CN206877018U - 结构紧凑的光学投影模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光学投影模组及应用其的深度相机，包括具有散热功能的底座、开有通孔的电路板、光源芯片和光束生成器；光源芯片通过通孔安装在底座上向外发出光束，光束生成器同时安装在底座以及电路板上用于将所述光束调制后向外投射出图案光束。光束生成器包括镜座、透镜和衍射光学元件。应用这种光学投影模组的深度相机包括光学投影模组、图像采集装置和处理器或包括光学投影模组、光束接收装置和处理器。本实用新型的光学投影模组具有体积小、散热性能高且结构稳定的特点，能够作为深度相机的一部分被集成到微型计算设备中。

Description

结构紧凑的光学投影模组

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种结构紧凑的光学投影模组及其深度相机。

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光学投影模组，随着应用的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能不断进化。一般地，光学投影模组由电路板、光源等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列光源使得光学投影模组的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。现有技术中，可以将VSCEL制作在半导体衬底上，并将半导体衬底与柔性电路板（FPC）进行连接，为了解决散热问题，还引入了半导体致冷器（TEC）。TEC可以很好的对光源发热进行控制，但由于本身的功耗较高，且占用较大的体积，使得这种形式的光学投影模组的体积以及功耗仍不理想。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决提供现有技术中光学投影模组体积与散热效果二者不能兼得的问题，提供一种光学投影模组及应用其的深度相机。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案。一种光学投影模组，包括：

底座，具有散热性能；电路板，安装在所述底座上并开有通孔；光源芯片，安装在所述底座上并设置在所述电路板的通孔中，用于发射光束；光束生成器，所述光束生成器同时安装在所述底座上以及所述电路板上并用于接收所述光束后向外投射出图案光束。

在一个实施例中，所述底座包括陶瓷底座，陶瓷底座镀有金属材料或开有通孔。

在一个实施例中，所述光源芯片为VCSEL阵列芯片，所述VCSEL阵列芯片表面多个VCSEL光源以不规则阵列排列。

在一个实施例中，所述光束生成器包括：镜座，所述镜座安装在所述底座上及所述电路板上；透镜，所述透镜安装在所述镜座上用于准直或汇聚所述光束；衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在所述镜座上用于接收所述光束并向外投射出所述图案光束。所述透镜为微透镜阵列，与所述衍射光学元件被设计成单个光学元件。

在一个实施例中，所述电路板为印制电路板、柔性电路板、软硬结合板中的一种或结合。

根据本实用的一个实施例，还提供了一种采用以上权利要求任一所述的光学投影模组的深度相机，所述深度相机用于获取被测目标的深度图像。

本实用新型的有益效果在于提供了一种光学投影模组及应用其的深度相机，光学投影模组包括具有散热性能的底座、光源芯片和光束生成器，使光学投影模组具有体积小、散热性能高且结构稳定的特点，能够做为深度相机的一部分被集成到微型计算设备中。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例结构光深度相机系统的示意图。

图2是根据本实用新型一个实施例的光学投影模组的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提出一种结构紧凑的光学投影模组及其深度相机。以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。实施例中将对光学投影模组应用其的深度相机进行说明，但并不意味着这种光学投影模组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权利要求中。

图1所示的是根据本实用新型一个实施例的基于结构光的深度相机示意图。基于结构光的深度相机主要组成部件有光学投影模组13、图像采集装置14、主板12以及处理器11，在一些深度相机中还配备了RGB相机16。光学投影模组13、图像采集装置14以及RGB相机16一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个装置或相机都对应一个进光窗口17。一般地，处理器11被集成在主板12上，而光学投影模组13与图像采集模组14通过接口15与主板12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13用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，图像采集装置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。对应的图像采集装置14为与光学投影模组13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图像采集装置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。

目前单一的深度相机由于体积较大，大都是作为独立的外设，通过USB等数据接口与其他设备如电脑、手机等连接，并将其获取的深度等信息传输给其他设备进行进一步的处理。随着深度相机的应用越来越广泛，将深度相机与其他设备进行集成、整合将会是未来的发展方向。在主板与处理器的集成方面可以将深度相机的主板、处理器与电脑手机等设备的主板、处理器进行整合；在采集相机与激光投影装置的集成方面，目前电脑等大型设备都有相关的方案，然而对于手机等微型设备，只有体积小的激光投影装置才能满足要求，目前能满足这些要求的较佳的方案是采用VCSEL阵列激光器。另一方面，由于激光投影的功耗较大、发热较多，因此拥有较高的散热性也是光学投影模组的必要性能。

图2是根据本实用新型一个实施例的光学投影模组的示意图。光学投影模组13包括底座131、电路板132、光源134、镜座137、透镜135以及衍射光学元件（DOE）136。透镜135与DOE136共同构成了光束生成器，光源134发出的光束经透镜135准直或汇聚后由DOE136扩束并以一定的光束图案向空间发射。一般地透镜135位于光源134以及衍射光学元件136之间，透镜135与光源134之间的距离最好等于透镜的焦距。透镜135可以是微透镜阵列，且与DOE136也可以整合成一个光学元件。底座131一方面要求具有足够的硬度来支撑光源，另一方面还需要有较高的散热性。

在一些实施例中，光源134为VCSEL阵列光源，即在半导体衬底上形成多个VCSEL光源以形成光源芯片，如此不仅可以提高发光功率，也可以更好地形成光束图案。在一个实施例中，光束图案要求是不规则的随机斑点图案，因此光源芯片上的多个VCSEL以不规则阵列的形式排列在半导体衬底上，光源芯片发出的第一光束图案与VCSEL芯片上VCSEL光源布置的图案一致，当第一光束被透镜15准直后由DOE16向空间中发射出第二光束，一般地第二光束的数量要远远多于第一光束的数量，另外第二光束所形成的图案应该是第一光束图案的复合，具体的细节可以参见中国专利申请201610977171.9及201610977172.3。

在一些实施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以进行封装，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，由于要求体积小，因而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131上。芯片的底部与负极相连，顶部与正极相连。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。

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为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，对于光学投影模组，底座131还需要承载含有光学元件的镜座137，因而要求底座还要有足够的强度，以确保有稳定的光发射输出。因此，底座就要求即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。

回到图2，底座131上安装了光源芯片134，电路板132安装在与光源同侧的底座131表面，同时电路板132开有通孔以使得光源芯片134的光束通过。另外，镜座137一部分与底座131连接，另一部分与电路板132连接，电路板132与镜座137连接的一端有伸出的连接端口133，端口133可以是USB、MINI USB、MIPI等接口。

在一个实施例中，底座为金属底座，同时具备导电及散热性能。光源芯片134底部电极与底座131连接，底座131通过导线138与电路板132连接后以实现电路板与该电极的连接；另一电极将通过导线138直接与电路板132连接。

在一个实施例中，底座为陶瓷底座，由于陶瓷材料仅具有散热性能，因此，一种方案是在陶瓷表面涂有导电层使其具备导电性，另一种方案是在陶瓷上开设通孔以使得光源芯片134通过通孔与电路板132连接。

电路板132可以是印制电路板(PCB)，也中以是柔性电路板（FPC），又或者是软硬结合板等。

本实用新型通过导电及导热材料为底座，并将开有通孔的电路板设置在底座上，将光源安装在通孔中，由此即保证了光源的电连接也减少了底座的厚度，另外将镜座同时安装在底座及电路板上，同时保证整体光学投影模组的稳定性以及电路板的外部连接。

Claims (9)

1.一种光学投影模组，其特征在于，包括：

底座，具有散热性能；

电路板，安装在所述底座上并开有通孔；

光源芯片，安装在所述底座上并设置在所述电路板的通孔中，用于发射光束；

光束生成器，所述光束生成器同时安装在所述底座上以及所述电路板上并用于接收所述光束后向外投射出图案光束。

2.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述底座包括陶瓷底座。

3.如权利要求2所述的光学投影模组，其特征在于，所述陶瓷底座镀有金属材料或开有通孔。

4.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述光源芯片为VCSEL阵列芯片。

5.如权利要求4所述的光学投影模组，所述VCSEL阵列芯片表面多个VCSEL光源以不规则阵列排列。

6.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述光束生成器包括：

镜座，所述镜座安装在所述底座上及所述电路板上；

透镜，所述透镜安装在所述镜座上用于准直或汇聚所述光束；

衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在所述镜座上用于接收所述光束并向外投射出所述图案光束。

7.如权利要求6所述的光学投影模组，其特征在于，所述透镜为微透镜阵列，与所述衍射光学元件被设计成单个光学元件。

8.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述电路板为印制电路板、柔性电路板、软硬结合板中的一种或结合。

9.一种采用如权利要求1-8任一所述的光学投影模组的深度相机，所述深度相机用于获取被测目标的深度图像。