投影模組及其制造方法以及深度相機與流程

本發明屬于光電技術領域，更具體地說，是涉及一種投影模組及其制造方法以及包括該投影模組的深度相機。

背景技術：

結構光深度相機可以獲取目標的深度信息借此實現3d掃描、場景建模及手勢交互等功能，與目前被廣泛使用的rgb相機相比，深度相機正逐步受到各行各業的重視。例如，利用深度相機與電視、電腦等結合可以實現體感游戲以達到游戲健身二合一的效果，微軟的kinect(微軟發布的深度相機的名稱)、奧比中光的astra(深圳奧比中光科技有限公司的一款深度相機的名字)是其中的代表。另外，谷歌的tango(谷歌的研發項目projecttango)項目致力于將深度相機帶入移動設備，如平板、手機，以此帶來完全顛覆的使用體驗，比如可以實現非常真實的ar游戲體驗，可以使用其進行室內地圖創建、導航等功能。

結構光深度相機中的核心部件是其投影模組，按照深度相機種類的不同，激光投影模組的結構與功能也有區別，比如中國專利申請cn201610977172a中所公開的投影模組用于向空間中投射散斑圖案以實現結構光深度測量，這種散斑結構光深度相機也是目前較為成熟且廣泛采用的方案。對于散斑而言，最大的特點就是其高度的不相關性，即需要產生隨機散斑。在已有的結構光深度相機中普遍采用兩種方案來實現散斑結構光的投射。一種是采用單光源(例如邊發射激光器)加圖案生成器(doe)；另一種是采用多光源,例如垂直腔面發射激光器(vcsel)陣列,再加doe的組合。后一種由于光源本身具有功率高、體積小等特點將會逐步取代前一種方案。無論采用哪種光源，相應的激光器都具有一定的光束發散角，因此還需要增加透鏡以用于實現光束的準直或聚集。

在投影模組的設計過程中，一般需要考慮投影模組在制造及安裝過程中可能會出現的問題，比如制造及安裝誤差、安裝效率等。特別是當投影模組的體積要求小到可以被置入到移動電子設備中時，投影模組中各個部件也將非常小，以致于在安裝過程中容易被損壞或者難以保證較高的安裝精度。上述問題有待解決。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種投影模組，旨在解決小型深度相機的投影模組的安裝精度及安裝效率低的問題。

為實現上述目的，本發明實施例采用的技術方案是：提供一種投影模組，包括：

底座；

光源，設置于所述底座上，用于發射光束；

透鏡，設置于所述光源的發射光路上，由一內部支架支撐，用于準直所述光束；

圖案生成器，設置于所述透鏡的出射光路上，由一外部支架支撐，用于將所述光束進行分束以形成結構光圖案；

所述內部支架與所述外部支架為獨立的非一體結構，所述內部支架和/或所述外部支架安裝在所述底座上。

進一步地，所述光源為垂直腔面激光發射器陣列，包括晶圓基底以及形成于所述晶圓基底上的激光發射單元，所述晶圓基底同時用作所述底座。

進一步地，所述光源為垂直腔面激光發射器陣列或者邊發射激光器，所述底座為電路板或金屬散熱底板。

進一步地，所述垂直腔面激光發射器陣列中的多個激光發射器呈不規則二維排布以提高所述結構光圖案的不相關性。

進一步地，所述外部支架套設于所述內部支架外側，且所述內部支架和外部支架的端部均與所述底座連接；

或者，所述內部支架靠近所述光源的一端縮于所述外部支架內部，所述內部支架的外周壁與所述外部支架的內周壁相連接，所述外部支架的端部與所述底座連接。

進一步地，所述內部支架為金屬散熱支架，所述外部支架為金屬散熱支架或塑膠支架。

本發明實施例的另一目的在于提供一種深度相機的制造方法，包括下述步驟：

提供底座，并在所述底座上設置光源以發射光束；

將透鏡安裝在內部支架上以準直所述光束；

將圖案生成器安裝在外部支架上以形成結構光圖案；

將所述內部支架及外部支架安裝在所述底座上。

進一步地，所述提供底座以及在所述底座上設置光源以發射光束的步驟具體為：

在晶圓基底上生成多個垂直腔面激光發射器陣列；

切割所述晶圓基底，獲得多個獨立的垂直腔面激光發射器陣列；其中，所述晶圓基底同時用作所述底座。

本發明實施例的另一目的在于提供一種深度相機，包括：

上述的任一種投影模組，用于發射結構光圖案；

采集模組，用于采集所述結構光圖案被目標物體調制后的光學信息；

處理器，與所述投影模組和所述采集模組連接，用于根據所述光學信息進行深度計算后獲取反映所述目標物體的深度圖像。

該投影模組采用內部支架承載透鏡，采用外部支架承載圖案生成器，內部支架和外部支架是彼此獨立的結構，而不是一體成型，這樣，透鏡的安裝和圖案生成器的安裝可分別進行，不會相互制約，將安裝有透鏡的內部支架和安裝有圖案生成器的外部支架安裝在底座上時，光源、透鏡和圖案生成器的相對位置容易調整，安裝精度易于控制，安裝效率高，利于深度相機的小型化；并且可以避免安裝過程中灰塵、碎屑等異物掉落，保證透鏡性能。

本發明實施例的另一目的在于提供另一種深度相機，包括：

投影模組，用于發射結構光圖案；

采集模組，用于采集所述結構光圖案被目標物體調制后的光學信息；

處理器，與所述投影模組和所述采集模組連接，用于根據所述光學信息進行深度計算后獲取反映所述目標物體的深度圖像；

所述投影模組至少包括：

光源，用于發射光束；

第一透鏡，設置于所述光源的發射光路上，由第一內部支架支撐，用于準直所述光束；

圖案生成器，設置于所述第一透鏡的出射光路上，用于將所述光束進行分束以形成結構光圖案；

所述采集模組至少包括：

第二透鏡，由第二內部支架支撐，用于收集所述結構光圖案經被目標物體調制后的光學信息；

所述深度相機還包括：

底座，用于承載所述投影模組、采集模組以及處理器；

外部支架，設置于所述底座上且套設于所述第一內部支架和第二內部支架外側；

所述圖案生成器設置于所述外部支架上。

進一步地，所述外部支架的開口端設有封裝件，所述封裝件至少設有與所述第一透鏡對應的出射窗和與所述第二透鏡對應的入射窗，所述出射窗處設有所述圖案生成器。

進一步地，所述第一內部支架、第二內部支架、光源及處理器均安裝于所述底座上。

本發明實施例提供的深度相機與現有技術相比具有如下有益效果：

該結構光深度相機的投影模組采用第一內部支架承載第一透鏡，采用外部支架承載圖案生成器，采集模組采用第二內部支架承載第二透鏡，投影模組和采集模組共用一個外部支架，該外部支架和第一內部支架及第二內部支架是彼此獨立而非一體成型的結構，這樣，第一透鏡、圖案生成器及第二透鏡的安裝均可分別進行，避免空間限制，不會相互制約，進而，安裝精度易于控制，安裝效率高，利于深度相機的小型化；并且可以避免安裝過程中灰塵、碎屑等異物掉落，保證透鏡性能；投影模組、采集模組及處理器設置于同一個底座上，外部支架將投影模組和采集模組及處理器收容其中，結構緊湊，穩定性好，更利于小型化設計。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的投影模組的一種結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的投影模組的另一種結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的投影模組的一種制作流程圖；

圖4為本發明實施例提供的投影模組的另一種制作流程圖；

圖5為本發明實施例提供的深度相機的第一種結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的深度相機的第二種結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明實施例所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”或“設置于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當一個元件被稱為是“連接于”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至該另一個元件上。

需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

請參閱圖1，現對本發明實施例提供的投影模組進行說明。

本發明實施例提供的投影模組主要用于深度相機中，具體包括底座101、光源102、透鏡103及圖案生成器104，圖案生成器104可以為衍射光學元件。光源102設置于底座101上，用來發射光束；透鏡103設置于光源102的發射光路上，由一內部支架105支撐，用于準直光束；圖案生成器104設置于透鏡103的出射光路上，由一外部支架106支撐，用于將光束進行分束以形成結構光圖案；該內部支架105與外部支架106是彼此獨立的，而不是一體結構，可以理解，彼此獨立的含義是二者之間不是一體結構，而是單獨成型的部件，置于投影模組中時依然可以存在連接關系或者依然保持非連接的狀態。上述的內部支架105和外部支架106安裝在底座101上，具體可以是互不干涉的安裝在底座101上，也可以是相互連接并安裝在底座101上。

該投影模組的工作原理為：光源102發射的光束被透鏡103準直后照射到圖案生成器104上，圖案生成器104將光束進行擴束。例如采用垂直腔面激光發射器陣列作為光源102時，圖案生成器104的作用是將光源102的二維陣列圖案成倍復制，并且復制后的多個二維陣列圖案以相鄰、部分重疊等方式向外發射。例如光源102發出50個光束，圖案生成器104擴束的倍數為100倍，則通過圖案生成器104向外發射的光束為5000個。經過圖案生成器104擴束后的光束照射到物體上后將在物體上形成多個斑點，斑點的形狀由光源102的二維排列形狀以及圖案生成器104的擴束結果決定。該斑點的光學信息被采集模組采集后由處理器進行深度分析，形成物體的深度圖像。

本發明實施例的投影模組采用內部支架105承載透鏡103，采用外部支架106承載圖案生成器104，內部支架105和外部支架106是彼此獨立的結構，而不是一體成型，這樣，透鏡103的安裝和圖案生成器104的安裝可分別進行，而后再進行組裝，不受空間限制，不會相互制約，光源102、透鏡103和圖案生成器104的相對位置容易調整，安裝精度易于控制，安裝效率高，利于深度相機的小型化；并且可以避免安裝過程中灰塵、碎屑等異物掉落，保證透鏡103的性能。

在本發明實施例中，光源102可以是可見光、不可見光如紅外、紫外等激光光源。光源102的類型可以采用邊發射激光器，也可以采用垂直腔面激光發射器陣列，為了縮小投影模組的體積，本實施例優選采用后者。垂直腔面激光發射器陣列包括晶圓基底，以及形成于晶圓基底上的激光發射單元，該晶圓基底同時作為底座101使用，晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，其形狀為圓形，因此稱之為晶圓。這種光源102是在半導體基底(晶圓)表面直接制作多個垂直腔面激光發射器陣列。垂直腔面激光發射器陣列是以二維圖案排列的二維光源，整體大小僅在微米量級，每個垂直腔面激光發射器陣列都包含多個子光源102。例如，一個垂直腔面激光發射器陣列的尺寸約5mm*5mm，包含幾十個甚至上百個光源，各個光源之間的距離處于微米量級，比如10μm。另外，本實施例中的垂直腔面激光發射器陣列的多個子光源形成的二維圖案是一種不規則圖案，不規則排列的好處在于提高散斑圖案的不相關性，即避免規則行列排布的光源102發出的光發生干擾進而無法用于深度成像。

作為另一種底座101結構，其也可以采用電路板，具有電連接作用，光源102設置于底座101上，通過底座101的電路實現明滅控制。進一步地，底座101也可以采用金屬散熱底板，便于將光源102產生的熱量及時導出。當然，更優選的是，底座101是具有散熱功能的電路板，例如在電路板上直接設置散熱件，光源102置于電路板上，同時解決電連接與散熱的問題。

在本實施例中，底座101最好具有一定強度以同時承載光源102、內部支架105和外部支架106。即，作為本發明實施例的一種優選方式，內部支架105和外部支架106的端部均連接至底座101，外部支架106套設于內部支架105外側，為了進一步加強連接穩定性，可以在底座101上設置定位柱或者定位孔，相應地，在內部支架105和外部支架106的端部設置定位孔或者定位柱，通過定位孔和定位柱的插接增強其穩定性。當然還可以通過螺孔和螺柱配合連接、粘接、焊接等，或者兩種連接方式配合等。內部支架105也可以和外部支架106之間預先連接，再一并安裝到底座101上。

在這種結構中，內部支架105會接受大量的光照進而發熱，因此優選采用金屬散熱材料制作，外部支架106可采用塑膠材料，或者同樣采用金屬材料，但這樣會略增加重量。

參考圖2，作為內部支架105和外部支架106的另一種固定方式，內部支架105靠近光源102的一端可以縮于外部支架106內部，而不直接與底座101連接，內部支架105的外周壁與外部支架106的內周壁相連接，具體可以是膠水粘接、焊接、卡接等，外部支架106的端部與底座101連接。這樣可以先將外部支架106套設于內部支架105的外部，再將外部支架106安裝在底座101上，這種內部支架105不與底座101相連，因此高度可做的更小，能夠固定透鏡103并便于安裝即可。對于這種結構，當內部支架105較短時，內部支架105和外部支架106均會匯集大量光能而發熱，因此內部支架105和外部支架106均優選為金屬散熱材質制作。將內部支架105和外部支架106連接的介質也優選為散熱性好的材料。

在本實施例中，透鏡103可以是單透鏡103也可以是透鏡組合，甚至可以是微透鏡陣列。透鏡103通常為圓形，因此內部支架105通常為圓柱形。外部支架106的形狀與圖案生成器104的形狀適應，圖案生成器104為圓形時，外部支架106為圓柱形，圖案生成器104為方形時，外部支架106為方形。

參考圖3，本發明實施例進一步提供一種投影模組的制造方法，包括下述步驟：

在步驟s11中，提供底座，并在底座上設置光源以發射光束；

在步驟s21中，將透鏡安裝在內部支架上以準直光束；

在步驟s31中，將圖案生成器安裝在外部支架上以形成結構光圖案；

在步驟s41中，將內部支架及外部支架安裝在底座上。

具體地，作為步驟s11的一種實現方式，在底座上設置光源以發射光束的步驟可以這樣進行：先在晶圓基底上生成多個垂直腔面激光發射器陣列；然后切割晶圓基底，獲得多個獨立的垂直腔面激光發射器陣列；其中，晶圓基底同時用作底座。

作為步驟s11的另一種實現方式，可以在金屬散熱板或者電路板上安裝光源，此時金屬散熱板或者電路板作為底座。

進一步參考圖4，在進行步驟s11后，進行步驟s12，即：光源檢測及安裝了光源的底座檢測。具體而言，光源檢測主要包括壞點檢測、功率檢測等；對底座的檢測內容包括但不限于光源安裝的精度是否達標、光源光軸是否與底座垂直等。對于垂直腔面激光發射器陣列，光源直接生成于半導體底座上，光源及底座的檢測過程可以是在晶圓切割前或切割后進行；在一些實施例中，還需要對切割后的光源進行封裝。對于普通光源，可先提供光源并進行光源檢測，再進行光源安裝及底座檢測。

作為步驟s21的一種實現方式，將透鏡安裝在內部支架上一般采用膠水連接，也可以為其他任何固定方式。在進行步驟s21后，進行步驟s22，透鏡檢測。對透鏡的檢測包括對透鏡的外觀、性能等檢測。

在步驟s31中，圖案生成器的安裝方式可以為膠水、螺紋、焊接等連接方式，具體可以在圖案生成器的周圍設置連接部，采用膠水連接、螺紋連接、焊接等方式將連接部與外部支架連接。

在步驟s41中，將內部支架及外部支架安裝在底座上的步驟可以這樣進行：先將內部支架安裝在底座上，而后進行調焦測試，再將外部支架自內部支架外側套接并安裝在底座上，內部支架與底座之間的連接可以為膠水連接、螺紋連接、定位柱連接等，外部支架與底座的連接也可以采用上述方式。也可采用另一種連接方式，先將內部支架套接在外部支架內側并固定，這時內部支架縮于外部支架內部，再將外部支架攜帶著內部支架安裝在底座上，再進行調焦測試。

對于調焦，可以有如下兩種方式：第一種，在內部支架與底座安裝過程中不斷調整同時進行調焦測試，直到達到準直效果最佳時停止對內部支架與底座的調整。第二種，透鏡與內部支架的連接為可調整連接，比如螺紋連接，此時在調焦過程中通過對透鏡的位置調整以達到最佳的準直效果。

進一步地，在進行步驟s41后，進行步驟s42，投影模組整體檢測。測試內容包括投影模組所發射的結構光光軸是否與底座垂直、結構光圖案是否滿足要求等。

在本實施例中，s11～s31的順序可以靈活改變，光源、透鏡的安裝和測試以及圖像生成器的安裝可同時進行，以提高效率。

基于上述投影模組，本發明進一步提供一種深度相機，參考圖5，作為深度相機的第一種實施例：

該深度相機包括上述的投影模組10a，其結構和工作原理不再贅述，還包括采集模組20a和與投影模組10a和采集模組20a連接的處理器30a，投影模組10a用于發射結構光圖案；采集模組20a用于采集結構光圖案被目標物體調制后的光學信息；處理器30a用于根據光學信息進行深度計算后獲取反映目標物體的深度圖像。

進一步地，處理器30a可以集成在一個主板40a上，投影模組10a和采集模組20a分別設有與主板40a連接的接口50a，接口50a可以為fpc接口。主板40a一般指電路板，比如pcb，也可以是其他支架，用于連接及固定各模組以及提供電路連接的板體均可。

在本實施例中，還可以增設rgb相機60a，用于獲取目標物體的彩色圖像。投影模組10a、采集模組20a以及rgb相機60a安裝在同一個深度相機平面上，且處于同一條基線上，這樣設計以便于后期深度圖像與彩色圖像之間的配準。投影模組10a、采集模組20a以及rgb相機60a分別對應一個通光窗口70a。

作為一種實施例，光源為紅外激光光源，結構光圖案為紅外激光散斑圖案，圖案呈顆粒分布，相對均勻但具有很高的局部不相關性，該局部不相關性指圖案中各個子區域都具有較高的唯一性，以免結構光發生相互干擾。相應地，采集模組20a為與投影模組10a對應的紅外相機，一般包括一成像透鏡以及用于接收成像光束的傳感器。處理器30a接收到由采集模組20a采集到的散斑圖案后，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。在其他實施例中，還可以利用可見光或紫外光進行深度成像，本發明不進行限制。

在本實施例中，投影模組10a、采集模組20a、處理器30a、主板40a及rgb相機60a由一殼體80a包封，相應的通光窗口70a設置在殼體80a上。

作為本發明的一種改進，還提供了另一種深度相機，參考圖6，作為深度相機的第二種實施例：

提供一種深度相機(為了區分上述第一種實施例的深度相機，此處可稱之為“結構光深度相機”)，包括投影模組10b，采集模組20b，與投影模組10b和采集模組20b連接的處理器30b，以及相機底座。投影模組10b、采集模組20b、處理器30b均安裝于相機底座40b上。投影模組10b用于發射結構光圖案；采集模組20b用于采集結構光圖案被目標物體調制后的光學信息；處理器30b用于根據光學信息進行深度計算后獲取反映目標物體的深度圖像。其中，投影模組10b至少包括：用于發射光束的光源102b；設置于光源102b的發射光路上的第一透鏡103b，其由第一內部支架105b支撐，用于準直光束；設置于第一透鏡103b的出射光路上的圖案生成器104b，用于將光束進行分束以形成結構光圖案。采集模組20b至少包括：第二透鏡203b，其由第二內部支架205b支撐，用于收集結構光圖案經被目標物體調制后的光學信息，還應包括用于采集光束的傳感器。上述投影模組10b、采集模組20b、處理器30b均設置在一個外部支架106b內部，也即，第一內部支架105b和第二內部支架205b外側設置了外部支架106b，該外部支架106b同樣安裝于相機底座40b上。投影模組10b的圖案生成器104b設置于該外部支架106b上。該外部支架106b和第一內部支架105b及第二內部支架205b是彼此獨立而非一體成型的結構。

可見，該第二實施例中的外部支架106b與第一實施例中的外部支架106b不同的是，其不僅僅用于承載圖案生成器104b，還將采集模組20b及處理器30b收容其中，且投影模組10b、采集模組20b及處理器30b設置于同一個相機底座40b上，使整個結構光深度相機結構更加緊湊巧妙。另外，外部支架106b和第一內部支架105b及第二內部支架205b是彼此獨立而非一體成型的結構，第一透鏡103b、圖案生成器104b及第二透鏡203b的安裝均可分別進行，不會相互制約，進而，安裝精度易于控制，安裝效率高。

進一步地，外部支架106b的開口端設有封裝件50b，封裝件50b至少設有與第一透鏡103b對應的出射窗501b和與第二透鏡203b對應的入射窗502b，圖案生成器104b設置在該出射窗501b處。具體地，出射窗501b可以是敞口的窗口，圖案生成器104b直接設置在該敞口處；出射窗501b也可以是一透明窗，圖案生成器104b縮于該透明窗內側。入射窗502b優選為透明窗，第二透鏡203b縮于該透明窗內側。

進一步優選地，第一內部支架105b、第二內部支架205b、光源102b、處理器30b均安裝于相機底座40b上，以簡化結構，利于相機的小型化。

進一步地，該結構光深度相機的投影模組10b可以具有上述第一種實施例提供的投影模組10a的其他相應結構和光學性質，采集模組20b和處理器30b與上述第一實施例中的采集模組20a和處理器30a相同，此處不重復說明。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。