图案投影仪及深度相机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种图案投影仪及深度相机，图案投影仪包括：光源阵列，用于发射出多个光束；透镜，接收并汇聚所述多个光束后形成与所述光源阵列中光源排列对应的子图案光束；衍射光学元件，将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；所述图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域；其中，所述部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式：

【技术实现步骤摘要】
图案投影仪及深度相机
本技术涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种图案投影仪及深度相机。
技术介绍
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。另外，微型化的深度相机与移动设备结合还可以实现人脸识别、解锁、支付等功能，给平板、手机等设备带来全新的生物识别体验。深度相机中的核心部件是激光图案投影仪，随着对体积以及功耗的不断追求，激光图案投影仪向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。一般地，激光图案投影仪由光源、衍射光学元件(DOE)等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列光源使得投影仪的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。DOE则可以将VCSEL阵列光源所发出的光进行分束以形成具备更多个光束的图案，比如专利申请CN201711080702.5中所描述的方案。然而，要想让投影仪投射出理想的图案化光束则面临着诸多问题。理想的图案化光束投射到平面上所形成的图案应具备较高的不相关度、均匀度以及视场角，然而这三者往往难以兼得，比如当不相关度高以及视场角较大时均匀度往往较差；更重要的是，当投影仪微型化之后，光源、光学元件等散热相对较差，在温度变化下投影仪投射的图案不稳定，由此也会导致图案的不相关度、均匀度、视场角等受到影响，从而会降低后续深度图像的计算精度。
技术实现思路
为解决上述问题，本技术提出一种图案投影仪及深度相机。本技术提供一种图案投影仪，包括：光源阵列，用于发射出多个光束；透镜，接收并汇聚所述多个光束后形成与所述光源阵列中光源排列对应的子图案光束；衍射光学元件，将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；所述图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域；其中，所述部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式：其中m为衍射级数，Λ为所述DOE的周期，θm指波长为λ的光束入射到所述DOE上时产生的第m级衍射光束的衍射角，Δλ指由温度变化或制造误差等造成的所述VCSEL阵列光源的波长变化。在一些实施例中，所述部分重叠区域不超过所述图案化光束区域的50％。在另一些实施例中，所述部分重叠区域不超过所述述图案化光束区域的10％。在一些实施例中，所述光源阵列中的光源为垂直腔面激光发射器，所述光源阵列上多个光源以规则形式排列或不规则形式排列。在一些实施例中，所述阵列光源包括可独立控制的多个子光源，对所述多个子光源进行单独或整体控制以产生多个密度分布不同的所述图案化光束。本技术还提供一种深度相机，包括：如上所述的图案投影仪，用于向空间中投射结构光图案化光束；采集模组，用于采集所述结构光图案；处理器，接收所述结构光图案后计算出深度图像。本技术的有益效果：衍射光学元件将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；该图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域，其中，部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式：如此可以有效解决因温度变化或制造误差所导致投射图案中产生缝隙从而降低深度图像质量的问题。附图说明图1为根据本技术一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。图2为根据本技术一个实施例的激光投影模组示意图。图3为根据本技术一个实施例的DOE对单光束入射时的分束示意图。图4为根据本技术一个实施例的VCSEL阵列光源的示意图。图5为根据本技术一个实施例的因温度变化导致所投影图案发生变化的示意图。图6为根据本技术一个实施例的投影图案示意图。图7为根据本技术一个实施例的VCSEL阵列光源分布示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式并对照附图对本技术作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本技术的范围及其应用。图1所示的是根据本技术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主要组成部件有图案投影仪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。图案投影仪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，而图案投影仪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。图案投影仪103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105采集到该结构光图案后通过处理器101计算从而得到目标空间的深度图像。图案投影仪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与图案投影仪103往往一一对应，图案投影仪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往往需要设置与图案投影仪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图案投影仪与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其图案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中图案投影仪103的一种实施例。该图案投影仪103包括底座(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。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。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。图4所示的是VCSEL阵列光源的示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图案投影仪，其特征在于，包括：光源阵列，用于发射出多个光束；透镜，接收并汇聚所述多个光束后形成与所述光源阵列中光源排列对应的子图案光束；衍射光学元件，将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；所述图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域；其中，所述部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式：

【技术特征摘要】
1.一种图案投影仪，其特征在于，包括：光源阵列，用于发射出多个光束；透镜，接收并汇聚所述多个光束后形成与所述光源阵列中光源排列对应的子图案光束；衍射光学元件，将所述子图案光束进行复制后投影出具有更大视场角的图案化光束；所述图案化光束由多个所述子图案光束组合而成，且所述多个子图案光束之间有部分重叠，形成部分重叠区域；其中，所述部分重叠区域对应的夹角Δθ满足公式：其中m为衍射级数，Λ为所述衍射光学元件的周期，θm指波长为λ的光束入射到所述衍射光学元件上时产生的第m级衍射光束的衍射角，Δλ指由温度变化或制造误差造成的所述光源阵列的波长变化。2.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述部分重叠区域不超过所述图案化光束区域的50％。3.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述部分重叠区域不超过所述图案化光束区域的10％。4.如权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述光源阵列上多个光源以规则形式排列。5.如权利要求1所述的图案投影...

【专利技术属性】
技术研发人员：许星，王兆民，
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