《用於3D成像的雷射陣列》是深圳奧比中光科技有限公司於2017年5月4日申請的專利，該專利的公布號為CN106972347A，授權公布日為2017年7月21日，發明人是王兆民、閆敏、許星。
《用於3D成像的雷射陣列》包括：在半導體襯底上以二維陣列形式排列的多個VCSEL光源；所述二維陣列的排布方式是通過至少一個子陣列旋轉複製的形式產生，以簡單地旋轉複製子陣列的形式獲取到的二維陣列的排布方式沿任一方向上的包含了其他任何象限的子區域均具有不相關性，二維陣列對應的是VCSEL光源的分布情況，從而分布在半導體襯底表面的VCSEL光源具有極高的不相關性，解決了2017年5月之前的技術中用於3D成像的VCSEL光源的不相關性低的問題，該發明的雷射陣列主要套用在深度相機中。
2021年11月，《用於3D成像的雷射陣列》獲得第八屆廣東專利獎銀獎。
（概述圖為《用於3D成像的雷射陣列》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：用於3D成像的雷射陣列
- 申請人：深圳奧比中光科技有限公司
- 申請日：2017年5月4日
- 申請號：2017103092225
- 公布號：CN106972347A
- 公布日：2017年7月21日
- 發明人：王兆民、閆敏、許星
- 地址：廣東省深圳市南山區粵興三道8號中國地質大學產學研基地中地大樓A808
- 分類號：H01S5/42(2006.01)I、G03B15/02(2006.01)I、G03B35/00(2006.01)I
- 代理機構：深圳新創友智慧財產權代理有限公司
- 代理人：江耀純
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
3D成像特別是套用於消費領域中的3D成像技術將不斷衝擊甚至取代傳統的2D成像技術，3D成像技術除了擁有對目標物體進行2D成像能力之外還可以獲取目標物體的深度信息，根據深度信息可以進一步實現3D掃描、場景建模、手勢互動等功能。深度相機特別是結構光深度相機或TOF（時間飛行）深度相機是2017年前普遍被用來3D成像的硬體設備。
深度相機中的核心部件是雷射投影模組，按照深度相機種類的不同，雷射投影模組的結構與功能也有區別，比如2017年5月之前的技術中所公開的投影模組用於向空間中投射斑點圖案以實現結構光深度測量，這種斑點結構光深度相機也是2017年前較為成熟且廣泛採用的方案。隨著深度相機套用領域的不斷擴展，光學投影模組將向越來越小的體積以及越來越高的性能上不斷進化。
採用VCSEL（垂直腔面發射雷射器）陣列光源的深度相機因為具有體積小、功率大、光束集中等優點將會取代邊發射雷射發射器光源，VCSEL陣列的特點是在一個極其小的基地上通過布置多個VCSEL光源的方式來進行雷射投影，比如在5毫米x5毫米的半導體襯底上布置100個VCSEL光源。對於結構光深度相機而言，其雷射投影模組向外投射的斑點圖案要求具有極高的不相關性，這一要求增加了VCSEL陣列上光源排列的設計難度。
發明內容
專利目的
為了解決用於3D成像的VCSEL光源的不相關性低的問題，該發明提出一種用於3D成像的VCSEL陣列光源。
技術方案
《用於3D成像的雷射陣列》包括：在半導體襯底上以二維陣列形式排列的多個VCSEL光源；所述二維陣列的排布方式是通過至少一個子陣列旋轉複製的形式產生。在某些實施例中，所述子陣列分布的區域一般包括扇形區域和/或環形區域。在另一些實施例中，旋轉複製包括由所述子陣列通過同一個中心點旋轉到其他區域後在該區域產生一個複製的子陣列。二維陣列包括了多個子陣列，其中，相鄰的兩個子陣列之間一般包括：部分相互重疊、存在無所述VCSEL光源的間隔區域、邊緣重合的一種或多種情況。
在又一些實施例中，所述子陣列數量不小於2時，所述子陣列之間大小、分布區域形狀、旋轉角度三方面中的至少一個方面不同。另外，所述子陣列中VCSEL光源的排列優選為不規則圖案。考慮到光源數量及子陣列的圓心角的影響，經過研究得出，所述子陣列中VCSEL光源的數量不超過24，所述二維陣列中VCSEL光源的數量不超過576；所述子陣列的圓心角包括15°、30°、45°、60°、90°或120°。
該發明所提出的用於3D成像的雷射陣列的圖案設計方法包括：生成至少一個排列不規則的子陣列圖案；旋轉複製所述子陣列圖案獲取所述雷射陣列的圖案。另外，該發明所提出的雷射投影裝置，包括：上述任一所述的雷射陣列；透鏡，用於接收且匯聚由所述雷射陣列發射的光束；斑點圖案生成器，用於將所述光束進行分束後向空間中發射斑點圖案光束。所述透鏡最好為單個透鏡、微透鏡陣列中的一種或組合；所述斑點圖案生成器最好為微透鏡陣列、衍射光學元件、光柵中的一種或組合。
此外，該發明所提出的3D成像設備，包括：上述任一所述的雷射投影裝置，用於向空間中發射結構光圖案光束；圖像採集裝置，用於採集由所述結構光圖案光束照射在目標物體上所形成的結構光圖像；處理器，接收所述結構光圖像並根據三角法原理計算出所述目標物體的深度圖像。其中：所述三角法原理指的是利用匹配算法計算所述結構光圖像與參考圖像之間的偏離值，根據所述偏離值計算出所述深度圖像。
有益效果
《用於3D成像的雷射陣列》與2017年5月之前的技術對比的有益效果包括：多個VCSEL光源以二維陣列的形式排列在所述半導體襯底上，其中，所述二維陣列的排布方式是通過至少一個子陣列旋轉複製的形式產生，以簡單地旋轉複製子陣列的形式獲取到的二維陣列的排布方式沿任一方向上（比如沿橫向方向x軸方向或縱向方向y軸方向）的包含了其他任何象限的子區域均具有不相關性，二維陣列對應的是VCSEL光源的分布情況，從而分布在半導體襯底表面的VCSEL光源具有極高的不相關性。
附圖說明
圖1是《用於3D成像的雷射陣列》具體實施方式中的結構光深度相機系統的側視圖。
圖2是該發明具體實施方式中的雷射投影裝置的側視圖。
圖3是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖4是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖5是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖6是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖7是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖8是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖9是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
圖10是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖。
權利要求
1.《用於3D成像的雷射陣列》其特徵在於，包括：在半導體襯底上以二維陣列形式排列的多個VCSEL光源；所述二維陣列的排布方式是通過至少一個子陣列旋轉複製的形式產生。
2.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述子陣列分布的區域包括扇形區域和/或環形區域。
3.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述旋轉複製包括由所述子陣列通過同一個中心點旋轉到其他區域後在該區域產生一個複製的子陣列。
4.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述二維陣列中相鄰的兩個子陣列之間包括：部分相互重疊、存在無所述VCSEL光源的間隔區域、邊緣重合的一種或多種情況。
5.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述子陣列數量不小於2時，所述子陣列之間大小、分布區域形狀、旋轉角度三方面中的至少一個方面不同。
6.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述子陣列中VCSEL光源的排列為不規則圖案。
7.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述子陣列中VCSEL光源的數量不超過24，所述二維陣列中VCSEL光源的數量不超過576。
8.如權利要求1所述的雷射陣列，其特徵在於，所述子陣列的圓心角包括15°、30°、45°、60°、90°或120°。
9.一種如權利要求1-8任一所述用於3D成像的雷射陣列的圖案設計方法，其特徵在於，包括：生成至少一個排列不規則的子陣列圖案；旋轉複製所述子陣列圖案獲取所述雷射陣列的圖案。
10.一種雷射投影裝置，其特徵在於，包括：權利要求1～8任一所述的雷射陣列；透鏡，用於接收且匯聚由所述雷射陣列發射的光束；斑點圖案生成器，用於將所述光束進行分束後向空間中發射斑點圖案光束。
11.如權利要求10所述的雷射投影裝置，其特徵在於：所述透鏡為單個透鏡、微透鏡陣列中的一種或組合；所述斑點圖案生成器為微透鏡陣列、衍射光學元件、光柵中的一種或組合。
12.一種3D成像設備，其特徵在於，包括：權利要求10～11任一所述的雷射投影裝置，用於向空間中發射結構光圖案光束；圖像採集裝置，用於採集由所述結構光圖案光束照射在目標物體上所形成的結構光圖像；處理器，接收所述結構光圖像並根據三角法原理計算出所述目標物體的深度圖像。
實施方式
該發明提出一種用於3D成像的雷射陣列，並基於這一雷射陣列提出了對應的雷射投影裝置以及3D成像設備，這裡的3D成像設備又叫深度相機，深度相機所拍攝到的物體的圖像中每個像素上的值代表的是空間中對應的點距離深度相機的之間的深度值。在後面的說明中將對雷射陣列、雷射投影裝置以及深度相機為例進行說明，但並不意味著這種雷射陣列僅能套用在深度相機中，任何其他裝置中凡是直接或間接利用該方案都應被包含在該發明的保護範圍中。
圖1所示的基於結構光的深度相機側面示意圖。深度相機（3D成像設備）101主要組成部件有雷射投影模組（相當於雷射投影裝置）104、採集模組（相當於圖像採集裝置）105、主機板103以及處理器102，在一些深度相機中還配備了RGB相機107。雷射投影模組104、採集模組105以及RGB相機107一般被安裝在同一個深度相機平面上，且處於同一條基線，每個模組或相機都對應一個進光視窗108。一般地，處理器102被集成在主機板103上，而雷射投影模組104與採集模型105通過接口106與主機板連線，在一種實施例中所述的接口為FPC接口。其中，雷射投影模組用於向目標空間中投射經編碼的結構光圖案光束，採集模組，用於採集由所述結構光圖案光束照射在目標物體上所形成的結構光圖像；處理器，接收採集模組採集的結構光圖像並根據三角法原理計算出所述目標物體的深度圖像。
在一個實施例中，結構光圖像為紅外雷射散斑圖案，圖案具有顆粒分布相對均勻但具有很高的局部不相關性，這裡的局部不相關性指的是圖案中沿某一個方向維度上（一般指沿著雷射投影模組與採集模組連線所在的方向）各個子區域都具有較高的唯一性。對應的採集模組105為與光學投影模組104對應的紅外相機。利用處理器獲取深度圖像具體地指接收到由採集模組採集到的散斑圖案後，通過計算散斑圖案與參考散斑圖案之間的偏離值來進一步得到深度圖像。
圖2是圖1中雷射投影模組104的一種實施例。雷射投影模組104包括襯底201、光源202、透鏡203以及斑點圖案生成器204。襯底201一般為半導體襯底，比如晶圓，在其上布置多個光源202，襯底201與光源202共同構成了雷射陣列，例如VCSEL陣列晶片。光源202包含多個子光源用於發射多個子光束，光源可以是可見光、不可見光如紅外、紫外等雷射光源，光源的種類可以是邊發射雷射也可以垂直腔面雷射，為了使得整體的投影裝置體積較小，最優的方案是選擇垂直腔面雷射發射器陣列（VCSEL陣列）作為光源，VCSEL陣列還具有光源發散角小等優點。圖中為了方便示意，僅在一維上列出3個子光源，事實上VCSEL陣列是以固定二維圖案排列的二維光源。VCSEL陣列晶片可以是裸片也可以經過封裝後的晶片，兩者的區別在於，裸片擁有更小的體積和厚度，而封裝晶片則具有更好的穩定性以及更方便的連線。
為了使得雷射投影裝置發射出的圖案具有均勻、不相關等特性，要求VCSEL陣列晶片的排列圖案為不規則圖案，即光源並非以規則陣列排列，而是以一定的不規則圖案排列。在一些實施例中，VCSEL陣列晶片整體大小僅在微米量級，比如5毫米×5毫米大小，上面排列了幾十個甚至上百個光源，各個光源之間的距離處於微米量級，比如30微米。
透鏡203用於接收由VCSEL陣列光源202發射的光束，並對光束進行匯聚，所述VCSEL陣列光源具體是指該發明所提出的雷射陣列，在一種實施例中，將發散的VCSEL光束準直成平行光束，以確保發射出的斑點能量更加集中。除了用單個透鏡之外，在一個實施例中也可以採用微透鏡陣列（MLA），微透鏡陣列中每一個微透鏡單元與每個VCSEL陣列光源202對應，也可以一個微透鏡單元與多個VCSEL陣列光源202對應。
斑點圖案生成器204用於接收透鏡光束並向空間中發射能形成斑點圖案的光束，在一種實施例中，斑點圖案生成器204是衍射光學元件（DOE），DOE起到分束的作用，比如當光源202數量為100時，即經由透鏡傳輸到DOE上的光束為100，DOE可以將透鏡光束以某一數量（比如200）的倍率進行分束，最終向空間中發射20000個光束，理想情況下將會看到有20000個斑點（在一些情況下會有一些斑點重疊的情形，導致斑點數量減少）。除了DOE之外，也可以採用其他任何可以形成斑點的光學元件，比如MLA、光柵或者多種光學元件的一種或組合。
透鏡203與DOE204在一些實施例中可以被製作在同一個光學元件上，以達到縮小體積的效果。
圖3至圖10是根據該發明的實施例的VCSEL陣列的光源排列示意圖。在每個圖中圓圈代表的光源所在的位置，方形代表的是半導體襯底。為了便於對該發明概念的闡述，在圖中還增加了一些分隔線以及圓形的輪廓線，這些線僅用於說明，並不一定真實存在於VCSEL陣列中。
基於結構光深度相機特別是基於斑點圖案的結構光而言，三角法測量深度的關鍵步驟是要計算斑點圖像與參考斑點圖案之間的像素偏離值，這一計算的步驟由深度處理器（或專用處理晶片）來執行的，計算的執行過程中最重要的一步是要根據匹配算法尋找斑點圖像與參考斑點圖像中相同的子區域，這裡的子區域指的是圖像中一個固定大小的像素區域，比如7x7、11x11像素。匹配算法要求斑點圖像中沿基線方向上的各個子區域內的圖案均不相同，即要求斑點圖像具有高度的局部不相關性，這裡的基線指的是雷射投影模組104與採集模組105的連線。
為了滿足局部不相關性這一要求，一般地，VCSEL陣列中光源202的排列要求不規則排列，一種常用的方案是在設計時在襯底201上隨機生成光源202位置信息，這一方案的優點在於設計思路清晰，設計執行起來較為簡單；缺點在於光源202排列圖案的不可控性較強，要想生成一個比較好的不相關圖案往往需要經過大量的實驗和驗證，另一方面在晶片製造過程中對每個斑點的定位精度難以把握，往往具有一些規則排列或者對稱特性的VCSEL晶片在製作時的精度、效率等方面會更好。該發明提出了一種用於3D成像的雷射陣列，具有極高的不相關性。雷射陣列包括VCSEL光源，VCSEL光源以二維陣列的形式分布在所述半導體襯底的表面，其中，二維陣列的排布方式是通過至少一個子陣列旋轉複製的形式產生。二維陣列包括多個子陣列，所述子陣列共用同一個圓心。當二維陣列的排布方式是通過扇形子陣列旋轉複製的形式產生時，二維陣列包括多個相同的扇形子陣列，所述扇形子陣列共用同一個圓心。圖3～圖10所示實施例中的VCSEL陣列可以理解為類似所述雷射陣列的描述，但變形的實施方式不僅限於此。
在圖3所示的是該發明的一種實施例的VCSEL陣列的示意圖，多個光源202排列在襯底201上，光源202分布在圓形邊界208以內，並且可以被分成角度為90度的4個扇形區域。四個扇形區域之間的關係為，相鄰兩個區域中，其中一個區域可以看成是相鄰的區域以扇形圓心旋轉90度後所形成的區域，比如區域210可以看成區域209圍繞圓心順時針旋轉90度所形成的區域，也可以看成是區域205以圓心逆時針旋轉90度所形成的區域。在其他實施例中，所述扇形子陣列的圓心角也可以是15°、30°、45°、60°、或120°等，在後面列舉了相關的實施例。在該實施例中，相鄰的區域之間邊緣重合，圖案之間則沒有重合。在圖案設計時，只要隨時生成其中任何一個扇形區域的圖案，就可以通過旋轉的方法複製出其他扇形區域的圖案，直到整個區域都被填滿。具體地方式為：
以圖3為例，假如以圓心為原點建立直角坐標系，扇形區域203所在的象限為第一象限。首先在第一象限隨機生成多個（以24個為例）斑點的坐標：
第二象限中各個斑點的坐標為：
第三象限中各個斑點的坐標為：
第四象限中各個斑點的坐標為：
這樣只要有了第一象限代表的扇形區域中的各個斑點的坐標就可以根據以上的公式直接得到其他扇形區域中各個點的坐標了。
通過旋轉複製的方式除了僅需要隨機生成部分區域內的斑點就可以生成整個區域的斑點以提高可控性之外，最大的優點在於，沿任何一個方向上（比如沿橫向方向x軸方向或縱向方向y軸方向）的子區域均具有高度的不相關性。由於每個扇形區域內的斑點是隨機生成的，因而在扇形區域內斑點具有不相關性，另外由於是旋轉複製，導致沿任一方向上的包含了其他任何象限的子區域均具有不相關性，以圖3中為例，比如沿橫向方向（x軸方向），任意選取一個子區域206（指的是以該橫向方向上任一點為中心的子區域），而在第一象限中在該橫向方向上任何一個點為中心的子區域207的形狀均不可能與子區域206相同，由此即保證了子區域高度的不相關性。在該實施例中，扇形區域的邊緣上也可以放置斑點。
圖4所示的是另一種VCSEL陣列晶片排列的實施例，其中扇形區域的角度為45度，通過順/逆時針旋轉45度進行相鄰扇形區域的複製直到填滿整個區域，總共有8個扇形區域。相對於圖3而言，當扇形區域內斑點數量相同時，旋轉複製次數的增加則增加了斑點的數量與密度，斑點數量是圖3所示VCSEL陣列的兩倍。
圖5中所示的是相鄰兩個扇形區域有重疊的情形，對比於圖3，圖3中扇形區域的角度為90度，通過旋轉90度複製的方式總共生成了4個扇形區域，而圖5中扇形區域的角度雖然也是90度，但旋轉角度則為72度，最終生成了5個扇形區域，相鄰的兩個扇形區域之間有部分重疊，如圖5中所示。也可以將旋轉角度設定為可變化的，例如交替旋轉72度跟90度直到填滿整個區域，如此獲取的二維陣列的相鄰的兩個扇形子陣列之間同時存在部分重疊與邊緣重合的情況。
圖6中所示是相鄰兩個扇形區域之間有間隔的情形，對比於圖4，圖4中扇形區域角度為45度，通過旋轉45複製的方式總共生成了8個扇形區域，而圖6中扇形區域的角度依然是45度，但旋轉角度則為每90度旋轉，最終導致相鄰兩個扇形區域之間存在無VCSEL光源的間隔區域。這種方式所生成的VCSEL陣列較為稀疏，稀疏陣列有利於近距離的深度圖像的獲取。也可以交替旋轉90度、45度、30度，如此獲取的二維陣列的扇形子陣列之間包括部分相互重疊、存在無VCSEL光源的間隔區域、邊緣重合三種情況，通過變化旋轉角度可獲取同時存在上述三種情況的多種或一種的二維陣列。
經過論證，發明人發現扇形區域的大小即圓心角宜設定為15°、30°、45°、60°、90°或120°等角度，而旋轉複製的角度最好根據扇形區域的角度來設定，最終保證填滿整個區域、相鄰的扇形區域邊緣重合且相互之間的內容沒有重合。比如當扇形區域的大小為15°時，旋轉複製的角度為15°，總共產生24個扇形區域。
圖7所示的實施例中，旋轉複製的子陣列位於一個扇形區域701以及多個環形區域702和703中，三個子陣列中的光源數量及排列方式可以相同也可以不同。控制各個環形區域內光源的排列可以達到對整體光源排列的效果控制，比如由內至外光源的密度越來越小，會導致整體光源排列越靠近圓心越密集。所述子陣列中VCSEL光源的排列為不規則圖案。另外，各個環形區域的角度以及旋轉的角度也可以不一樣，在此不做限定，如圖8所示，內圈的扇形區域角度為45度，旋轉複製的角度也為45度，而外圈兩個環形區域的角度分別為60度和90度，旋轉角度分別為60度及90度，另外由內至外斑點（即光源）的密度越來越小。在又一些實施例中，內圈的扇形區域角度為90度，旋轉複製角度為72度，外圈兩個環形區域的角度分別為120度和45度，旋轉角度分別為120度及90度，相應的二維陣列中相鄰的兩個子陣列之間包括：部分相互重疊、存在無VCSEL光源的間隔區域、邊緣重合三種情況，通過變化旋轉角度可獲取同時存在上述三種情況的多種或一種的二維陣列。
所述子陣列分布的區域包括扇形區域和/或環形區域，在該實施例中扇形區域數量為1個、環形區域數量2個，在其他實施例中也可以沒有扇形區域的子陣列，環形區域的數量也可以是其他數量。
如圖9所示，相比於圖3～圖6中扇形區域單一的情形，這裡的扇形區域有不相同的兩個，分別是901及902，角度分別為15度與30度，旋轉角度均為45度，區域中光源的數量也不相同。可以理解的是，扇形區域的角度大小以及斑點分布可以有其他任意情形。
而對於旋轉角度，各個扇形區域也可以不同，如圖10所示，扇形區域901的旋轉角度為75度，而扇形區域902的旋轉角度在不斷發生變化，即30度、60度、30度、60度、30度、60度、30度。
由圖3至圖10所描述的方法中可知，根據不同的需求，通過設定子陣列的分布區域形狀（扇形和/或環形）、大小、數量、斑點排列方式（包括密度）以及旋轉複製的角度，可以生成多種多樣的圖案形狀。所述子陣列數量不小於2時，所述子陣列之間大小、分布區域形狀、旋轉角度三方面中的至少一個方面不同。因此，以上的說明並非是對該發明的局限，而是對該發明的思想進行舉例說明。
但也並非任意設定子陣列所在區域的大小以及旋轉複製的角度都是可行的，當扇形區域太小或旋轉複製的角度太小時，會導致不相關性降低。另外子陣列所在區域中斑點的數量也會影響不相關性。
經過論證，發明人發現扇形或環形區域的大小即角度宜設定為15°、30°、45°、60°、90°、120°等角度，而旋轉複製的角度最好根據扇形或環形區域的角度來設定，最終保證填滿整個區域、相鄰的區域邊緣重合且相互之間的內容沒有重合。比如當扇形區域的大小為15°時，旋轉複製的角度為15°，總共產生24個扇形區域。當環形區域的大小為30°時，旋轉複製的角度為30°，總共產生12個環形區域。
另外，子陣列區域中光源的數量也不能太多，發明人發現光源的數量以不超過24個為宜，整個VCSEL陣列的光源數量以不超過576個為宜，由此可以達到較佳的效果。光源之間的間隔一般根據生產工藝的需求，平均間隔應在8微米～30微米為宜。
在該發明中，圖3～圖10所示的實施例中VCSEL晶片中光源的排列圖案應理解為是對類似圖案的一種描述，同時相應給出了一種生成該圖案的設計方法，即首先生成一個或多個子陣列，然後對這些子陣列進行旋轉複製最終生成整幅圖案。不排除有其他設計方法來達到與利用子陣列旋轉複製同等的效果，即產生與旋轉複製具有相同特徵的圖案，可以理解的是，其他任何設計方法所達到與旋轉複製同等效果的VCSEL圖案也屬於該發明的保護範圍內。
榮譽表彰
2021年11月，《用於3D成像的雷射陣列》獲得第八屆廣東專利獎銀獎。
