CN108388071B - 深度相机及其投影模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深度相机及其投影模组，该投影模组包括衬底；以规则晶格的形式排列在所述衬底上的光源；所述光源包括多个子光源，多个所述子光源排列构成多个子光源阵列，分别用于发射多个不规则的、疏密不同的光束阵列；所述子光源阵列由规则晶格上多个位置不同的所述子光源交错排列构成；透镜，用于准直或聚焦所述光束阵列，并向外发射与所述光束阵列相对应的斑点图案光束。本发明的投影模组不再以不规则晶格来设置光源，通过在一个规则晶格上设置的多个子光源构成的多个子光源阵列以分别发射多个不规则的、疏密不同的光束阵列，从而实现结构光的投影，降低了投影模组的设计、生产、制造成本。

Description

深度相机及其投影模组
技术领域
本发明涉及光学元器件制造领域，特别是涉及一种深度相机及其投影模组。
背景技术
垂直腔面激光发射器(VCSEL)阵列芯片逐渐被应用在多个领域，比如泛光照明、结构光投影等。在结构光深度相机中，由VCSEL阵列芯片组成的投影模组是影响深度成像质量以及深度相机体积向微型化发展最为重要的因素。VCSEL阵列芯片上各个VCSEL子光源的排列方式至关重要，不规则排列被认为是产生结构光斑点图案的必要排列方式，然而不规则排列增加了VCSEL阵列芯片的设计以及生产难度和成本。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明目的在于提出一种深度相机及其投影模组，以解决上述现有技术存在的不规则排列导致的设计以及生产难度和成本大的技术问题。
为此，本发明提出一种投影模组，包括衬底；以规则晶格的形式排列在所述衬底上的光源；所述光源包括多个子光源，多个所述子光源排列构成多个子光源阵列，分别用于发射多个不规则的、疏密不同光束阵列；所述子光源阵列由规则晶格上多个位置不同的所述子光源交错排列构成；透镜，用于准直或聚焦所述光束阵列，并向外发射与所述光束阵列相对应的斑点图案光束。
一个实施例中，所述子光源阵列包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，分别用于发射第一光束阵列与第二光束阵列，通过透镜准直或聚焦并向外发射与所述第一光束阵列和\或所述第二光束阵列相对应的第一斑点图案光束、第二斑点图案光束或第三斑点图案光束。
一个实施例中，所述衬底包括两个以上面积大小不同的规则晶格。所述第一子光源阵列和所述第二子光源阵列的子光源均设置在第一规则晶格上。
一个实施例中，所述第一子光源阵列的子光源设置在第一规则晶格上，所述第二子光源阵列的子光源设置在第二规则晶格上，所述第二规则晶格的面积大于所述第一规则晶格；所述第三斑点图案光束为所述第一子光源阵列和所述第二子光源阵列共同发射所得到的。
一个实施例中，所述斑点图案光束投影至目标空间以形成斑点图案。
一个实施例中，还包括衍射光学元件，所述衍射光学元件用于接收通过所述透镜的所述斑点图案光束，经衍射后入射到目标空间以形成复制斑点图案，所述复制斑点图案是由多个所述斑点图案光束组合而成。
一个实施例中，所述组合指多个所述斑点图案光束以相互邻接的方式组合以覆盖视场区域。
一个实施例中，所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列中所述子光源的数量相当。
此外，本发明还提供了一种深度相机，包括：如上述任一项所述的投影模组，用于向目标空间投射斑点图案化光束；采集模组，用于采集结构光图案；处理器，接收所述结构光图案并计算出深度图像。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明的投影模组不再以不规则晶格来设置光源，通过在一个规则晶格上设置的多个子光源构成的多个子光源阵列以分别发射多个不规则的、疏密不同的光束阵列，从而实现结构光的投影，降低了投影模组的设计、生产、制造成本。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的结构光深度相机侧面示意图；
图2是本发明具体实施方式的投影模组的侧视图。
图3是本发明具体实施方式的又一光源阵列芯片示意图。
图4(a)是本发明具体实施方式的投影模组一个子光源阵列所投影的斑点图案示意图。
图4(b)是本发明具体实施方式的投影模组又一个子光源阵列所投影的斑点图案示意图。
图5是本发明具体实施方式的又一光源阵列芯片示意图。
图6是本发明具体实施方式的含DOE的投影模组示意图。
图7是本发明具体实施方式的含有DOE的投影模组投射的斑点图案示意图。
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。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
图1所示的是根据本发明一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。结构光深度相机10主要组成部件有投影模组103、采集模组105、主板102以及处理器101，在一些深度相机中还配备了RGB相机104等。投影模组103、采集模组105以及RGB相机104一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106。一般地，处理器101被集成在主板102上，而投影模组103与采集模组105通过接口与主板102连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。投影模组103用于向目标空间中投射经编码的结构光图案化光束，采集模组105采集到该结构光图案后通过处理器101计算从而得到目标空间的深度图像。
投影模组103主要包含光源以及光学元件，光源可以包含如LED、激光等光源，用于发射可见光以及红外、紫外等不可见光。光学元件如透镜、衍射光学元件、反射镜等，用于对光源发出的光束进行调制，以向外投影出结构光图案光束。这里所说的结构光图案光束指的是该图案光束投射到空间平面上将形成该图案。采集模组105与投影模组103往往一一对应，投影模组103的视场一般需要在测量范围内覆盖采集模组105的视场，另一方面，采集模组105往往需要设置与投影模组103所发射光束波长相对应的滤光片，以便于让更多的结构光图案光束的光通过同时降低其他波长光束通过所带来的图像噪声。
在一个实施例中，结构光图案为红外散斑图案(红外斑点图案)，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，此时采集模组105为对应的红外相机。结构光图案也可以是条纹、二维图案等其他形式。
图2是根据本发明一个实施例的投影模组的侧视图。该投影模组103包括由衬底201、VCSEL子光源202组成的光源阵列芯片与投影透镜203。衬底可以是半导体衬底、金属衬底、电路板衬底等的一种或组合。VCSEL子光源202发出的光束经投影透镜203调制后向空间中发射图案化光束。图2中仅以在一维上排列的3个VCSEL子光源为例进行说明，实际上，在一些实施例中，光源阵列芯片上设置了多个VCSEL子光源202，这些子光源共同组成了一个二维点阵图案，投影透镜203接收来自子光源的光束阵列后将该光束阵列向空间目标中进行投影，形成斑点图案，所投影的光束阵列在空间平面上所形成的结构光图案与子光源所组成的二维点阵图案对应，这里的对应可以是中心对称、复制等。由于子光源一般发射的是发散光束，投影透镜203对子光源光束的作用包括准直或聚焦、同时还以一个发射中心向空间中投射出结构光图案。投影透镜203一般由多片透镜组成，比如3片或4片透镜组成。
图3是根据本发明一个实施例的光源阵列芯片示意图。光源阵列芯片由衬底301以及布置在衬底上的多个子光源组成的阵列构成。所有的子光源均排列在规则晶格304(仅示例，实际的产品中也可以没有该晶格线)上。在本实施例中，“规则晶格”指的是其子光源组成的阵列中的相邻元件之间(例如，在VCSEL阵列中的相邻光源之间)的间距恒定或以恒定间距的整数倍排列的二维图案。在这个意义上说，术语“规则晶格”与周期性晶格同义。在本实施例中，晶格为方形晶格，子光源设置在方形晶格的四个角的任意一个或多个上。在其他实施例中，也可以为其他类型的晶格，如三角形、六边形等。在图3所示的实施例中，由多个子光源302(黑点所示的光源)共同组成第一子光源阵列，第一子光源阵列形成了第一二维图案，可发射第一光束阵列；由多个子光源303(空心点所示的光源)共同组成第二子光源阵列，第二子光源阵列形成了第二二维图案，可发射第二光束阵列。子光源阵列由规则晶格上多个位置不同的子光源交错排列构成，且填充满了规则晶格304，在一些实施例中，也可以部分填充规则晶格304。
可以理解的是，图3中黑点302与空心点303仅以示区别，实际上二者均为光源，在光源关闭时二者也可以无法分辨。在一个实施例中，所有的黑点302被共同控制，所有的空心点303被共同控制，即可以独立的控制黑点与空心点所代表的子光源阵列，当黑点302被打开而空心点303关闭时，投影模组将向空间中投射如图4(a)所示的由多个斑点402组成的斑点图案401，斑点图案401为不规则的、疏密不同的图案；当空心点303打开而黑点302关闭时，投影模组将向空间中投射如图4(b)所示的由多个斑点403组成的斑点图案。本实施例的黑点302或空心点303尽管设置在规则晶格上，但第一子光源阵列和第二子光源阵列为多个不同晶格上的光源所构成阵列，因此，通过共同控制开启后的图案将是不规则的，另外，再加上光束阵列需要通过投影透镜203的准直或聚焦，也将使得图案的形状发生如图4(a)或图4(b)的变形，由此，黑点或空心点的图案将是不规则的、疏密不同的，满足结构光的特性，且可降低投影模组的成本；可以理解的是，斑点402与斑点403均是亮光束，图中的黑点与空心点仅为了示意，并不代表光束强度。
在一些实施例中，第一子光源302与第二子光源303的数量相当，及其数量的比值近似等于1。
在一些实施例中，光源阵列芯片上还可以设置更多组的子光源阵列，比如设置3组或4组子光源阵列。多个子光源阵列分别用于发射多个不规则的、疏密不同的光束阵列，并通过透镜准直或聚焦并向外发射与该光束阵列相对应的斑点图案光束，斑点图案光束投影至目标空间以形成斑点图案；同时打开至少两组子光源阵列将会使得投影模组产生比单独打开单个子光源阵列更高密度的斑点图案。
在一些实施例中，利用由分布在规则晶格上的多组子光源阵列组成的投影模组进行投射斑点图案时，可以以一定的时序控制不同的子光源阵列进行发光，以投射出时序上疏密不同的斑点图案。
图5是根据本发明又一个实施例的光源阵列芯片示意图。光源阵列芯片由半导体衬底501以及子光源502与503组成，子光源均位于规则晶格上，其中子光源502组成第一子光源阵列、子光源503组成第二子光源阵列。与图3所示的所述第一子光源阵列和所述第二子光源阵列的子光源均设置在同一种规则晶格(第一规则晶格)上的实施例不同的是，第一子光源阵列与第二子光源阵列处于不同的规则晶格(第一规则晶格和第二规则晶格，允许两种晶格有重叠)之上，子光源502所处的晶格大小与子光源203所处的晶格面积大小不同，在图5所示的实施例中，子光源502所处的晶格505(如图5中所示的细虚线所围成的方格)中单个晶格面积是子光源503所处的晶格504(如图5中所示的粗虚线所围成的方格)中单个晶格面积的四分之一，由此，第一子光源阵列的图案密度及相应的投影斑点图案密度均大于第二子光源阵列的图案密度以及相应的投影斑点图案密度。因此，基于图5所示的光源阵列芯片所组成的投影模组，其在进行投影时可以投影出3种密度不同的斑点图案光束，即单独打开第一子光源阵列产生的第一斑点图案光束、单独打开第二子光源阵列产生的第二斑点图案光束，同时打开第一、二子光源阵列产生的第三斑点图案光束，第一斑点图案光束、第二斑点图案光束、第三斑点图案光束分别对应第一斑点图案、第二斑点图案和第三斑点图案，图案密度从小到大依次是：第二斑点图案<第一斑点图案<第三斑点图案。可以理解的是，还可以设置单个晶格面积不同的第三晶格，并在第三晶格上设置第三子光源阵列，以产生更多种密度不同的斑点图案。
图6是根据本发明一个实施例的含衍射光学元件(DOE)的投影模组示意图。投影模组103包括由衬底601和子光源602组成的光源阵列芯片、透镜系统603以及DOE604，以二维图案排列的子光源602发出光束后经过透镜系统的准直或聚焦等调制，以产生与二维图案相对应的光束阵列，该光束阵列经由DOE衍射后，产生整数倍的所述光束阵列向外发射，其中光束阵列可以理解为与图4所示的斑点图案光束，而经DOE衍射复制后形成由多个斑点图案光束组合而形成复制斑点图案光束。光源阵列芯片与图3、5等所示的实施例相同，即通过在规则晶格上设置子光源以形成子光源阵列。与图2所示的实施例的投影模组不同的是，本实施例中投影模组最终所发射的斑点图案将拥有更多的斑点数量以及更广阔的视场角。
图7是根据本发明一个实施例的含有DOE的投影模组投射的斑点图案示意图。DOE将来自透镜系统603的光束阵列通过复制的方式产生3x3的块(块701～709)，每个块中的斑点图案对应于子光源阵列的排列图案。相邻的块之间通过邻接的方式以覆盖视场区域70，这里的邻接指的是相邻的块之间可以通过微小的间隙/刚刚重叠/微小的重叠等方式实现块与块之间的连接。这里的3X3的块仅为示例，在其他实施例中也可以是其他数量的块排列方式。在一些实施例中，也可以通过块与块之间的重叠来提高投影图案的密度。
当光源上由至少两组的子光源阵列组成时，单独打开其中一个子光源阵列，子光源阵列通过透镜以及DOE后将在视场区域70产生一个复制斑点图案，因此由本发明中的规则晶格上排列的光源，至少可以产生两种不同的复制斑点图案。另外，也可以通过图5所示的方式在不同大小晶格上设置子光源阵列，由此来产生不同密度的复制斑点图案，当晶格大小不同时，还可以通过同时打开多组子光源阵列从而产生不同密度组合的复制斑点图案。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (6)

1.一种投影模组，其特征在于，包括：
衬底；
以规则晶格的形式排列在所述衬底上的光源；所述光源包括多个子光源，多个所述子光源排列构成多个子光源阵列，分别用于发射多个不规则的、疏密不同的光束阵列；所述子光源阵列由规则晶格上多个位置不同的所述子光源交错排列构成；
透镜，用于准直或聚焦所述光束阵列，并向外发射与所述光束阵列相对应的斑点图案光束；
所述子光源阵列包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，分别用于发射第一光束阵列与第二光束阵列，通过所述透镜准直或聚焦并向外发射与所述第一光束阵列和\或所述第二光束阵列相对应的第一斑点图案光束、第二斑点图案光束或第三斑点图案光束；
所述衬底包括两种不同的规则晶格，即第一规则晶格和第二规则晶格，所述第一规则晶格和所述第二规则晶格有重叠，所述第二规则晶格中单个晶格的面积大于所述第一规则晶格中单个晶格的面积；所述第一子光源阵列的子光源设置在第一规则晶格上且不规则交错排列，所述第二子光源阵列的子光源设置在第二规则晶格上且不规则交错排列；所述第三斑点图案光束为所述第一子光源阵列和所述第二子光源阵列共同发射所得到的；由此，产生三种不规则的、疏密不同的斑点图案。
2.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：所述斑点图案光束投影至目标空间以形成斑点图案。
3.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：还包括衍射光学元件，所述衍射光学元件用于接收通过所述透镜的所述斑点图案光束，经衍射后入射到目标空间以形成复制斑点图案，所述复制斑点图案是由多个所述斑点图案光束组合而成。
4.如权利要求3所述的投影模组，其特征在于：所述组合指多个所述斑点图案光束以相互邻接的方式组合以覆盖视场区域。
5.如权利要求1所述的投影模组，其特征在于：所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列中所述子光源的数量相同。
6.一种深度相机，其特征在于，包括：
如权利要求1-5任一项所述的投影模组，用于向目标空间投射斑点图案化光束；
采集模组，用于采集结构光图案；
处理器，接收所述结构光图案并计算出深度图像。
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