CN107678225A - 基于高密度vcsel阵列光源的结构光投影模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，包括：半导体衬底；以二维阵列形式排列在所述半导体衬底上的子光源组成的VCSEL阵列光源；成像透镜，所述成像透镜将所述VCSEL阵列光源发出的光束投射到空间中，在所述成像透镜的像平面上可以形成所述VCSEL阵列光源的像。一方面结构光投影模组的结构中避免了易受环境影响而损坏的DOE；另一方面可以直接通过对VCSEL光源阵列的设计来控制结构光投影模组所投影的结构光的密度、排列形式等，更加便利，使得结构光投影模组以更小的体积投影出高强度以及高对比度的结构光图像。

Description

基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组。

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是目前普遍被用来3D成像的硬件设备。

结构光深度相机中的核心部件是结构光投影模组，专利CN201610977172A 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底上通过布置多个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成千上万个VCSEL光源。已有技术中普遍采用数量较少的VCSEL光源阵列，通过衍射光学元件进行分束后向空间中投射更多数量光束组成的结构光图案，然而由于衍射光学元件受到温度、湿度、跌落等容易失效，从而使得深度相机无法工作。

发明内容

本发明为了解决衍射光学元件容易失效使得深度相机无法工作问题，提供一种基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，应用于深度相机，包括：半导体衬底；以二维阵列形式排列在所述半导体衬底上的子光源组成的VCSEL 阵列光源；成像透镜，所述成像透镜将所述VCSEL阵列光源发出的光束投射到空间中，在所述成像透镜的像平面上可以形成所述VCSEL阵列光源的像。

本发明提供的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组还包括准直透镜，设置在所述VCSEL阵列光源与所述成像透镜之间，用于准直所述VCSEL阵列光源发出的光束；所述准直透镜为微透镜阵列，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。

以上两种结构光投影模组中，所述像平面所在的深度值位于所述深度相机的深度测量范围之间；所述二维阵列为不规则二维阵列；所述VCSEL阵列光源包含 5000-500000个子光源；所述VCSEL阵列光源中子光源之间的间距在5μm-50μm 之间。

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，与所述结构光投影模组及所述采集模组连接，利用所述结构化光束图案计算出深度图像。所述处理器控制所述结构光投影模组以一定的周期进行间隔发光；所述间隔发光的发光时间不低于所述采集模组的单帧图像的曝光时间；或所述采集模组的单帧图像的曝光时间为所述间隔发光的发光时间的倍数。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于高密度的VCSEL阵列光源的结构光投影模组及相关深度相机，利用高密度的VCSEL光源阵列作为结构光投影模组的光源，并通过成像透镜向空间发射出VCSEL光源阵列的像，一方面结构光投影模组的结构中避免了易受环境影响而损坏的DOE；另一方面可以直接通过对VCSEL光源阵列的设计来控制结构光投影模组所投影的结构光的密度、排列形式等，更加便利，使得结构光投影模组以更小的体积投影出高强度以及高对比度的结构光图像。

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侧面示意图。

图2是本发明一个实施例的结构光投影模组的示意图。

图3是本发明又一个实施例的结构光投影模组的示意图。

其中，101-深度相机，102-处理器，103-主板，104-结构光投影模组，105- 采集模组，106-接口，107-RGB相机，108-进光窗口，201-衬底，202-阵列光源， 203-成像透镜，204-光线。205-子光源对应的像，206-像平面，301-基底，302- 阵列光源，303-准直透镜，304-成像透镜，305-光线，306-平面。

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。

如图1所示是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与采集模组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采集到该结构光图案后通过处理器102的处理从而得到目标空间的深度图像。在一个实施例中，结构光图案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(一般指沿着结构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为与结构光投影模组104对应的红外相机。利用处理器102获取深度图像具体地指接收到由采集模组105采集到的散斑图案后，通过计算采集到的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。

已有技术中，结构光投影模组由光源、准直透镜以及衍射光学元件(DOE)组成，光源发出光束后经准直透镜准直后入射到DOE，并被DOE按一定的衍射角度进行分束后形成一定二维图案的结构化图案光束，一般地光源数量从1个到几百个不等，经DOE分束后形成由几万个斑点构成的散斑图案。DOE往往会受到温度、湿度或者跌落等影响到其性能，甚至会失效，此时结构光投影模组无法投影出散斑图案，导致深度相机无法获取深度图案。

图2是根据本发明一个实施例的结构光投影模组104的示意图。结构光投影模组104包括衬底201、阵列光源202、成像透镜203。衬底201一般为半导体衬底，比如晶圆，在其上布置阵列光源202，衬底201与阵列光源202共同构成了光源阵列，例如VCSEL光源阵列芯片。阵列光源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。

为了使得结构光投影模组发射出的图案具有均匀、不相关等特性，要求VCSEL 光源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光源阵列芯片整体大小仅在微米量级，比如5mmX5mm大小，上面排列的光源数量在5000～500000个，数量越多投影出的散斑图案密度越大，深度图像的精度越高，各个光源之间的距离处于微米量级，比如5～50μm。

成像透镜203用于接收由阵列光源202发射的光束，并将光束投射到目标空间，比如像平面206上，形成由各个子光源对应的像205组成的散斑图案。这里成像透镜203用于对VCSEL阵列光源202进行成像，因此散斑图案的形状与列光源202上的排列图案形状一致。图中用虚线204表示子光源与其像之间的对应关系，在一些实施例中也可以表示光线。

为了获取对比度较高的散斑图案，各个子光源的像205应尽可能小。由于实际应用中，像205并非在平面上形成，而是在一个三维的空间中，因此各个子光源所形成的像205会在大小上有所差异，在成像透镜203的像平面206上子光源的像最为集中，即对比度最高，像平面206前后的平面上像都会变大。考虑到深度相机一般都会有深度测量范围，该范围在设计时一般会考虑采集模组105中透镜的景深，假设当前深度相机的测量范围为[DminDmax]。为了得到高对比度的散斑图案，投影模组104需要在该测量范围内投影出较为集中的子光源的像，一个实施例中，将像平面206所在的深度值D设置在测量范围内，即满足Dmin≤D ≤Dmax，即可获取较高对比度的散斑图案，优先地，当D＝(Dmin+Dmax)/2时，散斑图案的对比度更高。

图3是根据本发明的另一个实施例的结构光投影模组104的示意图。结构光投影模组104除基底301、阵列光源302、成像透镜304之外还有准直透镜303，准直透镜303用于对阵列光源302中各个子光源发射光束进行准直，以降低光源光束的发散度，可以提高散斑图案的对比度。为了以示方便，以图3中仅在一维上示出了3个子光源，在实际应用中，子光源一般以不规则二维图案形式排列在基底301上。

在一个实施例中，准直透镜303为微透镜阵列(MLA),MLA中各个微透镜单元对应一个子光源，子光源位于MLA的焦距上。成像透镜304接收由准直透镜303 发出的准直光束后在平面306形成阵列光源302的像。所形成的像即是结构光投影模组104向外发射的散斑图案，图案中斑点的数量、排列形式等与光源阵列 301中的一致，因此，仅需要对阵列光源的设计即可控制散斑图案的密度、不相关度等要素，相比于已有技术中利用DOE的方案，设计上将更加方便。

在传统拥有DOE的结构光投影模组方案中，DOE将单个光束分成多束，一方面提高了生成的结构光图案密度，另一方面也使得光束的强度减弱，但是同时产生零级衍射光束，零级衍射光束是指射向衍射光学元件的光束中，存在着一部份光束没有被衍射并且继续穿过衍射光学元件进入目标空间，即没有被衍射光学元件衍射便直接进入目标空间的那一部分光束为零级衍射光束。由于衍射光学元件的零级衍射问题，激光投影装置投射到目标空间的激光图案，其均匀性和对比性都会出现不同程度的下降，导致其无法适用于一些特殊的应用环境。尤其是，在基于激光投影装置的人机交互的一些应用中，激光投影装置的零级衍射光束有可能会引发人眼安全的问题。如果激光投影装置的零级衍射光束的单位横截面能量通量超过了激光对人眼安全标准的最大允许值，则该激光投影装置不应当用于涉及人机交互的应用环境中。

现有技术中，通过在衍射光学元件前面或后面放置一块表面垂直于光束传输方向的散射片，可以减少零级衍射光束。尽管有了上述现有技术，但是该技术方案提及的散射片并不适用于应用在深度相机的激光投影装置中，因为散射片散射的零级衍射光束会干扰高阶衍射光束的分布，从而导致深度相机的精准度下降，因此该技术手段并不适用于投射编码或结构化光束的激光投影装置。想要真正解决零级衍射光束的问题还需要进一步的研究。

本发明所采用的高密度VCSEL阵列的结构光投影模组，由于没有DOE，所投影出的激光强度相对较强。但基于这一问题，在一个基于本发明结构光投影模组的深度相机实施例中，处理器用于控制结构光投影模组进行间隔发光，即以一定的周期打开光源和关闭光源，打开与关闭的时间之和构成一个发光间隔周期，其中打开光源的时间需要与采集模组单帧图像曝光时间同步，且打开的时间应保证采集模组得到充分曝光，同时又不会造成激光安全问题。在另一个实施例中，为了进一步降低激光危害，结构光投影模组发光的周期要远小于采集模组曝光时间，亦即在采集模组单帧图像曝光时间内结构光投影模组进行了多次的打开与关闭。在不影响深度相机获取图像精度的前提下，保证结构光投影模组发射出的激光强度在安全范围内，而且适用于多种场景。

同时，因为在激光投影模组中没有设置DOE，可以使激光投影模组的体积更小，使用范围更广。

如上所述，本发明提供的结构光投影模组以及深度相机在简化了DOE的基础上，依然可以利用高密度的VCSEL光源阵列作为结构光投影模组的光源，并通过成像透镜向空间发射出VCSEL光源阵列的像，一方面结构光投影模组的结构中避免了易受环境影响而损坏的DOE；另一方面可以直接通过对VCSEL光源阵列的设计来控制结构光投影模组所投影的结构光的密度、排列形式等，同时避免了由于DOE造成的零级衍射光束的问题，使得结构光投影模组以更小的体积投影出高强度以及高对比度的结构光图像。应当可以理解的是，基于现有技术中的深度相机和光学原理，依然可以在本发明提供的结构光学模组以及深度相机的基础上作进一步的改进使其适用于更加具体的场景，但是都应该视为本发明的保护范围。

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)

1.一种基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，应用于深度相机，其特征在于，包括：

半导体衬底；

以二维阵列形式排列在所述半导体衬底上的子光源组成的VCSEL阵列光源；

成像透镜，所述成像透镜将所述VCSEL阵列光源发出的光束投射到空间中，在所述成像透镜的像平面上可以形成所述VCSEL阵列光源的像。

2.如权利要求1所述的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，还包括准直透镜，设置在所述VCSEL阵列光源与所述成像透镜之间，用于准直所述VCSEL阵列光源发出的光束。

3.如权利要求1-2所述的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述像平面所在的深度值位于所述深度相机的深度测量范围之间。

4.如权利要求1-2所述的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述二维阵列为不规则二维阵列。

5.如权利要求1-2所述的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述VCSEL阵列光源包含5000-500000个子光源。

6.如权利要求1-2所述的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述VCSEL阵列光源中子光源之间的间距在5μm-50μm之间。

7.如权利要求2所述的基于高密度VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述准直透镜为微透镜阵列，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。

8.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1-7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，与所述结构光投影模组及所述采集模组连接，利用所述结构化光束图案计算出深度图像。

9.如权利要求8所述的深度相机，其特征在于，所述处理器控制所述结构光投影模组以一定的周期进行间隔发光。

10.如权利要求9所述的深度相机，其特征在于，所述间隔发光的发光时间不低于所述采集模组的单帧图像的曝光时间；或所述采集模组的单帧图像的曝光时间为所述间隔发光的发光时间的倍数。