VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机

摘要

本发明公开了一种VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机，VCSEL阵列光源包括：衬底；以及在衬底上以阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述多个VCSEL光源形成的阵列排列包括中间区域以及密度小于中间区域的周边区域。通过采用不同密度分布的两个区域：中间区域以及密度小于中间区域的周边区域，利用该VCSEL阵列光源投影出的光束，可以为重叠图案投影仪提供光源硬件基础，进而可以有效解决因温度变化或制造误差所导致投射图案中产生缝隙从而降低深度图像质量的问题。

权利要求

1.一种图案投影仪，其特征在于，包括：

VCSEL阵列光源，用于发射出多个光束，所述VCSEL阵列光源包括衬底以及在衬底上以阵列形式排列的多个VCSEL光源，所述多个VCSEL光源形成的阵列排列包括中间区域以及密度小于中间区域的周边区域；

透镜，接收并汇聚所述多个光束后形成与所述VCSEL阵列光源中光源排列对应的子图案光束；

衍射光学元件，将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；

所述图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域；

其中，所述VCSEL阵列光源中的所述周边区域正好对应于所述子图案的部分重叠区域，以产生密度分布均匀的图案化光束。

2.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述周边区域包括4个角落区域以及4个除所述中间区域以及所述角落区域之外的侧边区域。

3.如权利要求2所述的图案投影仪，其特征在于，所述角落区域的密度为中间区域密度的1/4，所述侧边区域的密度为中间区域密度的1/2。

4.如权利要求2所述的图案投影仪，其特征在于，所述角落区域中呈对角线的光源的排列相互互补，以使得在重叠时各个光源对应的光束不发生叠加；所述侧边区域中呈对边的光源的排列相互互补，以使得在重叠时各个光源对应的光束之间不发生叠加。

5.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式： 其中m为衍射级数，Λ为所述衍射光学元件的周期，θm指波长为λ的光束入射到所述衍射光学元件上时产生的第m级衍射光束的衍射角，Δλ指由温度变化或制造误差造成的所述VCSEL阵列光源的波长变化。

6.如权利要求5所述的图案投影仪，其特征在于，所述部分重叠区域的大小与所述周边区域的大小相匹配；所述周边区域的宽度d满足公式：d≈fΔθ，其中f为透镜的焦距。

7.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述部分重叠区域不超过所述图案化光束区域的50％。

8.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述部分重叠区域不超过所述图案化光束区域的10％。

9.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求1-8任一所述的图案投影仪，用于向空间中投射结构光图案化光束；

采集模组，用于采集所述结构光图案；

处理器，接收所述结构光图案后计算出深度图像。

说明书

VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机

技术领域

[0001] 本发明涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机。

背景技术

[0002] 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。另外，微型化的深度相机与移动设备结合还可以实现人脸识别、解锁、支付等功能，给平板、手机等设备带来全新的生物识别体验。

[0003] 深度相机中的核心部件是激光图案投影仪，随着对体积以及功耗的不断追求，激光图案投影仪向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。一般地，激光图案投影仪由光源、衍射光学元件(DOE)等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列光源使得投影仪的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。DOE则可以将VCSEL阵列光源所发出的光进行分束以形成具备更多个光束的图案，比如专利申请CN201711080702.5中所描述的方案。

[0004] 然而，要想让投影仪投射出理想的图案化光束则面临着诸多问题。理想的图案化光束投射到平面上所形成的图案应具备较高的不相关度、均匀度以及视场角，然而这三者往往难以兼得，比如当不相关度高以及视场角较大时均匀度往往较差；更重要的是，当投影仪微型化之后，光源、光学元件等散热相对较差，在温度变化下投影仪投射的图案不稳定，由此也会导致图案的不相关度、均匀度、视场角等受到影响，从而会降低后续深度图像的计算精度。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提出一种VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机。

[0006] 本发明提供一种VCSEL阵列光源，包括：衬底；以及在衬底上以阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述多个VCSEL光源形成的阵列排列包括中间区域以及密度小于中间区域的周边区域。

[0007] 在一些实施例中，所述周边区域包括4个角落区域以及4个除所述中间区域以及所述角落区域之外的侧边区域。其中，所述角落区域的密度为中间区域密度的1/4，所述侧边区域的密度为中间区域密度的1/2。

[0008] 在一些实施例中，所述角落区域中呈对角线的光源的排列相互互补，以使得在重叠时各个光源对应的光束不发生叠加；所述侧边区域中呈对边的光源的排列相互互补，以使得在重叠时各个光源对应的光束之间不发生叠加。

[0009] 本发明还提供一种图案投影仪，包括：如上所述的VCSEL阵列光源，用于发射出多个光束；透镜，接收并汇聚所述多个光束后形成与所述VCSEL阵列光源中光源排列对应的子图案光束；衍射光学元件，将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；所述图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域。

[0010] 在一些实施例中，所述部分重叠区域与所述周边区域对应。其中，所述部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式： 其中m为衍射级数，Λ为所述DOE的周期，θm指波长为λ的光束入射到所述DOE上时产生的第m级衍射光束的衍射角，Δλ指由温度变化或制造误差等造成的所述VCSEL阵列光源的波长变化。

[0011] 在一些实施例中，所述部分重叠区域不超过所述图案化光束区域的50％。在另一些实施例中，所述部分重叠区域不超过所述述图案化光束区域的10％。

[0012] 本发明还提供一种深度相机，包括：如上所述的图案投影仪，用于向空间中投射结构光图案化光束；采集模组，用于采集所述结构光图案；处理器，接收所述结构光图案后计算出深度图像。

[0013] 本发明的有益效果：VCSEL阵列光源上光源的排列采用不同密度分布的两个区域：中间区域以及密度小于中间区域的周边区域，利用该VCSEL阵列光源投影出的光束，可以为重叠图案投影仪提供光源硬件基础，进而可以有效解决因温度变化或制造误差所导致投射图案中产生缝隙从而降低深度图像质量的问题。

附图说明

[0014] 图1为根据本发明一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。

[0015] 图2为根据本发明一个实施例的激光投影模组示意图。

[0016] 图3为根据本发明一个实施例的DOE对单光束入射时的分束示意图。

[0017] 图4为根据本发明一个实施例的VCSEL阵列光源的示意图。

[0018] 图5为根据本发明一个实施例的因温度变化导致所投影图案发生变化的示意图。

[0019] 图6为根据本发明一个实施例的投影图案示意图。

[0020] 图7为根据本发明一个实施例的VCSEL阵列光源分布示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0022] 图1所示的是根据本发明一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。结构光深度相机10主要组成部件有图案投影仪103、采集模组105、主板102以及处理器101，在一些深度相机中还配备了RGB相机104等。图案投影仪103、采集模组105以及RGB相机104一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106。一般地，处理器101被集成在主板102上，而图案投影仪103与采集模型105通过接口与主板
102连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。图案投影仪103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105采集到该结构光图案后通过处理器101计算从而得到目标空间的深度图像。

[0023] 图案投影仪103主要包含光源以及光学元件，光源可以包含如LED、激光等光源，用于发射可见光以及红外、紫外等不可见光。光学元件如透镜、衍射光学元件、反射镜等，用于对光源发出的光束进行调制，以向外投影出结构光图案光束。这里所说的结构光图案光束指的是该图案光束投射到空间平面上将形成该图案。采集模组105与图案投影仪103往往一一对应，图案投影仪103的视场一般需要在测量范围内覆盖采集模组105的视场，另一方面，采集模组105往往需要设置与图案投影仪103所发射光束波长相对应的滤光片，以便于让更多的结构光图案光束的光通过同时降低其他波长光束通过所带来的图像噪声。

[0024] 在一个实施例中，结构光图案为红外散斑图案(红外斑点图案)，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。

[0025] 基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机的主要组成部分也是图案投影仪与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其图案投影仪用于发射记时的光脉冲，采集模组采集到该光脉冲后就可以得到光在空间中的飞行时间，再利用处理器计算出对应的空间点的距离。

[0026] 图2是图1中图案投影仪103的一种实施例。该图案投影仪103包括底座(包括主底座201、次底座202以及电路板203)、光源芯片204、镜座206、透镜207以及衍射光学元件(DOE)208。光源芯片204发出的光束经透镜207准直或聚焦后由DOE208向空间中发射，一般地，透镜207位于光源芯片204以及DOE208之间，透镜207与光源芯片204之间的距离等于或近似等于透镜207的焦距。在其它实施例中透镜207与DOE208也可以整合成一个光学元件，比如形成在一块透明基底的两个表面上。在一些实施例中，还可以设置热敏电阻205来对光源芯片204周围的温度进行测量，任何合适的热敏电阻均可以应用在模组中，比如NTC、PTC等。

[0027] 光源芯片204可以是半导体LED、半导体激光等，优选地采用垂直腔面激光发射器(VCSEL)阵列作为光源，由于VCSEL拥有体积小、光源发射角小、稳定性好等特点，同时可以在面积1mmx1mm的半导体衬底上布置成百上千个VCSEL光源，由此构成的VCSEL阵列光源芯片不仅体积小、功耗低，同时更加有利于生成结构光斑点图案化光束。

[0028] 图4所示的是VCSEL阵列光源的示意图。VCSEL阵列光源由衬底401、多个VCSEL光源402以及控制组件(图中未示出)组成。多个VCSEL光源402在衬底上以阵列形式排列，并在控制组件的控制下发光。对VCSEL光源的控制可以有不同的模式，比如可以将所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭，或者，芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。在一些实施例中，采用第一种模式，即芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭。
在另一些实施例中，可以采用第二种模式，即芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。

[0029] VCSEL402的形式及排列按照具体的应用需求可以有多种，比如均匀规则阵列排列或者以随机的不相关图案进行不规则排列。单个VCSEL的形状、面积、波长等属性也可以不相同。在一些实施例中，多个VCSEL402均匀规则地排列在半导体衬底401上以形成规则阵列光源。在另一些实施例中，多个VCSEL402以不相关图案不规则排列在半导体衬底401上以形成不规则阵列光源，如图4所示。

[0030] VCSEL阵列光源204发射出具有一定发散角的多光束，多光束入射透镜207后形成与VCSEL阵列排列图案相对应的子图案光束，子图案光束随后入射到DOE208后被扩展多倍后形成具有更大视场角的图案化光束。透镜207可以是透镜组、微透镜阵列的一种或组合，其将VCSEL阵列光源204所发出的多光束汇聚后向外发射，在远场将形成与VCSEL阵列排列图案相对应的子图案，这里的对应包括相同、镜像、中心对称、旋转等方式。DOE208接收来自透镜的光束阵列，并对光束阵列中的每个光束实施相同的分束方式。图3所示的是DOE对单光束入射时的分束示意图。单光束301入射至DOE302后被分束成一维上的5级衍射光束(3、1、0、-1、-3)，这里仅以1-5为例进行说明，实际上可以分束成其他数量的衍射级，另外衍射级也可以是二维分布。若DOE302中周期性排列的子单元周期为Λ，入射光束波长为λ，则第m级衍射光束的衍射角根据光栅方程表示如下：

[0031]

[0032] 当入射光束为子图案光束时，DOE302将复制出多个子图案以形成最终的图案化光束，在一个实施例中，通过对DOE的设计使得多个子图案以相邻排列的方式形成最终的图案化光束，如图5的左图所示，图案化光束入射到平面上形成的图案50由9个子图案51组成，各个子图案51由不同光源的相同衍射级的光束组成。图中显示的是考虑了透镜等畸变后图案50所呈现的形式。DOE302对入射的每个单光束进行了9倍分束。

[0033] 在实际使用过程中，当温度发生变化时，VCSEL光源的波长会发生变化，一般地温度越高时波长则越大；另外，由于制造的一致性问题，对于批量生产的VCSEL光源而言，其波长也会所差异，而设计DOE时往往根据某一波长进行设计。因此若根据某一波长设计出能够投射出如图5的左图所示图案的DOE时，实际使用时可能会出现图案与设计有差异的情形。

[0034] 根据公式(1)可得：

[0035] 进一步可得：

[0036] 当波长由λ变为λ′时，第m级衍射光束的衍射角将由θm变为θ′m，用Δλ、Δθ分别表示波长与衍射角的变化。

[0037] 当波长变化较小时，即Δλ较小时，dλ-Δλ，dθm～Δθm，将公式(3)变换可得：

[0038] 上式给出了波长变化所引起的衍射角变化，如图3所示，当温度升高或制造误差使得波长较设计波长高等情况存在时，光源波长增加，最终导致各个衍射级相对设计时的角度发生了角偏移，偏移后的光束如图3中虚线所示。对于VCSEL阵列光源，最终投射出的图案化光束所形成的图案将如图5的右图所示。可以看出，由于温度变化最终导致图案投影仪所投射的图案中产生了多条缝隙，基于该图案在计算深度图像时，深度图像中相应的位置也会出现孔洞，严重降低了深度图像的质量。

[0039] 图6是根据本发明一个实施例的投影图案示意图。图案60包括由9个子图案601～609组合而成，各个子图案均与VCSEL阵列光源中VCSEL光源的排列图案对应。相邻的两个子图案之间有部分重叠，比如子图案601与606之间的重叠区域为611，子图像601、602、605、
606之间的重叠区域为610。这里的部分重叠的目的是为了避免波长变化导致实际投影图案如图5的右图所示的情形出现。重叠区域的大小可以根据波长变化来进行设置，比如若设计DOE时依据的是波长λ，假定波长变化最大为Δλ，则重叠区域对应的夹角即如公式(4)所示的Δθ。

[0040] 一般地，重叠区域相对于各个子图案的区域较小，比如不超过子图案区域的1/10，以避免当重叠区域过大时影响整体投影图案的密度分布。理论上，重叠区域不超过子图案区域的50％。

[0041] 可以理解的是，图6所示的投影图案中，重叠区域如610、611中的图案密度分布要大于未重叠区域，若VCSEL阵列光源的排列图案密度均匀分布，则重叠区域610与611的密度分别约为未重叠区域的2倍、4倍。当重叠区域的面积相对整体投影图案区域面积较小时，重叠区域密度的增加并不会对整体投影图案密度分布造成较大的影响，然而在一些实施例中，重叠区域的面积相对较大，由此会导致重叠区域的密度分布较大，另外在重叠区域也容易出现多个光束重叠使得光斑亮度过大的情形。

[0042] 图7是根据本发明一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。VCSEL阵列光源由衬底701以及多个VCSEL光源702组成。VCSEL光源702的排列密度为不均匀排列，其周边区域的排列密度低于中间区域，图中用虚线示意性地将VCSEL阵列光源分成多个区域。优选地，其中中间区域703的密度最高，周边区域分为两种，一种是四个角落区域705，其密度为中间区域703的1/4；另一种是除四个角落区域以及中间区域之外的四个侧边区域704，其密度为中间区域703的1/2。

[0043] 当用图7所示的VCSEL阵列光源作为图案投影仪的光源时，同时将图案投影仪的DOE设计成可以形成如图6所示图案的形式，当VCSEL阵列光源中的周边区域正好对应于图案中子图案的部分重叠区域时，则可以产生密度分布均匀的图案化光束。具体地，图7所示的VCSEL阵列光源发射出多光束后经透镜汇聚，产生与图7中VCSEL阵列排列对应的子图案光束，此时的子图案光束同样具有中间区域宽度大、周边区域密度小的特点，子图案光束再由DOE衍射扩展后形成由多个子图案组合成的图案化光束，其中相邻的子图案之间有部分重叠，且部分重叠的区域正好为密度小的周边区域。于是，图案60中重叠区域611正好由两个密度为非重叠区域1/2的侧边区域组成，重叠区域610正好由4个密度为非重叠区域1/4的角落区域组成，从而使得重叠区域610与611的密度与非重叠区域的密度相同。由此就可以投影出部分重叠且密度分布均匀的图案化光束。

[0044] 在一个实施例中，为了实现将VCSEL阵列光源中的侧边区域、角落区域的大小正好可以对应投影图案中的重叠区域，当重叠区域对应的夹角Δθ确定后，若透镜的焦距为f，则在设计时VCSEL阵列光源中侧边区域的宽度d则可以设置成：

[0045]

[0046] 从另一个角度说，当已知波长变化大小Δλ、透镜焦距f以及VCSEL阵列光源的各个区域大小后，可以基于公式(1)、(4)、(5)设计出合理的DOE以达到投影出部分重叠且密度分布均匀的图案化光束。

[0047] 结合图6及图7可知，图6中相邻子图案之间的重叠区域可以看成是由VCSEL阵列光源中周边区域之间的重叠，比如重叠区域611是由VCSEL阵列光源中相对的两个侧边区域(上下相对或左右相对)所对应的子图案区域重叠而成，重叠区域610则是由VCSEL阵列光源中四个角落区域所对应的子图案区域重叠而成。在重叠区域中需要尽可能避免两个光束落到同一点上造成亮度过高的现象出现，两个光束的叠加同样也会影响密度分布，为此可以将VCSEL阵列光源中相对的4个侧边区域以及4个角落区域中光源的排列设置成互补的形式，即上下侧边区域互补、左右侧边区域互补以及4个角落区域互补，互补的意思是当互补的区域重叠时，光源对应的光点可以相互错开以至于不会出现叠加。

[0048] 本发明提供了一种图案投影仪，用于投射出由多个子图案组成的图案化光束，通过子图案之间的部分重叠以使得投影仪适应温度变化以及制造误差，确保在不同情形下所投影的图案化光束均能产生质量较高的图案。另外针对这一方案还提供了一种VCSEL阵列光源，其中中间光源的排列密度大于周边光源的排列密度，由此可以使得即使子图案有部分重叠也可以使得重叠区域的密度与非重叠区域的密度近乎相同。

[0049] 以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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发明的保护范围。