CN109471319A - 一种光源结构、光学投影模组、感测装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请适用于光学和电子技术领域，提供了一种光源结构，其用于发射光束至一被测目标物上进行三维感测。所述光源结构包括半导体基底及形成在所述半导体基底上的多个发光单元。所述每一个发光单元在半导体基底上的分布位置由一种或一种以上的预设规则唯一确定。本申请还提供一种使用该光源结构的光学投影模组、感测装置及设备。

Description

一种光源结构、光学投影模组、感测装置及设备

技术领域

本申请属于光学技术领域，尤其涉及一种光源结构、光学投影模组、感测装置及设备。

背景技术

现有的三维(Three Dimensional,3D)感测技术通常采用具有不规则分布发光单元的光源结构来投射出相应的不规则分布光斑图案来进行三维感测。然而，在半导体基底上形成不规则分布的发光单元需要对发光单元进行精准定位，制作难度高。而如果为了降低制作难度将发光单元设计成按照预设规则周期性重复地排布，则所投射出来的周期性重复的规则光斑图案往往会因为各个光斑之间的相对位置关系太相似而无法实现三维感测，而若想运用周期性重复的规则排布发光单元来投射出不规则分布的光斑图案还需要特别定制出结构复杂的衍射光学元件来对光源发射出的周期性重复的规则分布光场进行重新排布，但是此种结构复杂的衍射光学元件造价昂贵，不利于产品推广。

发明内容

本申请所要解决的技术问题在于提供一种制作简单且适用性高的光源结构。

本申请实施方式提供一种光源结构，其用于发射光束至一被测目标物上进行三维感测。所述光源结构包括半导体基底及形成在所述半导体基底上的多个发光单元。所述每一个发光单元在半导体基底上的分布位置由一种或一种以上的预设规则唯一确定。

在某些实施方式中，所述预设规则中的至少一种为非周期性规则，所述多个发光单元在所述半导体基底上非周期性地规则排布。

在某些实施方式中，所述发光单元的排布位置同时满足两种预设规则，由阿基米德螺旋线与函数r＝θt的相交处每隔t＝0.5取点而确定。

在某些实施方式中，所述发光单元的排布位置同时满足两种预设规则，由费马螺旋线与函数r²＝(a²)θ的相交处每隔θ＝π/25取点而确定。

在某些实施方式中，所述发光单元为垂直腔面发射激光器。

本申请实施方式还提供一种光学投影模组，用于投射具有预设图案的图案化光束至被测目标物上进行感测。所述光学投影模组包括光束调整元件、图案化光学元件及如上述任意一实施方式提供的光源结构。

在某些实施方式中，所述光束调整元件选自准直元件、扩束元件、反射元件、光学微透镜组及光栅中的一种及其组合。

在某些实施方式中，所述图案化光学元件用于将光源结构发出的光场进行重新排布以形成具有预设图案的图案化光束，所述图案化光学元件包括衍射光学元件。

本申请实施方式还提供一种感测装置，其用于感测被测目标物的三维信息，其包括上述任意一实施方式提供的光学投影模组及感测模组。所述感测模组用于感测所述光学模组在被测目标物上投射的预设图案并通过分析所述预设图案的图像获取被测标的物的三维信息。

本申请实施方式还提供一种设备，包括上述任意一实施方式的感测装置，所述设备根据所述感测装置所感测到的被测目标物的三维信息来执行相应功能。

本申请实施方式所提供的光源结构、光学投影模组、感测装置及设备所采用非周期性规则排布的发光单元在半导体基底上较容易地进行定位从而减低了所述光源结构的生产难度。其次，非周期性规则排布的发光单元相互之间的不相关性也较周期性规则排布的发光单元要高，无需特别定制出结构复杂的衍射光学元件来对光源发射出的周期性重复的规则分布光场进行重新排布，生产成本同时得到较好地控制。

本申请实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请实施方式的实践了解到。

附图说明

图1是本申请第一实施方式提供的光源结构的结构示意图。

图2是图1中所述光源结构的发光单元的随机分布位置示意图。

图3是图1中所述光源结构的发光单元第一种周期性规则分布位置示意图。

图4是图1中所述光源结构的发光单元第二种周期性规则分布位置示意图。

图5是图1中所述光源结构的发光单元第一种非周期性规则分布位置示意图。

图6是图1中所述光源结构的发光单元第二种非周期性规则分布位置示意图。

图7是本申请第二实施方式提供的光源结构的结构示意图。

图8是本申请第三实施方式提供的光学模组的结构示意图。

图9是本申请第四实施方式提供的感测装置的结构示意图。

图10本申请第五实施方式提供的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述，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或排列顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述技术特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接或相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件之间的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或示例用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文仅对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复使用参考数字和/或参考字母，这种重复使用是为了简化和清楚地表述本申请，其本身不指示所讨论的各种实施方式和/或设定之间的特定关系。此外，本申请在下文描述中所提供的各种特定的工艺和材料仅为实现本申请技术方案的示例，但是本领域普通技术人员应该意识到本申请的技术方案也可以通过下文未描述的其他工艺和/或其他材料来实现。

进一步地，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下文的描述中，提供许多具体细节以便能够充分理解本申请的实施方式。然而，本领域技术人员应意识到，即使没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本申请的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本申请之重点。

应该理解的是，此处所述的实施方式和/或方法在本质上是示例性的，不应视为对本申请技术方案的局限。此处所描述的实施方式或方法仅是本申请相关技术思想所涵盖的众多技术方案中的一种或多种，因此所描述的方法技术方案的各个步骤可以按照所标示的次序执行，可以按照其他次序执行，可以同时执行，或者在某些情况下被省略，上述的改动均应视为本申请所要求保护的技术方案所涵盖的范围。

如图1所示，本申请第一实施方式提供了一种光源结构1，用于发射光束至一被测目标物上进行感测。所述光束根据感测原理及应用场景可以为具有特定波长的光束。在本实施方式中，所述光束用于感测被测目标物的三维信息，可以为红外或近红外波长光束，波长范围为750纳米(Nanometer,nm)至1650nm。

所述光源结构1包括半导体基底10及形成在所述半导体基底10上的多个发光单元12。所述发光单元12可以为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser,VCSEL)，通过光刻、蚀刻和/或金属有机化学气相沉积等工艺形成在所述半导体基底10上。所述发光单元12在半导体基底10上的分布位置在满足有限的发光区域面积、发光单元孔径、发光单元间距的条件下应尽可能地提高投射到所述被测目标物上的不同位置的光斑之间的不相关性，以提高在进行三维感测时对光斑进行搜索定位的计算效率。

所述发光单元12在排布方式包括规则排布和不规则排布。所述发光单元12的不规则排布指的是每一个发光单元12的位置无法依据预设的规律，比如数学函数关系等，唯一确定。例如，在图2所示的随机分布的发光单元12位置图中，所述每一个发光单元12的分布位置无法唯一确定。即，计算机每次随机生成的发光单元12位置分布图中所述发光单元12的位置不会完全一样。因此，所述不规则排布的发光单元12相互之间已具有较高的不相关性。对于与所述不规则分布发光单元12配合的光学元件只需要将所述不规则分布的发光单元12对应发出的光斑进行复制并在预设的角度内展开即可以投射出不相关性较高的光斑图案以满足三维感测的要求。

所述规则排布的发光单元12指的是每一个发光单元12的位置能够依据预设的一种或一种以上的规律，比如数学函数关系等，可重复地唯一确定。即，依据相同的预设规律无论重复计算多少次每一次计算所确定出来的对应发光单元12的位置均保持一致性。所述规则排布的发光单元12包括周期性规则排布的发光单元12及非周期性规则排布的发光单元12。所述周期性规则排布的发光单元12指的是依据所述预设规律确定的发光单元12按照预设的周期重复出现相同的位置排布。例如，在图3所示的多个按照相同预设间隔均匀分布的发光单元12位置分布图中，所述发光单元12分别沿X轴方向和Y轴方向按照相同的预设间隔周期性地重复出现。在图4所示的发光单元12位置分布图中，所述发光单元12的位置由函数y＝2.5sin(8x)每隔π/4取点而得到。因所述函数y＝2.5sin(8x)为周期性函数，并按固定周期π/4在函数曲线上确定发光单元12的位置，所以所述每一个发光单元12的位置可以依据函数y＝2.5sin(8x)曲线上每隔π/4被确定，并且按照2π的周期重复出现。

所述非周期性规则排布的发光单元12指的是依据所述预设规律确定的发光单元12的排布位置不会周期性地重复出现。例如，在图5所示的发光单元12位置分布图中，所述发光单元12的位置由阿基米德螺旋线与函数r＝θt的相交处每隔t＝0.5取点而确定。所述发光单元12的位置分布同时满足阿基米德螺线和函数r＝θt的分布规律，由于所述阿基米德螺线和函数r＝θt并不是周期性重复的，因此所述发光单元12的分布位置也不会周期性地重复出现。在图6所示的发光单元12位置分布图中，所述发光单元12的位置由费马螺旋线与函数r²＝(a²)θ的相交处每隔θ＝π/25取点而确定。所述发光单元12的位置分布同时满足费马螺旋线和函数r²＝(a²)θ的分布规律，由于所述费马螺旋线和函数r²＝(a²)θ并不是周期性重复的，因此所述发光单元12的分布位置也不会周期性地重复出现。

在本实施方式中，所述发光单元12为非周期性规则排布。即，所述每一个发光单元12的位置可根据预设的至少一种非周期性的排布规则，比如非周期性数学函数关系，可重复地被唯一确定。因所述发光单元12的位置可以根据预设规律被准确地确定，在半导体基底10上形成所述发光单元12较容易地进行定位从而减低了所述光源结构1的生产难度。其次，非周期性规则排布的发光单元12相互之间的不相关性也较周期性规则排布的发光单元12要高，无需像与周期性规则排布的发光单元12那样特别定制出结构复杂的衍射光学元件来对周期性规则分布的光场进行重新排布，生产成本同时得到较好地控制。

在本实施方式中，所述非周期性规则排布的发光单元12位置依据阿基米德螺旋线与函数r＝θt的相交处每隔t＝0.5取点而确定。

如图7所示，本申请的第二实施方式提供了一种光源结构2，其与第一实施方式中的光源结构1基本相同，主要区别在于所述非周期性规则排布的发光单元22位置依据费马螺旋线与函数r²＝(a²)θ的相交处每隔θ＝π/25取点而确定。

如图8所示，本申请第三实施方式提供了一种光学投影模组3，用于投射具有预设图案的图案化光束至被测目标物上进行感测。所述光学投影模组3包括光束调整元件30、图案化光学元件32及上述第一或第二实施方式中的光源结构1。

所述光束调整元件30选自准直元件、扩束元件、反射元件、光学微透镜组及光栅中的一种及其组合。所述光束调整元件30用于对光源结构1所发出的光束进行调整，以使其满足预设的传播特性要求，比如：传播方向、准直度、光束孔径等。所述图案化光学元件32用于将光源结构1发出的光场进行重新排布，以形成具有预设图案的图案化光束。所述图案化光学元32件包括但不限于衍射光学元件。在本实施方式中，所述衍射光学元件将所述光源结构1的发光单元发出的非周期性规则分布的光束进行复制后在预设角度范围内展开以形成图案化光束投射至被测目标物上。

如图9所示，本申请第四实施方式提供了一种感测装置4，其用于感测被测目标物的三维信息。所感测到的被测目标物的空间信息可被用于识别被测目标物或构建被测目标物的三维模型。

所述感测装置4包括如上述第三实施方式所提供的光学投影模组3及感测模组40。所述光学投影模组3用于投射特定光束至被测目标物上。所述感测模组40包括镜头41、图像传感器42和图像分析处理器43。所述图像传感器42通过镜头41感测所述图案化光束在被测目标物上形成的图像。所述图像分析处理器43分析所感测到的投射在被测目标物上的图像获取被测目标物的三维信息。

在本实施方式中，所述感测装置40为感测被测目标物表面的三维信息并据此识别被测目标物身份的3D脸部识别装置。

所述感测模组40根据所感测到的图案化光束在被测目标物上投射出的预设图案的形状变化来分析出被测目标物表面的三维信息并据此对被测目标物进行脸部识别。

如图10所示，本申请第五实施方式提供一种设备5，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、触控交互屏、门、交通工具、机器人、自动数控机床等。所述设备5包括至少一个上述第四实施方式所提供的感测装置4。所述设备5用于根据该感测装置4的感测结果来对应执行相应的功能。所述相应功能包括但不限于识别使用者身份后解锁、支付、启动预设的应用程序、避障、识别使用者脸部表情后利用深度学习技术判断使用者的情绪和健康情况中的任意一种或多种。

在本实施方式中，所述感测装置4为感测被测目标物表面的三维信息并据此识别被测目标物身份的三维脸部识别装置。所述设备5为装有所述三维脸部识别装置的手机、笔记本电脑、平板电脑、触控交互屏等电子终端，或者为门、交通工具、安检仪器、出入境闸机等涉及进出权限的设备5。

与现有技术相比，本申请所提供的光源结构1、光学投影模组、感测装置及设备所采用非周期性规则排布的发光单元在半导体基底上较容易地进行定位从而减低了所述光源结构的生产难度。其次，非周期性规则排布的发光单元相互之间的不相关性也较周期性规则排布的发光单元要高，无需特别定制出结构复杂的衍射光学元件来对光源发射出的周期性重复的规则分布光场进行重新排布，生产成本同时得到较好地控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

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

Claims (10)

1.一种光源结构，其用于发射光束至一被测目标物上进行三维感测，所述光源结构包括半导体基底及形成在所述半导体基底上的多个发光单元，所述每一个发光单元在半导体基底上的分布位置由一种或一种以上的预设规则唯一确定。

2.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述预设规则中的至少一种为非周期性规则，所述多个发光单元在所述半导体基底上非周期性地规则排布。

3.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元的排布位置同时满足两种预设规则，由阿基米德螺旋线与函数r＝θt的相交处每隔t＝0.5取点而确定。

4.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元的排布位置同时满足两种预设规则，由费马螺旋线与函数r²＝(a²)θ的相交处每隔θ＝π/25取点而确定。

5.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元为垂直腔面发射激光器。

6.一种光学投影模组，用于投射具有预设图案的图案化光束至被测目标物上进行感测，其包括光束调整元件、图案化光学元件及如权利要求1至5中任意一项所述的光源结构。

7.如权利要求6所述的光学投影模组，其特征在于：所述光束调整元件选自准直元件、扩束元件、反射元件、光学微透镜组及光栅中的一种及其组合。

8.如权利要求6所述的光学投影模组，其特征在于：所述图案化光学元件用于将光源结构发出的光场进行重新排布以形成具有预设图案的图案化光束，所述图案化光学元件包括衍射光学元件。

9.一种感测装置，其用于感测被测目标物的三维信息，其包括如权利要求6至8中任意一项所述的光学投影模组及感测模组，所述感测模组用于感测所述光学模组在被测目标物上投射的预设图案并通过分析所述预设图案的图像获取被测标的物的三维信息。

10.一种设备，包括权利要求9所述的感测装置，所述设备根据所述感测装置所感测到的被测目标物的三维信息来执行相应功能。