本发明涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种规则阵列光源的结构光投影模组。
背景技术：
结构光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。
结构光深度相机中的核心部件是其投影模组，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散斑图案以实现结构光深度测量，这种散斑结构光深度相机也是目前较为成熟且广泛采用的方案。对于散斑而言，最大的特点就是其高度的不相关性，即需要产生随机散斑，在已有的结构光深度相机中普遍采用两种方案来实现散斑结构光的投射。一种是采用单光源(边发射激光器)加衍射光学元件(DOE)；另一种是采用多光源(VCSEL阵列)加DOE的组合。后一种由于光源本身具有功率高、体积小等特点将会逐步取代前一种方案。垂直腔面激光发射器(VCSEL)阵列芯片逐渐被应用在多个领域，比如泛光照明、结构光投影等。在结构光深度相机中，由VCSEL阵列芯片组成的投影模组是影响深度成像质量以及深度相机体积向微型化发展最为重要的因素。VCSEL阵列芯片上各个VCSEL子光源的排列方式至关重要，不规则排列被认为是产生结构光斑点图案的必要排列方式，然而不规则排列增加了VCSEL阵列芯片的设计以及生产难度和成本。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中为了实现结构光图案的不相关性而使阵列芯片不规则排列带来的设计以及生产难度和成本的问题，提供一种规则阵列光源的结构光投影模组。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种规则阵列光源的结构光投影模组，包括：光源阵列,包括以规则形式排列的至少两个子光源；透镜，用于准直或聚焦由所述子光源发射的光束；衍射光学元件，接收由所述透镜出射的子光源的光束后向外发射子斑点图案化光束，所述至少两个子光源形成的至少两个所述子斑点图案化光束组合排列成结构光斑点图案化光束；其中，所述至少两个所述子斑点图案化光束的组合排列形式与所述光源阵列中所述至少两个子光源的排列形式对应。
在本发明的一种实施例中，所述子斑点图案化光束中斑点的排列为不规则排列；所述子斑点图案是重叠或相互邻接的；所述子光源包括边发射激光器或垂直腔面激光发射器；所述光源阵列还包括衬底，所述至少两个子光源以规则形式排列在所述衬底上；沿第一方向上设置的相邻子光源在与所述第一方向垂直的第二方向上错位；相邻的所述子光源入射到所述衍射光学元件上的光束入射角之间的差值与所述衍射光学元件的衍射角度相等。
在本发明的一种实施例中，所述透镜是微透镜阵列，所述微透镜阵列中的微透镜单元与所述光源阵列中的子光源一一对应且所述微透镜单元的中心与所述子光源的中心不在一条水平线上。
本发明还提供一种深度相机，包括：如上任一所述的结构光投影模组，用于向空间中投射出结构光斑点图案；采集模组，用于采集目标空间中的所述结构光斑点图案；处理器，接收所述结构光图案并计算得到目标空间的深度图像；所述采集模组采用卷帘快门的方式采集所述结构光斑点图案，所述投影模组中的子光源被配置成与所述卷帘快门同步的方式依序开启与关闭。
本发明的有益效果为：提供一种规则阵列光源的结构光投影模组，其光源阵列中的子光源是规则排列，衍射光学元件对单个子光源的光束形成不规则图案即子斑点图案，所有子光源形成的子斑点图案构成结构光斑点图案，通过本发明的合理的设计即保证投影模组的投影效果又降低了成本。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的投影模组的侧视图。
图3是根据本发明一个实施例由VCSEL阵列组成的投影模组示意图。
图4是根据本发明一个实施例的光源阵列及结构光斑点图案示意图。
图5是根据本发明又一个实施例的光源阵列芯片示意图。
图6是根据本发明一个实施例的结构光斑点图案示意图。
其中，10-结构光深度相机，101-投影模组，102-采集模组，103-处理器，104-RGB相机，105-主板，106-输出接口，201-光源，202-透镜，203-衍射光学元件，204-斑点图案化光束，205-斑点图案化光束，206-斑点图案化光束，301-半导体衬底，302-垂直腔面激光发射器阵列，401-半导体衬底，402-子光源，403-子斑点图案，60-结构光斑点图案，601～609-子斑点图案。
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，其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。
本发明提出一种规则阵列光源的结构光投影模组。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发明的保护范围中。
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主要组成部件有投影模组101、采集模组102、主板105以及处理器103，在一些深度相机中还配备了RGB相机104等。投影模组101、采集模组102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(图中未标出)。一般地，处理器103被集成在主板105上，而投影模组101与采集模型102通过接口(图中未标出)与主板105连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。投影模组101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102采集到该结构光图案后通过处理器103计算从而得到目标空间的深度图像。处理器103还包含输出接口106，如USB接口、MIPI接口等，用于将红外图像、深度图像、RGB图像等输出到其他设备。
投影模组101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102与投影模组101往往一一对应，投影模组101的视场一般需要在测量范围内覆盖采集模组102的视场，另一方面，采集模组102往往需要设置与投影模组101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。
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102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。然后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结构光图案即散斑图案后，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。
图2是根据本发明一个实施例的投影模组的侧视图。该投影模组101包括由多个光源201组成的光源阵列、透镜202以及衍射光学元件(DOE)203。光源201发射出发散光束，透镜202接收发散光束后准直或聚焦后入射到衍射光学元件203，衍射光学元件203将入射光束分束后向空间发射斑点图案化光束，在一定距离的平面上将形成斑点图案。可以理解的是，这里的透镜202也可以包含衍射光学元件，即通过衍射光学元件实现准直或聚焦功能，透镜202与DOE203即可以分立的光学元件也可以被制作在同一个光学元件上，比如在透明基板的两个表面分别制作出透镜以及DOE。
图2中为清晰起见，仅以3个一维排列的光源201为例进行说明，实际上可以由其他数量的光源，光源的排列方式也可以是二维排列、三维排列。3个规则排列的光源201发出的光束经由透镜202以及DOE203后形成3个相应的子斑点图案化光束204、205以及206，各个子斑点图案化光束的排列方式与光源201的排列方式一致，子斑点图案化光束入射到平面上共同组成该投影模组101的结构光斑点图案。
光源可以包括由LED、激光等用于发射如红外、紫外等波长的光束，在一些实施例中，可以采用边发射激光器组成的阵列，用于发射红外光，如850nm或940nm波长的光束。随着器件小型化的趋势，在一些实施例中，光源可以采用由垂直腔面激光发射器(VCSEL)所组成的阵列，如图3所示，光源阵列包含半导体衬底301以及设置在半导体衬底上的VCSEL302所组成的阵列，由此可以减小光源的体积。在一些实施例中，半导体衬底301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。由于垂直腔面激光发射器拥有更小的发散角、波长随温度变化更稳定，并且VCSEL由于其是面发射特性，其体积更小，这些特性使得VCSEL阵列光源更有利于被应用在投影模组中。在一些实施例中，VCSEL阵列整体大小仅在微米量级，比如5mmX5mm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10μm。
图4是根据本发明一个实施例的光源阵列以及结构光斑点图案示意图。图4左边示例性给出一种光源阵列示意图，光源阵列包括半导体衬底401以及规则排列的子光源402，每一个子光源402经由透镜以及衍射光学元件后形成一个子斑点图案403，VCSEL阵列中由于子光源402是规则排列，子斑点图案403的排列方式与子光源402的排列方式一致，因此同样为规则排列。这里所说的一致可以是相同、镜像、对称等。在本实施例中，子光源402组成了3X3的规则阵列，其形成的结构光斑点图案同样包含了3X3个子斑点图案403，为了使得结构光斑点图案相对均匀，在本实施例中，相邻的子斑点图案403相互邻接，最终形成的结构光斑点图案几乎看不出有明显的间隙或重叠(图中四边形仅作示例性说明，实际的图案中并不包含)。为了达到这一目的，在光源排列以及DOE的设计时需要进行综合考虑。如图2所示，在一个实施例中，将相邻的子光源201发射的光束入射到DOE203上的入射角之间的差值α设置成与DOE203的衍射角度β近乎相等，由此可以实现相邻子光源所衍射的子斑点图案相互邻接以形成结构光斑点图案。图2中仅示例性地给出了光束的走向，实际上子光源发射的光束为发散光束，发散光束的中心线一般沿水平方向，即与DOE203的表面垂直，经由透镜202形成准直或近准直光束，其中心线往往也发生偏折，使得入射到DOE203上时有不同的入射角度，图中在光源发射的光束未进入透镜202之前即示意性地画出偏折仅用来示例。当然，也可以通过对光源201进行设置使得其发射的光束与水平轴形成一定的角度来实现，比如设置透镜单元为微透镜阵列，微透镜阵列由多个微透镜单元组成，微透镜单元的数量与光源阵列中子光源的数量相同且处于一一对应的关系，即在每个子光源对应的设置一个微透镜，当微透镜的中心与子光源的中心不在一条水平线上时，就可以达到偏折光束的目的。
可以理解的是，由如边发射激光器等光源组成的光源阵列也可以通过规则排列来实现结构光图案照明。
在一些实施例中，为了提高结构光斑点图案的密度，子斑点图案也可以通过重叠方式来实现，比如沿水平方向相邻的子斑点图案的相互重叠，重叠的区域为子斑点图案的一半，由此可以产生斑点排列密度相对均匀的重叠斑点图案。
为了获取具有不相关特性(随机性)的结构光斑点图案，子光源通过透镜以及DOE后形成的子斑点图案中斑点的排列具有随机性的不规则排列，即形成不相关子斑点图案，如图4中子斑点图案403所示。现有技术如专利申请CN201310051693.2中，子光源的排列为不规则排列，而DOE是将光源阵列以规则形式进行复制以形成结构光斑点图案，而在本发明中子光源是规则排列，单个光源通过DOE形成的不规则的子斑点图案，子斑点图案以与子光源排列一致的排列形式规则排列从而形成结构光斑点图案。
可以预见的是，在图4右边的结构光斑点图案中，单个子斑点图案具有不相关性，然而整体的结构光斑点图案不相关性仍较差，比如沿水平方向，在第一个子斑点图案403中选择任一个子区域(如7x7像素大小的子区域)，在沿水平方向的其他两个子斑点图案中均能找到与之一样的子区域，由此导致整体结构光斑点图案沿水平方向的不相关性较差。为了提高不相关性，在一个实施例中，将光源以一定的方式错位排列，如图5所示，为了提高沿水平方向的不相关性，将沿水平方向上设置的相邻子光源沿垂直方向进行错位，最终使得子斑点图案也发生相应的错位，使得整体的结构光图案沿水平方向具备较高的不相关性。
对于图4与图5的分析中，将子光源的排列与子斑点图案的排列默认为相同的排列，实际上子光源光束经透镜折射后向外发射的子斑点图案与实际的位置发射了映射，使得子光源的排列与子斑点图案的排列之间形成一一对应的映射关系，比如上下对称映射、左右对称映射、中心对称映射等。
由于透镜往往会带来像差，子斑点图案以及由子斑点图案构成的结构光斑点图案难以像图4与图5右边所示的规整形状，实际的形状会有所变形，结构光斑点图案60发生枕形失真形成如图6所示的形状，其中601-609为组成结构光斑点图案60的子斑点图案。
本发明主要是对DOE203进行改进：目前现有技术中DOE通过对不规则排列的光源的芯片的排列图案进行复制，形成图案中的每个块对应的是芯片排列的图案；本发明中，形成的图案中单个块对应的是单个光源通过DOE形成的不规则图案，即DOE对单个光束形成不规则图案，所有的单个光源形成的图案即为结构光图案。
当投影模组向空间中投射出结构光斑点图案后，采集模组会对该结构光斑点图案进行采集。采集模组主要由图像传感器、滤光片以及透镜组成，其中图像传感器可以是CCD或CMOS，采集模组采集图像数据时，一般为了节省缓存空间而采用卷帘快门的方式来采集图像，即一整幅图像是逐行进行曝光以及数据采集的，比如自上向下逐行采集数据。因此，在一个实施例中，为了节省投影模组的功耗，并非一次性打开所有的子光源来同时照亮整个被测空间区域，而是与采集模组获取数据的方式相同步，比如当采集模组对前n行数据进行采集时，在该段时间内打开与n行对应的子光源，其他子光源处于关闭状态。回到图6，假设子光源所投影的子斑点图案601、602、603对应图像传感器的头n行，那么在头n行进行曝光时仅打开与子斑点图案601、602、603对应的子光源，依次当图像传感器的其他行像素曝光时沿垂直方向依次打开相应的子光源。在一些实施例中，也可以沿水平方向逐列打开相应的子光源，其原理与上述说明类似。
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。