投影装置及其光源和设备的制作方法

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种投影装置及其光源和设备。

背景技术：

随着技术进步和人们生活水平提高，包括手机，平板电脑等在内的电子设备具有更多的新功能，例如：面部识别解锁，籍此获得更好的用户体验。为了实现上述功能，设备需要能够获取对象的二维或三维信息以实现对象特征识别。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可用于对象特征识别的投影装置及其光源和设备。

本发明的一个方面提供了一种投影装置，包括半导体基板；光源，所述光源包括多个设置在所述半导体基板上的用于发射光束的发光单元，所述多个发光单元形成的点阵集合可划分为多个点阵子集，至少一个点阵子集通过平移、对称、旋转中的一种或几种变换后和所述点阵集合的相关性系数大于或等于0.3，且至少一个点阵子集自身的相关性小于0.2；光学组件，用于将所述发光单元发射的光束复制成多个光束。

可选的，所述点阵子集对应的发光单元数量不小于9个，或者不小于全部发光单元数量的10％。

可选的，所述点阵子集之间相关性系数大于0.3且小于1。

可选的，所述多个发光单元共用一个衬底，或者所述多个发光单元设置在多个衬底上。

可选的，所述发光单元包括vcsel，或led，或ld中的一种或几种。

可选的，所述光学组件包括衍射光学元件和/或透镜，所述透镜为准直透镜。

可选的，所述投影装置还包括驱动电路，所述驱动电路提供所述发光单元所需工作电压。

本发明的一个方面还提供一种光源，所述光源包括多个设置在所述半导体基板上的用于发射光束的发光单元，所述多个发光单元形成的点阵集合可划分为多个点阵子集，至少一个点阵子集通过平移、对称、旋转中的一种或几种变换后和所述点阵集合的相关性系数大于或等于0.3，且至少一个点阵子集自身的相关性小于0.2。

本发明的一个方面还提供了一种设备，所述设备包括上述投影装置或光源，所述设备用于二维或三维的对象特征识别或图像绘制。

可选的，还包括处理器，所述处理器可以根据接收装置接收到的光束获取对象的二维信息和/或深度信息。

相较于现有技术，本发明投影装置及其光源和设备能够用于对象特征识别，具有较好的用户体验。

附图说明

图1是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图2是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图3是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图4是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图5是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图6是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图7是相关性系数的示意性说明的示意图；

图8是相关性系数的示意性说明的示意图；

图9是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图10是是图9的投影装置投影形成的斑点图案示意图；

图11是本发明设备的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明的一个方面公开一种投影装置，投影装置10包括光源20和光学组件30。所述光源20发射光束到所述光学组件30，所述光束经所述光学组件30优化处理后可照射到外部对象上，例如照射到人脸上。本实施例中，所述光束可以是红外光。本发明其他实施例中，所述光源20发射的光束可以是可见光，紫外光，电磁波，声波，超声波中的一种或多种。

一般地还有至少一个接收装置配合所述投影装置10，用于接收至少部分被外部对象反射的所述光束，从而获取外部对象的深度信息。

所述光源20包括多个发光单元21，所述多个发光单元21的排列分布又可称为发光单元21的阵列。所述发光单元21可以包括led(lightemittingdiode)，vcsel(verticalcavitysurfaceemittinglaser，垂直腔面发射激光器)或ld(laserdiode)中的一种或几种。

本发明的一些实施例中，所述投影装置10还包括基板22，所述多个发光单元21设置在所述基板22或所述基板22的衬底上。所述发光单元21呈具有一定相关性的二维图案分布在所述基板22或所述基板22的衬底上。所述光学组件30设置在所述基板22的垫层上，所述光学组件30正对所述光源20的多个发光单元21设置。本实施例中，所述基板22是半导体基板。本发明其他实施例中，所述基板22还可以是玻璃基板，金属基板等。所述多个发光单元21共用一个基板衬底，或者分布在不同衬底上。本发明的变更实施例中，所述投影装置10还包括驱动电路，所述驱动电路用于给所述发光单元21提供工作电压。

本实施例中，所述光学组件30包括衍射光学元件(doe,diffractionopticalelement)。本发明其他的实施例中，所述光学组件30还可以包括设置在衍射光学元件和光源20之间的透镜或透镜组。所述光学组件30可用于将所述发光单元21发射的光束进行分束处理，即将入射光束复制并扩展成多个光束。所述发光单元21发射的光束经所述光学组件30后复制成多个光束。将每个发光单元21看作点光源，其所发射光束被所述光学组件30复制成多个光斑，那么所述光学组件30可以将所述多个发光单元21具有的二维图案复制成由光斑组成的多个对应的图案。请参阅图2，本发明的一个变更实施例中，所述光学组件30包括衍射光学元件31和透镜32。所述透镜32可以是凸透镜或者凹透镜，可以用于汇聚或发散光束。所述衍射光学元件31用于将光源30发射的多个光束复制并投影。

将所述发光单元21的分布形成的二维图案称为点阵集合，其中部分发光单元21对应的二维图案称为点阵子集，点阵子集以外的发光单元21对应的二维图案为“所述点阵子集的补集”或补集。所述点阵集合通常包括两个或两个以上的点阵子集。将所述发光单元21发射的光束在空间某一个平面上形成的光斑称为“光点”，多个所述光点具有和其所对应的多个发光单元21分布形成的二维图案基本一致的二维图案。

本发明的所述实施例中，所述点阵集合的相关性较高，例如，所述点阵集合的相关性系数大于或等于0.3。所述点阵集合可划分为多个点阵子集，至少一个所述点阵子集的相关性较低，例如至少一个所述点阵子集的相关性系数小于0.2。需要说明的是，上述关于点阵子集的划分并不需要是唯一的，所述点阵集合可以有多种划分，从而可以得到不同的点阵子集。

本发明的另一些实施例中，所述至少一个相关性系数小于0.2的点阵子集中包括的发光单元21数量不小于所有发光单元21数量的10％。

本发明的另一些实施例中，所述至少一个相关性系数小于0.2的点阵子集中包括的发光单元21数量不小于9个。

为方便描述和清楚理解，通过建立二维平面坐标系，例如x轴-y轴的直角坐标系，可以使得所述多个发光单元21形成的一个二维图案(即：点阵集合或点阵子集)位于一个w列*h行(w，h为正整数)的区域r中。本实施例中，所述区域r为矩形阵列，其中每个矩形称为一个区块，所述每个区块对应0或1两种数值，其中具有所述发光单元21的区块对应数值为1，不具有所述发光单元21的区块对应数值为0。其中，第i列、第j行的区块的值为r(i，j)(1≤i，j≤n)。

对于区域r进行相关性计算，可以得到位于所述矩形阵列r中的发光单元21对应的二维图案的相关性系数f。

本实施例中，一个点阵集合或点阵子集的相关性系数f可采用下述公式计算：

p＝{r0，r1，…，rn}

r′n＝t(rn)

公式中h、w、n、n为正整数，0≤i≤w，0≤j≤h。

其中：

a：有效点数比例；

平均相关系数；

p：区域rn(0≤n≤n)的集合；

s：包括二维图案的全区域；

|·|：统计区域集合内有效点数(不重复)的运算符；

r0：满足预定条件的子区域；

rn：将r0对应的子区域在全区域s中遍历得到的与r0的相关性系数fn大于或等于预定阈值thr的子区域为rn(0<n≤n)，例如：当thr＝0.3时，fn≥0.3；

n：fn≥thr(例如0.3)的子区域个数；

r′n：rn经过t变换后的结果；

fn：rn和r0之间的相关性系数；

t：平移、旋转、镜像等变换运算符；

h：子区域rn(0≤n≤n)的行；

w：子区域rn(0≤n≤n)的列；

所述t变换可包括但不限于二维平面内的移位、旋转、镜像对称中的一种或几种变换。本实施例中，对子区域rn不做变换，即r′n＝rn，上述rn定义中的遍历，在这里可以理解为将r0对应的子区域在全区域中的任意方向上移动不小于发光单元21自身尺寸大小的距离。此外，因为子区域之间或存在重叠情形，故需要统计有效点数及其比例。上述公式中，r0为满足预设条件的子区域，r0遍历整个发光单元21对应的全区域s并计算所述子区域r0与整个全区域s除了r0以外的其他部分的相关系数，假设存在n个与r0之间的相关系数大于或等于预设相关性系数阈值的子区域，分别表示为r1，…，rn，则全区域s内与子区域r0之间的相关系数大于或等于预设相关系数阈值的所有子区域集合p＝{r0，r1，…，rn}，所述集合p中的子区域之间具有相关性。本实施例中，所述预设条件的相关性系数阈值为0.3。本发明其他实施例中，所述预设条件可以具有其他设置。

需要说明的是，本发明并不以此为限，上述参数、公式和定义均是示例性说明，选择部分或全部参数、公式或定义，或者这些参数、公式或定义的部分或全部的组合作为相关性系数计算方法，均属于本发明的范围。本领域技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，都属于本发明保护的范围。

本实施例中，r0满足的预定条件可以是，例如但不限于，区域内对应的发光单元21的个数占全部发光单元21的数量的10％以上。本发明另一些实施例中，r0满足的预定条件还可以是其区域内对应的发光单元21的个数不少于9个。本发明其他实施例中，r0满足的预定条件还可以具有不同设置，例如对应的发光单元21数量可以具有不同数值，或者发光单元21数量占全部发光单元21数量的比例也可以不同。

此外，本发明的一些实施例中，当区域s对应点阵集合时，子区域rn满足条件为内部对应发光元件数量不少于9个；当区域s对应点阵子集时，子区域rn满足条件为内部对应发光元件数量不少于3个。

本实施例中，rn为fn≥0.3对应的子区域，本发明其他或变更实施例中，rn还可以具有不同设置，例如对应fn≥0.5的子区域。

本实施例中，当0≤f＜0.3时，对应区域和/或子区域(点阵集合或点阵子集)相关性较低或不具有相关性。当f≥0.3时，对应区域和/或子区域具有明显的相关性。上述参数s，r0，rn等都是相对其所计算的对象而言的。例如，对于点阵集合来说，全区域s就是所有发光单元21形成的二维图案所在区域；对于点阵子集来说，全区域s就是所述点阵子集内的发光单元21对应的二维图案所在区域。

请参阅图3，本发明的一个实施例中，点阵集合位于8列x10行的区域s中，选取上部分8列x5行的矩阵为子区域r0，下部分8列x5行的矩阵为子区域r1，子区域r0和r1对应发光单元21个数均为13个。此时，按照上述公式，a＝1，r1’＝r1，f＝f1＝1，h＝5，w＝8，f＝f1＝约等于0.7，因此所述点阵集合相关性系数大于0.3，可以说所述区域s对应的点阵集合具有相关性，而所述子区域r0和r1对应的图案内部相关性系数小于0.2，r0和r1对应的点阵子集不具有相关性。

需要说明的是，本发明并不以此为限，本发明其他或变更实施例中，不一定采用上述举例的计算方法，或者上述计算方法中不一定采用矩形阵列作为区块的形成方式，例如区块可以为三角形，圆形，多边形或者不规则图形。上述公式还可以进行简化或复杂化。上述相关性描述中不同的矩形阵列可以包括两个不同的二维图案，也可以分别代表一个二维图案中的部分和全部。本领域技术人员应当理解，本发明上述实施例仅为示例性说明，凡是发光单元21形成的二维图案具有相关性的技术方案均属于本发明涵盖范围，为本发明说明书所公开且被本发明权利要求保护。

本发明其他或变更实施例中，相关性计算也可以采用其他公式或算法，或者设立其他坐标系，如：极坐标系。一般地，矩阵，正多边形网格，或者其在二维空间平移后的图案是具有较高相关性的。此外，可以理解的，将二维图案的进行多次复制后得到的二维图案的集合具有较高的相关性。

本发明另一实施例中，对于点阵集合或点阵子集的相关性可采用下述方法进行评价：

定义需要计算相关性的点阵集合或点阵子集对应区域为s；

定义一任意选取的满足预定条件的子区域为r0；其中，满足预定条件的子区域r0例如但不限于：所述子区域r0内包含的发光单元21数量占所述区域s内发光单元21数量总数的比例不小于10％，或者所述子区域r内包含的发光单元21数量不少于9个。

若沿任意方向上不存在与r0的图案相同或基本相同的子区域，则区域s的图案不具有相关性；

若沿任意方向上至少存在与r0的图案相同或基本相同的子区域，则区域s的图案具有相关性。

本发明另一实施例中，对于点阵集合或点阵子集的相关性可采用下述方法进行评价：

定义需要计算相关性的点阵集合或点阵子集对应区域为s；

定义满足预定条件的子区域为r0；其中，满足预定条件的子区域r0例如但不限于：所述子区域r0内包含的发光单元21数量不小于所述区域s内发光单元21全部数量的10％，或者所述子区域r0内包含的发光单元21数量不少于9个。

将所述子区域r0旋转一定角度后得到子区域r1；其中，r1可以通过r0在其对应二维图案所在平面内旋转得到。

若沿任意方向上不存在与r0或r1的图案相同或基本相同的子区域，则区域s的图案不具有相关性；

若沿任意方向上至少存在与r0或r1的图案相同或基本相同的子区域，则区域s的图案具有相关性。

所述图案相同或基本相同可以理解为将发光单元21的位置在图案中看作一个点，2个子区域的图案中的30％以上的点重合。本发明另一些实施例中，考虑到发光单元21本身具有一定大小，在2个子区域的图案进行比较时，以某一点为圆心、预定长度为半径的圆内的其他点被认为和该点重合。

本发明另一实施例中，对于点阵集合或点阵子集的相关性可采用下述方法进行评价：

定义需要计算相关性的点阵集合或点阵子集对应区域为s；

定义满足预定条件的子区域为r0；其中，满足预定条件的子区域r0例如但不限于：所述子区域r0内包含的发光单元21数量不小于所述区域s内发光单元21数量的10％，或者所述子区域r0内包含的发光单元21数量不少于9个。

将所述子区域r0镜像对称得到子区域r1；

若沿任意方向上不存在与r0或r1的图案相同或基本相同的子区域，则区域s的图案不具有相关性；

若沿任意方向上至少存在与r0或r1的图案相同或基本相同的子区域，则区域s的图案具有相关性。

本发明另一实施例中，对于两个点阵子集之间的相关性可采用下述方法进行评价：

定义需要计算相互相关性的两个点阵子集对应区域为r1和r2，且子区域r1的范围小于或等于子区域r2的范围；所述实施例中，子区域的范围的可以理解为直角坐标系中能够完全容纳所述子区域的最小矩形面积，本发明其他实施例中，子区域的范围还可根据需要具有不同的定义和理解，都属于本发明保护范围。

将r1在r2范围内任意方向进行遍历，若r2沿任意方向上不存在与r1的图案相同或基本相同的子子区域(子区域中的部分区域称为子子区域)，则子区域r1、r2的图案不具有相关性；

若r2沿任意方向上至少存在与r1的图案相同或基本相同的子子区域，则子区域r1、r2的图案具有相关性。

本发明的另一实施例中，所述发光单元21形成的二维图案对应的点阵集合可划分为多个点阵子集，其中至少一个点阵子集通过平移、对称、旋转中的一种或几种变换后和所述点阵集合的相关性系数大于或等于0.3，且至少一个点阵子集自身的相关性小于0.2。

通常但不是必须的，点阵子集及其对应的发光单元21所对应的区域在二维空间中满足开集和连通的条件，且为凸区域。在某些实施例中，所述区域有时也指代闭区域。若点阵子集中每一个点至少存在一个邻域全部包含于内，则称该点阵子集为开集。若点阵子集中任何两点，都可用完全属于该点阵子集的一条折线连接起来，则称该点阵子集是连通的。

需要说明的是，本发明或者其他技术资料中可能出现其他用于描述上述情形的词语，例如但不限于：散斑，或二维图案，或子二维图案，或结构光图案等，本领域技术人员应当理解为等同本发明的点阵集合或点阵子集。

为了便于描述和理解，当谈及某个二维图案的相关性时，如果其相关性较为明显，例如相关性系数大于或等于0.3，本发明说明书或权利要求书有时也称其具有相关性；如果其相关性较低，例如相关性系数小于0.2，本发明说明书或权利要求书有时也称其不具有相关性。应当理解的是，本发明说明书或权利要求书提及不具有相关性时并不一定代表所述二维图案或点阵子集相关性系数为0。

本发明说明书附图的图3至图8中，小圆圈代表发光单元21所在位置，外围方框代表半导体基板衬底，为了便于描述和理解，附图中出现了一些虚线或分隔线，这些线仅用于说明本发明实施例，并不一定实际存在。

请参阅图4，本发明的一个实施例中，所述多个发光单元21形成的二维图案的点阵集合可划分为6个相同或基本相同的点阵子集(如虚线所示的矩形)，所述点阵集合相关性系数大于或等于0.3，所述6个点阵子集相关性系数小于0.2。

请参阅图5，本发明的一个实施例中，所述多个发光单元21形成的二维图案的点阵集合可划分为4个点阵子集(如虚线划分的方格)，其中3个点阵子集具有基本相同的二维图案，另一点阵子集具有不相同的二维图案。所述点阵集合具有相关性，相关性系数大于0.3；所述点阵子集中的3个不具有相关性，相关性系数小于0.2。

请参阅图6，本发明的一个实施例中，所述多个发光单元21形成的二维图案的点阵集合可划分为4个点阵子集(如虚线划分的方格)，其中3个点阵子集具有基本相同的二维图案，另一点阵子集具有不相同的二维图案。所述点阵集合具有相关性，所述点阵子集中的1个不具有相关性。

请参阅图7，本发明的一个实施例中，所述多个发光单元21对应的点阵集合具有相关的子区域r0和r1，所述子区域r0和r1的图案基本相同，但是所述点阵集合的发光单元21数量共有113个，子区域r0和r1对应的发光单元21数量共有24个，有效点数比例为24/113＝0.21，相关性系数f＝af1＜0.3，因此该点阵集合相关性系数小于0.3。

可以理解的是，扩大子区域r0的大小可能增大有效点数比例a，但是相应的也降低了r0和r1的相关性系数f1，从而最终点阵集合的相关性系数f大小仍然小于0.3。请参阅图8，子区域r0和r1相较图7中对应具有更多的发光单元21，有效点数比例为40/113＝0.35，然而子区域r0和r1的相关性系数f1较小，导致整个点阵集合的相关性系数f小于0.3。

请参阅图9，本发明的一个实施例中，所述多个发光单元21形成的二维图案的点阵集合可划分为2个具有基本相同二维图案的点阵子集(如虚线划分的2x1方格)，所述点阵集合的相关性大于0.3，所述点阵子集的相关性小于0.2。其中，每个点阵子集对应60个发光单元21形成的不具有相关性的二维图案。

请参阅图10，是图9所示发光单元21的阵列所发射光束经光学组件30复制和投影后形成的散斑图案，其中每一个小圆圈代表一个光点。在所述实施例中，所述光学组件30包括衍射光学元件，所述衍射光学元件将所述发光单元21形成的阵列按照3x3矩阵进行复制，每个小矩阵方框和所述多个发光单元21形成的二维图案相对应。

所述斑点图案照射到外部对象上，并被接收装置接收后，图像处理器能够通过计算每个斑点的光束对应的局部位移并利用三角测量得到该斑点处对应的深度坐标，从而获取外部对象的深度信息。

本发明上述及其他变更实施例中，所述点阵子集可以具有矩阵或网格排列，也可以不按照矩阵或网格排列，例如可以是随机或伪随机分布。

本实施例中，所述多个发光单元21是集成半导体衬底上。所述光源包括vcsel阵列芯片，其可以是裸片，也可以是封装后的芯片。所述vcsel阵列芯片尺寸大小可以是3mm*3mm或者5mm*5mm，其包括发光单元12的数量可为几十到几百。上述数据仅为举例性说明，并非对本发明实施例的限定，所述发光单元21还可集成在玻璃基板上、金属基板上等等，所述vcsel阵列可以根据需要制造不同尺寸，所述发光单元21数量也可具有不同。本领域技术人员可以理解，在不必付出创造性劳动的对于上述技术方案的替换、改变等，均属于本发明保护范畴。

本发明的还公开了一种光源，所述光源包括多个设置在所述半导体基板上的用于发射光束的发光单元，且所述点阵集合可划分为多个点阵子集，至少一个点阵子集通过平移、对称、旋转中的一种或几种变换后和所述点阵集合的相关性系数大于或等于0.3，且至少一个点阵子集自身的相关性小于0.2。所述发光单元可以是发光元件，例如led，vcsel或ld。

本发明还公开一种设备，所述设备的一个实施例中包括上述本发明投影装置10或光源，所述设备例如但不限于手机，平板电脑，笔记本电脑，监控设备，车载设备，智能家居设备等具有3d对象识别功能的设备。

请参阅图11，本发明的一个实施例中，设备100包括投影装置101、接收装置102和收容所述投影装置101和接收装置102的主体103。所述投影装置101投影具有斑点图案的光束到外部对象上，外部对象反射的至少部分光束被所述接收装置102接收。所述投影装置101和投影装置10具有大致相同的结构。所述投影装置101包括多个发光单元，所述多个发光单元对应的二维图案具有相关性，且所述二维图案可划分为多个具有相关性的子二维图案，所述子二维图案对应不少于9个发光单元，至少一个所述子二维图案不具有相关性。所述投影装置101能够投影具有多个对应所述发光单元的二维图案的斑点图案的光束到外部对象上。

所述主体103还包括处理器，所述处理器可以根据接收装置102接收到的光束获取对象的二维信息和/或深度信息。例如，处理器能够通过计算每个斑点的光束对应的局部位移并利用三角测量得到该斑点处对应的深度坐标，从而获取对象的深度信息。

所述光束可以是红外光，紫外光或可见光。本实施例中以红外光为例，所述接收装置102包括红外传感器，所述投影装置101包括多个vcsel。所述主体还包括处理器，所述处理器可以根据接收到的红外光获取对象的深度信息。一些实施例中，所述主体103还包括显示屏和摄像头，所述显示屏可用于显示画面，所述摄像头可用于拍照或摄像。

本实施例中，所述设备100利用结构光获取对象的深度信息，进行对象的三维特征识别或三维图像绘制。本发明的另一些实施例中，所述设备100包括二个或者多个接收装置102，根据所述二个或多个接收装置102接收到的光束，所述设备100可以根据双目成像原理绘制对象的三维图像和获取对象的深度信息。

本发明的另一些实施例中，所述投影装置10和设备100还可以用作二维图像绘制或者二维对象特征识别。

相较于现有技术，本发明投影装置和设备能够获取对象深度信息，绘制对象三维图像，具有较好的用户体验。

本发明的描述中提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。需要说明的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。本发明说明书和权利要求书中关于“多个”的描述包括2个和2个以上的情形。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定设置，也可以是可拆卸设置，或一体地设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。权利要求书中所使用的术语不应理解为将发明限制于本说明书中所公开的特定实施例。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。