CN107589623A - 高密度的结构光投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高密度的结构光投影仪，包括：由在半导体衬底上排列的至少两个子光源组成的VCSEL阵列光源；透镜，用于接收及汇聚由所述VCSEL阵列光源中所述子光源发射出的光束；斑点图案生成器，接收由所述透镜汇聚的所述子光源发射出的光束后产生与所述子光源对应的结构光子光束，由至少两个所述结构光子光束组合成所述结构光光束。通过采用VCSEL阵列光源，并利用斑点图案生成器实现对各个子光源的同步扩束，从而在不增加光源强度的基础上获得高密度、大视场的结构光图案投影，避免产生较强的零级衍光斑。

Description

高密度的结构光投影仪

技术领域

本发明涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种高密度的结构光投影仪。

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。

结构光深度相机中的核心部件是结构光投影仪，用于向外投射出结构光图案。投影仪的主要部件有光源以及光学元件，其共同决定了结构光图案的特性。比如利用单个激光器与衍射光学元件(DOE)可以投影出斑点图案，斑点的密度、亮度、视场角等都会影响到深度相机的深度图像获取质量。然而，要想投射出高密度、大视场角的斑点图案，往往要求激光器拥有较大的功率，同时考虑到衍射光学元件的零级衍射效应，其零级光斑将拥有非常高的光强，容易造成伤害，而采用一些技术手段来消除零级又会增加成本。

发明内容

本发明为了解决不增加零级光斑强度的情况下获取高密度、大视场角的斑点图案问题，提供一种高密度的结构光投影仪。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种结构光投影仪，用于发射结构光光束，包括：由在半导体衬底上排列的至少两个子光源组成的VCSEL阵列光源；透镜，用于接收及汇聚由所述VCSEL 阵列光源中所述子光源发射出的光束；斑点图案生成器，接收由所述透镜汇聚的所述子光源发射出的光束后产生与所述子光源对应的结构光子光束，由至少两个所述结构光子光束组合成所述结构光光束。所述至少两个结构光子光束邻近排列以形成大视场的所述结构光光束；所述至少两个子光源以不规则二维图案形式排列在所述半导体衬底上；所述透镜为单个透镜或微透镜阵列中的一种或组合，所述微透镜阵列中各个微透镜单元与所述VCSEL阵列光源中各个子光源一一对应；所述斑点图案生成器为光栅、微透镜阵列、衍射光学元件中的至少一种。

本发明提供的结构光投影仪，所述至少两个结构光子光束相互交叉以形成高密度的所述结构光光束；所述结构光子光束在距离为D的平面上形成的结构光图案中斑点间距M满足：M＝knD/d，其中，k为大于1的整数，n为所述子光源的之间的间距，d为所述子光源与所述斑点图案生成器之间的距离。所述至少两个结构光子光束相互交叉的区域占单个子光束形成区域的90％以上；所述交叉为二维交叉。

本发明还提供一种深度相机，包括：如上任一所述的结构光投影模组，用于向空间中发射结构化图案光束；采集模组，与所述结构光投影模组设置在同一条基线上，用于采集所述结构化光束图案；处理器，利用所述结构化光束图案计算出深度图像。

本发明的有益效果为：本发明提供一种高密度的结构光投影仪，通过采用 VCSEL阵列光源，并利用斑点图案生成器实现对各个子光源的同步扩束，从而在不增加光源强度的基础上获得高密度、大视场的结构光图案投影，避免产生较强的零级衍光斑。

附图说明

图1是本发明一个实施例的基于结构光的深度相机示意图。

图2是本发明一个实施例的结构光投影仪的示意图。

图3是本发明一个实施例的结构光投影仪投射的结构光图案的示意图。

图4是本发明又一个实施例的结构光投影仪的示意图。

图5是本发明又一个实施例的结构光投影仪投射的结构光图案的示意图。

其中，101-深度相机，102-处理器，103-主板，104-结构光投影仪，105- 采集模组，106-接口，107-RGB相机，108-进光/出光窗口，201-底座，202-衬底，203-光源，204-镜座，205-透镜，206-衍射光学元件，207-第一子光束，208- 第二子光束，209-第三子光束，2071-第一子光束形成的斑点，2081-第二子光束形成的斑点，2091-第三子光束形成的斑点，401-底座，402-衬底，403-光源， 404-镜座，405-透镜，406-DOE，407-子光束，408-子光束，409-子光束。4071- 子光束形成的斑点，4081-子光束形成的斑点，4091-子光束形成的斑点。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

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。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。

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。

深度相机

如图1所示，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。深度相机101主要组成部件有结构光投影仪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。结构光投影仪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，另外三者一般处于同一条基线上，每个模组或相机都对应一个进光/出光窗口108。一般地，处理器102被集成在主板103上，而结构光投影仪104与采集模型105通过接口 106与主板连接，接口可以为DVP接口、MIPI接口等等。主板103可以为PCB等电路板，也可以是半导体基板。其中，结构光投影仪104用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组105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，结构光图像为红外散斑图案(斑点图案)，斑点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 为与结构光投影仪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。处理器102除了用于深度计算，还用于控制各个部件的运作，比如以特定的频率同步打开各模组。

图1所示的深度相机可以为独立的深度相机装置，也可以是嵌入式的深度相机。深度相机还包含有输出接口(图中未示出)，比如USB、MIPI等接口，输出接口与处理器连接，用于将深度图像输出到其他的主机设备或同一设备中的其他模块。

结构光投影仪

图2是根据本发明的一个实施例的结构光投影仪104的示意图。结构光投影仪104包括底座201、衬底202、光源203、镜座204、透镜205以及衍射光学元件(DOE)206。底座201一般为电路板、加强板或其组合，用于供电与散热等，比如柔性电路板(FPC)与加强铜片组合而成，电路板也可以是印制电路板等，加强板也可以是陶瓷等材料。衬底202一般为半导体衬底，比如晶圆，在其上布置多个光源203，衬底202与光源203共同构成了光源阵列，例如VCSEL阵列芯片。光源203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发射器(VCSEL)，为了使得整体的投影装置体积较小，较佳的方案是选择垂直腔面激光发射器阵列(VCSEL阵列)作为光源。另外，同一个衬底可以由多个子衬底组成，每个子衬底上也可布置不同种类的VCSEL，比如VCSEL的形状、大小、亮度均可以有差别。图中为了方便示意，仅在一维上列出3个子光源，事实上VCSEL 阵列是以固定的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。

透镜205用于接收由VCSEL阵列光源203发射的光束，并对光束进行汇聚，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光源203中的每个子光源对应，也可以一个微透镜单元与多个子光源对应；在另一实施例中也可以采用透镜组来实现光束汇聚。

DOE206用于接收透镜光束并向外发射能形成斑点图案的光束，在一种实施例中，DOE206起到分束的作用，比如当光源203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)的倍率进行扩束，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斑点图案生成器，比如MLA、光栅或者多种光学元件的组合。

透镜203与DOE206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。在一些实施例中，结构光投影仪104也可以不需要透镜205；在一些实施例中，DOE206由多个DOE组成或在单个光学元件上设置多个DOE，由此可以实现多个功能，比如准直或汇聚光束的功能。

单个子光源发出的光束通过DOE206后将形成具有一定视场角的结构光子光束，在本实施例中，三个光源203将分别产生第一子光束207、第二子光束208 以及第三子光束209，三个子光束之间通过相互交叉，三个子光束对应的区域之间存在重叠。

图3是根据本发明的一个实施例的结构光投影仪投射的结构光图案的示意图。其中子光束207、208、209所形成的图案中包含了多个斑点2071、2081以及2091，图中以不同的形式(圆形、交叉形、方形)来分别表示三个子光束的斑点，这里仅为了以示区别，实际的子光束所形成的斑点形状可以相同也可以不同，形状可以任意形状。图3中，三个子光束通过相互交错使得斑点图案相互交叉，从而提高了重叠区域斑点的密度。三个子光束相互交错的距离与光源203 的间距成比例。

设光源与DOE之间的距离为d，投射的结构光图案是在距离DOE为D的平面上形成的，子光源间距用n来表示，相邻子光束交错时偏离的距离用N表示，则有：

N＝nD/d

因此，可以通过设置光源203中各个子光源的间距n来控制重叠区域斑点的密度。然而并非任意间距n都能提高整体密度，只有设置合适的间距才能产生整体密度高的图案，否则会产生局部密度过高的图案。

在一个实施例中，设子光束在距离DOE为D平面上形成的子光束图案中邻近斑点间距为M，则只有当M是N的整数倍时才能产生整体高密度的结构光图案，此时有：

M＝knD/d,k＝2,3,4…

以上实施例示意了一维方向(水平方向)上的交错情形，实际上由于光源203 是二维排列，因此最终投射的斑点图案也是由多个子光束在二维方向上的经过交叉、重叠而形成的。上述公式可以延伸到二维情形，只要将里面的M、N、n变成二维向量即可。当边缘区域非常狭窄时，区域内一般可以没有斑点图案存在，而当边缘区域较宽时，则区域内一般含有一些相对于重叠区域密度较低的斑点。在一些实施例中，为了提高整体投射斑点图案的密度，尽可能的使得光源203靠近，以使得各自的子光束视场尽可能重叠，错开距离较小以使得边缘区域变窄。在一个实施例中，各个子光束相互交叉后形成的重叠区域占单个子光束对应的区域的 90％以上，由于尽可能使得边缘区域较小。

在图2所示的实施例中，子光束大部分区域是相互重叠的，由此各个子光源 203发出的光束到达DOE上的光斑区域也要求相互重叠，因此DOE206对各个子光源203实施相同的扩束效果，所形成的子光束207、208以及209将拥有相同的斑点排列形式。一般地，结构光斑点图案要求随机且不相关性，因此各个子光束的斑点排列一般为不规则排列。图3中子光束利用规则排列是用于示意性说明，并非限定。总的斑点图案为各个子光束交错重叠后形成的，交错的形式由光源203的排列形式决定，因此总的斑点图案的随机性还会受到光源203的排列形式影响，一般地，将光源203的排列设置为不规则排列有利于提高总斑点图案的随机性。可以理解的是，当子光源为不规则排列是，上面所述的斑点间距、子光源间距均指的是平均间距。

以上实施例与已有技术中的单光源情形相比，斑点图案的密度得以提高，且多光源中各个光源的功率可以设置为较低的功率，从而也可以避免零级衍射光束强度过强造成潜在的危害。

图4是根据本发明又一实施例的结构光投影仪104的示意图。与图2所示的结构光投影仪相比，DOE406所实现的功能上有区别。单个光源403通过DOE406 后形成子光束407、408以及409，各个子光束之间没有重叠，最终形成的斑点图案是由多个子光束叠加而成。

如图5所所示。当各个子光束相邻时，总的视场角为各个子光束视场角的总和，由此与单光源情形相比，提高了结构光投影仪的视场角。与图2所示的投影仪相比，本实施例中光源403之间相对间距较大，或者DOE与光源之间的距离较小，以使得各个单光源403所发出的光束在DOE上没有重叠或重叠较小。在一些实施例中，DOE406也可以被分成多个子部分，各个部分分别对应各个子光源403，每个DOE部分的衍射图案可以相同也可以不同，即子光束407、408以及409的图案可以相同也可以不同。在本实施例中，透镜405可以采用微透镜阵列，各个微透镜单元对应一个子光源403或/和DOE的子部分。

本发明提供的结构光投影仪和深度相机相比较于现有技术中采用单光源的结构光投影仪，解决了高密度投影以及零级问题的矛盾。本发明通过采用光源阵列，并利用衍射光学元件实现对各个子光源的同步扩束，以实现高密度、大视场的结构光图案投影，同时由于采用了光源阵列，因此也减小了光源的功率从而避免零级问题。

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 (10)

1.一种结构光投影仪，用于发射结构光光束，其特征在于，包括：

由在半导体衬底上排列的至少两个子光源组成的VCSEL阵列光源；

透镜，用于接收及汇聚由所述VCSEL阵列光源中所述子光源发射出的光束；

斑点图案生成器，接收由所述透镜汇聚的所述子光源发射出的光束后产生与所述子光源对应的结构光子光束，由至少两个所述结构光子光束组合成所述结构光光束。

2.如权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述至少两个结构光子光束相互交叉以形成高密度的所述结构光光束。

3.如权利要求2所述的结构光投影仪，其特征在于，所述结构光子光束在距离为D的平面上形成的结构光图案中斑点间距M满足：

M＝knD/d

其中，k为大于1的整数，n为所述子光源的之间的间距，d为所述子光源与所述斑点图案生成器之间的距离。

4.如权利要求2所述的结构光投影仪，其特征在于，所述至少两个结构光子光束相互交叉的区域占单个子光束形成区域的90％以上。

5.如权利要求2所述的结构光投影仪，其特征在于，所述交叉为二维交叉。

6.如权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述至少两个结构光子光束邻近排列以形成大视场的所述结构光光束。

7.如权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述至少两个子光源以不规则二维图案形式排列在所述半导体衬底上。

8.如权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述透镜为单个透镜或微透镜阵列中的一种或组合，所述微透镜阵列中各个微透镜单元与所述VCSEL阵列光源中各个子光源一一对应。

9.如权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，所述斑点图案生成器为光栅、微透镜阵列、衍射光学元件中的至少一种。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1-9任一所述的结构光投影模组，用于向空间中发射结构化图案光束；

采集模组，与所述结构光投影模组设置在同一条基线上，用于采集所述结构化光束图案；

处理器，利用所述结构化光束图案计算出深度图像。