[实用新型]基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组。

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发展。

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模组的光源的首选。VCSEL光源阵列可以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的投影模组特别是基于散斑图案的投影模组而言，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。总体来说，目前的方案中，深度图像的精度与帧率是一个矛盾体，难以同时获取高精度以及高帧率的深度图像。

发明内容

本实用新型为了解决现有技术中难以同时获取高精度以及高帧率的深度图像问题，提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

本实用新型提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，包括：VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括：半导体衬底，以及至少两组VCSEL子阵列排列在半导体衬底上，所述VCSEL子阵列由VCSEL光源组成；衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：至少两个衍射光学元件子单元；所述衍射光学元件子单元分别与所述VCSEL子阵列对应，用于将所述VCSEL子阵列的光源发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。

在一些实施方案中，所述基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组还包括透镜单元，所述透镜单元用于接收并准直所述VCSEL阵列光源发射的光束或用于接收所述衍射光学元件投射出的光束并向空间中发射。所述透镜单元是微透镜阵列、透镜或透镜组。

在一些实施方案中，所述至少两组VCSEL子阵列被独立控制或同步控制，所述至少两组VCSEL子阵列的VCSEL光源数量不同，排列图案为不规则且互不相同的排列图案，所述至少两个衍射光学元件子单元以不同的倍数将对应的VCSEL子阵列光束复制后向外发射。在一些实施方案中，所述至少两个衍射光学元件的子单元投射的光束具有相同的视场，所述基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组向所述视场中投射出稀疏的高亮度结构光图案和密集的低亮度结构光图案，所述高亮度结构光图案与所述低亮度结构光图案相互交错。

本实用新型还提供一种深度相机，包括：如前面任一所述的基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，用于向空间中投射结构光图案；采集模组，用于采集由目标反射的所述结构光图案；处理器，根据所述结构光图案计算出深度图像。

本实用新型的有益效果为：提供了一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，通过半导体衬底和VCSEL光源组成的至少两组VCSEL子阵列组成VCSEL阵列光源以及与VCSEL子阵列对应的多个衍射光学元件子单元组成的衍射光学元件共同组成基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，可以向空间中投射稀疏以及密集的散斑图案，形成多种模式的结构光图案，并利用先大窗口再小窗口的匹配算法以同时获取高精度以及高帧率的深度图像，从而让应用其的深度相机可以适用于多种应用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构光深度相机系统的侧视图。