VCSEL阵列光源、激光投影装置及3D成像设备的制作方法

本实用新型涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种由多个子阵列形成的 VCSEL阵列。

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，比如在 2mmx2mm的半导体衬底上布置100甚至更多个VCSEL光源。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。

技术实现要素：

为了解决用于3D成像的VCSEL光源的不相关性低的问题，本实用新型提出一种VCSEL阵列光源。

本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决：本实用新型的解决方案包括VCSEL阵列光源、激光投影装置及3D成像设备。

本实用新型提出的VCSEL阵列光源，包括：半导体衬底；多个VCSEL光源以二维阵列的形式排列在所述半导体衬底上；所述二维阵列包括多个子阵列，所述子阵列相互之间至少存在平移、旋转、镜像、缩放关系中的一种或多种。其中，所述子阵列分布在规则区域和/或不规则区域内，所述规则区域又包括多边形区域或圆形区域。构成二维阵列的相邻的两个子阵列之间会有：部分相互重叠、存在无VCSEL光源的间隔区域、边缘重合的一种或多种情况。在具体实施方式中，所述子阵列中所述VCSEL光源的排布方式为不规则排布。另外，所述半导体衬底由多个子衬底组成，所述子衬底上相应的排列了所述VCSEL光源的所述子阵列。

类似的，还包括一种VCSEL阵列光源，其中包括：半导体衬底；多个VCSEL 光源以二维阵列的形式排列在所述半导体衬底上；所述二维阵列包括多个子阵列，所述子阵列的大小、分布形状、光源数量中的至少一个方面不同。

同时，本实用新型所提出的激光投影装置，包括：

上述任一所述的VCSEL阵列光源；

至少一个透镜，用于接收且汇聚由所述激光阵列发射的光束；

斑点图案生成器，用于将所述光束进行扩束后向空间中发射斑点图案光束；

所述透镜为单个透镜、微透镜阵列中的一种或组合；

所述斑点图案生成器为微透镜阵列、DOE、光栅中的一种或多种组合。

另外，本实用新型所提出的3D成像设备，包括：

上述激光投影装置，用于向空间中发射结构光图案光束；

图像采集装置，用于采集由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像；

处理器，接收所述结构光图像并根据三角法原理计算出所述目标物体的深度图像。其中：

所述三角法原理指的是利用匹配算法计算所述结构光图像与参考图像之间的偏离值，根据所述偏离值计算出所述深度图像。

本实用新型与现有技术对比的有益效果包括：多个VCSEL光源以二维阵列的形式排列在所述半导体衬底上，其中，所述二维阵列包括多个子阵列，所述子阵列相互之间至少存在平移、旋转、镜像、缩放关系中的一种或多种，由所述子阵列构成的二维阵列的排布方式沿任一方向上的子区域均具有不相关性，二维阵列对应的是VCSEL光源的分布情况，从而分布在半导体衬底表面的VCSEL光源具有极高的不相关性。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中的结构光深度相机系统的侧视图。

图2是是本实用新型具体实施方式中的激光投影装置的侧视图。

图3是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图4是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图5是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图6是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图7是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图8是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

图9是本实用新型的一种实施例的VCSEL阵列的示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提出一种由多个子阵列形成的VCSEL阵列，该VCSEL阵列可以用作3D成像设备中的激光投影装置的光源，同时基于这一激光阵列提出了对应的激光投影装置以及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激光阵列、激光投影装置以及深度相机为例进行说明，但并不意味着这种激光阵列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所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机(3D成像设备) 101主要组成部件有激光投影模组(相当于激光投影装置)104、采集模组(相当于图像采集装置)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。激光投影模组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，而激光投影模组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。主板可以是包含电路的电路板，也可以是半导体基板，又或者可以是用于支撑及散热的支架等等。其中，激光投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组采集到该结构光图像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，结构光图像为红外激光散斑图案，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沿某一个方向维度上(一般指沿着激光投影模组与采集模组连线所在的方向)各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组105为与光学投影模组104对应的红外相机。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是图1中激光投影模组104的一种实施例。激光投影模组104包括衬底 201、光源202、透镜203以及斑点图案生成器204。衬底201一般为半导体衬底，比如晶圆，在其上布置多个光源302，衬底201与光源202共同构成了激光阵列，例如VCSEL阵列芯片。光源202包含多个子光源用于发射多个子光束，光源可以是可见光、不可见光如红外、紫外等激光光源，光源的种类可以是边发射激光也可以垂直腔面激光，为了使得整体的投影装置体积较小，最优的方案是选择垂直腔面激光发射器阵列(VCSEL阵列)作为光源，VCSEL阵列还具有光源发散角小等优点。另外，同一个衬底上也可布置不同种类的VCSEL，比如VCSEL的形状、大小、亮度均可以有差别。图中为了方便示意，仅在一维上列出3个子光源，事实上VCSEL阵列是以固定二维图案排列的二维光源。VCSEL阵列芯片可以是裸片也可以经过封装后的芯片，两者的区别在于，裸片拥有更小的体积和厚度，而封装芯片则具有更好的稳定性以及更方便的连接。

为了使得激光投影装置发射出的图案具有均匀、不相关等特性，要求VCSEL 阵列芯片的排列图案为不规则图案，即光源并非以规则阵列排列，而是以一定的不规则图案排列。在一些实施例中，VCSEL阵列芯片整体大小仅在毫米量级，比如2mmX2mm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30μm。

透镜203用于接收由VCSEL阵列光源202发射的光束，并对光束进行汇聚，在一种实施例中，将发散的VCSEL光束准直成平行光束，以确保发射出的斑点能量更加集中。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每个光源202对应，也可以一个微透镜单元与多个光源202对应；在另一实施例中也可以采用透镜组来实现光束汇聚。

斑点图案生成器204用于接收透镜光束并向外发射能形成斑点图案的光束，在一种实施例中，斑点图案生成器204是衍射光学元件(DOE)，DOE起到分束的作用，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斑点的光学元件，比如MLA、光栅或者多种光学元件的组合。

透镜203与DOE204在一些实施例中可以被制作在同一个光学元件上，以达到缩小体积的效果。

图3至图9是根据本实用新型的实施例的VCSEL阵列的光源排列示意图。在每个图中圆圈或加号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衬底的轮廓。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来作为分隔或辅助线，这些虚线仅用于说明，并不一定真实存在于VCSEL阵列中。

基于结构光深度相机特别是基于斑点图案的结构光而言，三角法测量深度的关键步骤是要计算斑点图像与参考斑点图案之间的像素偏离值，这一计算的步骤由深度处理器(或专用处理芯片)来执行的，计算的执行过程中最重要的一步是要根据匹配算法寻找斑点图像与参考斑点图像中相同的子区域，这里的子区域指的是图像中一个固定大小的像素区域，比如7x7、11x11像素。匹配算法要求斑点图像中沿基线方向上的各个子区域内的图案均不相同，即要求斑点图像具有高度的局部不相关性，这里的基线指的是激光投影模组104与采集模组105的连线。

为了满足局部不相关性这一要求，一般地，VCSEL阵列中光源202的排列要求不规则排列，一种常用的方案是在设计时在衬底201上随机生成光源202位置信息，这一方案的优点在于设计思路清晰，设计执行起来较为简单；缺点在于光源202排列图案的不可控性较强，要想生成一个比较好的不相关图案往往需要经过大量的实验和验证，另一方面在芯片制造过程中对每个斑点的定位精度难以把握，往往具有一些规则排列或者对称特性的VCSEL芯片在制作时精度、效率等方面会更好。

本实用新型采取的设计方案可以解决上述存在的缺点或问题。图3中，多个光源202排列在衬底201上形成一个二维的图案阵列，就图案阵列的特征而言，可以被分成4个子阵列301、302、303以及304，在图3中用虚线305分开。子阵列301中光源不规则排布在衬底上，具有高度的不相关性，子阵列302、303、 304中光源排列图案与子阵列301相同。因此，可以看成是将子阵列通过平移的方式形成其他三个子阵列，最终4个子阵列共同组成VCSEL光源阵列。具体地，子阵列302可以看成是将子阵列301沿横向平移直到二者边界重合而形成的，子阵列303则可以看成是将子阵列301纵向平移形成的，而子阵列304则可以看成是子阵列301沿顺时针45度斜向平移形成的。由于子阵列301的不相关性，从而导致整体VCSEL阵列在各个子阵列上是不相关的，然而相邻的子阵列却是高度相关的，这种二维图案最终形成的结构光图案的不相关性将较低，在后面的实施例中将给出几种更优的VCSEL阵列排布方案。

对于图3所示的VCSEL阵列，在设计时仅需要生成一个子阵列的图案即可，通过平移的方式就可以快速生成整个VCSEL阵列图案。另外，图3中子阵列303、 304也可以看成是子阵列302通过平移形成的，但由于子阵列302是由子阵列301 形成，因而本质上整个VCSEL阵列都是由一个子阵列通过平移的方式产生的。

图4所示的VCSEL阵列的另一实施例中，VCSEL阵列由4个子阵列401、402、 403以及404组成。其中子阵列402是由子阵列401沿其右侧边线(虚线405) 通过镜像形成；子阵列403是由子阵列401沿其下侧边线(虚线406)通过镜像形成，子阵列404是由子阵列401通过虚线407镜像而成。

图5所示的VCSEL阵列的另一实施例中，VCSEL阵列同样由4个子阵列501、 502、503以及504组成。其中子阵列502是由子阵列501沿其几何中心顺时针旋转90度后平移形成的，也可以由子阵列501沿右下侧点顺时针旋转90度形成，图5中在每个子阵列中添加了虚线以便于清晰地表明各子阵列之间的相对方向。同样地，子阵列503及504可以通过子阵列501经旋转和/或平移的方式形成。

图6是VCSEL阵列的又一实施例，不同的是子阵列602是由子阵列601沿横向及纵向将体积缩小到原本的四分之一，在其他的实施例中也可以通过沿不同的方向(比如可以是沿横向x方向和/或纵向y方向)将子阵列缩小或放大(缩小或放大可统称为缩放)不同的倍数以获取不同的子阵列，因此子阵列602中光源的排列密度要高于子阵列601，其他子阵列则全是由子阵列601通过平移和/或缩放的方式形成。这种VCSEL阵列中光源的排列密度不同，好处在于，可以将不同密度的VCSEL光源分组控制，从而可以形成不同密度的结构光图案以应对不同的应用场景。

图7是根据本实用新型又一实施例的示意图，VCSEL阵列是由一个子阵列301 通过平移形成的。与前面几个实施例不同的是，平移后的子阵列与平移前的子阵列之间有重叠，在本实施例中重叠的区域为整个子阵列区域的一半。举例来说，图中7001所表示的区域是由子阵列301向左平移一定距离而形成的，该距离为子阵列301底部宽度的一半。区域7002则是由子阵列301向右平移该距离而形成。换名话说，图中各个区域7001、7002、7003、7004以及示标出的区域中的二维阵列均是由子阵列301的左半侧阵列与右半侧阵列组合而成。这种平移的方式可以增加阵列图案的密度，一般地，平移的距离越小，密度越大。

图8是根据本实用新型又一实施例的示意图，VCSEL阵列是由子阵列801通过平移(上下平移，斜向平移)形成的，这里的子阵列801的形状为正六边形，需要注意的是，若整个VCSEL阵列为方形时，其边缘区域的子阵列仅仅是子阵列 801的一部分，例如子阵列802。

图9是根据本明又一实施例的示意图，与前面实施例不同的是，这里的子阵列有两个，分别是子阵列901与子阵列903。对于VCSEL阵列中的其他子阵列来说，子阵列902是由子阵列901平移形成，子阵列904是由子阵列903镜像形成，子阵列905是由子阵列903顺时针旋转90度后平移形成，子阵列906则是由子阵列903逆时针旋转90后平移形成。

上述几种实施例的用来以变换方式产生二维阵列的子阵列的数量为1或2，但实际上并不局限于上述列举的实施例，子阵列还可以为其他的数量，当子阵列的数量不小于2时，这些子阵列的大小、分布形状、光源数量中的至少一个方面不同，这些子阵列通过变换的方式产生不相关性高的二维阵列。

另外根据本实用新型的另一实施例中，可以直接由多个不同的子阵列直接组合而成，这里所说的不同可以有多种方式，比如子阵列的整体形状、分布形状、大小或者光源分布、形状、数量、发光特性如波长等至少一个方面不同。这种方式下，可以通过对不同子阵列进行分组或整体控制来实现多种不同的应用情景。

以上实施例是根据本实用新型思想而举例出的几种代表性的示例，并不能完全代表本实用新型思想的所有内容。VCSEL阵列可以由一个或多个子阵列通过各种变换方式形成更多个子阵列，然后由这些子阵列共同构成VCSEL阵列，变换方式除了以上实施例中所述的平移、旋转、缩放、镜像之外，也可以由其他形式，比如单方向的拉伸、压缩或者其他变形等形式，这些变换方式可以单独存在同一个二维阵列中，也可以有多种变换方式同时存在同一个二维阵列中。在同一个 VCSEL阵列中，允许有多种变换方式存在，同一个VCSEL阵列包括多个子阵列，所述子阵列相互之间至少存在平移、旋转、镜像、缩放关系中的一种或多种。另外，子阵列之间可以有部分重叠，但一般地，重叠的区域以不超过一半为宜，同时子阵列之间还可以存在无VCSEL光源的间隔区域、边缘重合，因此子阵列之间可以存在所述三种情况的任意一种或多种。可以明显意识到，变换方式种类的增加将有助于提升VCSEL阵列的整体不相关性。

子阵列的形状及内部VCSEL光源的排布方式、数量均是决定最终VCSEL阵列好坏的关键因素。子阵列的形状一般为规则形状，比如正方形、六边形等多边形形状，也可以是圆形，或者其他不规则形状等等。子阵列的数量不仅限于本实用新型提供的实施例中的数量情况，还可以存在多种形式的变换，例如方形二维阵列中的子阵列的数量可以为n²(n为大于等于2的整数)个子阵列组成,也可以为其他的子阵列数量，例如8个、12个等。

需要注意的是这里所说的形状是对子阵列中VCSEL光源排列的抽象概括，在 VCSEL阵列上一般是看不出该形状的存在的，即虚线一般不会被标在VCSEL阵列上。但凡是VCSEL阵列中图案的排列形状符合本实用新型的思想，应落入到本实用新型的保护范围内。

此外，本实用新型中所述的衬底201被默认为单个衬底，实际上也可以有多个衬底，在一种实施例中，每个衬底上独立形成一个子阵列的图案。这种方式的优点在于，通过制造一种或几种子阵列，通过对子阵列进行旋转和/或平移等变换在物理上进行拼接就可以产生具有较高不相关度的VCSEL阵列光源。

在本实用新型中，通过一个或多个子阵列通过变换形成多个子阵列，由形成的多个子阵列共同组成VCSEL阵列光源，即保证了VCSEL阵列光源的排列容易被实现，同时又保证了较高的不相关性，同时由于是少数几个子阵列的变换，也大大降低了VCSEL阵列芯片的制造难度，以提高制造效率与质量。

在本实用新型中，图3～图9所示的实施例中VCSEL芯片中光源的排列图案应理解为是对类似图案的一种描述，同时相应给出了一种生成该图案的设计方法，即首先生成一个或多个子阵列，然后对这些子阵列进行变换最终生成整幅图案 (即二维阵列图案)。不排除有其他设计方法来达到与利用子阵列变换同等的效果，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图案也属于本实用新型的保护范围内。

以上内容是结合具体的优选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技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，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，都应当视为属于本实用新型的保护范围。