CN207586618U - 组合图案投影装置及深度相机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种组合图案投影装置及其深度相机，该组合图案投影装置包括：VCSEL阵列光源，用于发射阵列发散光束；透镜，用于接收并汇聚所述发散光束；衍射光学元件，接收经所述透镜汇聚后的所述发散光束并投射出图案化光束，所述图案化光束由多个子图案光束组合而成，所述子图案与所述VCSEL阵列光源中多个VCSEL的排列图案中心对称。通过利用体积更小的阵列芯片作为光源，同时采用透镜等光学元件将阵列芯片的光束调制以产生高质量的图案化光束，有效降低投影装置的整体厚度，有利于模组被集成到微型设备中。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种组合图案投影装置及深度相机。
背景技术
随着智能设备对3D成像功能的迫切需求，深度相机将被越来越多的嵌入到智能设备中，这也要求深度相机向体积更小、性能更高的方向发展。微型激光投影仪是深度相机中的核心元器件之一，也是影响深度相机性能最为主要的因素。激光投影仪一般由激光光源、透镜以及其他光学元件构成，用于向空间中投影出光束。传统的采用单光源、投影透镜等形式的投影仪在厚度方向上的尺寸较大，难以被集成到像手机、平板等微型智能设备中。
实用新型内容
本实用新型提供一种组合图案投影装置，其能且能有效降低投影装置的整体厚度，有利于模组被集成到微型设备中，并产生高质量的图案化光束。
本实用新型提供的组合图案投影装置包括：VCSEL阵列光源，用于发射阵列发散光束；透镜，用于接收并汇聚所述发散光束；衍射光学元件，接收经所述透镜汇聚后的所述发散光束并投射出图案化光束，所述图案化光束由多个子图案光束组合而成，所述子图案与所述VCSEL阵列光源中多个VCSEL的排列图案中心对称。
其中，透镜包括单透镜或微透镜阵列，用于汇聚发散光束时并准直其发散光束。
在一些实施例中，透镜包括由多个单透镜和/或微透镜阵列组成的透镜组。
在一些实施例中，图案化光束的组合包括相邻排列、间隔排列或交叉排列。
在一些实施例中，所述VCSEL阵列光源中多个VCSEL的排列图案为不规则图案。
在一些实施例中，所述图案化光束照射到平面上时所形成的投影图案密度均匀且具备高度不相关性。
本实用新型还提供一种深度相机，包括：如上所述的组合图案投影装置，用 于投影图案化光束；采集模组，用于采集被所述图案化光束照射的目标图像；处理器，将所述目标图像计算出目标深度图像。
本实用新型的有益效果：利用体积更小的阵列芯片作为光源，同时采用透镜等光学元件将阵列芯片的光束调制以产生高质量的图案化光束，有效降低投影装置的整体厚度，有利于模组被集成到微型设备中。
附图说明
图1为本实用新型的一个实施例的深度相机系统的侧视图。
图2为本实用新型的一个实施例的光源投影模组的侧视图。
图3为本实用新型一个实施例的VCSEL阵列示意图。
图4为本实用新型一个实施例的投影组合图案示意图。
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作进一步详细说明，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。
本实用新型提出一种光源投影装置。在后面的说明中将以深度相机的投影模组为例进行说明，但并不意味着这种方案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中。
深度相机
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。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，投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案化光束，采集模组采集到该结构光图案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，结构光图案为红外散斑图案，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，此时采集模组105为对应的红外相机。结构光图案也可以是条纹、二维图案等其他形式。
投影模组
图2是图1中投影模组104的一种实施例。该投影模组201包括底座206、光源205、镜座204、透镜系统203以及衍射光学元件(DOE)202。光源205发出的光束经透镜203调制后由DOE202向空间中发射图案化光束。在其它实施例中透镜与DOE也可以整合成一个光学元件。底座206一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。
光源一般分为单个光源与多个光源，且一般为激光光源，比如边缘激光发射器或者垂直腔面激光发射器VCSEL等。其中，VCSEL由于体积小、发散角小、稳定性等优点更宜于被应用于投影模组中，在一些实施例中，为了增加投影强度，选择VCSEL阵列作为光源更佳。VCSEL阵列即可以是在单块半导体硅片上制作出阵列的VCSEL源来形成，也可以由多个独立的VCSEL光源组合而成。
在本实施例中，光源205为VCSEL阵列芯片，芯片上有若干个VCSEL源以一定的二维图案形式排列，一般地，该二维图案为不规则二维图案。VCSEL阵列芯片中单个VCSEL源向外发射出具备一定发散角的发散光束，多个VCSEL源的光束组成阵列发散光束。该阵列发散光束入射到透镜203中，并被透镜调制后向外发射，这里的调制作用主要是通过汇聚光线以减少阵列发散光束中各个发散光束的发散角，调制作用包括准直、聚焦、扩束等情形。经汇聚后的光束入射到DOE202并被衍射后向外发射出图案化光束。这里的图案化光束可以看成是由多个子图案化光束组合而成，各个子图案化光束构成的图案与VCSEL阵列中VCSEL源排列的图案一一对应，且子图案化光束的图案与VCSEL源的排列图案成中心对称关系。
透镜203可以是单透镜或微透镜阵列，在一些实施例中也可以是多个单透镜和/或微透镜阵列组成的透镜组。透镜203与DOE202也可以形成在同一块光学元件上以进一步减小模组的厚度。
图3是根据本实用新型一个实施例的VCSEL阵列示意图。该VCSEL阵列光源205包含半导体基底以及在基底中形成的多个VCSEL子光源301组成，子光源301以一定的二维图案进行排列。这里仅示出了3个子光源，实际可以有任意多个子光源以及任意的排列图案。相对于已有技术中采用的边发射激光发射器而言，VCSEL具有体积小、功耗低、发散角小等优点，通过多个VCSEL组成的 VCSEL阵列则可以提高功率以发射出足够强度的光束用来投影。
DOE一般通过电子束直写技术或其他可行手段，在玻璃或塑料材质的透明基片表面刻蚀深度为1um的不规则光栅制作而成，用于衍射生成包括多个衍射级的图案化光束，并通过镜像叠加的方式向外投射图案化光束。通过对DOE进行不同的设计，可以得到分布不同、密度不同、对比度不同的图案化光束。以下对这一情形进行详细描述。
在已有技术中，通过二次成像等技术从而投影出与VCSEL源排列的图案一致的图案，由此可以降低设计难度，然而不利因素在于二次成像的透镜组厚度较大，不利于模组的微型化，本实用新型中通过单次成像形成中心对称的投影效果，由此可以降低模组厚度，有利于微型化从而被集成到其他设备中。
图4是根据本实用新型一个实施例的投影组合图案示意图。光束经DOE衍射后向外发射出图案化光束并在某一投影平面上形成如图4所示的组合图案401，图中最外侧的边框用来示意投影模组的投影区域，里面的小边框用来示意组合图案中各个子图案402。可以看出子图案402与VCSEL阵列的排列图案205(如图3所示)成中心对称关系，VCSEL阵列的中三个光源排列成正三角形，而子图案中三个光束成倒三角形，这两个三角形可以认为是沿某一中心点对称。在一些实施例中，可以理解的是，子图案402的大小会随着投影平面与投影模组之间距离的变化而变化，距离越远，其子图案越大。组合图案中子图案的组合方式有多种，比如相邻排列403、间隔排列404、交叉排列405等。一般地，为了更好进行深度图像计算，投影模组所投射出的图案化光束在平面上所形成的结构光投影图案需要具备密度均匀且高度不相关性，因此在一些实施例中，投影模组所投影出的图案化光束中仅有一种排列方式，比如图案化光束由N个子图案光束以间隔的方式排列而成。在一个实施例中，投影模组所投影出的图案化光束含有多种排列方式，比如同时包含相邻与间隔排列形式。
图4所示的组合图案仅表示理想的投影情形，实际上由于误差存在，比如透镜的像差，使得投影区域以及子图案区域均会发生一定的变形。另外，还会产生中心密度比周边密度大的现象，此时，可以通过在中心区域以采取相邻排列、在周边区域采用间隔排列的方式形成组合图案。
以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种组合图案投影装置，其特征在于，包括：
VCSEL阵列光源，用于发射阵列发散光束；
透镜，用于接收并汇聚所述发散光束；
衍射光学元件，用于接收经所述透镜汇聚后的所述发散光束并投射出图案化光束，所述图案化光束由多个子图案光束组合而成，所述子图案与所述VCSEL阵列光源中多个VCSEL的排列图案中心对称。
2.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述透镜还包括用于汇聚并准直所述发散光束的透镜。
3.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述透镜包括单透镜或微透镜阵列。
4.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述透镜包括由多个单透镜和/或微透镜阵列组成的透镜组。
5.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述组合包括相邻排列。
6.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述组合包括间隔排列。
7.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述组合包括交叉排列。
8.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述VCSEL阵列光源中多个VCSEL的排列图案为不规则图案。
9.如权利要求1所述的组合图案投影装置，其特征在于，所述图案化光束照射到平面上时所形成的投影图案密度均匀且具备高度不相关性。
10.一种深度相机，其特征在于，包括：
如权利要求1至9任一所述的组合图案投影装置，用于投影图案化光束；
采集模组，用于采集被所述图案化光束照射的目标图像；
处理器，将所述目标图像计算出目标深度图像。
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