CN109471321A - 一种光源结构、光学投影模组、感测装置及设备 - Google Patents

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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。所述发光单元可划分为多个发光单元集合。所述发光单元集合按照预设的周期重复排布。每一个所述发光单元集合包括三个或以上非周期性排布的发光单元。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)感测技术通常需要在目标物体上投射出大量光斑所组成的图案来进行三维感测，目标物体上单位面积的光斑数量必须足够多才能准确感测出目标物体上对应位置处的三维信息。因此，需要借助光场乘法器件，比如：衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)、光栅等，将光源所发出的有限数量的光斑光束在投影空间内复制出大量的光源光斑光束复本再投射到目标物体上。然而，复制光斑光束的复本次数越多则要求所述DOE图案也越复杂，导致成本升高，不利于产品推广。
发明内容
本申请提供一种用于实现三维感测的光源结构、光学投影模组、感测装置及设备。
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。所述发光单元可划分为多个发光单元集合。所述发光单元集合按照预设的周期重复排布。每一个所述发光单元集合包括三个或以上非周期性排布的发光单元。
在某些实施方式中，所述发光单元集合在半导体基底上沿不同方向周期性重复排布。
在某些实施方式中，所述发光单元集合内的每两个相邻发光单元之间的间距不相等但保持恒定。
在某些实施方式中，所述发光单元集合在平面直角坐标系内按照预设周期进行平移重复。
在某些实施方式中，所述发光单元集合在平面极坐标系内按照预设的角度周期进行旋转重复。
在某些实施方式中，所述发光单元选自垂直腔面发射激光器、发光二极管及激光二极管中的任意一种及其组合。
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发光表面上的多个发光单元。所述发光单元由三组或三组以上相关性发光单元阵单元组合而成。每个所述相关性发光单元阵单元包括两个或两个以上具有周期相关性的发光单元。所述相关性发光单元阵单元在所述发光表面上相互交错但不完全重叠地排布。
在某些实施方式中，所述相关性发光单元阵单元的发光单元依据相同的周期相关性形成相同的点阵图案。
在某些实施方式中，所述相邻的相关性发光单元阵单元之间具有部分重叠排布的发光单元。
在某些实施方式中，所述相关性发光单元阵单元相互之间的位置排布不具有周期性。
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，其包括光束调整元件、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，所述光束调整元件用于对光源结构所发出的光束进行调整以使其满足预设的传播特性要求，所述图案化光学元件用于将光源结构发出光束的光场进行重新排布以形成具有预设图案的图案化光束。
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。
本申请实施方式提供一种感测装置，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。
本申请实施方式提供一种设备，包括上述实施方式提供的感测装置。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、感测装置及设备具有较高的光源亮度而能够简化图案化光学元件的图案，降低生产成本。
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中所述光源结构的具有三个发光单元的周期性重复发光单元集合的结构示意图。
图3是四个发光单元的周期性重复的发光单元集合的结构示意图。
图4是图1中所述光源结构的具有五个发光单元的周期性重复发光单元集合的结构示意图。
图5是图1中所述光源结构的具有四个周期性重复的发光单元集合的结构示意图。
图6是图1中所述光源结构的具有三个发光单元的周期性重复发光单元集合的另一种结构示意图。
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以二维点阵的形式分布在所述半导体基底10上。所述发光单元12可以为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,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。
可以理解的是，在其他实施方式中，所述发光单元12还可以为发光二极管(LightEmitting Diode,LED)或激光二极管(Laser Diode,LD)。因此，所述发光单元12选自VCSEL、LED及LD中的任意一种及其组合。
如图2所示，所述发光单元12可划分为多个发光点集合120。所述发光单元集合120在所述半导体基底10的发光表面100上按照预设的周期重复排布。所述每个发光单元集合120包括三个或以上非周期性排布的发光单元12。图2以三个发光单元12组成的最小可周期性重复的发光单元集合120为例：所述每一个发光单元集合120分别包括三个发光单元12，各个发光单元集合120所包括的三个发光单元12按照相同样式排布。所述三个发光单元12相互之间连线可形成不等边三角形。所述发光单元集合120在半导体基底10的发光表面100上沿不同的方向周期性重复排布。所述发光单元集合120内的每两个相邻发光单元12之间的间距不相等但保持恒定。
可以理解的是，所述每个发光单元集合120所包括的非周期性排布的发光单元12可以是在周期性分布图案的基础上加入随机分布的发光单元12而获得。例如，请对比参阅图3与图4，图3中的所述发光单元集合120包括呈矩形阵列排布的四个发光单元12。由此，图4中所述每个发光单元集合120的4个发光单元呈周期性重复的图案排布。而图5中的所述每个发光单元集合120在图4中呈矩形阵列排布的发光单元12图案的基础上于该4个发光单元12之间的矩形区域内加入一个位置随机分布的发光单元12而得到。由此，图4中所述每个发光单元集合120的5个发光单元12呈非周期的图案排布。虽然图4中所述每个发光单元集合120的5个发光单元12呈非周期的图案排布，但因为所述发光单元集合120是按预设的周期性规律不断重复再现，所以每个发光单元集合120的发光单元12排布位置其实也是按照所预设的周期性规律被唯一确定的。
此外需要说明的是，因所述发光单元12以发光单元集合120为单位周期性地重复排布，所述发光单元集合120内每一个发光单元12都可视为由其他发光单元集合120内的对应发光单元12按照预设周期复制而得到，所以不同发光单元集合120内位置对应的发光单元12之间具有周期相关性。
在本实施方式中，如图5所示，所述光源结构1包括四个周期性重复的发光单元集合120，由单个发光单元集合120分别沿二维平面直角坐标系里的第一方向H和第二方向V按照预设周期重复而得。优选地，所述第一方向H和第二方向V相互垂直。所述每一个发光单元集合120内的发光单元12呈非周期性排布。可以理解的是，所述光源结构1包括至少两个周期性重复的发光单元集合120，在其他实施方式中，所述光源结构1还可以包括两个以上周期性重复的发光单元集合120。
可以理解的是，在其他实施方式中，所述发光单元集合120还可以在平面极坐标系内按照预设周期进行重复排布。所述预设周期在极坐标系中可以是转动的角度。即，所述发光单元集合120以极坐标的原点为圆心，按照预设角度周期进行旋转重复排布。
另外，如图6所示，所述周期性重复排布的发光单元12还可以看作是由在不同周期内位置相关的多个发光单元12所组成的相关性发光单元阵单元14组合而成。所述同一个周期内的，即所述同一个发光单元集合120内的，每一个发光单元12与其他周期内由该发光单元12周期性复制而得到的多个发光单元12因彼此之间周期性相关可组成相关性发光单元阵单元14。因所述相关性发光单元阵单元14内的发光单元12都是彼此周期性重复而得，所以每一个相关性发光单元阵单元14内的发光单元12都是按照相同的预设周期进行排布，形成相同的排布图案，具有相同的周期相关性。在单个周期内有多少个发光单元12即可以对应地形成多少个所述相关性发光单元阵单元14。所述多个相关性发光单元阵单元14所形成的图案彼此之间的位置相互交错但不完全重叠，从而在半导体基底10的发光表面100上组合成整个发光单元12的完整图案。因上述相同发光单元集合120内的发光单元12为非周期性分布，所以所述相关性发光单元阵单元14相互之间的位置排布也不具有周期性。
图6以上述包括三个发光单元12的发光区块120为例子，所述每个发光区块120分别包括三个位置排布不相关的第一发光单元121、第二发光单元122及第三发光单元123。其中，所述第一发光单元121与在其他周期内相关的第一发光单元121组成第一相关性发光单元阵单元141，在图6中以最粗线框示出。同理，所述第二发光单元122与在其他周期内相关的第二发光单元122组成第二相关性发光单元阵单元142，在图6中以次粗线框示出。所述第三发光单元123与在其他周期内相关的第三发光单元123组成第三相关性发光单元阵单元143，在图6中以最细线框示出。所述第一、第二及第三相关性发光单元阵单元141、142及143具有相同周期性的点阵图案，相互之间的位置根据位于同一个周期内不相关的发光单元121、122及123之间的关系而定，彼此部分交错但不完全重叠。
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，主要区别在于所述半导体基底20上的发光单元22并非严格按照最小可重复的发光单元集合220周期性复制排布，而是以相邻的发光单元集合220之间共享若干个发光单元22的形式准周期地重复排布。
图7以正六边形的发光单元集合220为例，所述发光单元22组成在半导体基底20的发光表面200上沿不同方向周期性重复排布的正六边形发光单元集合220。所述正六边形发光单元集合220分别沿六条边所在的方向周期性重复排布。所述每个发光单元集合220包括设置在正六边形顶点处发光单元22及在所述正六边形区块220内位置随机分布的一个发光单元22。因相邻的发光单元集合220之间共享两个发光单元22，所述发光单元22的图案并非严格按照正六边形的发光单元集合220周期性重复。
本实施方式中的发光单元22排布形式可采用上述相关性发光单元阵单元24进行定义。具体地，每个正六边形发光单元集合220左上方对应的相关发光单元221组成第四相关性发光单元阵单元244。每个正六边发光单元集合220左下方对应的相关发光单元222组成第五相关性发光单元阵单元245。所述第四相关性发光单元阵单元244与第五相关性发光单元阵单元245相互重叠，具有图中阴影区域246所标示的重叠部分，该阴影区域246对应的四个相关发光单元22为相互重叠的发光单元221、222。由此，可采用部分重叠的相关性发光单元阵单元24来定义此类相邻发光单元集合220具有共享发光单元22的准周期性重复排布的发光单元22图案。
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的发光单元集合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3、感测装置4及设备5采用多个周期性重复的发光单元集合120可减少DOE需要复制的复本图案数量同时提高光源的亮度，从而简化DOE的图案，降低成本。
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，所述发光单元可划分为多个发光单元集合，所述发光单元集合按照预设的周期重复排布，每一个所述发光单元集合包括三个或以上非周期性排布的发光单元。
2.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元集合在半导体基底上沿不同方向周期性重复排布。
3.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元集合内的每两个相邻发光单元之间的间距不相等但保持恒定。
4.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元集合在平面直角坐标系内按照预设周期进行平移重复。
5.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元集合在平面极坐标系内按照预设的角度周期进行旋转重复。
6.如权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述发光单元选自垂直腔面发射激光器、发光二极管及激光二极管中的任意一种及其组合。
7.一种光学投影模组，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6中任意一项所述的光源结构，所述光束调整元件用于对光源结构所发出的光束进行调整以使其满足预设的传播特性要求，所述图案化光学元件用于将光源结构发出光束的光场进行重新排布以形成具有预设图案的图案化光束。
8.如权利要求7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。
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7或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。
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