[实用新型]应用于3D成像的激光阵列及其激光投影装置和3D成像设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种应用于3D成像的激光阵列及其激光投影装置和3D成像设备。

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，比如现有技术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地上通过布置多个VCSEL光源的方式来进行激光投影，比如在5mmx5mm的半导体衬底上布置100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。

发明内容

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用于3D成像的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应用于3D成像的激光阵列、应用于3D成像的激光阵列的图案设计方法、激光投影装置及3D成像设备。

其中，所述应用于3D成像的激光阵列，包括：半导体衬底，VCSEL光源，所述VCSEL光源以二维阵列的形式分布在所述半导体衬底的表面，其中，所述二维阵列的排布方式是通过扇形子阵列旋转复制的形式产生。所述扇形子阵列的圆心角优选15°、30°、45°、60°、90°或120°。所述扇形子阵列中VCSEL光源的数量最好不超过24，所述二维阵列中VCSEL光源的数量最好不超过576。其中，所述扇形子阵列中所述VCSEL光源的排列方式为不规则排列。所述二维阵列的排布方式是由一个扇形子阵列通过围绕其圆心旋转复制的形式产生。在不同的实施例中，相邻的两个所述扇形子阵列之间包括：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。

同时，本实用新型所提出的激光投影装置，包括：

上述任一所述的激光阵列；

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分束后向空间中发射斑点图案光束。

其中，所述透镜可以包括单个透镜和/或微透镜阵列；所述斑点图案生成器可以包括微透镜阵列、DOE、光栅中的一种或多种。

另外，本实用新型所提出的3D成像设备，包括：上述任一所述的激光投影装置，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。

本实用新型与现有技术对比的有益效果包括：VCSEL光源以二维阵列的形式分布在所述半导体衬底的表面，其中，所述二维阵列包括多个相同的扇形子阵列，所述扇形子阵列共用同一个圆心，由共用同一个圆心的多个相同的扇形子阵列构成的二维阵列的排布方式沿任一方向上(比如沿横向方向x轴方向或纵向方向y轴方向)的包含了其他任何象限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。