本實(shí)用新型涉及光學(xué)及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)投影裝置及應(yīng)用其的深度相機(jī)。

背景技術(shù)：

深度相機(jī)可以獲取目標(biāo)的深度信息借此實(shí)現(xiàn)3D掃描、場(chǎng)景建模、手勢(shì)交互，與目前被廣泛使用的RGB相機(jī)相比，深度相機(jī)正逐步受到各行各業(yè)的重視。例如利用深度相機(jī)與電視、電腦等結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)體感游戲以達(dá)到游戲健身二合一的效果，微軟的KINECT、奧比中光的ASTRA是其中的代表。另外，谷歌的tango項(xiàng)目致力于將深度相機(jī)帶入移動(dòng)設(shè)備，如平板、手機(jī)，以此帶來(lái)完全顛覆的使用體驗(yàn)，比如可以實(shí)現(xiàn)非常真實(shí)的AR游戲體驗(yàn)，可以使用其進(jìn)行室內(nèi)地圖創(chuàng)建、導(dǎo)航等功能。

深度相機(jī)中的核心部件是光學(xué)投影裝置，隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，光學(xué)投影裝置將向越來(lái)越小的體積以及越來(lái)越高的性能不斷進(jìn)化。一般地，光學(xué)投影裝置由電路板、光源等部件組成，目前晶圓級(jí)大小的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列光源使得光學(xué)投影裝置的體積可以減小到被嵌入到手機(jī)等微型電子設(shè)備中?，F(xiàn)有技術(shù)中，可以將VSCEL制作在半導(dǎo)體襯底上，并將半導(dǎo)體襯底與柔性電路板(FPC)進(jìn)行連接，為了解決散熱問題，還引入了半導(dǎo)體致冷器(TEC)。TEC可以很好的對(duì)光源發(fā)熱進(jìn)行控制，但由于本身的功耗較高，且占用較大的體積，使得這種形式的光學(xué)投影裝置的體積以及功耗仍不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為解決提供現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)投影裝置體積與散熱效果二者不能兼得的問題，提供一種光學(xué)投影裝置及應(yīng)用其的深度相機(jī)。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種光學(xué)投影裝置，其特征在于，包括：

底座，所述底座具有散熱性能；

光發(fā)射芯片，所述光發(fā)射芯片安裝在所述底座上與所述底座電性連接并用于發(fā)射第一光束；

光束生成器，所述光束生成器安裝在所述底座上并用于接收所述第一光束并向外投射出第二光束。

優(yōu)選地，所述底座包括：

加強(qiáng)底板，所述加強(qiáng)底板具有導(dǎo)熱和支撐功能；

電路板，所述電路板與所述加強(qiáng)底板連接；

優(yōu)選地，所述光發(fā)射芯片為VCSEL芯片，所述VCSEL芯片包括：

半導(dǎo)體襯底；

至少二個(gè)VCSEL光源排列在半導(dǎo)體襯底上；

所述VCSEL芯片發(fā)射的所述第一光束與所述VCSEL光源排列的樣式一致。

優(yōu)選地，所述光束生成器包括：

鏡座，所述鏡座安裝在所述底座上；

透鏡，所述透鏡安裝在所述鏡座上用于準(zhǔn)直所述第一光束；

衍射光學(xué)元件，所述衍射光學(xué)元件安裝在所述鏡座上用于接收經(jīng)所述透鏡準(zhǔn)直后的所述第一光束并向外投射出所述第二光束。

優(yōu)選地，所述光束生成器包括：

鏡座，所述鏡座安裝在所述底座上；

擴(kuò)散器，所述擴(kuò)散器安裝在所述鏡座上用于將所述第一光束擴(kuò)散后向外投射出所述第二光束。

優(yōu)選地，所述加強(qiáng)底板為具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性質(zhì)的硬質(zhì)底板或具有導(dǎo)熱性質(zhì)的硬質(zhì)底板。

優(yōu)選地，所述電路板中間有孔洞，所述光發(fā)射芯片的大小小于所述孔洞的大??；所述光發(fā)射芯片置于所述孔洞中且底部與所述加強(qiáng)底板導(dǎo)熱連接；所述光發(fā)射芯片的兩個(gè)電極分別與所述電路板及所述加強(qiáng)底板導(dǎo)電連接，所述加強(qiáng)底板與所述電路板導(dǎo)電連接；或所述光發(fā)射芯片的兩個(gè)電極與電路板導(dǎo)電連接。

優(yōu)選地，所述電路板為印制電路板、柔性電路板、軟硬結(jié)合板中的一種或結(jié)合。

優(yōu)選地，所述電路板上設(shè)有多個(gè)焊盤，所述焊盤與所述底座或/和所述光發(fā)射芯片導(dǎo)電連接。

優(yōu)選地，所述鏡座包括上、下鏡座，所述下鏡座安裝在所述底座上，所述上鏡座中固定了所述透鏡與所述衍射光學(xué)元件且與下鏡座連接，所述連接可以用來(lái)調(diào)整所述光束生成器與所述光發(fā)射芯片之間的距離。

優(yōu)選地，所述鏡座包括上、下鏡座，其中所述下鏡座安裝在所述底座上，所述上鏡座中固定了所述擴(kuò)散器且與下鏡座連接，所述連接可以用來(lái)調(diào)整所述光束生成器與所述光發(fā)射芯片之間的距離。

優(yōu)選地，所述透鏡為微透鏡陣列，與所述衍射光學(xué)元件被設(shè)計(jì)成單個(gè)光學(xué)元件。

優(yōu)選地，所述深度相機(jī)用于獲取被測(cè)目標(biāo)的深度圖像。

本實(shí)用新型的有益效果在于提供了一種光學(xué)投影裝置及應(yīng)用其的深度相機(jī)，光學(xué)投影裝置包括具有散熱性能的底座、光發(fā)射芯片和光束生成器，使光學(xué)投影裝置具有體積小、散熱性能高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠做為深度相機(jī)的一部分被集成到微型計(jì)算設(shè)備中。

【附圖說(shuō)明】

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的TOF深度相機(jī)系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置的側(cè)視圖。

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的垂直腔面激光發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例的VCSEL芯片主視圖。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置底座示意圖。

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置底座的主視圖。

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置底座的俯視圖,其中圖8-a是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置底座的加強(qiáng)底板為導(dǎo)熱導(dǎo)電性質(zhì)的硬質(zhì)底板的底座俯視圖，圖8-b是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置底座的加強(qiáng)底板為導(dǎo)熱性質(zhì)的硬質(zhì)底板的底座俯視圖。

圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例的光學(xué)投影裝置的示意圖。

其中，1-處理器，2-主板，3-光學(xué)投影裝置，4-圖像采集裝置，5-接口，6-RGB相機(jī)，7-進(jìn)光窗口，8-光束接收裝置，9-光脈沖，10-底座，11-光源，13-上鏡座，14-下鏡座，15-透鏡，16-衍射光學(xué)元件(DOE)，17-底部電極，18-半導(dǎo)體襯底，19-P型半導(dǎo)體反射鏡，20-有源層，21-限制層，22-N型,23-頂部電極，24-VCSEL光源，25-VCSEL陣列芯片，26-電路板，27-加強(qiáng)底板，28-焊盤，29-金線。

【具體實(shí)施方式】

本實(shí)用新型提出一種光學(xué)投影裝置及應(yīng)用其的深度相機(jī)。以下對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實(shí)用新型的范圍及其應(yīng)用。實(shí)施例中將對(duì)光學(xué)投影裝置應(yīng)用其的深度相機(jī)進(jìn)行說(shuō)明，但并不意味著這種光學(xué)投影裝置僅能應(yīng)用在深度相機(jī)中，任何其他裝置中凡是直接或間接利用該方案都應(yīng)被包含在本實(shí)用新型的權(quán)利要求中。

實(shí)施例1

如圖1所示的基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)側(cè)面示意圖?；诮Y(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)主要組成部件有光學(xué)投影裝置3、圖像采集裝置4、主板2以及處理器1，在一些深度相機(jī)中還配備了RGB相機(jī)6。光學(xué)投影裝置3、圖像采集裝置4以及RGB相機(jī)6一般被安裝在同一個(gè)深度相機(jī)平面上，且處于同一條基線，每個(gè)裝置或相機(jī)都對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)光窗口108。一般地，處理器1被集成在主板2上，而光學(xué)投影裝置3與圖像采集模型4通過接口5與主板連接，在一種實(shí)施例中所述的接口為FPC接口。其中，光學(xué)投影裝置3用于向目標(biāo)空間中投射經(jīng)編碼的結(jié)構(gòu)光圖案，圖像采集裝置采集到該結(jié)構(gòu)光圖像后通過處理器的處理從而得到目標(biāo)空間的深度圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)光圖像為紅外激光散斑圖案，圖案具有顆粒分布相對(duì)均勻但具有很高的局部不相關(guān)性，這里的局部不相關(guān)性指的是圖案中各個(gè)子區(qū)域都具有較高的唯一性。對(duì)應(yīng)的圖像采集裝置4為與光學(xué)投影裝置3對(duì)應(yīng)的紅外相機(jī)。利用處理器獲取深度圖像具體地指接收到由圖像采集裝置采集到的散斑圖案后，通過計(jì)算散斑圖案與參考散斑圖案之間的偏離值來(lái)進(jìn)一步得到深度圖像。

實(shí)施例2

如圖2所示的是基于時(shí)間飛行原理(TOF)的深度相機(jī)側(cè)面示意圖?；跁r(shí)間飛行原理(TOF)的深度相機(jī)的主要組成部分也是光學(xué)投影裝置3`與光束接收裝置8，另外也包括主板2、處理器1、RGB相機(jī)6。光學(xué)投影裝置3、圖像采集裝置4以及RGB相機(jī)6一般被安裝在同一個(gè)深度相機(jī)平面上，且處于同一條基線，與主板之間的連接可以選取FPC連接5，每個(gè)裝置或相機(jī)都對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)光窗口7。與結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)不同的是其光學(xué)投影裝置3`用于發(fā)射記時(shí)的光脈沖9，光束接收裝置8采集到該光脈沖9后就可以得到光在空間中的飛行時(shí)間，再利用處理器計(jì)算出對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)的距離。

盡管實(shí)施例2與實(shí)施例1中深度相機(jī)的組成結(jié)構(gòu)相似，但由于原理不同，因而各個(gè)部件的具體結(jié)構(gòu)也會(huì)有區(qū)別。本實(shí)用新型主要關(guān)注光學(xué)投影裝置，結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)的光學(xué)投影裝置向目標(biāo)空間發(fā)射經(jīng)編碼的結(jié)構(gòu)光圖案，而TOF深度相機(jī)的光學(xué)投影裝置則是向目標(biāo)空間發(fā)射光脈沖，因而其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有區(qū)別。

相同的地方在于光源，在一些實(shí)施例中，兩種相機(jī)都采用紅外激光做為其光源。目前單一的深度相機(jī)由于體積較大，大都是作為獨(dú)立的外設(shè)，通過USB等數(shù)據(jù)接口與其他設(shè)備如電腦、手機(jī)等連接，并將其獲取的深度等信息傳輸給其他設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的處理。隨著深度相機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將深度相機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行集成、整合將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展方向。在主板與處理器的集成方面可以將深度相機(jī)的主板、處理器與電腦手機(jī)等設(shè)備的主板、處理器進(jìn)行整合；在采集相機(jī)與激光投影裝置的集成方面，目前電腦等大型設(shè)備都有相關(guān)的方案，然而對(duì)于手機(jī)等微型設(shè)備，只有體積小的激光投影裝置才能滿足要求，目前能滿足這些要求的較佳的方案是采用VCSEL陣列激光器。另一方面，由于激光投影的功耗較大、發(fā)熱較多，因此擁有較高的散熱性也是光學(xué)投影裝置的必要性能。

實(shí)施例3

圖3是實(shí)施例1中光學(xué)投影裝置的一種實(shí)施例。投影裝置包括底座10、光源11、上下鏡座13與14、透鏡15以及衍射光學(xué)元件(DOE)16。透鏡15與DOE16共同構(gòu)成了光束生成器，光源11發(fā)出的第一光束經(jīng)透鏡15準(zhǔn)直后由DOE16向空間以第二光束發(fā)射。一般地透鏡15位于光源11以及衍射光學(xué)元件16之間，透鏡15與光源11之間的距離最好等于透鏡的焦距。在其它實(shí)施例中透鏡15與DOE16也可以整合成一個(gè)光學(xué)元件。上下鏡座之間可以通過螺紋連接也可以直接接觸連接，前種方式便于調(diào)整焦距，而后種方式調(diào)節(jié)較為麻煩，但是除了可以調(diào)節(jié)焦距外還可以調(diào)節(jié)光軸。底座10一方面要求具有足夠的硬度來(lái)支撐光源，另一方面還需要有較高的散熱性。

在一些實(shí)施例中，圖3所示的也可以是實(shí)施例2中TOF深度相機(jī)的激光投影裝置。與實(shí)施例1中激光投影裝置不同的是，透鏡15以及衍射光學(xué)元件(DOE)16指的是起擴(kuò)散作用的光學(xué)元件組合，這里也可以僅有一個(gè)光學(xué)元件，也可以由3個(gè)或以上的光學(xué)元件組成。

光學(xué)投影裝置的體積影響整個(gè)深度相機(jī)的大小，而其中光源11與底座10的大小則是影響激光投影裝置體積的重要因素。

實(shí)施例4

如圖4所示的是單個(gè)VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。在光源的選擇中，垂直腔面激光發(fā)射器(VCSEL)擁有體積小、光源發(fā)射角小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)可以用來(lái)作為投影裝置的光源以減小整體的體積。一般地，VCSEL的有源層20在中間，與有源層連接的是限制層21，限制層的作用是用來(lái)控制光場(chǎng)和電流以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光形狀等的控制，有源層兩端還有P型與N型的半導(dǎo)體反射鏡19與22，反射鏡22的另一側(cè)是頂部電極23(P極、正極)，反射鏡19的一側(cè)分別是半導(dǎo)體襯底18以及底部電極17(N極、負(fù)極)。

圖5所示的是VCSEL陣列示意圖。當(dāng)單個(gè)VCSEL光源的功率等達(dá)不到應(yīng)用要求時(shí)，通過將多個(gè)VCSEL24以陣列的形式布置在同一個(gè)半導(dǎo)體襯底18上可以提高光源功率，另外在同一個(gè)半導(dǎo)體襯底上同時(shí)制造多個(gè)VCSEL光源也可以大幅提高制造效率。VCSEL陣列芯片25目前可以達(dá)到晶圓級(jí)的尺度，即可以在1mm²的芯片上布置成百上千個(gè)VCSEL光源。對(duì)光源的控制可以有不同的模式，在一種實(shí)施例中，芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打開與關(guān)閉；在另一種實(shí)施例中，芯片上的VCSEL被獨(dú)立或分組控制以產(chǎn)生不同的光照密度。VCSEL24的形式及排列按照具體的應(yīng)用需求可以有多種，比如均勻規(guī)則地排列或者以一定的不相關(guān)圖案進(jìn)行不規(guī)則排列。單個(gè)VCSEL的形狀、面積也可以不相同。形式上的不規(guī)則化會(huì)帶來(lái)制造效率的降低。

在一些實(shí)施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以進(jìn)行封裝，類似于電腦的CPU等芯片，將正負(fù)極通過連接到引腳在同一側(cè)與外界連接。針對(duì)本實(shí)用新型所述的深度相機(jī)實(shí)施例而言，由于要求體積小，因而較佳的處理方式是直接將未封裝的VCSEL半導(dǎo)體切片芯片置于底座10上。芯片的底部與負(fù)極相連，頂部與正極相連。在以下說(shuō)明中將以VCSEL切片芯片為例進(jìn)行說(shuō)明，但應(yīng)理解的是封裝芯片也包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。

與邊發(fā)射激光器相比，VCSEL芯片擁有更小的體積以及更高的光發(fā)射功率，另外VCSEL芯片在發(fā)光時(shí)隨溫度的影響也更小。在一個(gè)實(shí)施例中，將VCSEL芯片作為結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)中激光投影裝置的光源11，發(fā)出的第一光束圖案與VCSEL芯片上VCSEL光源布置的圖案一致，當(dāng)?shù)谝还馐煌哥R15準(zhǔn)直后由DOE16向空間中發(fā)射出第二光束，一般地第二光束的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于第一光束的數(shù)量，另外第二光束所形成的圖案應(yīng)該是第一光束圖案的復(fù)合，具體的細(xì)節(jié)可以參見中國(guó)專利申請(qǐng)201610977171.9及201610977172.3。

實(shí)施例5

如圖3所示，芯片都需要有承載和連接機(jī)構(gòu)，以保證芯片的正常功能。例如電腦CPU有為其獨(dú)立設(shè)計(jì)的卡套式連接與固定機(jī)構(gòu)；對(duì)于一些發(fā)熱量不大的專用芯片，會(huì)直接通過引腳與主板進(jìn)行直接相連；而對(duì)于本實(shí)用新型所述的芯片為VCSEL陣列芯片，由于是用來(lái)發(fā)射光束，需要較大的功率，發(fā)熱量較大，另外還需要被集成到體積較小的微型設(shè)備中，散熱問題需要解決；另一方面，對(duì)于光學(xué)投影裝置，底座10還需要承載含有光學(xué)元件的鏡座14、13，因而要求底座還要有足夠的強(qiáng)度，以確保有穩(wěn)定的光發(fā)射輸出。因此，底座就要求即擁有小的體積以便于集成，又需要有較好的散熱性能以及穩(wěn)固的連接。

如圖6所示，在一種實(shí)施例中，圖3中的底座10被設(shè)置成如圖6所示的芯片嵌入裝置，包括電路板26以及加強(qiáng)底板27，二者結(jié)合在一起。電路板26通過其接口5接入電極以供電或控制VCSEL芯片25。27為加強(qiáng)底板，用于放置VCSEL芯片，并且與VCSEL芯片連接起到散熱或電極連接的作用，常用的材料為銅鍍金、陶瓷等。該裝置可以方便地與其他控制單元如主板進(jìn)行連接，且可以穩(wěn)定地支撐芯片。

一種實(shí)施例中，為了減小整體的體積，采取的是在電路板26中間增加孔洞的形式，加強(qiáng)底板27與電路板26膠接，并且覆蓋了孔洞(一般地，孔洞中心與電路板602中間重合)，然后將芯片置于孔洞中且與基底連接。這種設(shè)置的好處在于可以同時(shí)兼顧電路板與芯片之間的連接以及整體厚度的控制。

在一種實(shí)施例中，電路板26為柔性電路板(FPC)，加強(qiáng)底板27為銅鍍金材料，VCSEL芯片位于孔洞中心，且通過導(dǎo)電銀漿與加強(qiáng)底板27連接，加強(qiáng)底板27與電路板26膠接。在FPC的孔洞周圍布置了一些焊盤，焊盤通過線路與接口5連接。

如圖7所示的實(shí)施例中的焊盤28，正極焊盤通過金線29與VCSEL芯片頂端電極連接，負(fù)極焊盤直接與加強(qiáng)底板27連接，由于加強(qiáng)底板27與芯片的底部電極通過導(dǎo)電銀漿相連，因而也就實(shí)現(xiàn)了焊盤與底部電極的間接連接。另外，由于VCSEL芯片25與加強(qiáng)底板27連接，且加強(qiáng)底板27具有很好的導(dǎo)熱性，因此VCSEL芯片25的散熱問題也得到了解決。

在一種實(shí)施例中，電路板26與加強(qiáng)底板27之間通過物理連接，比如螺栓等。若利用膠水連接，優(yōu)點(diǎn)在于不占用空間，操作便捷，但缺點(diǎn)是由于膠水的電阻較大，因而不利于散熱，會(huì)增加功耗。具體的連接方式在此不做限定。

在一種實(shí)施例中，電路板26為印制電路板(PCB)或者軟硬結(jié)合板，與FPC相比，PCB硬度高，承載性能較好，但是連接則較為困難。因此，在一種實(shí)施例中，采用了二者結(jié)合的方式，即接口所在部位用FPC，而在與基底連接的部位采用軟硬結(jié)合板。

如圖8‐a所示，電路板26通過金線29分別與芯片25以及加強(qiáng)底板27連接。一般地，電路板的孔洞大小應(yīng)大于芯片25的大小，一方面便于安裝以及為金線29與加強(qiáng)底板27的連接留出操作空隙，另一方面進(jìn)一步提高了加強(qiáng)底板27的散熱性能?？锥吹男螤钜话銥閳A形或方形，在此不做限定。

在一種實(shí)施例中，連接用的金線也可以為其他任何可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接的材料。

如圖8‐b所示，為了進(jìn)一步地減小體積，可以在基底上為芯片開凹槽，這種方式可以進(jìn)一步減小整體的厚度。需要注意的是，當(dāng)基底本身厚度就較薄時(shí)不建議開凹槽，以避免當(dāng)芯片發(fā)熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致基底材料的變形。

在一種實(shí)施例中，基底也可以是其他導(dǎo)熱材料，比如陶瓷。此時(shí)，VCSEL芯片與基底僅導(dǎo)熱連接，與電路板的正、負(fù)極導(dǎo)電連接，連接方式可以采取任何其他可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接的方式，在此不做限定。

在一些實(shí)施例中，基底也可以被設(shè)計(jì)成適合散熱的形狀，比如增加扇葉等方式以增加散熱面積等。在與手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行集成過程中也可以將基底與其他散熱材料進(jìn)行連接以提升散熱性能。

實(shí)施例6

如圖9所示的是光學(xué)投影裝置的一種實(shí)施例，其中鏡座13、14直接與電路板26連接，電路板26與加強(qiáng)底板27連接，這種方式中的電路板26宜采用FPC與PCB結(jié)合的形式，其中與加強(qiáng)底板以及鏡座連接的部分采用PCB，則可以提高鏡座的穩(wěn)定性。在另一種實(shí)施例中，鏡座也可以全部或部分的直接與加強(qiáng)底板連接。