多密度图案投影仪制造技术

本实用新型专利技术提供一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其中光源为VCSEL阵列光源，包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列，并且4个独立控制的VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次减少，以满足不同密度结构光图案的投影。基于该多密度图案投影仪的深度相机可以用来获取不同精度的深度图像从而适用于多种应用。

【技术实现步骤摘要】
多密度图案投影仪说明书
本专利技术涉及光学及电子
，尤其涉及一种多密度图案投影仪及其深度相机。
技术介绍
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仪，按照深度相机种类的不同，激光投影仪的结构与功能也有区别，比如专利CN201610977172A中所公开的投影仪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。VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列光源由于体积小、功率大、光束发散角小、运行稳定等诸多优势将成深度相机激光投影仪的光源的首选。对于结构光深度相机的投影仪特别是基于散斑图案的投影仪而言，VCSEL不仅提供了照明，其排列形式也会直接影响到最终投向目标的结构光散斑图案，进一步将会影响到深度相机的测量精度与速度。已有方案中采用较多的是不规则排列的VCSEL阵列光源，其中排列密度也会影响结构光投影的图案。比如排列稀疏的VCSEL阵列光源相对于排列密集的而言，产生的图案密度也相对较小，得到的深度图像的精度也较低；而利用密集结构光图案获取的深度图像的精度相对比较高，尽管如此，在利用结构光三角法对密集结构光图案进行深度计算时，所需要的计算时间也较长，这样也就降低了深度图像输出的帧率。随着深度相机应用场景的多样化，目前单一的VCSEL阵列光源并不能满足需求。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中单一的VCSEL阵列光源并不能满足需求问题，提供一种多密度图案投影仪。为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：本专利技术提供一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其特征在于，所述光源为VCSEL阵列光源；所述VCSEL阵列光源包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列。在一些实施方案中，所述VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的排列包括不规则排列。在一些实施方案中，所述VCSEL光源子阵列两两之间相互重叠。在一些实施方案中，所述VCSEL光源子阵列两两之间没有相互重叠。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源密度依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列的面积依次减少。在一些实施方案中，所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次为：50～500、40～400、5～50、4～40。本专利技术还提供一种深度相机，包括：如前面任一所述的投影仪，用于向目标空间中投射结构化光束图像；图像采集装置，用于采集目标空间中的所述结构化光束图像；处理器，接收由所述图像采集装置采集的结构化光束图像并根据所述结构化光束图像生成所述目标空间的深度图像。本专利技术的有益效果为：提供了一种多密度图案投影仪及其深度相机，通过设置4个含有不同数量的VCSEL子阵列构成的光源，从而可以形成多种密度的结构光图案投影，从而使得基于此的深度相机可以获取不同精度的深度相机以满足不同的应用需求。附图说明图1是根据本专利技术实施例的结构光深度相机系统的示意图。图2是根据本专利技术实施例的结构光投影仪的示意图。图3是根据本专利技术实施例的VCSEL阵列光源示意图。具体实施方式下面结合附图通过具体实施例对本专利技术进行详细的介绍，以使更好的理解本专利技术，但下述实施例并不限制本专利技术范围。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专利技术的基本构思，附图中仅显示与本专利技术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，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。图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机101主要组成部件有结构光投影仪104、采集仪105、电路板103以及处理器102，在一些深度相机中还配备了RGB相机107。结构光投影仪104、采集仪105以及RGB相机107一般被安装固定支架上并处在同一个深度相机平面上，另外三者一般处于同一条基线上，每个仪或相机都对应一个进光/出光窗口108。一般地，处理器102被安装在电路板103上，而结构光投影仪104与采集仪105分别通过接口106与电路板连接，接口可以为DVP接口、MIPI接口等等。电路板103可以为PCB等电路板，也可以是半导体基板。其中，结构光投影仪104用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集仪105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(一般指沿着结构光投影仪与采集仪连线所在的方向)各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集仪105为与结构光投影仪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仪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。处理器102除了用于深度计算，还用于控制各个部件的运作，比如以特定的频率同步打开各仪。图1所示的深度相机可以为独立的深度相机装置，也可以是嵌入式的深度相机。深度相机还包含有输出接口(图中未示出)，比如USB、MIPI等接口，输出接口与处理器连接，用于将深度图像输出到其他的主机设备或同一设备中的其他模块。结构光投影仪图2是图1中结构光投影仪104的一种实施例。结构光投影仪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202，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器也可以是垂直腔面激光发射器(VCSEL)，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。另外，同一个衬底上也可布置不同种类的VCSEL阵列光源，比如VCSEL阵列光源的形状、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阵列光源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。为了使得结构光投影仪104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。在一种实施例中，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。透镜单元203用于接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其特征在于，所述光源为VCSEL阵列光源；所述VCSEL阵列光源包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列；所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少；所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次为：50～500、40～400、5～50、4～40。

【技术特征摘要】
1.一种多密度图案投影仪，包括光源、透镜以及衍射光学元件，其特征在于，所述光源为VCSEL阵列光源；所述VCSEL阵列光源包括半导体衬底以及排列在所述半导体衬底上的4个独立控制的VCSEL光源子阵列；所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源数量依次减少；所述4个VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的数量依次为：50～500、40～400、5～50、4～40。2.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述VCSEL光源子阵列中VCSEL光源的排列包括不规则排列。3.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述VCSEL光源子阵列两两之间相互重叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兆民，许星，
申请(专利权)人：深圳奥比中光科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44