CN107229173B - 投影模组及其制造方法以及深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及光电技术领域，提供了一种投影模组及深度相机，投影模组包括：底座；光源；由一内部支架支撑的透镜；由一外部支架支撑的图案生成器，用于形成结构光图案；内部支架与外部支架为独立的非一体结构，内部支架及外部支架安装在底座上。该投影模组采用内部支架承载透镜，采用外部支架承载图案生成器，内部支架和外部支架是彼此独立的结构，透镜的安装和图案生成器的安装可分别进行，不会相互制约，将安装有透镜的内部支架和安装有图案生成器的外部支架安装在底座上时，光源、透镜和图案生成器的相对位置容易调整，安装精度易于控制，安装效率高，利于深度相机的小型化；并且可以避免安装过程中灰尘、碎屑等异物掉落，保证透镜性能。

Description

投影模组及其制造方法以及深度相机

技术领域

本发明属于光电技术领域，更具体地说，是涉及一种投影模组及其制造方法以及包括该投影模组的深度相机。

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、场景建模及手势交互等功能，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(微软发布的深度相机的名称)、奥比中光的ASTRA(深圳奥比中光科技有限公司的一款深度相机的名字)是其中的代表。另外，谷歌的Tango(谷歌的研发项目Project 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，比如中国专利申请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(例如边发射激光器)加图案生成器(DOE)；另一种是采用多光源,例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列,再加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。无论采用哪种光源，相应的激光器都具有一定的光束发散角，因此还需要增加透镜以用于实现光束的准直或聚集。

在投影模组的设计过程中，一般需要考虑投影模组在制造及安装过程中可能会出现的问题，比如制造及安装误差、安装效率等。特别是当投影模组的体积要求小到可以被置入到移动电子设备中时，投影模组中各个部件也将非常小，以致于在安装过程中容易被损坏或者难以保证较高的安装精度。上述问题有待解决。

发明内容

本发明实施例提供一种投影模组，旨在解决小型深度相机的投影模组的安装精度及安装效率低的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：提供一种投影模组，包括：

底座；

光源，设置于所述底座上，用于发射光束；

透镜，设置于所述光源的发射光路上，由一内部支架支撑，用于准直所述光束；

图案生成器，设置于所述透镜的出射光路上，由一外部支架支撑，用于将所述光束进行分束以形成结构光图案；

所述内部支架与所述外部支架为独立的非一体结构，所述内部支架和/或所述外部支架安装在所述底座上。

进一步地，所述光源为垂直腔面激光发射器阵列，包括晶圆基底以及形成于所述晶圆基底上的激光发射单元，所述晶圆基底同时用作所述底座。

进一步地，所述光源为垂直腔面激光发射器阵列或者边发射激光器，所述底座为电路板或金属散热底板。

进一步地，所述垂直腔面激光发射器阵列中的多个激光发射器呈不规则二维排布以提高所述结构光图案的不相关性。

进一步地，所述外部支架套设于所述内部支架外侧，且所述内部支架和外部支架的端部均与所述底座连接；

或者，所述内部支架靠近所述光源的一端缩于所述外部支架内部，所述内部支架的外周壁与所述外部支架的内周壁相连接，所述外部支架的端部与所述底座连接。

进一步地，所述内部支架为金属散热支架，所述外部支架为金属散热支架或塑胶支架。

本发明实施例的另一目的在于提供一种深度相机的制造方法，包括下述步骤：

提供底座，并在所述底座上设置光源以发射光束；

将透镜安装在内部支架上以准直所述光束；

将图案生成器安装在外部支架上以形成结构光图案；

将所述内部支架及外部支架安装在所述底座上。

进一步地，所述提供底座以及在所述底座上设置光源以发射光束的步骤具体为：

在晶圆基底上生成多个垂直腔面激光发射器阵列；

切割所述晶圆基底，获得多个独立的垂直腔面激光发射器阵列；其中，所述晶圆基底同时用作所述底座。

本发明实施例的另一目的在于提供一种深度相机，包括：

上述的任一种投影模组，用于发射结构光图案；

采集模组，用于采集所述结构光图案被目标物体调制后的光学信息；

处理器，与所述投影模组和所述采集模组连接，用于根据所述光学信息进行深度计算后获取反映所述目标物体的深度图像。

该投影模组采用内部支架承载透镜，采用外部支架承载图案生成器，内部支架和外部支架是彼此独立的结构，而不是一体成型，这样，透镜的安装和图案生成器的安装可分别进行，不会相互制约，将安装有透镜的内部支架和安装有图案生成器的外部支架安装在底座上时，光源、透镜和图案生成器的相对位置容易调整，安装精度易于控制，安装效率高，利于深度相机的小型化；并且可以避免安装过程中灰尘、碎屑等异物掉落，保证透镜性能。

本发明实施例的另一目的在于提供另一种深度相机，包括：

投影模组，用于发射结构光图案；

采集模组，用于采集所述结构光图案被目标物体调制后的光学信息；

处理器，与所述投影模组和所述采集模组连接，用于根据所述光学信息进行深度计算后获取反映所述目标物体的深度图像；

所述投影模组至少包括：

光源，用于发射光束；

第一透镜，设置于所述光源的发射光路上，由第一内部支架支撑，用于准直所述光束；

图案生成器，设置于所述第一透镜的出射光路上，用于将所述光束进行分束以形成结构光图案；

所述采集模组至少包括：

第二透镜，由第二内部支架支撑，用于收集所述结构光图案经被目标物体调制后的光学信息；

所述深度相机还包括：

底座，用于承载所述投影模组、采集模组以及处理器；

外部支架，设置于所述底座上且套设于所述第一内部支架和第二内部支架外侧；

所述图案生成器设置于所述外部支架上。

进一步地，所述外部支架的开口端设有封装件，所述封装件至少设有与所述第一透镜对应的出射窗和与所述第二透镜对应的入射窗，所述出射窗处设有所述图案生成器。

进一步地，所述第一内部支架、第二内部支架、光源及处理器均安装于所述底座上。

本发明实施例提供的深度相机与现有技术相比具有如下有益效果：

该结构光深度相机的投影模组采用第一内部支架承载第一透镜，采用外部支架承载图案生成器，采集模组采用第二内部支架承载第二透镜，投影模组和采集模组共用一个外部支架，该外部支架和第一内部支架及第二内部支架是彼此独立而非一体成型的结构，这样，第一透镜、图案生成器及第二透镜的安装均可分别进行，避免空间限制，不会相互制约，进而，安装精度易于控制，安装效率高，利于深度相机的小型化；并且可以避免安装过程中灰尘、碎屑等异物掉落，保证透镜性能；投影模组、采集模组及处理器设置于同一个底座上，外部支架将投影模组和采集模组及处理器收容其中，结构紧凑，稳定性好，更利于小型化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的投影模组的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的投影模组的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的投影模组的一种制作流程图；

图4为本发明实施例提供的投影模组的另一种制作流程图；

图5为本发明实施例提供的深度相机的第一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的深度相机的第二种结构示意图。

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”或“设置于”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。

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。

此外，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。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本发明实施例提供的投影模组进行说明。

本发明实施例提供的投影模组主要用于深度相机中，具体包括底座101、光源102、透镜103及图案生成器104，图案生成器104可以为衍射光学元件。光源102设置于底座101上，用来发射光束；透镜103设置于光源102的发射光路上，由一内部支架105支撑，用于准直光束；图案生成器104设置于透镜103的出射光路上，由一外部支架106支撑，用于将光束进行分束以形成结构光图案；该内部支架105与外部支架106是彼此独立的，而不是一体结构，可以理解，彼此独立的含义是二者之间不是一体结构，而是单独成型的部件，置于投影模组中时依然可以存在连接关系或者依然保持非连接的状态。上述的内部支架105和外部支架106安装在底座101上，具体可以是互不干涉的安装在底座101上，也可以是相互连接并安装在底座101上。

该投影模组的工作原理为：光源102发射的光束被透镜103准直后照射到图案生成器104上，图案生成器104将光束进行扩束。例如采用垂直腔面激光发射器阵列作为光源102时，图案生成器104的作用是将光源102的二维阵列图案成倍复制，并且复制后的多个二维阵列图案以相邻、部分重叠等方式向外发射。例如光源102发出50个光束，图案生成器104扩束的倍数为100倍，则通过图案生成器104向外发射的光束为5000个。经过图案生成器104扩束后的光束照射到物体上后将在物体上形成多个斑点，斑点的形状由光源102的二维排列形状以及图案生成器104的扩束结果决定。该斑点的光学信息被采集模组采集后由处理器进行深度分析，形成物体的深度图像。

本发明实施例的投影模组采用内部支架105承载透镜103，采用外部支架106承载图案生成器104，内部支架105和外部支架106是彼此独立的结构，而不是一体成型，这样，透镜103的安装和图案生成器104的安装可分别进行，而后再进行组装，不受空间限制，不会相互制约，光源102、透镜103和图案生成器104的相对位置容易调整，安装精度易于控制，安装效率高，利于深度相机的小型化；并且可以避免安装过程中灰尘、碎屑等异物掉落，保证透镜103的性能。

在本发明实施例中，光源102可以是可见光、不可见光如红外、紫外等激光光源。光源102的类型可以采用边发射激光器，也可以采用垂直腔面激光发射器阵列，为了缩小投影模组的体积，本实施例优选采用后者。垂直腔面激光发射器阵列包括晶圆基底，以及形成于晶圆基底上的激光发射单元，该晶圆基底同时作为底座101使用，晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，其形状为圆形，因此称之为晶圆。这种光源102是在半导体基底(晶圆)表面直接制作多个垂直腔面激光发射器阵列。垂直腔面激光发射器阵列是以二维图案排列的二维光源，整体大小仅在微米量级，每个垂直腔面激光发射器阵列都包含多个子光源102。例如，一个垂直腔面激光发射器阵列的尺寸约5mm*5mm，包含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。另外，本实施例中的垂直腔面激光发射器阵列的多个子光源形成的二维图案是一种不规则图案，不规则排列的好处在于提高散斑图案的不相关性，即避免规则行列排布的光源102发出的光发生干扰进而无法用于深度成像。

作为另一种底座101结构，其也可以采用电路板，具有电连接作用，光源102设置于底座101上，通过底座101的电路实现明灭控制。进一步地，底座101也可以采用金属散热底板，便于将光源102产生的热量及时导出。当然，更优选的是，底座101是具有散热功能的电路板，例如在电路板上直接设置散热件，光源102置于电路板上，同时解决电连接与散热的问题。

在本实施例中，底座101最好具有一定强度以同时承载光源102、内部支架105和外部支架106。即，作为本发明实施例的一种优选方式，内部支架105和外部支架106的端部均连接至底座101，外部支架106套设于内部支架105外侧，为了进一步加强连接稳定性，可以在底座101上设置定位柱或者定位孔，相应地，在内部支架105和外部支架106的端部设置定位孔或者定位柱，通过定位孔和定位柱的插接增强其稳定性。当然还可以通过螺孔和螺柱配合连接、粘接、焊接等，或者两种连接方式配合等。内部支架105也可以和外部支架106之间预先连接，再一并安装到底座101上。

在这种结构中，内部支架105会接受大量的光照进而发热，因此优选采用金属散热材料制作，外部支架106可采用塑胶材料，或者同样采用金属材料，但这样会略增加重量。

参考图2，作为内部支架105和外部支架106的另一种固定方式，内部支架105靠近光源102的一端可以缩于外部支架106内部，而不直接与底座101连接，内部支架105的外周壁与外部支架106的内周壁相连接，具体可以是胶水粘接、焊接、卡接等，外部支架106的端部与底座101连接。这样可以先将外部支架106套设于内部支架105的外部，再将外部支架106安装在底座101上，这种内部支架105不与底座101相连，因此高度可做的更小，能够固定透镜103并便于安装即可。对于这种结构，当内部支架105较短时，内部支架105和外部支架106均会汇集大量光能而发热，因此内部支架105和外部支架106均优选为金属散热材质制作。将内部支架105和外部支架106连接的介质也优选为散热性好的材料。

在本实施例中，透镜103可以是单透镜103也可以是透镜组合，甚至可以是微透镜阵列。透镜103通常为圆形，因此内部支架105通常为圆柱形。外部支架106的形状与图案生成器104的形状适应，图案生成器104为圆形时，外部支架106为圆柱形，图案生成器104为方形时，外部支架106为方形。

参考图3，本发明实施例进一步提供一种投影模组的制造方法，包括下述步骤：

在步骤S11中，提供底座，并在底座上设置光源以发射光束；

在步骤S21中，将透镜安装在内部支架上以准直光束；

在步骤S31中，将图案生成器安装在外部支架上以形成结构光图案；

在步骤S41中，将内部支架及外部支架安装在底座上。

具体地，作为步骤S11的一种实现方式，在底座上设置光源以发射光束的步骤可以这样进行：先在晶圆基底上生成多个垂直腔面激光发射器阵列；然后切割晶圆基底，获得多个独立的垂直腔面激光发射器阵列；其中，晶圆基底同时用作底座。

作为步骤S11的另一种实现方式，可以在金属散热板或者电路板上安装光源，此时金属散热板或者电路板作为底座。

进一步参考图4，在进行步骤S11后，进行步骤S12，即：光源检测及安装了光源的底座检测。具体而言，光源检测主要包括坏点检测、功率检测等；对底座的检测内容包括但不限于光源安装的精度是否达标、光源光轴是否与底座垂直等。对于垂直腔面激光发射器阵列，光源直接生成于半导体底座上，光源及底座的检测过程可以是在晶圆切割前或切割后进行；在一些实施例中，还需要对切割后的光源进行封装。对于普通光源，可先提供光源并进行光源检测，再进行光源安装及底座检测。

作为步骤S21的一种实现方式，将透镜安装在内部支架上一般采用胶水连接，也可以为其他任何固定方式。在进行步骤S21后，进行步骤S22，透镜检测。对透镜的检测包括对透镜的外观、性能等检测。

在步骤S31中，图案生成器的安装方式可以为胶水、螺纹、焊接等连接方式，具体可以在图案生成器的周围设置连接部，采用胶水连接、螺纹连接、焊接等方式将连接部与外部支架连接。

在步骤S41中，将内部支架及外部支架安装在底座上的步骤可以这样进行：先将内部支架安装在底座上，而后进行调焦测试，再将外部支架自内部支架外侧套接并安装在底座上，内部支架与底座之间的连接可以为胶水连接、螺纹连接、定位柱连接等，外部支架与底座的连接也可以采用上述方式。也可采用另一种连接方式，先将内部支架套接在外部支架内侧并固定，这时内部支架缩于外部支架内部，再将外部支架携带着内部支架安装在底座上，再进行调焦测试。

对于调焦，可以有如下两种方式：第一种，在内部支架与底座安装过程中不断调整同时进行调焦测试，直到达到准直效果最佳时停止对内部支架与底座的调整。第二种，透镜与内部支架的连接为可调整连接，比如螺纹连接，此时在调焦过程中通过对透镜的位置调整以达到最佳的准直效果。

进一步地，在进行步骤S41后，进行步骤S42，投影模组整体检测。测试内容包括投影模组所发射的结构光光轴是否与底座垂直、结构光图案是否满足要求等。

在本实施例中，S11～S31的顺序可以灵活改变，光源、透镜的安装和测试以及图像生成器的安装可同时进行，以提高效率。

基于上述投影模组，本发明进一步提供一种深度相机，参考图5，作为深度相机的第一种实施例：

该深度相机包括上述的投影模组10a，其结构和工作原理不再赘述，还包括采集模组20a和与投影模组10a和采集模组20a连接的处理器30a，投影模组10a用于发射结构光图案；采集模组20a用于采集结构光图案被目标物体调制后的光学信息；处理器30a用于根据光学信息进行深度计算后获取反映目标物体的深度图像。

进一步地，处理器30a可以集成在一个主板40a上，投影模组10a和采集模组20a分别设有与主板40a连接的接口50a，接口50a可以为FPC接口。主板40a一般指电路板，比如PCB，也可以是其他支架，用于连接及固定各模组以及提供电路连接的板体均可。

在本实施例中，还可以增设RGB相机60a，用于获取目标物体的彩色图像。投影模组10a、采集模组20a以及RGB相机60a安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线上，这样设计以便于后期深度图像与彩色图像之间的配准。投影模组10a、采集模组20a以及RGB相机60a分别对应一个通光窗口70a。

作为一种实施例，光源为红外激光光源，结构光图案为红外激光散斑图案，图案呈颗粒分布，相对均匀但具有很高的局部不相关性，该局部不相关性指图案中各个子区域都具有较高的唯一性，以免结构光发生相互干扰。相应地，采集模组20a为与投影模组10a对应的红外相机，一般包括一成像透镜以及用于接收成像光束的传感器。处理器30a接收到由采集模组20a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。在其他实施例中，还可以利用可见光或紫外光进行深度成像，本发明不进行限制。

在本实施例中，投影模组10a、采集模组20a、处理器30a、主板40a及RGB相机60a由一壳体80a包封，相应的通光窗口70a设置在壳体80a上。

作为本发明的一种改进，还提供了另一种深度相机，参考图6，作为深度相机的第二种实施例：

提供一种深度相机(为了区分上述第一种实施例的深度相机，此处可称之为“结构光深度相机”)，包括投影模组10b，采集模组20b，与投影模组10b和采集模组20b连接的处理器30b，以及相机底座。投影模组10b、采集模组20b、处理器30b均安装于相机底座40b上。投影模组10b用于发射结构光图案；采集模组20b用于采集结构光图案被目标物体调制后的光学信息；处理器30b用于根据光学信息进行深度计算后获取反映目标物体的深度图像。其中，投影模组10b至少包括：用于发射光束的光源102b；设置于光源102b的发射光路上的第一透镜103b，其由第一内部支架105b支撑，用于准直光束；设置于第一透镜103b的出射光路上的图案生成器104b，用于将光束进行分束以形成结构光图案。采集模组20b至少包括：第二透镜203b，其由第二内部支架205b支撑，用于收集结构光图案经被目标物体调制后的光学信息，还应包括用于采集光束的传感器。上述投影模组10b、采集模组20b、处理器30b均设置在一个外部支架106b内部，也即，第一内部支架105b和第二内部支架205b外侧设置了外部支架106b，该外部支架106b同样安装于相机底座40b上。投影模组10b的图案生成器104b设置于该外部支架106b上。该外部支架106b和第一内部支架105b及第二内部支架205b是彼此独立而非一体成型的结构。

可见，该第二实施例中的外部支架106b与第一实施例中的外部支架106b不同的是，其不仅仅用于承载图案生成器104b，还将采集模组20b及处理器30b收容其中，且投影模组10b、采集模组20b及处理器30b设置于同一个相机底座40b上，使整个结构光深度相机结构更加紧凑巧妙。另外，外部支架106b和第一内部支架105b及第二内部支架205b是彼此独立而非一体成型的结构，第一透镜103b、图案生成器104b及第二透镜203b的安装均可分别进行，不会相互制约，进而，安装精度易于控制，安装效率高。

进一步地，外部支架106b的开口端设有封装件50b，封装件50b至少设有与第一透镜103b对应的出射窗501b和与第二透镜203b对应的入射窗502b，图案生成器104b设置在该出射窗501b处。具体地，出射窗501b可以是敞口的窗口，图案生成器104b直接设置在该敞口处；出射窗501b也可以是一透明窗，图案生成器104b缩于该透明窗内侧。入射窗502b优选为透明窗，第二透镜203b缩于该透明窗内侧。

进一步优选地，第一内部支架105b、第二内部支架205b、光源102b、处理器30b均安装于相机底座40b上，以简化结构，利于相机的小型化。

进一步地，该结构光深度相机的投影模组10b可以具有上述第一种实施例提供的投影模组10a的其他相应结构和光学性质，采集模组20b和处理器30b与上述第一实施例中的采集模组20a和处理器30a相同，此处不重复说明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种深度相机，其特征在于，包括：

投影模组，用于发射结构光图案；其中，所述结构光图案为红外激光散斑图案；

采集模组，用于采集所述结构光图案被目标物体调制后的光学信息；

处理器，与所述投影模组和所述采集模组连接，用于根据所述光学信息进行深度计算后获取反映所述目标物体的深度图像；

所述投影模组至少包括：

光源，用于发射光束；

第一透镜，设置于所述光源的发射光路上，由第一内部支架支撑，用于准直所述光束；

图案生成器，设置于所述第一透镜的出射光路上，用于将所述光束进行分束以形成结构光图案；

所述采集模组至少包括：

第二透镜，由第二内部支架支撑，用于收集所述结构光图案经被目标物体调制后的光学信息；

所述深度相机还包括：

底座，用于承载所述投影模组、采集模组以及处理器；

外部支架，设置于所述底座上且套设于所述第一内部支架和第二内部支架外侧；

所述图案生成器设置于所述外部支架上。

2.如权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述外部支架的开口端设有封装件，所述封装件至少设有与所述第一透镜对应的出射窗和与所述第二透镜对应的入射窗，所述出射窗处设有所述图案生成器。

3.如权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述第一内部支架、第二内部支架、光源及处理器均安装于所述底座上。