CN107102506A - 光学投影装置及其深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学投影装置及应用其的深度相机，包括由半导体衬底以及设置在所述半导体衬底上的光源阵列组成的光源，所述光源用于发射光束；电路板，安装在所述半导体衬底上并开有通孔，所述通孔使得所述光束通过；光束生成器，安装在所述电路板上并用于接收所述光束后向外投射出图案光束；以及底座，所述底座安装在与所述电路板相对的所述半导体衬底的表面上，用于提供对所述光源的支撑和/或散热。本发明的光学投影装置具有体积小、散热性能高且结构稳定的特点，能够作为深度相机的一部分被集成到微型计算设备中。

Description

光学投影装置及其深度相机

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种光学投影装置及其深度相机。

背景技术

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。

深度相机中的核心部件是光学投影装置，随着应用的不断扩展，光学投影装置将向越来越小的体积以及越来越高的性能不断进化。一般地，光学投影装置由电路板、光源等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列光源使得光学投影装置的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。现有技术中，可以将VSCEL制作在半导体衬底上，并将半导体衬底与柔性电路板（FPC）进行连接，为了解决散热问题，还引入了半导体致冷器（TEC）。TEC可以很好的对光源发热进行控制，但由于本身的功耗较高，且占用较大的体积，使得这种形式的光学投影装置的体积以及功耗仍不理想。

发明内容

本发明的目的是为解决提供现有技术中光学投影装置体积与散热效果二者不能兼得的问题，提供一种光学投影装置及其深度相机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种光学投影装置，包括：

光源，包括半导体衬底，以及设置在所述半导体衬底上的光源阵列，用于发射光束；电路板，安装在所述半导体衬底上并开有通孔，所述通孔使得所述光束通过；光束生成器，安装在所述电路板上并用于接收所述光束后向外投射出图案光束。

在一个实施例中，所述光学投影装置还包括底座，安装在与所述电路板相对的所述半导体衬底表面上，用于提供对所述光源的支撑和/或散热。在一个实施例中，所述底座包括陶瓷底座。在一个实施例中，所述底座设置有凹槽，所述凹槽用于安装所述半导体衬底，所述底座上非所述凹槽的部位与所述电路板连接。

在一个实施例中，所述光源包括VCSEL光源。在一个实施例中，所述VCSEL光源以不规则阵列排列在所述半导体衬底上。

在一个实施例中，所述光束生成器包括：镜座，所述镜座安装在所述电路板上；透镜，所述透镜安装在所述镜座上用于准直或汇聚所述光束；衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在所述镜座上用于接收所述光束并向外投射出所述图案光束。所述透镜为微透镜阵列，与所述衍射光学元件被设计成单个光学元件。

在一个实施例中，所述电路板为印制电路板、柔性电路板、软硬结合板中的一种或结合。

根据本实用的一个实施例，还提供了一种采用以上权利要求任一所述的光学投影装置的深度相机，所述深度相机用于获取被测目标的深度图像。

本发明的有益效果在于提供了一种光学投影装置及应用其的深度相机，光学投影装置通过直接将光源中的半导体衬底作为支撑底座以减小装置的厚度，另外还安装有具有散热性能的加强底座以提高装置的稳定性以及散热性。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例结构光深度相机系统的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的光学投影装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种光学投影装置及其深度相机。以下对本发明的实施方式作详细说明。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。实施例中将对光学投影装置及其深度相机进行说明，但并不意味着这种光学投影装置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权利要求中。

图1所示的是根据本发明一个实施例的基于结构光的深度相机示意图。基于结构光的深度相机主要组成部件有光学投影装置13、图像采集装置14、主板12以及处理器11，在一些深度相机中还配备了RGB相机16。光学投影装置13、图像采集装置14以及RGB相机16一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个装置或相机都对应一个进光窗口17。一般地，处理器11被集成在主板12上，而光学投影装置13与图像采集装置14通过接口15与主板12连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。其中，光学投影装置13用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，图像采集装置14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。对应的图像采集装置14为与光学投影装置13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图像采集装置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。

目前单一的深度相机由于体积较大，大都是作为独立的外设，通过USB等数据接口与其他设备如电脑、手机等连接，并将其获取的深度等信息传输给其他设备进行进一步的处理。随着深度相机的应用越来越广泛，将深度相机与其他设备进行集成、整合将会是未来的发展方向。在主板与处理器的集成方面可以将深度相机的主板、处理器与电脑手机等设备的主板、处理器进行整合；在图像采集装置与激光投影装置的集成方面，目前电脑等大型设备都有相关的方案，然而对于手机等微型设备，只有体积小的激光投影装置才能满足要求，目前能满足这些要求的较佳的方案是采用VCSEL阵列激光器。另一方面，由于激光投影的功耗较大、发热较多，因此拥有较高的散热性也是光学投影装置的必要性能。

图2是根据本发明一个实施例的光学投影装置的示意图。光学投影装置13包括电路板131、光源132、镜座137、透镜135以及衍射光学元件（DOE）136。透镜135与DOE136共同构成了光束生成器，光源132发出的光束经透镜135准直或汇聚后由DOE136扩束并以一定的光束图案向空间发射。一般地透镜135位于光源132以及衍射光学元件136之间，透镜135与光源132之间的距离最好等于透镜的焦距。在一个实施例中，透镜135也可以是微透镜阵列。在一个实施例中透镜135与DOE136也可以整合成一个光学元件。

在一些实施例中，光源132为VCSEL阵列光源，即在半导体衬底上形成多个VCSEL光源以形成光源芯片，如此不仅可以提高发光功率，也可以更好地形成光束图案。在一个实施例中，光束图案要求是不规则的随机斑点图案，因此光源芯片上的多个VCSEL以不规则阵列的形式排列在半导体衬底上，光源芯片发出的第一光束图案与VCSEL芯片上VCSEL光源布置的图案一致，当第一光束被透镜15准直后由DOE16向空间中发射出第二光束，一般地第二光束的数量要远远多于第一光束的数量，另外第二光束所形成的图案应该是第一光束图案的复合，具体的细节可以参见中国专利申请201610977171.9及201610977172.3。

VCSEL阵列光源132主要由半导体衬底以及VCSEL光源组成，如图2所示，半导体衬底与镜座137底部的面积相同，仅在其上非常小的区域内设置有VCSEL光源用于发光。

电路板131安装在VCSEL阵列光源132上，并且在有VCSEL光源的区域开有通孔以使得光束通过。电路板131可以是印制电路板（PCB）、柔性电路板（FPC）、软硬结合板中的一种或组合。电路板131末端一般设置有连接器134以实现与其他器件的连接。连接器134可以是USB、mini USB、MIPI等连接器。

电路板132用于控制VCSEL阵列光源132发光，二者之间的连接方式有多种，一种是通过金线连接，另一种方式是通过球形阵列连接方式。图2所示的光学投影装置与已有技术相比最大的优势在于可以将VCSEL阵列光源封装并在表面生成球形阵列，在进行安装时可以利用倒装工艺将VCSEL阵列光源132通过球形阵列直接安装在电路板131上。其他任何合适的连接方式均可以用到本实施方案中。

光束生成器通过镜座137安装在电路板131上。为了提高光学投影装置13的稳定性，在一个实施例中，还在VCSEL阵列光源132的半导体衬底下面安装加强底板133，加强底板133可以是金属材料也可以是陶瓷等材料，除了起到加强稳固的作用之外，还可以增加VCSEL阵列光源132的散热性能。

在一个实施例中，VCSEL阵列光源132的面积小于镜座以及加强底板133，此时可以在空洞区域填充硅胶等材料以保证连接稳固以及散热性。在一个实施例中，加强底板133设置有凹槽，凹槽用于安装VCSEL阵列光源132，非凹槽部位与电路板131连接。

本发明通过将VCSEL阵列光源倒装的方式，与传统在电路板131上安装光源的相比，将大大降低光学投影装置的厚度，另外配置有强度高且导热的材料为底座，以保证整体光学投影装置的稳定性。

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技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学投影装置，其特征在于，包括：

光源，包括半导体衬底以及设置在所述半导体衬底上的光源阵列，用于发射光束；

电路板，安装在所述半导体衬底上并开有通孔，所述通孔使得所述光束通过；

光束生成器，安装在所述电路板上并用于接收所述光束后向外投射出图案光束。

2.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，还包括底座，安装在与所述电路板相对的所述半导体衬底的表面上，用于提供对所述光源的支撑和/或散热。

3.如权利要求2所述的光学投影装置，其特征在于，所述底座包括陶瓷底座。

4.如权利要求2所述的光学投影装置，其特征在于，所述底座设置有凹槽，所述凹槽用于安装所述半导体衬底，所述底座上非所述凹槽的部位与所述电路板连接。

5.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光源包括VCSEL光源。

6.如权利要求5所述的光学投影装置，所述VCSEL光源以不规则阵列排列在所述半导体衬底上。

7.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光束生成器包括：

镜座，所述镜座安装在所述电路板上；

透镜，所述透镜安装在所述镜座上用于准直或汇聚所述光束；

衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在所述镜座上用于接收所述光束并向外投射出所述图案光束。

8.如权利要求7所述的光学投影装置，其特征在于，所述透镜为微透镜阵列，与所述衍射光学元件被设计成单个光学元件。

9.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述电路板为印制电路板、柔性电路板、软硬结合板中的一种或结合。

10.一种采用如权利要求1-9任一所述的光学投影装置的深度相机，所述深度相机用于获取被测目标的深度图像。