜面可以被放在朝向光源的一面也可以被放在背向光源的一面。在一些实施例中，每个透镜单元也可以两面都有透镜面。微透镜单元的几何形状可以有多种形状，比如图9a所示的圆形形状以及图9b所示的六角形状，也可以是未示出的方形、菱形等形状。在一些实施例中，微透镜单元也可以有多种几何形状共同构成，比如同一个微透镜阵列中一半透镜单元为六角形状，另一半透镜单元为圆形形状，一种优选的实施方式如如图9c所示，不同的形状之间相互错开分布。这种实施方式的好处在于，将不同形状对应的光源分开控制，比如六角形状微透镜单元对应的光源与圆形形状微透镜单元对应的光源被分组控制，可以实现独立打开以及同步打开，在入射的光源为同一形状时，可以形成形状不同或密度不同的发射光束图案。可以理解的是，图8中微透镜单元的排列方式需要与图4中不规则光束图案一致，这样才能保证不规则图案光束中的每一个子光束均有一个微透镜单元与之一一对应。微透镜阵列301与不规则图案生成器203之间的距离需要进行特别设置，一般地需要满足两个条件，一是保证各个微透镜单元仅通过第二光束中的单个子光束，相邻光束之间不会有干扰；二是不规则图案生成器203最好位于微透镜单元2倍焦距以外，以保证光束充分聚焦。微透镜阵列与透镜的距离最好大于透镜焦距与微透镜单元焦距的和。需要说明的是，这里仅给出了一种最优方案，并非是对本发明的方案的限制。

本发明的结构光投影模组的光路布置图事实上也是对第二光束的二次成像，与已有技术中单个透镜的光路布置图相比，二次成像的放大倍数可以调整，且系统的集成度更高。目前单个透镜的放大倍数一般在200左右，而本发明由微透镜阵列与主透镜构成的光学系统的放大倍数则可以实现40～200。更小的放大倍数则意味着最终形成的散斑图案更加集中，相同的发光功率可以传输到更远的距离且保持较高的图案质量，深度图计算精度将更高。另外根据不同的应用场景需要，比如对于远距离测量，则可以调节微透镜阵列与主透镜之间的距离以增大放大倍数从而增加激光投影模组的投影斑点大小，以保证在远距离时仍能获取较高质量的斑点图案，反之则减小放大倍数。通过在安装时调节距离的方式较之于设计不同焦距的透镜而言，无论是成本还是实现方式上都有更大的优势。

以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种结构光投影模组，其特征在于，包括：

VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括在半导体基底上以二维规则图案排列的VCSEL单元，用于发射具有所述二维规则图案的第一光束；

不规则图案生成器，用于接收第一光束，并发射具有不规则图案的第二光束；

透镜，用于接收并汇聚所述第二光束；

结构光图案生成器，接收经透镜汇聚后的所述第二光束，并向外发射多个至少部分相互重叠的所述第二光束。

2.如权利要求1所述的模组，其特征在于，所述模组还包括微透镜阵列，被设置在所述不规则图案生成器与所述透镜之间，所述微透镜阵列包含与所述第二光束数量相同且一一对应的微透镜单元；

所述微透镜单元包括至少一个光学表面，所述光学表面与所述不规则图案生成器的间隔为第一距离，与所述透镜的间隔为第二距离；

所述微透镜单元用于接收、聚焦或发散与之对应的所述第二光束。

3.如权利要求1所述的模组，其特征在于，所述第二光束的图案在至少一个维度上发生变化，所述维度包括沿图案的任一方向和以图案中某点为中心向四周扩散的极坐标方向，所述变化包括分布密度、大小、形状、样式中的一种或多种。

4.如权利要求2所述的模组，其特征在于，所述第一距离大于所述微透镜单元的2倍焦距。

5.如权利要求2所述的模组，其特征在于，所述第二距离大于所述透镜焦距与所述微透镜单元焦距的和。

6.如权利要求1所述的模组，其特征在于，所述不规则图案生成器包括DOE、微透镜阵列、光栅中的一种；所述结构光图案生成器包括DOE、微透镜阵列、光栅中的一种。

7.如权利要求1所述的模组，其特征在于，所述第二光束中光束的数量不低于所述第一光束中光束的数量。

8.如权利要求1所述的模组，其特征在于，所述不规则图案生成器、透镜以及结构光图案生成器都被放置在所述半导体基底上。

9.如权利要求2所述的模组，其特征在于，所述不规则图案生成器、微透镜阵列、透镜以及结构光图案生成器都被放置在所述半导体基底上。

10.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：

如权利要求1-9任一所述的结构光投影模组，用于向目标空间中投影结构化光束图像；

图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；

处理器，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像；

所述根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像指的是利用匹配算法计算所述结构化光束图像与参考光束图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。