VCSEL阵列光源及其投影仪、深度相机的制作方法

本实用新型涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种VCSEL阵列光源及其投影仪、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甚至取代传统的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模组，按照深度相机所投影图案种类的不同，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。随着深度相机应用领域的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。

采用VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列光源的深度相机因为具有体积小、功率大、光束集中等优点将会取代边发射激光发射器光源，VCSEL阵列光源的特点是在一个极其小的基底上通过布置多个VCSEL光源的方式来进行激光投影。对于结构光深度相机而言，其激光投影模组向外投射的斑点图案要求具有极高的不相关性，这一要求增加了VCSEL阵列上光源排列的设计难度。另一方面与VCSEL阵列光源配套的光学元件，比如衍射光学元件，其对VCSEL阵列光源发射出的光束的调制功能将直接决定了最终形成的结构光图案质量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出一种制造简便、不相关度高且满足各种不同结构光图案投影需求的VCSEL阵列光源、投影仪及深度相机。

本实用新型提供一种VCSEL阵列光源，包括：半导体衬底；多个VCSEL子光源以二维图案的形式排列在所述半导体衬底上的至少一个主光源区域以及至少一个次光源区域内；控制器，与所述多个VCSEL子光源相连，所述主光源区域内和所述次光源区域内的VCSEL子光源被分组控制；所述二维图案包括多个子图案，至少两个所述子图案之间满足变换关系。

在一些实施例中，所述子图案包括所述主光源区域内的部分VCSEL子光源和所述次光源区域内的部分VCSEL子光源。

在一些实施例中，所述主光源区域内VCSEL子光源的数量大于所述次光源区域内VCSEL子光源的数量。优选地，所述主光源区域内VCSEL子光源的数量与所述次光源区域内VCSEL子光源的数量位于不同的数量级上。

在一些实施例中，所述主光源区域内VCSEL子光源的排列密度大于所述次光源区域内VCSEL子光源的排列密度。

在一些实施例中，所述次光源区域内VCSEL子光源排列与所述主光源区域内的至少部分VCSEL子光源排列相互互补。

其中，所述变换包含复制、平移、旋转、缩放、映射变换方式中的一种或多种。

本实用新型还提供一种投影仪，包括：如上所述的VCSEL阵列光源；图案生成器，用于接收所述VCSEL阵列光源发射的光束，并向外发射出结构光图案光束。

在一些实施例中，所述结构光图案由多个子结构光图案相互邻接形成；当仅有所述主光源区域内的VCSEL子光源处于打开状态时，所述子结构光图案与所述主光源区域内的VCSEL子光源排列对应；当所述主光源区域以及所述次光源区域内的VCSEL子光源同时处于打开状态时，所述子结构光图案与所述主光源区域内的VCSEL子光源排列和所述次光源区域内的VCSEL子光源排列叠加后的排列对应。

在一些实施例中，所述次光源区域内的VCSEL子光源被分别独立控制，在所述投影仪单次投影时，在随机状态下，所述次光源区域内的部分VCSEL子光源处于打开状态。

本实用新型还提供一种深度相机，包括：如上所述的投影仪，用于向空间中发射结构光图案光束；采集模组，用于采集所述结构光图案光束照射在目标物体上所形成的结构光图案；处理器，用于接收所述结构光图案并计算出所述目标物体的深度图像。

本实用新型的有益效果：多个VCSEL子光源以二维图案形式排列的主光源区域和次光源区域，通过分组控制的方式，可以投影出不同形式的光束，以满足不同结构光图案的需求；同时，二维图案通过多个子图案以变换的方式产生，以简单变换的制造方式来获取具有极高不相关度的光源，为投射出具有极高不相关性的斑点图案提供硬件基础。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的深度相机侧面示意图。

图2为本实用新型一个实施例的投影仪示意图。

图3为本实用新型一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。

图4为本实用新型一个实施例的仅控制主光源区域内子光源发光所形成的结构光图案示意图。

图5为本实用新型一个实施例的同步控制主、次区光源区域内子光源发光所形成的结构光图案示意图。

图6为本实用新型另一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。

图7为本实用新型又一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。

图8为本实用新型再一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。

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VCSEL阵列光源以及基于该光源的投影仪，投影仪可以向外投射出光学图案，比如结构光散斑图案，同时基于投影仪提出了对应的3D成像设备，这里的3D成像设备又叫深度相机，深度相机所拍摄到的物体的图像中每个像素上的值代表的是空间中对应的点距离深度相机的之间的深度值。在后面的说明中将对VCSEL阵列光源、投影仪、深度相机为例进行说明，但并不意味着这种VCSEL阵列光源仅能应用在投影仪中，或者这种投影仪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本实用新型中的技术方案都应被包含在本实用新型的保护范围内。

图1所示的是根据本实用新型一个实施例的深度相机侧面示意图。深度相机10主要组成部件有投影仪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。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。投影仪103用于向目标空间中投射经编码的结构光图案光束，采集模组105采集照射在目标物体上所形成的结构光图案后，由处理器101根据三角法原理计算出目标物体的深度图像。

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与投影仪103往往一一对应，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。

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。

基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机的主要组成部分也是投影仪与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其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。

图2是图1中投影仪103的一种实施例。该投影仪103包括底座(比如包括主底座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，用于汇聚光源芯片发出的光束。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。其中透镜207在一些实施例中也可以不需要，比如对于一些毫米量级距离的近距离投影，可以直接利用DOE对光源芯片发出的光束进行衍射调制。

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子光源，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。

透镜207除了用单个透镜之外，在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光源芯片204中的每个子光源对应，也可以一个微透镜单元与多个子光源对应等；在另一实施例中也可以采用透镜组来实现光束汇聚。

DOE208用于接收通过透镜207的光束并向外发射出能形成结构光图案的结构光图案光束，在一种实施例中，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结构光图像的光学元件，比如MLA、光栅或者多种光学元件的组合。

图3至图8是根据本实用新型的实施例的VCSEL阵列光源以及结构光图案的示意图。图中圆圈或黑点表示光源所在的位置，并不用来表示光源的实际形状及大小，双线条方框代表的是基底的轮廓。为了便于对本实用新型概念的阐述，在图中还增加了一些虚线示意性地表示分隔或辅助线，这些虚线仅用于说明，并不一定真实存在于VCSEL阵列中。

图3是根据本实用新型一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。VCSEL阵列光源包括半导体衬底301、多个VCSEL子光源302以及控制器(未示出)，多个VCSEL子光源302以二维图案形式排列在衬底301上，一般地，是以不规则二维图案的形式排列。控制器用于控制VCSEL子光源的发光，比如控制器为导体电极，用于给VCSEL子光源提供电力以驱动其发光。每个VCSEL子光源都可以配置独立的控制器，也可以为多个VCSEL子光源配置一个控制器，以使得多个VCSEL子光源能同步发光。图3所示的实施例中，VCSEL子光源被分成了两组，在图中用虚线示意性隔开(也可以相互交叉)，用圆圈表示的VCSEL子光源形成在区域303中，用黑点表示的VCSEL子光源形成在区域304中，其中区域303为主光源区域，其有较多的子光源组成，区域304为次光源区域，其有较少的子光源组成。主光源区域内的子光源数量要远高于次光源区域内的子光源数量，比如处于不同的数量级上。在一些实施例中，数量之比超过10：1，比如主光源区域中含有超过300个子光源，而次光源区域中的子光源数量不超过30个。

在一个实施例中，主光源区域内子光源的排列密度要大于次光源区域内的子光源排列密度。比如主光源区域内子光源的排列密度为次光源区域内子光源排列密度的2倍或者其他倍数，以使得当两个区域排列叠加后所形成的叠加排列的密度与主光源区域内的排列密度相近，即重叠基本不会改变主光源区域内的排列密度。

在一些实施例中，主光源区域与次光源区域由两个不同的控制器控制，可以独立打开主光源区域内的子光源或者次光源区域内的子光源，也可以同步打开两个区域内所有的子光源。

图4所示的是仅控制主光源区域内子光源发光所形成的结构光图案示意图；图5所示的是同步控制主、次区光源区域内子光源发光所形成的结构光图案示意图。在图4所示的实施例中，DOE将阵列光源所发出的光束进行了分束，以复制出多个由不同衍射级光束形成的子结构光图案401，多个子结构光图案相互邻接以组合成结构光图案。图4中仅示意性地给出了2x3＝6倍的复制情形，并且忽略了由透镜等引起的图案畸变，比如枕形畸变等。每个子结构光图案401由与主光源区域内的子光源对应的光束形成的光斑402形成，光斑402的排列形式与光源阵列中主光源区域内子光源的排列对应，这里的对应可以是相同也可以是中心对称等，这主要取决于透镜的构造。图4对应的结构光图案是由光源阵列中仅打开主光源区域中的子光源时所形成的，因此子结构光图案中光斑排列与主光源区域内的子光源排列对应。

当同步打开主、次光源区域内的子光源时，其形成的结构光图案由图5示意性给出。次光源区域内的子光源发出的光束经DOE复制后形成与其排列形式对应的光斑图案，比如图5中由光斑501所形成的光斑图案。由于子结构光图案的区域大小与主光源区域对应，因此次光源区域内的子光源对应的光束所形成的光斑会落入到相邻的子结构光图案中，并与其中的其他光斑相互交错叠加。在一个实施例中，为了使得两种排列在叠加时内部的光斑之间不相互重叠，在设计时就需要考虑主光源区域与次光源区域内光源的排列，比如在图3所示的VCSEL光源阵列中，次光源区域内的子光源排列应该与主光源区域内左侧的子光源排列互补，互补的意思即当两个区域中的排列叠加时，其中的光斑尽可能不发生重叠，而是相互错开。

图3～图5所示的是根据本实用新型一些实施例的投影仪的VCSEL阵列光源示意以及所发射的结构光图案示意。该投影仪除了具备与传统投影相同的结构光投影的功能外(如图4所示)，还可以实现其特有的功能，通过设置由数量较小的次光源区域，在投影时则可以选择性地投影出如图5所示的结构光图案，其中由次光源区域中子光源所形成的斑点图案至少可以实现以下传统投影仪无法实现的功能：由于次光源区域中的子光源是独立控制的，因此这些斑点图案中的斑点可以进行直接识别与定位，若仅这些斑点及周围进行深度计算，可以以更高的效率以及资源消耗初步获取一幅粗略的深度图像；或者，可以通过识别这些斑点与其周边斑点的相对位置分布，对结构光图案是否发生变形以及变形量进行计算，这里的变形指的是由温度或者机械形变等引起的采集相机所采集到的结构光图案与预设的结构光图案之间的变化，这种变形会直接影响到深度图像生成的质量与精度；又或者在一些实施例中，次光源区域中子光源由多个控制器进行控制，在进行结构光投影时，随机选取其中的某个或几个子光源进行投影，可以形成随机的、唯一的结构光图像或结构光图像序列，通过这种随机生成的结构光图像对深度相机系统进行加密，比如投影仪与处理器芯片之间传输的加密等，以提高系统的安全性。

图6是根据本实用新型另一个实施例的VCSEL阵列光源的示意图。与图3相比，其含有两个次光源区域601与602，两个次光源区域和主光源区域603中的子光源被不同的控制器控制。在一个实施例中，包含该VCSEL阵列光源的投影仪中，DOE的功能与图4类似，即仅当主光源区域中子光源打开时，DOE将主光源区域中子光源所发出的光束进行复制，以形成多个由与主光源区域中子光源排列对应的子结构光图案，多个子结构光图案相互邻接以形成结构光图案；当同时打开一个或两个次光源区域中的子光源时，其所形成的斑点图案将嵌入在子结构光图案中。可以理解的是，在一些实施例中，次光源区域也可以有更多个，比如3个或4个；次光源区域的位置也可以进行配置，比如设置在主光源区域的上、下、左、右，或者设置在主光源区域的中间。

在一些实施例中，主光源区域也可以有多个，比如图7所示的是根据本实用新型又一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。其包含两个次光源区域701与702，以及两个主光源区域703与704，每个区域均被独立的控制器控制发光。可以理解的是，图7中仅以两个主光源区域以作示意，实际上，其也可以包括两个以上的主光源区域。由其组成的投影仪所发射出的结构光图案中，子结构光图案可以是其中一个主光源区域中子光源所形成的，也可以是多个主光源区域(非全部主光源区域)中的子光源所形成的，多个子结构光图案相互邻接以形成结构光图案。在一个实施例中，当主光源区域703中的子光源打开时，与该区域对应的多个子结构光图案共同组成稀疏结构光图案；当主光源区域703与704同时打开时，将形成密集结构光图案，该密集结构光图案中的每个子结构光图案是由主光源区域703与主光源区域704中的子光源共同形成的，因此一般地，主光源区域703与主光源区域704中的子光源排列相互互补，当不同的主光源区域面积大致相同时，其中的子光源排列应完成相互互补，当主光源区域的面积不同时，其中的子光源排列应至少部分相互互补。可以理解的是，次光源区域中子光源排列也应该与主光源区域中的至少部分排列相互互补。

当主光源区域或次光源区域的数量增多或者其中的子光源数量增多时，设计出合理的VCSEL阵列光源排列图案将会越来越困难。VCSEL阵列光源的排列图案将直接决定了最终结构光图案的样式，一般地，要求结构光图案尽可能密度均匀且保证较高的随机性，以使得基于该结构光图案的匹配计算具备较高的稳定性和精度。因此在设计VCSEL阵列光源排列图案时，需要考虑光源数量、分布、能流密度等多种因素。

图8是根据本实用新型再一个实施例的VCSEL阵列光源示意图。与图6所示实施例类似，包含由圆圈组成的主光源区域以及由黑点组成的次光源区域(图6中没有用虚线进行分隔示意)。在对本实施例中VCSEL阵列光源的排列进行设计时，即对排列的二维图案进行设计时，首先设计出部分光源排列对应的子图案，比如图中用虚线分隔出的4个区域，首先设计出801区域中的子光源分布子图案，其次将该区域中的子光源分布子图案进行镜像以形成802区域中的子光源分布，再将801区域与802区域镜像以形成804区域以及803区域中的子光源分布，即整个VCSEL阵列光源中的子光源分布是由一个子区域中的子光源分布(子图案)通过镜像的方式产生多个子区域的子光源分布，最终形成整体的VCSEL阵列光源分布(整体二维图案)。可以理解的是，在一些实施例中，也可以通过复制、平移、旋转、缩放、映射等变换方式形成VCSEL阵列光源分布。在一些实施例中，也可以通过对多个子区域的变换来形成最终的VCSEL阵列光源。

从图8中可以看出，设计阶段的子区域中的子光源并非形成一个主光源区域或次光源区域，即设计阶段的子区域中的子光源并非一定由单个控制器控制。图8中，四个子区域中的圆圈共同组成主光源区域中的子光源，由一个控制器控制其发光；子区域801与804可以组成一个次光源区域，由一个控制器控制其发光；子区域802与子区域803可以组成一个次光源区域，由一个控制器控制其发光。

可以理解的是，以上所述的设计方法所产生的技术效果，不排除有其他设计方法来达到与利用子区域进行变换同等的效果，即产生与变换具有相同特征的图案，可以理解的是，其他任何设计方法所达到与变换同等效果的VCSEL阵列光源也属于本实用新型的保护范围内。这里所说的图案的特征或效果指的是，最终形成的VCSEL阵列光源的排列二维图案包含了多个子图案，至少有两个子图案之间满足以上所述的变换关系中的至少一种。

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。