CN207133564U

CN207133564U - 多密度图案投影仪

Info

Publication number: CN207133564U
Application number: CN201720838943.0U
Authority: CN
Inventors: 王兆民; 许星
Original assignee: Shenzhen Orbbec Co Ltd
Current assignee: Orbbec Inc
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2027-07-12

Abstract

本实用新型提供一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其中光源为VCSEL阵列光源，包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列，并且4个独立控制的VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次减少，以满足不同密度结构光图案的投影。基于该多密度图案投影仪的深度相机可以用来获取不同精度的深度图像从而适用于多种应用。

Description

多密度图案投影仪

说明书

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种多密度图案投影仪及其深度相机。

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仪，按照深度相机种类的不同，激光投影仪的结构与功能也有区别，比如专利CN201610977172A中所公开的投影仪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。

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仪的光源的首选。对于结构光深度相机的投影仪特别是基于散斑图案的投影仪而言，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。

随着深度相机应用场景的多样化，目前单一的VCSEL阵列光源并不能满足需求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中单一的VCSEL阵列光源并不能满足需求问题，提供一种多密度图案投影仪。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

本发明提供一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其特征在于，所述光源为VCSEL阵列光源；所述VCSEL阵列光源包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列。

在一些实施方案中，所述VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的排列包括不规则排列。

在一些实施方案中，所述VCSEL光源子阵列两两之间相互重叠。

在一些实施方案中，所述VCSEL光源子阵列两两之间没有相互重叠。

在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少。

在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源密度依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列的面积依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次为： 50～500、40～400、5～50、4～40。

本发明还提供一种深度相机，包括：如前面任一所述的投影仪，用于向目标空间中投射结构化光束图像；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。

本发明的有益效果为：提供了一种多密度图案投影仪及其深度相机，通过设置4个含有不同数量的VCSEL子阵列构成的光源，从而可以形成多种密度的结构光图案投影，从而使得基于此的深度相机可以获取不同精度的深度相机以满足不同的应用需求。

附图说明

图1是根据本发明实施例的结构光深度相机系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的结构光投影仪的示意图。

图3是根据本发明实施例的VCSEL阵列光源示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。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发明的基本构思，附图中仅显示与本发明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，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仪104、采集仪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。结构光投影仪104、采集仪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，每个仪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，而结构光投影仪104与采集仪105分别通过接口106与电路板连接，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，结构光投影仪104用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集仪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(一般指沿着结构光投影仪与采集仪连线所在的方向) 各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集仪105为与结构光投影仪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仪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仪。

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。

结构光投影仪

图2是图1中结构光投影仪104的一种实施例。结构光投影仪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仪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。

在利用深度相机进行实际应用时，其结构光投影仪104往往需要投影出不同密度的结构光图案。可以理解的是，对于利用密度大的结构光图案计算深度图像时，优点在于得到的深度图像精度也较高，缺点是计算量大、帧率低。然而在一些具体的应用中，往往需要的精度以及帧率也不一样，此时就需要有多种不同密度的结构光图案来满足这一要求。

本发明将提供一种可以发射多种密度结构光图案的结构光投影仪，图3是根据本发明实施例的VCSEL阵列光源示意图。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被分成四个子阵列302、303、304、305，子阵列之间在空间中被分隔开，比如图中子阵列被分隔线分开，在图中示出了分隔线，该分隔线仅仅为了示意作用，不一定存在于VCSEL阵列光源中。在一个实施例中，四个子阵列也可以相互交叉重叠。各个子阵列被独立控制发光，也可以同时发光。

为了满足不同的应用需要，四个子阵列中VCSEL光源的数量依次增加或减少，为了达到这一要求，一种方案是四个子阵列的面积相近，但密度依次增加或减少；第二种方案是四个子阵列的密度相近，但面积依次增加或减少；第三种方案是四个子阵列的密度以及面积均依次增加或减少。可以理解的是，达到VCSEL 光源数量不同的方案有多种，并不局限于以上三种，其他方案也应落入本实用新型的范围内。

在一个实施例中，子阵列302拥有较大的面积以及VCSEL光源排列密度，其VCSEL光源数量约为50～500；子阵列304的面积与光源密度仅次于子阵列 302，VCSEL光源数量约为40～400；子阵列303的面积小于子阵列304，光源数量约为5～50；子阵列305的面积最小，光源数量约为4～40。这样设置的好处在于，对于一些需要精度较高的应用而言，比如三维测量，子阵列302或子阵列 304能满足需求，而对于一些精度要求较低的应用而言，比如人体识别，子阵列 303或子阵列305能满足需求。一般地，子阵列302与子阵列304的光源数量相仿，子阵列303与子阵列305的光源数量相仿，但前者的光源数量要高出后者光源数量一个数量级，即10倍左右或以上。另外，对同一数量级的光源数量提供两种子阵列的目的也在于能更好地满足一些具体应用。

在一些应用中，也可以通过组合子阵列的形式产生更多种密度的结构光图案，比如同时打开子阵列303与子阵列305可以产生密度较高且次于子阵列304 所产生的结构光图案。

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

Claims

1.一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其特征在于，所述光源为VCSEL阵列光源；所述VCSEL阵列光源包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列；

所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少；

所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次为：50～500、40～400、5～50、4～40。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的排列包括不规则排列。

3.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述VCSEL光源子阵列两两之间相互重叠。

4.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述VCSEL光源子阵列两两之间没有相互重叠。

5.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源密度依次减少。

6.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述4个VCSEL光源子阵列的面积依次减少。

7.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括：

如权利要求1-6任一所述的投影仪，用于向目标空间中投射结构化光束图像；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。