CN206833079U - 阵列激光投影装置及深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种阵列激光投影装置，包括：VCSEL阵列，包括多个垂直腔面发射激光器VCSEL，用于发射光束；微透镜阵列，包括与所述VCSEL数量一致且一一对应的多个微透镜单元，用于接收并发散与之对应的所述VCSEL发射的光束；主透镜，用于接收并汇聚由所述微透镜阵列发散的光束；图案生成光学元件，用于接收经过所述主透镜汇聚的光束，并向外发射多个至少部分相互重叠的光束。基于上述激光投影装置，本实用新型还提出一种深度相机，通过合理的布置与设计，微透镜阵列与主透镜组成二次成像光路，能够实现更低的放大倍数以及更小的体积，从而使激光投影装置和深度相机能够在减小体积的同时提高成像质量。

Description

阵列激光投影装置及深度相机

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种阵列激光投影装置及深度相机。

背景技术

深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。例如利用深度相机与电视、电脑等结合可以实现体感游戏以达到游戏健身二合一的效果，微软的KINECT、奥比中光的ASTRA是其中的代表。另外，谷歌的tango 项目致力于将深度相机带入移动设备，如平板、手机，以此带来完全颠覆的使用体验，比如可以实现非常真实的AR游戏体验，可以使用其进行室内地图创建、导航等功能。

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进化。已有的诸多方案在将体积减小的过程中会遇到诸多的问题，比如斑点噪声较大、斑点对比度低、斑点亮度不均匀等。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的光学投影模组在体积减小的过程中成像质量变差问题，提出一种阵列激光投影装置及一种深度相机。

本实用新型的阵列激光投影装置，将垂直腔面激光发射器VCSEL、微透镜阵列等光学元件有机结合以产生更高对比度且亮度均匀的斑点图案，包括： VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括多个垂直腔面发射激光器VCSEL，用于发射光束；微透镜阵列，包括与所述VCSEL数量一致且一一对应的多个微透镜单元，所述微透镜单元包括至少一个光学表面，所述光学表面与所述VCSEL间隔为第一距离，用于接收并发散与之对应的所述VCSEL发射的光束；主透镜，所述主透镜与所述微透镜阵列间隔为第二距离，用于接收并汇聚由所述微透镜阵列发散的光束；图案生成光学元件，用于接收经过所述主透镜汇聚的光束，并向外发射多个至少部分相互重叠的光束。

优选地，每个所述微透镜单元集成在每个所述VCSEL的出光口。

基于上述激光投影装置，本实用新型还提出一种深度相机，包括：上述的激光投影装置，用于向目标空间中投影结构化光束图像；图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；处理器，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像；所述根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像，指的是利用匹配算法计算所述结构化光束图像与参考光束图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

优选地，所述激光投影装置还包括：支撑部件，用来承载所述VCSEL阵列；散热部件，用来将所述VCSEL阵列产生的热量散失；控制部件，用来控制所述 VCSEL阵列工作，并且所述控制部件中开有孔洞，所述VCSEL阵列嵌入到所述孔洞中并与散热部件接触连接，此时散热部件起到支撑部件的作用，从而来使所述激光投影装置实现体积小和高散热。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果有：

本实用新型的阵列激光投影装置及深度相机，通过合理的布置与设计，微透镜阵列与主透镜组成二次成像光路，能够实现更低的放大倍数以及更小的体积，从而使激光投影装置及深度相机能够在减小体积的同时提高成像质量。

进一步地，根据不同的应用需求，可以改变微透镜阵列与主透镜之间距离，进而柔性地调节放大倍数以实现多种不同大小光斑点图案的输出。

进一步地，将微透镜单元与VCSEL光源进行集成，可以使得激光投影装置的整体体积更小，并且微透镜单元与VCSEL光源严格的保持一一对应的关系，不会受到安装等引起的误差影响。

另外，本实用新型深度相机中的激光投影装置，其底部设计成芯片嵌入式，不仅可以实现小体积、高散热、低功耗，还可以实现更低的放大倍数和更高的成像质量。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施例中基于结构光的深度相机侧面结构示意图。

图2是本实用新型的一种实施例中阵列激光投影装置的结构示意图。

图3a是本实用新型的一种实施例中圆形微透镜单元的阵列示意图。

图3b是本实用新型的一种实施例中六角形微透镜单元的阵列示意图。

图3c是本实用新型的一种实施例中不同形状微透镜单元的阵列示意图。

图4是本实用新型的一种实施例中单个VCSEL的结构示意图。

图5是本实用新型的一种实施例中阵列激光投影装置的结构示意图。

图6是本实用新型的一种实施例中单个集成微透镜的VCSEL的结构示意图。

图7是本实用新型的一种实施例中集成微透镜的VCSEL阵列示意图。

图8是本实用新型的一种实施例中激光投影装置的底部结构示意图。

图9是本实用新型的一种实施例中激光投影装置的底部结构示意图。

图10是本实用新型的一种实施例中激光投影装置的底部结构示意图。

图11是本实用新型的一种实施例中激光投影装置的底部结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型做进一步详细说明，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。

深度相机按种类主要分为结构光深度相机、TOF深度相机以及双目视觉深度相机。

基于结构光三角法的深度相机利用激光投影装置向空间中投射经编码的标准结构光图案，空间中目标深度的不同将标准结构光图案进行了调制，通过图像相关等算法获取调制后的结构光图像与标准结构光图案的差别，根据结构光三角法建立该差别与目标深度之间的关系就可求解出整个目标空间的深度图像。

基于时间飞行法的深度相机利用激光投影装置向目标发射激光脉冲，由光接收装置获取脉冲并记录下发射到接收的光飞行时间，根据飞行时间可以计算出目标的深度图像。

基于双目视觉原理的深度相机，本质上与结构光三角法原理相似，区别在于结构光三角法是主动测量，而双目视觉则是被动测量。利用左右相机获取的图像在视差上的差别，并由视觉算法获取该视差后进一步利用三角法测量原理计算出目标的深度值。

一般地，前两种深度相机中都需要借助于激光投影装置来向空间中投射光学信号，而对于双目视觉深度相机而言，目前也会常常利用激光投影装置来增加空间中物体的纹理信息以提高测量精度。因为，激光投影装置对于深度相机而言异常重要，往往激光投影装置的性能、体积、功耗将直接影响深度相机的精度、体积等。

本实用新型提出一种激光投影装置以及基于此的深度相机。在后面的说明中将对激光投影装置以及深度相机为例进行说明，但并不意味着这种激光投影装置仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本实用新型的保护范围之内。

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主要组成部件有激光投影模组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。光学投影模组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，而光学投影模组104与采集模型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，光学投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组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。

在本实施例中，结构光图像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各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组105为与光学投影模组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。

本实施例的阵列激光投影装置，又称激光投影模组，如图2所示，是图1 中激光投影模组104的一种实施例。激光投影模组104包括底座201、光源、微透镜阵列、主透镜205以及衍射光学元件(DOE)206。底座201用于固定光源，在一些实施例中也用于提供散热、电连接等作用，比如由散热件、电路板共同组成的底座。激光投影模组104的光源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，最优的方案是选择由多个垂直腔面激光发射器VCSEL组成的VCSEL阵列作为光源。图中为了方便示意，仅在一维上列出3个子光源VCSEL 202，事实上VCSEL阵列是由多个 VCSEL202以固定二维图案排列的二维光源。为了使激光投影装置发射出的图案具有均匀、不相关等特性，VCSEL阵列中VCSEL 202的排列图案为不规则图案，即VCSEL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阵列整体大小仅在微米量级，比如5mm*5mm大小，上面排列了几十个甚至上百个VCSEL光源，各个VCSEL光源之间的距离处于微米量级，比如10μm。

本实施例的激光投影模组中，微透镜阵列包含多个微透镜单元204，各个透镜单元204分别与VCSEL阵列中各个VCSEL光源202一一对应，即微透镜阵列中各个微透镜单元204的排列与各个VCSEL光源202一致，即数量相等，排列图案也相同。每个微透镜单元204分别用于接收对应的VCSEL光源202的光束并发散。微透镜阵列接收来自光源的光束，并对光束进行发散，为了达到发散的效果，微透镜单元204至少包含一个透镜面203，这里的透镜面一般为凹球面。在一些实施例中，也可以为非球面，比如在一个实施例中当光源光束形状为椭圆形时，可以通过柱形透镜面将椭圆形光束不仅进行发散，还进行整形以形成圆形光束；又如在一个实施例中通过特殊设计的非球面透镜将圆形光束整形成具有统一形状的光束形状，这种设置可以使得整体激光投影装置所发射的光束不仅具有发散的效果，其斑点还具有统一的非圆形形状，在一些情形下有利于提高深度计算的准确性；又如在一个实施例中，通过特殊设计的非球面透镜以消除透镜的球形像差以形成更加精确的斑点图案。

当微透镜阵列中各个透镜单元204仅有一个透镜面203时，透镜面203可以被放在朝向光源的一面也可以被放在背向光源的一面。在一些实施例中，每个透镜单元也可以两面都有透镜面。

微透镜阵列中各个透镜单元204分别与VCSEL阵列中各个VCSEL光源202 一一对应，即微透镜阵列中各个透镜单元204的排列与VCSEL阵列中各个VCSEL光源202一致，即数量相等，排列图案相同。每个微透镜单元204分别用于接收对应的VCSEL光源202的光束并发散。微透镜单元204的几何形状可以有多种形状，比如图3a所示的圆形形状以及图3b所示的六角形状，也可以是未示出的方形、菱形形状等等。

在一些实施例中，微透镜单元204也可以有多种几何形状共同构成，比如同一个微透镜阵列中一半微透镜单元为六角形状，另一半透镜单元为圆形形状，一种优选的实施方式如图3c所示，不同的形状之间相互错开分布。这种实施方式的好处在于，将不同形状的微透镜所对应的VCSEL光源分开控制，比如六角形状微透镜单元对应的VCSEL光源与圆形形状微透镜单元对应的VCSEL光源被分组控制，可以实现独立打开以及同步打开，因而可以得到形状不同或密度不同的发射光束图案。比如单独打开六角形形状微透镜单元所对应的VCSEL光源，与单独打开圆形形状微透镜单元所对应的VCSEL光源相比，所射出的光束图案的形状不同；比如仅打开六角形或圆形形状微透镜单元所对应的VCSEL光源，与全部打开VCSEL光源相比，所射出的光束图案的密度也不同。需要理解的是，这里的说明中仅列举了分成两组的例子，事实上，也可以进行更多种类的分组，对于同一种形状微透镜单元所对应的VCSEL光源也可以分组控制，甚至，对每一个VCSEL光源都可以实行单独控制。

当微透镜单元204的形状不同时，其对应的焦距一般也会有差别，当微透镜阵列与VCSEL阵列之间的距离一定时，微透镜单元的焦距不同，会导致VCSEL 阵列中各个VCSEL光源最终射出光束的截面大小也会不同。即使微透镜单元为同一种形状，也可以将微透镜单元的焦距设置成不同以期产生大小有差异的发射光束图案，理论上来说，这种方式会提高发射光束图案的不相关度，但另一方面会增加制造的成本。

总之，通过对VCSEL阵列中各个VCSEL光源的独立、分组和整体控制，以及对微透镜阵列中微透镜单元形状、焦距等方面的设置，可以发射出形状、大小、密度等各不相同的发射光束以满足不同的应用需求。

回到图2，微透镜单元204将光束发散，其反向延长线交点可以看成是焦面 207，从成像的角度即是光源在焦面207成虚像，一般地焦面207位于光源的背光一侧。在微透镜单元204后设置了主透镜205，主透镜205用于将微透镜阵列的光束进行二次聚焦成像，另一方面主透镜205也起到了将子光束进行扩散的作用，这里的扩散指的是由通过主透镜的光束相对于VCSEL光源202的发射面的光束而言，光束的直径被扩大了。通过主透镜205的多个光束传输到衍射光学元件(DOE)206，并由DOE206以整数倍进行扩束。比如若VCSEL光源202的数量为100个，即100个子光束，通过DOE后以500倍进行扩束，最终形成50000 个斑点的图案投射到空间中。需要注意的，这50000个斑点在空间上不同的距离上会出现重叠现象，因此往往斑点数会小于50000。换句话说，DOE的作用是将光源202所形成的图案在空间中进行成倍的复制，需要注意的是，由于要提高图案密度，在进行复制时，相邻的两幅图案之间会有部分重叠，重叠的另一作用是可以提高整体图案的不相关程度。

主透镜205与DOE206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，该光学元件具有两个表面，分别用来执行透镜以及衍射光学元件的功能。

在本实施例中，衍射光学元件206为DOE，DOE被配置成接收主透镜发射的光束并输出结构化光，其结构光中包括的特征(例如斑点或点)总数大于主透镜发出的光束中包括的特征总数。使用这种光学元件，可以使输出的结构化图案中能够有比VCSEL单元中更多的特征。从而，如果期望产生具有一千个特征的结构化光图案，则在VCSEL阵列中不需要一千个VCSEL单元，可以有效减小VCSEL 阵列的整体大小和体积，并减少整体的大小和成本。在替换实施例中，衍射光学元件被实现为微透镜阵列或者光栅。

本实施例的激光投影模组中，微透镜阵列与VCSEL阵列光源之间的距离需要进行特别设置，一般地需要满足两个条件，一是保证各个微透镜单元仅通过单个VCSEL光源的光束，相邻光束之间不会有干扰；二是VCSEL阵列光源最好位于微透镜单元1倍焦距以内，以保证光束充分扩散。需要说明的是，这里仅给出了一种最优方案，并非是对本实用新型的方案的限制。另外，主透镜与微透镜阵列之间的距离一般应该小于主透镜的焦距，一种优选的实施方式中，这一距离小于主透镜焦距与微透镜单元焦距之和。主透镜与微透镜阵列之间的距离只有满足上述条件，两者形成的二次成像光路才能实现更低的放大倍数。

本实用新型的激光投影装置的光路布置图，事实上也是对光源的二次成像，与已有技术中单个透镜的光路布置图相比，二次成像的放大倍数可以调整，且系统的集成度更高。目前单个透镜的放大倍数一般在200倍左右，而本实用新型由微透镜阵列与主透镜构成的光学系统的放大倍数则可以实现40～200之间的任一倍数。更小的放大倍数则意味着最终形成的散斑图案更加集中，相同的发光功率可以传输到更远的距离且保持较高的图案质量，深度图计算精度将更高。另外根据不同的应用场景需要，比如对于远距离测量，则可以调节微透镜阵列与主透镜之间的距离以增大放大倍数，从而增加激光投影模组的投影斑点大小，以保证在远距离时仍能获取较高质量的斑点图案，反之则减小放大倍数。在安装时调整好微透镜阵列与主透镜之间的距离，安装完成后激光投影装置的放大倍数即已确定，放大倍数可以是40-200之间的任何一个数值，相比于现有的采用不同焦距透镜的激光投影装置而言，由于目前单个透镜的放大倍数一般均在200左右，无法实现更低的放大倍数使最终形成的散斑图案更加集中，因此，本实用新型的激光投影装置，无论是成本还是实现方式上，都比现有的激光投影装置有更大的优势。

另外，本实用新型采用凹透镜组成的微透镜阵列，相对于凸透镜而言，至少有以下两个方面的优势。一方面凹透镜将VCSEL光源光束进行了扩散，导致在 DOE上的光斑更加大且均匀，形成的结构光图案的强度会更加均匀；另一方面凹透镜由于对光束起扩散作用，光束在投影模组内部分布相对均匀，而凸透镜则会在投影模组的内部产生焦点，即光功率极高的点，使得投影模组的温度过高最终影响投影质量。

图4是单个VCSEL的结构示意图。在图4中，401为单个VCSEL，一般地， VCSEL的有源层405在中间，与有源层连接的是限制层406，限制层的作用是用来控制光场和电流以实现对激光形状等的控制，有源层两端还有P型与N型的半导体反射镜404与407，反射镜407的另一侧是顶部电极408(P极、正极)，反射镜404的一侧分别是半导体衬底403以及底部电极402(N极、负极)。

在一些实施例中，VCSEL阵列光源按特殊的用途也可以进行封装成芯片，类似于电脑的CPU等芯片，将正负极通过连接到引脚在同一侧与外界连接。针对本实用新型所述的深度相机实施例而言，为了达到体积小的效果，一种较佳的处理方式是直接将未封装的VCSEL半导体切片芯片置于底座201上。芯片的底部与负极相连，顶部与正极相连。

图5所示的是根据本实用新型另一实施例的激光投影装置示意图，是图1中激光投影模组104的另一种实施例，包括底座201、VCSEL阵列光源、微透镜阵列、主透镜205以及衍射光学元件(DOE)206。微透镜阵列包含多个微透镜单元204，各个透镜单元204分别与VCSEL阵列中各个VCSEL光源202一一对应，即微透镜阵列中各个微透镜单元204的排列与各个VCSEL光源202一致，即数量相等，排列图案也相同。每个微透镜单元204分别用于接收对应的VCSEL 光源202的光束并发散。为了进一步减小激光投影装置的整体体积，在本实施例中，将微透镜单元204与VCSEL光源202进行集成，集成后的情形如5所示，这种方式可以使得激光投影装置的整体体积更小，且微透镜单元204与VCSEL 光源202将严格的保持一一对应的关系，不会受到安装等引起的误差影响。

图6将进一步介绍集成微透镜的VCSEL光源601的细节。VCSEL的有源层 605在中间，与有源层连接的是限制层606，限制层的作用是用来控制光场和电流以实现对激光形状等的控制，有源层两端还有P型与N型的半导体反射镜604 与607，反射镜607的另一侧是顶部电极608(P极、正极)，反射镜604的一侧分别是半导体衬底603以及底部电极602(N极、负极)。激光束在P极608 之间发出，通过在反射镜607上制作微透镜609以实现集成的效果，比如在一种实施例中通过在反射镜607上沉积SiO₂-Si₃N₄从而形成微透镜。集成微透镜的VCSEL阵列701如图7所示，集成微透镜的VCSEL光源601以不规则图案排列在半导体衬底702上，每个光源表面均有与其一一对应的微透镜。

集成微透镜的VCSEL阵列701中，对各个集成微透镜的VCSEL光源601 的控制可以有不同的模式，在一种实施例中，所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭；在另一种实施例中，VCSEL光源被独立或分组控制以产生不同的光照密度。单个VCSEL光源的形状、面积也可以不相同。

在一些实施例中，集成微透镜的VCSEL阵列光源按特殊的用途也可以进行封装成芯片，类似于电脑的CPU等芯片，将正负极通过连接到引脚在同一侧与外界连接。针对本实用新型所述的深度相机实施例而言，为了达到体积小的效果，一种较佳的处理方式是直接将未封装的VCSEL半导体切片芯片置于底座201 上。芯片的底部与负极相连，顶部与正极相连。

在又一实施例中，激光投影装置可以利用晶圆级光学工艺，在半导体衬底上开槽，将光源VCSEL202、微透镜单元204、主透镜205以及衍射光学元件206 都直接制作在半导体衬底的开槽中。这种工艺的好处一方面减小整体模组的体积，另一方面可以在一片晶圆上同时制作多个模组，最后经切割形成多个独立的模组，从而大幅度提高生产效率。

为了进一步减小体积，对于激光投影装置，可以直接将未封装的VCSEL半导体切片芯片置于底座201上，芯片的底部负极连接，顶部正极连接。在以下说明中将以VCSEL切片芯片为例进行说明，但应理解的是封装芯片也包含在本实用新型的保护范围内。在下面的阐述中，为了便于理解，将用“芯片”、“阵列芯片”等用词来代替上文所提到的VCSEL阵列。

芯片都需要有承载和连接机构，以保证芯片的正常功能。例如电脑CPU有为其独立设计的卡套式连接与固定机构；对于一些发热量不大的专用芯片，会直接通过引脚与主板进行直接相连；而对于本实用新型所述的芯片，一般具有较高的发热量，且需要有稳固的固定装置。VCSEL阵列芯片由于是用来发射光束，需要较大的功率，发热量较大，另外还需要被集成到体积较小的微型设备中，散热问题需要解决；另一方面，对于深度相机而言，激光投影模组的相对位置要求非常稳固，以确保有稳定、精确的深度图像输出。因此，VCSEL阵列芯片的承载与连接机构就要求既拥有小的体积以便于集成，又需要有较好的散热性能以及稳固的连接。

本实用新型的激光投影装置在深度相机中采用一种特殊的结构形式来实现体积小、散热高等优点，该结构处于激光投影装置的底部，具体地，包括支撑部件，用来承载芯片；散热部件，用来将芯片产生的热量散失；控制部件，用来控制芯片工作，图2中的底座201即是用于承载及连接VCSEL阵列芯片，在实施例4-8中，底座201被设置成如图8-11所示的芯片嵌入装置801，即底座201起到支撑、散热和控制芯片的三重作用；芯片具体为VCSEL阵列芯片806；控制部件具体为电路板803，通过其接口804接入电极以供电或控制VCSEL阵列芯片806；支撑部件和散热部件具体为同一个部件，即基底802。

在本实施例中，底座201被设置成如图8所示的芯片嵌入装置801。在本实施例中，芯片具体为VCSEL阵列芯片806；控制部件具体的为电路板803，通过其接口804接入电极以供电或控制VCSEL阵列芯片806；支撑部件和散热部件具体为同一个部件，即基底802，用于放置并承载芯片，并且与芯片连接起到散热和/或电极连接的作用，常用的材料为铜镀金、陶瓷等等。该装置可以方便地与其他控制单元如主板进行连接，且可以稳定地支撑芯片。

在本实施例中，为了减小整体的体积，采取的是在电路板803中间增加孔洞的形式，基底802与电路板803胶接，并且覆盖了孔洞(一般地，孔洞中心与电路板802中间重合)，然后将芯片置于孔洞中且与基底连接。这种设置的好处在于可以同时兼顾电路板与芯片之间的连接以及整体厚度的控制。

在又一实施例中，芯片嵌入装置801中，如图9所示，电路板803为柔性电路板(FPC)，基底802为铜镀金材料，VCSEL阵列芯片806位于孔洞中心，且通过导电银浆与基底802连接，基底802与电路板803胶接。在FPC的孔洞周围布置了一些焊盘805，焊盘805通过线路与接口804连接。在图9中，正极焊盘通过金线807与VCSEL芯片顶端电极806连接，负极焊盘通过金线808直接与基底802连接，由于基底与芯片的底部电极通过导电银浆相连，因而也就实现了焊盘与底部电极的间接连接。另外，由于VCSEL芯片与基底802连接，且基底具有很好的导热性，因此VCSEL芯片的散热问题也得到了解决。

在另一实施例中，电路板803与基底802之间通过物理连接，比如螺栓等。若利用胶水连接，优点在于不占用空间，操作便捷，但缺点是由于胶水的电阻较大，因而不利于散热，会增加功耗。具体的连接方式在此不做限定。

在另一个不同的实施例中，电路板803为印制电路板(PCB)与柔性电路板 (FPC)的结合，即软硬结合电路板，与FPC相比，PCB硬度高，承载性能较好，但是连接则较为困难。因此，在本实施例中，采用了二者结合的方式，即接口所在部位用FPC，而在与基底连接的部位采用软硬结合板。在其他实施例中，电路板803可以全部采用印制电路板(PCB)。

电路板与芯片及基底的连接，更清晰地可见图10。在图10中，电路板803 通过金线807和808分别与芯片806以及基底802连接。一般地，电路板的孔洞尺寸应大于芯片806的尺寸，一方面便于安装以及为金线808与基底802的连接留出操作空隙，另一方面进一步提高了基底802的散热性能。孔洞的形状一般为圆形或方形，在此不做限定。

在其他实施例中，连接用的金线也可以为其他任何可以实现导电连接的材料。

为了进一步地减小体积，可以在基底上为芯片开凹槽，如图11所示，这种方式可以进一步减小整体的厚度。需要注意的是，当基底本身厚度就较薄时不建议开凹槽，以避免当芯片发热时会导致基底材料的变形。

在其他实施例中，基底也可以是其他导热材料，比如陶瓷。此时，VCSEL 芯片与基底仅导热连接，与电路板的正、负极导电连接，连接方式可以采取任何其他可以实现导电连接的方式，在此不做限定。

在其他实施例中，基底也可以被设计成适合散热的形状，比如增加扇叶等方式以增加散热面积等。在与手机等设备进行集成过程中也可以将基底与其他散热材料进行连接以提升散热性能。

根据本实用新型所描述的激光投影装置，采用芯片嵌入装置对芯片进行固定，通过在控制部件上开设孔洞，并将VCSEL阵列芯片嵌入其中，可以充分减小装置的整体体积，同时芯片与散热部件直接接触连接，散热部件同时起到支撑芯片的作用，保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，不仅可以实现小体积、高散热、低功耗，还可以实现更低的放大倍数和更高的成像质量。

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 (11)

1.一种激光投影装置，其特征在于，包括：

VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括多个垂直腔面发射激光器VCSEL，用于发射光束；

微透镜阵列，包括与所述VCSEL数量一致且一一对应的多个微透镜单元，所述微透镜单元包括至少一个光学表面，所述光学表面与所述VCSEL间隔为第一距离，用于接收并发散与之对应的所述VCSEL发射的光束；

主透镜，所述主透镜与所述微透镜阵列间隔为第二距离，用于接收并汇聚由所述微透镜阵列发散的光束；

图案生成光学元件，用于接收经过所述主透镜汇聚的光束，并向外发射多个至少部分相互重叠的光束。

2.根据权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述图案生成光学元件包括DOE、微透镜阵列、光栅中的一种。

3.根据权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述第一距离小于所述微透镜单元的焦距。

4.根据权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述第二距离小于所述主透镜焦距与所述微透镜单元焦距之和。

5.根据权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述第二距离小于所述主透镜的焦距。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个VCSEL以不规则形状排列以形成所述VCSEL阵列。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微透镜阵列中至少包含两种不同形状或不同焦距的微透镜单元，每一种所述微透镜单元对应的VCSEL被独立控制发光，以实现不同形状、不同大小或不同密度的发射光束。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主透镜与所述图案生成光学元件被制作在同一个光学元件上。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述微透镜单元集成在每个所述VCSEL的出光口。

10.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：

权利要求1～9任一所述的激光投影装置，用于向目标空间中投影结构化光束图像；

图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；

处理器，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像；

所述根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像指的是利用匹配算法计算所述结构化光束图像与参考光束图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

11.根据权利要求10所述的深度相机，其特征在于，所述激光投影装置还包括：散热部件，用来将所述VCSEL阵列产生的热量散失；控制部件，用来控制所述VCSEL阵列工作，并且所述控制部件中开有孔洞，所述VCSEL阵列嵌入到所述孔洞中并与散热部件接触连接，此时散热部件起到承载所述VCSEL阵列的作用，从而使所述激光投影装置实现体积小和高散热。