CN206805630U - 基于vcsel阵列光源的结构光投影模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，包括：VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括：半导体衬底，以及至少两组VCSEL子阵列排列在半导体衬底上，所述VCSEL子阵列由VCSEL光源组成；衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：至少两个衍射光学元件子单元；所述衍射光学元件子单元分别与所述VCSEL子阵列对应，用于将所述VCSEL子阵列的光源发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。可以向空间中投射稀疏以及密集的散斑图案，形成多种模式的结构光图案，并利用先大窗口再小窗口的匹配算法以同时获取高精度以及高帧率的深度图像，从而让应用其的深度相机可以适用于多种应用。

Description

基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种基于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或TOF(时间飞行)深度相机是目前普遍被用来3D成像的硬件设备。

深度相机中的核心部件是激光投影模组，按照深度相机种类的不同，激光投影模组的结构与功能也有区别，比如专利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发展。

VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列光源由于体积小、功率大、光束发散角小、运行稳定等诸多优势将成深度相机激光投影模组的光源的首选。VCSEL光源阵列可以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2mmx2mm的半导体衬底上布置100甚至更多个VCSEL光源。对于结构光深度相机的投影模组特别是基于散斑图案的投影模组而言，VCSEL不仅提供了照明，其排列形式也会直接影响到最终投向目标的结构光散斑图案，进一步将会影响到深度相机的测量精度与速度。

已有方案中采用较多的是不规则排列的VCSEL阵列光源，其中排列密度也会影响结构光投影的图案。比如排列稀疏的VCSEL阵列光源相对于排列密集的而言，产生的图案密度也相对较小，得到的深度图像的精度也较低；而利用密集结构光图案获取的深度图像的精度相对比较高，尽管如此，在利用结构光三角法对密集结构光图案进行深度计算时，所需要的计算时间也较长，这样也就降低了深度图像输出的帧率。总体来说，目前的方案中，深度图像的精度与帧率是一个矛盾体，难以同时获取高精度以及高帧率的深度图像。

发明内容

本实用新型为了解决现有技术中难以同时获取高精度以及高帧率的深度图像问题，提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

本实用新型提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，包括：VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括：半导体衬底，以及至少两组VCSEL子阵列排列在半导体衬底上，所述VCSEL子阵列由VCSEL光源组成；衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：至少两个衍射光学元件子单元；所述衍射光学元件子单元分别与所述VCSEL子阵列对应，用于将所述VCSEL子阵列的光源发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。

在一些实施方案中，所述基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组还包括透镜单元，所述透镜单元用于接收并准直所述VCSEL阵列光源发射的光束或用于接收所述衍射光学元件投射出的光束并向空间中发射。所述透镜单元是微透镜阵列、透镜或透镜组。

在一些实施方案中，所述至少两组VCSEL子阵列被独立控制或同步控制，所述至少两组VCSEL子阵列的VCSEL光源数量不同，排列图案为不规则且互不相同的排列图案，所述至少两个衍射光学元件子单元以不同的倍数将对应的VCSEL子阵列光束复制后向外发射。在一些实施方案中，所述至少两个衍射光学元件的子单元投射的光束具有相同的视场，所述基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组向所述视场中投射出稀疏的高亮度结构光图案和密集的低亮度结构光图案，所述高亮度结构光图案与所述低亮度结构光图案相互交错。

本实用新型还提供一种深度相机，包括：如前面任一所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，用于向空间中投射结构光图案；采集模组，用于采集由目标反射的所述结构光图案；处理器，根据所述结构光图案计算出深度图像。

本实用新型的有益效果为：提供了一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，通过半导体衬底和VCSEL光源组成的至少两组VCSEL子阵列组成VCSEL阵列光源以及与VCSEL子阵列对应的多个衍射光学元件子单元组成的衍射光学元件共同组成基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，可以向空间中投射稀疏以及密集的散斑图案，形成多种模式的结构光图案，并利用先大窗口再小窗口的匹配算法以同时获取高精度以及高帧率的深度图像，从而让应用其的深度相机可以适用于多种应用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构光深度相机系统的侧视图。

图2是本实用新型实施例的结构光投影模组的侧视图。

图3是本实用新型实施例的结构光投影装置的示意图。

图4是本实用新型实施例的稀疏结构光图案的示意图。

图5是本实用新型实施例的密集结构光图案的示意图。

图6是本实用新型实施例的组合结构光图案的示意图。

图7是本实用新型实施例的一种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。

图8是本实用新型实施例的又一种结构光投影模组与采集模组的控制时序图

图9是本实用新型实施例的一种深度图像获取步骤。

图10是本实用新型实施例的再一种构光投影模组与采集模组的控制时序图。

图11是本实用新型实施例的又一种深度图像获取步骤。

图12是本实用新型实施例的第四种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。

图13是本实用新型实施例的再一种深度图像获取步骤。

图14是本实用新型实施例的第五种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。

图15是本实用新型实施例的第四种深度图像获取步骤。

图16是本实用新型实施例的结构第六种光投影模组与采集模组的控制时序图。

其中，101-深度相机、102-处理器、103-电路板、104-结构光投影模组、105-采集模组、106-接口、107-RGB相机、108-进光/出光窗口、201-衬底、202-光源、203-透镜单元、204-斑点图案生成器、301-VCSEL阵列光源、302-子阵列、303-又一子阵列、304-衍射光学元件、305-衍射光学元件单元、306-又一衍射光学元件单元、307-投影区域、308-散斑图案、309-又一散斑图案、401-较大的窗口、501-较小的窗口、601-混合散斑图案。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。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实用新型的基本构思，附图中仅显示与本实用新型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。

图1所示的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、电路板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107一般被安装固定支架上并处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被安装在电路板103上，而结构光投影模组104与采集模组105分别通过接口106与主板连接，接口可以为DVP接口、MIPI接口等等。电路板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，结构光图像为红外激光散斑图案，图案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为与结构光投影模组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。

结构光投影模组

图2是图1中结构光投影模组104的一种实施例。结构光投影模组104包括衬底201、光源202、透镜203以及斑点图案生成器204。衬底201一般为半导体衬底，比如晶圆，在其上布置多个光源202，衬底201与光源202共同构成了激光阵列，例如VCSEL阵列芯片。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器也可以是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，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。另外，同一个衬底上也可布置不同种类的VCSEL阵列光源，比如VCSEL阵列光源的形状、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阵列光源是以固定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。

为了使得结构光投影装置104发射出的图案具有均匀、不相关等特性，要求VCSEL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。在一种实施例中，VCSEL阵列芯片整体大小仅在毫米量级，比如2mmX2mm大小，上面排列了几十个甚至上百个光源，各个光源之间的距离处于微米量级，比如30μm。

透镜单元203用于接收由VCSEL阵列光源202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阵列光源的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，在另外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每个光源202对应，也可以一个微透镜单元与多个光源202对应；在另一实施例中也可以采用透镜组来实现光束汇聚。

斑点图案生成器204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，斑点图案生成器204是衍射光学元件(DOE)，DOE起到分束的作用，比如当光源202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光学元件，比如MLA、光栅或者多种光学元件的组合。

透镜单元203与斑点图案生成器204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。

图3是根据本实用新型又一实施例的结构光投影模组104的示意图。与图2相比，图3将更加直观地说明本实用新型的原理。结构光投影模组104由VCSEL阵列光源301及衍射光学元件304组成，一般地，还包括有透镜，为了清晰起见，在图中未示出透镜，透镜可以像图2所示的被放置在光源301与衍射光学元件304之间，用于准直光源光束；另外，透镜也可以被放置在外侧，即位于衍射光学元件304背向光源301的一侧，此时透镜起到投射作用，即将DOE304光束投射到目标空间中。

在本实施例中，VCSEL阵列光源301是通过将多个VCSEL光源以不规则图案排列在半导体衬底上形成的。另外，VCSEL阵列光源301被分成子阵列302、又一子阵列303，子阵列之间在空间中被分隔开，比如图中两个子阵列被左右分开，在图中中间部位示出了分隔线，该分隔线仅仅为了示意作用，不一定存在于VCSEL阵列光源中。在其他实施例中，也可以拥有超过2个数量的子阵列。又一子阵列303相对于子阵列302而言拥有数量更多、更加密集的VCSEL光源，另外，不同的子阵列也可以在波长、光源形状、发光功率等方面有所差异。

衍射光学元件304也由子单元305、又一子单元306组成，并且各个子单元与子阵列一一对应，在本实施例中子单元305、又一子单元306分别与子阵列302及又一子阵列303对应，子单元分别将对应的子阵列发射的光束以一定的倍数复制(分束)后向空间区域投射。这里所说的一一对应指的是子单元与相应的子阵列所发射的光束之间的对应，即子单元305仅对子阵列302所发射出的光束进行分束，而子单元306仅对子阵列303所发射的光束进行分束。在图3中，与光源301类似，子单元305与又一子单元306在物理上以左右形式分开，以便于接收子阵列302与又一子阵列303的光束。尽管如此，并不排除衍射光学元件304可以有其他形式的物理或非物理形式的排列方式。

在本实施例的变通实施例中，VCSEL阵列光源可以有多种不规则图案排布组合而成，每种图案排布之间有分隔；衍射光学元件的子单元与每种光源排布一一对应。结构光投影模组104的投影区域307内被散斑图案308及又一散斑图案309覆盖，换句话说，子单元305与又一子单元306拥有近乎相同的投影视场可以使得所投射出的散斑图案在投影区域307上重叠。其中，散斑图案308、又一散斑图案309分别是子阵列302与又一子阵列303经由子单元305与又一子单元306所形成的。在一个实施例中，子阵列302是由50个VCSEL光源不规则排列而成，对应的衍射光学元件子单元305的复制倍数为100倍，这样由50个VCSEL光源组成的不规则排列图案被复制成100个相同的不规则排列图案，该100个不规则排列图案根据衍射光学元件304的性能可以邻近或重叠分布以形成散斑图案308，原则上散斑图案308中将含有5000个散斑颗粒，但不排除当不规则排列图案进行重叠分布时少数颗粒会重合导致总数会有少许减少。同样地，又一子阵列303是由200个VCSEL光源不规则排列而成，对应衍射光学元件的子单元306的复制倍数为200倍，所形成的又一散斑图案309中将含有40000个散斑颗粒，同样不排除当不规则排列图案进行重叠分布时少数颗粒会重合导致总数会有少许减少。

若VCSEL光源的功率相同，衍射光学元件304复制的倍数越小，所形成的散斑图案亮度将会越高，图3所示的实施例中衍射光学元件子单元305的复制倍数小于又一子单元306的复制倍数，因此散斑图案308将会拥有比又一散斑图案309强的亮度，在图3中用较大的圆形区域来表示高亮度。一种优选的实施例中，VCSEL光源中光源数量少的子阵列对应的DOE子单元的复制倍数也较少，这样可以使得散斑图案308密度小、亮度大，而VCSEL光源中光源数量多的子阵列形成的散斑图案309的密度高、亮度小，这样处理的原因在于当密度过高时，若亮度过大将会影响散斑图案的对比度，从而影响深度计算精度。进一步的原因是可以通过多重窗口的匹配计算以提高深度计算精度，这将在下文中予以描述。在其他实施例中，对于数量多的VCSEL光源，对应的DOE子单元的复制倍数小时也可以产生密度小、亮度大的散斑图案。

在一种实施例中，子阵列302中各VCSEL光源的发光功率大于又一子阵列303中各VCSEL光源的功率，由此也可以获取高亮度散斑图案308与低亮度散斑图案309。

VCSEL光源子阵列302、又一子阵列303可以单独或同步控制，当子阵列302独立打开时，投影区域307中的散斑图案如图4所示；当又一子阵列303独立打开时，投影区域307中的散斑图案如图5所示；当子阵列302与303同步打开时可以得到如图6所示的混合散斑图案601。

根据以上说明，图3所述的实施例的结构光投影模组104，至少可以以三种模式进行工作，即分别独立以及同时打开两个光源子阵列，可以形成高亮度但密度低、低亮度但密度高、以及混合的散斑图案。这三种模式可以分别适用于不同的应用中，比如对于图5所示的散斑图案或者图6所示混合散斑图案，由于其密度大，在进行深度计算时，可以选择较小的窗口501进行匹配计算，从而获取高精度以及高分辨率的深度图像，但这种深度计算方式的缺点在于，在进行匹配计算时，每个像素都要经过多次迭代以寻找最佳匹配，一般地，窗口越小迭代的次数也越多，因此难以实现高帧率的深度图像输出；而对于图4所示的散斑图案而言，由于颗粒稀疏，需要选择足够大的窗口401才能保证窗口内的散斑子图案具备不相关性，此时进行的匹配计算往往更加简单和快速，所得到的深度图像的精度较低，有时分辨率也会下降。

深度图像计算

利用上述结构光投影模组104的多种模式，结合采集模组105，可以实现高精度的深度测量。以下将结合图7～图15进行详细说明。

图7所示的根据本实用新型一个实施例的一种结构光投影模组104与采集模组105的控制时序图。图中横坐标代表时间T，K表示采集模组的采集帧率，该帧率也可以是深度相机的深度图像输出帧率，每一帧所需要的时间为1/K。比如K＝30fps，那么每一帧的周期为1/30s。纵坐标中C Expo表示采集模组的曝光时间，VCSEL1、VCSEL2分别代表结构光投影模组104中的VCSEL光源子阵列302、又一子阵列303，各自对应的线条表示各自随时间的控制时序图，高位表示相机曝光以及VCSEL光源打开、低位则表示关闭。

根据图7所示的时序图，采集模组105在每帧的周期内都会曝光从而采集一幅图像，一般地曝光的时间要小于帧周期，这是由于在每帧的周期内除了要进行曝光外，还需要进行信号的传输，图中示意性将曝光时间设在每一帧周期的中间，曝光时间也可以设在其他位置。

根据图7所示的时序图，子阵列302与又一子阵列303在每个帧周期内都同步被打开(图中仅示意性地画出6个帧周期)，因此采集模组105每一帧都将采集如图6所示的混合散斑图案。事实上当目标空间中存在物体时，混合散斑图案将因为物体的存在被调制(或者说产生变形)，采集到的将是变形的混合散斑图案。

在图7所示的时序图中，子阵列302与又一子阵列303属于持续发光，然而实际上仅需要在采集模组105的曝光时间内打开即可，由此便有另一种控制情形，即脉冲发光。如图8所示，本实用新型实施例的又一种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。在每个帧周期内，子阵列302与303同步发出与曝光时间一致的脉冲，两个子阵列脉冲的时长应不低于曝光时间，不同的子阵列脉冲时长可以相同也可以不同。在图8所示的脉冲同步发光情形下，采集模组105每一帧采集到的也是如图6所示的混合散斑图案。

脉冲发光与持续发光相比有明显的优势，一方面在光源功率相同的情况下，脉冲发光的功耗更低；若在相同功耗的情形下，脉冲发光可以有更大的功率以使得照明的距离更长，有利于提高测量精度及距离。在后面实施例中，将都以脉冲发光为例进行说明，可以理解的是，每一种情形同样适用于持续发光情形。

图9所示的是本实用新型的实施例的一种深度图像获取步骤，是在图8所示的情形下深度图像的获取步骤。可以理解的是，每一步骤都是由深度相机中处理器102发出相应的控制信号或直接由处理器接收保存在存储器中的程序来执行的，在以下的阐述中将省略处理器的相关说明。

步骤901中同步打开VCSEL阵列光源中的稀疏及密集子阵列302与303，此时结构光投影模组104向投影区域307中投射散斑图案308与又一散斑图案309。这里所说的同步指在采集模组105每一帧的曝光时间内子阵列302与303均被打开。可以理解的是，打开方式可以是脉冲发光也可以持续发光。

步骤902中混合散斑图案被采集模组105采集，一般地，采集到的图像是被目标中物体调制过的变形的混合散斑图像。

步骤903中根据采集到的混合散斑图像，并利用图6中的大窗口401(MxM像素)进行匹配计算，这里所说的匹配计算指的是将混合散斑图案与混合参考散斑图案进行匹配计算，以获取每个像素或部分像素的粗略偏离值。

步骤904中根据采集到的混合散斑图像，进一步利用图6中的小窗口501(NxN像素)并直接将粗略偏离值作为匹配计算的搜索初始值，以获取每个像素或部分像素的精细偏离值，最后根据精细偏离值结合三角法计算出高精度的深度值。部分或所有像素的深度值即构成了深度图像，在后文中为方便起见将用深度图像来进行说明。

在以上的步骤中，步骤903的匹配速度较快，得到的偏离值不精确，其次再由步骤904中进行进一步的匹配计算获取高精度的偏离值，从而得到高精度的深度图像。这一方法相对于直接利用小窗口进行计算不仅可以加快计算速度，计算精度将得到更大的保证，这是一方面由于散斑图案308保证了大窗口的高度不相关性，从而使得匹配计算快速且准确。进一步的小窗口匹配计算时直接基于上一步中得到的粗略偏离值作为初始值，此时的匹配计算会得到快速收敛，从而实现高精度计算。

另一方面，若直接对于亮度均匀的密集散斑图案，如又一散斑图案309，同样利用先大窗口再小窗口的深度计算方案则难以实现。主要原因在于，当图案中散斑颗粒较为密集时，大窗口的不相关性会降低，从而导致在利用大窗口匹配计算时难以达到高效，容易出现误匹配的问题。而利用混合散斑图案则可以实现高效且高精度测量，这是由于图6中的大窗口401内的高亮度散斑颗粒保证了大窗口的高度不相关性。

另外，为了进一步降低结构光投影模组105的功耗，本实用新型提供了又一种控制时序图，将子阵列302、303以一定的频率间隔开关。如图10所示，是本实用新型实施例的再一种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。在采集模组105的第一个帧周期内，子阵列302在曝光时间内发出脉冲(也可以在周期内持续发光)，因此这一帧采集到的将是如图4所示的稀疏结构光图案308；在下一帧周期内，又一子阵列303在曝光时间内发出脉冲，这时采集到的是如图5所示的密集结构光图案309。

在图10所示的控制时序下，深度相机获取深度图像的步骤如图11所示，图11是本实用新型实施例的又一种深度图像获取步骤。步骤中实际上还涉及到对光源子阵列的控制开关，但这在控制时序图已经明确示意出，因此这里为清晰起见予以省略。

如图11所示，步骤1101中是在子阵列302单独发光下，利用采集模组105采集一帧被目标物体调制过的变形的稀疏结构光图案308。

步骤1102中根据稀疏结构光图案308以及参考稀疏散斑图像进行匹配计算，选取子窗口MxM进行匹配搜索，可以得到粗略的像素偏离值，进一步地也可以根据三角法计算出粗略深度图像(三角法计算原理为已有技术，在此不进行详细介绍)。这一步骤中由于是稀疏散斑图案，窗口内的散斑颗粒形状较少，因此匹配计算的精度也较低，但这一步骤拥有非常高的计算速度。

步骤1103中，在子阵列303单独发光下，利用采集模组105采集一帧被目标物体调制过的变形的密集结构光图案309。

步骤1104中根据密集结构光图案309以及参考密集结构光图案进行匹配计算，选取子窗口NxN进行匹配搜索，并直接将步骤1102中得到的粗略偏离值作为匹配计算的搜索初始值，以获取每个像素或部分像素的的精细偏离值，最后根据精细偏离值结合三角法计算出高精度的精细深度值。

根据图11所示的实施例中，在步骤1102中获取的是粗略深度图像，在步骤1104中获取的是精细深度图像，与图9所示的实施例相比，在采集模组帧率相同的前提下，精细深度图像的帧率下降了一倍。

图12是本实用新型实施例的第四种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。与图10相比，稀疏子阵列302在采集模组的每个帧周期内都脉冲发光(持续发光)，而密集子阵列303则是间隔一个帧周期脉冲发光(持续发光)。由此在第一帧周期内，采集模组105采集到的将是稀疏结构光图案308，在下一帧周期内，采集模组106采集到的将是稀疏结构光图案308与密集结构光图案309组成的混合结构光图案。

在图12所示的控制时序下，深度相机获取深度图像的步骤如图13所示，图13是本实用新型的实施例的再一种深度图像获取步骤。

步骤1301中是在子阵列302单独发光下，利用采集模组105采集一帧被目标物体调制过的变形的稀疏结构光图案308。

步骤1302中根据稀疏结构光图案308以及参考稀疏散斑图像进行匹配计算，选取子窗口MxM进行匹配搜索，可以得到粗略的像素偏离值，进一步地也可以根据三角法计算出粗略深度图像。

步骤1303中，在子阵列302与又一子阵列303同步发光下，利用采集模组105采集一帧被目标物体调制过的变形的混合结构光图案。

步骤1304中根据混合结构光图案以及参考混合结构光图案进行匹配计算，选取子窗口NxN进行匹配搜索，并直接将步骤1302中得到的粗略偏离值作为匹配计算的搜索初始值，以获取每个像素或部分像素的的精细偏离值，最后根据精细偏离值结合三角法计算出高精度的精细深度值。

图14是本实用新型实施例的第五种结构光投影模组与采集模组的控制时序图。密集子阵列303在采集模组的每个帧周期内都脉冲发光(持续发光)，而稀疏子阵列302则是间隔一个帧周期脉冲发光(持续发光)。由此在第一帧周期内，采集模组105采集到的将是混合结构光图案，在下一帧周期内，采集模组106采集到的将是密集结构光图案309。

在图14所示的控制时序下，深度相机获取深度图像的步骤如图15所示，图15是本实用新型实施例的第四种深度图像获取步骤。

步骤1501中是在子阵列302与303同步发光下，利用采集模组105采集一帧被目标物体调制过的变形的混合结构光图案。

步骤1502中根据混合结构光图案以及参考混合结构光图案进行匹配计算，选取子窗口MxM进行匹配搜索，可以得到粗略的像素偏离值，进一步地也可以根据三角法计算出粗略深度图像。

步骤1503中，在子阵列303单独发光下，利用采集模组105采集一帧被目标物体调制过的变形的密集结构光图案309。

步骤1504中根据密集结构光图案以及参考密集结构光图案进行匹配计算，选取子窗口NxN进行匹配搜索，并直接将步骤1502中得到的粗略偏离值作为匹配计算的搜索初始值，以获取每个像素或部分像素的的精细偏离值，最后根据精细偏离值结合三角法计算出高精度的精细深度值。

图10～图15所示的实施例中，相邻两帧分别用于计算粗略偏离值以及精细偏离值，不断循环，计算粗略偏离值与精细偏离值的帧数比为1：1。事实上，若采集帧率足够高时，可以提高精细偏离值的帧数，比如先采集一帧用于计算粗略偏离值，在接下来的2帧甚至更多帧中采集到的结构光图案，在进行匹配计算时均用该粗略偏离值做为搜索初始值。图16是本实用新型实施例的第六种结构光投影模组与采集模组的控制时序图，与图10所示的实施例相比，粗略偏离值与精细偏离值的帧数比为1：2。

以上各实施例各有优点，适用于多种应用。比如要获取高精度、高帧率的深度图像，适用采用图8及图9所示的实施例。而当对帧率要求不高，但想达到低功耗就可以采取图10～图15所示的实施例，其中当稀疏与密集子阵列的亮度相差过大，在利用混合结构光图案进行匹配计算时，图案中的密集部分信息被稀疏部分亮度所覆盖，则适宜采用图10与图11所示的实施例，而当相差不大时，采用图12～图15所示的实施例均可。事实上，可以根据不同的应用对各个实施例可以进行评估，以找到最适宜的方案。

这里需要注意的是，在图7～图15所述的实施例中，为了提高粗略偏离值获取的速度，可以通过降低分辨率来实现，即在计算粗略偏离值/深度图像时适当地降低分辨率。另外，在计算粗略偏离值时由于窗口选取较大，区域307边缘位置处无法计算得到偏离值。因此，后续在计算精细偏离值过程中利用粗略偏离值时，当某些像素上没有值时，可以通过插值方式获取，插值方式有多种，比如中值、均值、样条插值等等。

上面说明中所述的参考结构光图案是在指定距离上放置一个平板，并将深度相机中结构光投影模组104投影出结构光图案，用采集模组105采集到的结构光图案即为参考结构光图案。文中提到的参考稀疏结构光图案、参考密集结构光图案以及参考混合结构光图案均是通过此方法获取的，即是在结构光投影模组104投射稀疏结构光图案、密集结构光图案以及混合结构光图案下利用采集模组105分别获取的。这些参考结构光图案一般被保存在深度相机的存储器内，在计算时被处理器调用。

以上实施例中，均是以VCSEL阵列光源中含有两个子阵列为例进行说明，在其他实施例中子阵列数量也可以为3个或3个以上，此时相应的DOE子单元也可以有多个，结构光投影模组的工作模式的种类会更多，但均可以通过2个子阵列的形式延伸而成，因此都被包含在本实用新型的范围内。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，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，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，包括：

VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括：半导体衬底，以及至少两组VCSEL子阵列排列在半导体衬底上，所述VCSEL子阵列由VCSEL光源组成；

衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：至少两个衍射光学元件子单元；所述衍射光学元件子单元分别与所述VCSEL子阵列对应，用于将所述VCSEL子阵列发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。

2.如权利要求1所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，还包括透镜单元，所述透镜单元用于接收并准直所述VCSEL阵列光源发射的光束或用于接收所述衍射光学元件投射出的光束并向空间中发射。

3.如权利要求2所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述透镜单元是微透镜阵列、透镜或透镜组。

4.如权利要求1所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述至少两组VCSEL子阵列被独立控制或同步控制。

5.如权利要求4所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述至少两组VCSEL子阵列的VCSEL光源数量不同。

6.如权利要求1所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述至少两组VCSEL子阵列的排列图案为不规则且互不相同的排列图案。

7.如权利要求1所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述至少两个衍射光学元件子单元以不同的倍数将对应的VCSEL子阵列光束复制后向外发射。

8.如权利要求7所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述至少两个衍射光学元件的子单元投射的光束具有相同的视场。

9.如权利要求8所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，其特征在于，所述基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组向所述视场中投射出稀疏的高亮度结构光图案和密集的低亮度结构光图案，所述高亮度结构光图案与所述低亮度结构光图案相互交错。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1～9任一所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，用于向空间中投射结构光图案；

采集模组，用于采集由目标反射的所述结构光图案；

处理器，根据所述结构光图案计算出深度图像。