[实用新型]VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机

说明书

本实用新型公开了一种VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机，VCSEL阵列光源包括：衬底；以及在衬底上以阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述多个VCSEL光源形成的阵列排列包括中间区域以及密度小于中间区域的周边区域。通过采用不同密度分布的两个区域：中间区域以及密度小于中间区域的周边区域，利用该VCSEL阵列光源投影出的光束，可以为重叠图案投影仪提供光源硬件基础，进而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。

技术领域

本实用新型涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机。

背景技术

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。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种VCSEL阵列光源、图案投影仪及深度相机。

本实用新型提供一种VCSEL阵列光源，包括：衬底；以及在衬底上以阵列形式排列的多个VCSEL光源；所述多个VCSEL光源形成的阵列排列上包括中间区域以及密度小于中间区域的周边区域。

在一些实施例中，所述周边区域包括4个角落区域以及4个除所述中间区域以及所述角落区域之外的侧边区域。其中，所述角落区域的密度为中间区域密度的1/4，所述侧边区域的密度为中间区域密度的1/2。

在一些实施例中，所述角落区域中呈对角线的光源的排列相互互补，以使得在重叠时各个光源对应的光束不发生叠加；所述侧边区域中呈对边的光源的排列相互互补，以使得在重叠时各个光源对应的光束之间不发生叠加。

本实用新型还提供一种图案投影仪，包括：如上所述的VCSEL阵列光源，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VCSEL阵列光源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。

在一些实施例中，所述部分重叠区域与所述周边区域对应。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，θ_m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％。