CN105319811B - 重叠图案投影仪 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及重叠图案投影仪。一种光电器件，包括：半导体衬底，以二维图案在衬底上排列的光学发射器阵列，投影透镜以及衍射光学元件。所述投影透镜安装在半导体衬底上并且配置以收集并聚焦由光学发射器发出的光，以便投影包含与衬底上的光学发射器的二维图案相对应的光图案的光束。所述衍射光学元件安装在衬底上并且配置以产生并投影图案的多个重叠复本。

Description

重叠图案投影仪
技术领域
本发明一般涉及光学投影，并且尤其涉及集成光学投影仪。
背景技术
微型光学投影仪在各种应用中使用。例如，为了3D映射(也称为深度映射)，这种投影仪可以用来将编码或结构化的光图案投射到物体上。在这一点上，美国专利8,150,142，其公开内容在此包含作为参考，描述了一种用于映射物体的装置。该装置包括照明组件，其包括包含固定点图案的单个透明片(transparency)。光源使用光学辐射透照该单个透明片以便将图案投影到物体上。图像捕捉组件捕捉投影到物体上的图案的图像，并且处理器处理图像以便重建物体的三维(3D)映像。
PCT国际公开WO 2008/120217，其公开内容在此包含作为参考，描述了在上述美国专利8,150,142中示出的多种种类的照明组件的更多方面。在一种实施方案中，透明片包括以非均匀图案排列的微透镜阵列。微透镜产生被投影到物体上的相应焦点图案。
美国专利8,749,796，其公开内容在此包含作为参考，描述了集成图案发生器，其中激光二极管(例如VCSEL)以并不是规则格子的图案排列。光学器件可以结合以将由激光二极管阵列的元件发出的光图案投影到空间中作为相应点的图案，其中每个点包含由阵列中相应的激光二极管发出的光。在一些实施方案中，衍射光学元件(DOE)产生在扩展的角度范围上扇形展开的图案的多个复本。
发明内容
在这里描述的本发明的实施方案提供一种光电器件，包括：半导体衬底，以二维图案在衬底上排列的光学发射器阵列，投影透镜以及衍射光学元件(DOE)。所述投影透镜安装在半导体衬底上并且被配置以收集并聚焦由光学发射器发出的光，以便在衬底上投影包含与光学发射器的二维图案相对应的光图案的光束。所述衍射光学元件安装在衬底上并且被配置以产生并投影图案的多个重叠复本。
在一些实施方案中，所述图案具有给定间距，并且所述多个重叠复本具有比给定间距更精细的组合间距。在一种实施方案中，所述光学发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件。在公开的实施方案中，所述衍射光学元件被配置以产生所述多个复本以便在一维上重叠。在可供选择的实施方案中，所述衍射光学元件被配置以产生所述多个复本以便在二维上重叠。
在一种实施方案中，所述发光元件的二维图案不位于规则格子上。在另一种实施方案中，所述发光元件的二维图案是不相关图案。在又一种实施方案中，所述发光元件的二维图案是规则网格图案。在再一种实施方案中，所述投影透镜和所述衍射光学元件形成在单个光学衬底上。
在一些实施方案中，所述发光元件的二维图案被分成可单独寻址的两个或更多个子集，并且所述光电器件包括控制电路，所述控制电路被配置以寻址所述子集的一个或多个的组合以便控制重叠复本用于产生多个不同的图案密度。在一些实施方案中，所述衍射光学元件被配置以在投影光束的相邻列中的复制之间产生横向偏移，以便减少基于测量投影光束中沿着列的横向位移的深度估计的模糊度。
根据本发明的一种实施方案，另外提供一种用于生产光电器件的方法。该方法包括：提供半导体衬底，以及在衬底上以二维图案形成光学发射器阵列。将投影透镜安装在半导体衬底上以便收集并聚焦由光学发射器发出的光，从而在衬底上投影包含与光学发射器的二维图案相对应的光图案的光束。将衍射光学元件(DOE)安装在衬底上以便产生并投影图案的多个重叠复本。
附图说明
本发明将从与附图一起进行的下面其实施方案的详述中更充分地理解，其中：
图1是根据本发明的一种实施方案的集成光学投影仪的原理图；
图2-5是根据本发明的实施方案的图解例示投影的重叠图案的图；
图6是根据本发明的一种实施方案的例示投影图案密度的动态控制的图；以及
图7和8是根据本发明的实施方案的例示具有减少模糊度的扇出级图案的图。
具体实施方式
概述
在下文描述的本发明的实施方案提供具有改进图案密度的光学投影仪以及相关方法。在一些实施方案中，光学投影仪包括光学发射器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，以及投影透镜。光学发射器与透镜结合产生具有一定间距或密度的光点图案。该间距受阵列中发射器之间的物理距离，以及投影透镜的焦距所限制。发射器之间的物理距离因实现原因而不能减小到某个最小距离之下。另一方面，增加透镜的焦距将增加投影仪的高度并减小它的景深。在这里描述的实施方案中，通过产生彼此重叠的图案的多个复本，投影仪能够实现更精细的间距，也就是高图案密度。
在一些实施方案中，投影仪进一步包括图案复制元件，例如由衍射光学元件(DOE)产生的扇出分束器。分束器产生并投影由VCSEL阵列和透镜产生的图案的多个复本。多个复本彼此重叠，使得作为结果的分离光点的组合图案具有比由光学发射器阵列和透镜单独获得的密度更大的密度。几个这种实现在这里描述。
在一些实施方案中，投影图案的密度由阵列中发射器的批量的可寻址操作动态地控制。其他公开的实施方案减轻深度估计的可能模糊度，其可能由复本的图案相似性引起。
公开的技术对于产生具有高角密度的光点图案非常有效。点之间的角距不再受阵列中发射器之间的物理距离与投影透镜的焦距的比例所约束。
系统描述
图1是根据本发明的一种实施方案，集成光学投影仪30的原理图。在典型的应用中，投影仪30产生并投影光点图案到物体或景物上，以便使得成像和处理系统(没有显示)能够分析投影的图案并估计物体或景物的三维(3-D)映像。3-D映像，也称作深度映像，可以用于各种目的，例如作为人机界面(MMI)的一部分用于用户手势识别。投影仪30可以集成到各种宿主系统，例如移动通信或计算设备中。
在图1的示例中，投影仪30包括半导体压模120，具有置于其上的光学发射器阵列。在这里描述的实施方案中，发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。但是，在可供选择的实施方案中，可以使用任何其他适当类型的激光二极管或其他光学发射器。VCSEL以某种几何布局，例如规则网格或不相关(例如准随机)布局构造在压模120上。这种几何图案的几个示例在下面进一步讨论。
在图1的实施方案中，压模120安装在次安装衬底132上，并且使用丝焊138电连接到衬底132。外部互连端子，例如阳极触点134和阴极触点136，形成在衬底132的相对表面上。投影透镜146安装在垫层142上，典型地使得压模120位于透镜的焦平面上。扇出衍射光学元件(FO-DOE)144使用薄的垫层148安装在投影透镜146上面。
投影透镜146收集并瞄准由压模120上的各个VCSEL发射的光。VCSEL和投影透镜的组合根据压模120上VCSEL的几何布局产生光点图案(例如网格或准随机)。特别是，投影图案的间距或密度，也就是光点之间的角距，由压模120上VCSEL之间的物理距离和投影透镜146的焦距确定。光点的该图案在这里称作基线图案。
DOE 144用作分束器，其产生并投影基线图案的多个复本到物体或景物上。多个复本相对于彼此有角度地偏移并且彼此重叠。作为结果的光点图案，其包括基线图案的多个复本的叠加，在这里称作合成图案。因为多个复本之间的重叠，合成图案的间距或密度比基线图案的高。而且，合成图案的间距或密度不再受VCSEL之间的物理距离以及受投影透镜的焦距所限制。
图1的顶部显示基线图案的三个复本的示例，它们之间具有50％的重叠，表示为152，154和156。如图中可以看到的，合成图案的间距是基线图案的间距(单个复本的间距)的两倍精细。图1的示例为了清晰而高度简化。几个实际生活的示例在下面的附图中描述。例如，图1显示一维的图案复本。在可供选择的实施方案中，DOE 144可以产生在二维上有角度地偏移并重叠的复本。
图1中投影仪30的结构是示例结构，其被选择仅仅为了概念清晰。在可供选择的实施方案中，可以使用任何其他适当的投影仪结构。FO DOE 144可以包括例如达曼光栅或类似元件，如美国专利申请公开2009/0185274中描述的，其公开内容在此包含作为参考。
在一些实施方案中，投影透镜146和DOE 144可以制造成单个一体化元件。进一步作为选择，透镜可以由一堆透镜构造，与照相机镜头类似。在本专利申请的上下文中以及在权利要求书中，透镜146和DOE 144共同地称作“光学器件”，其投影发射器阵列的2-D布局并产生基线图案的多个重叠复本。在可供选择的实施方案中，光学器件可以任何其他适当的方式实现。
投影重叠图案示例
图2-5是根据本发明的实施方案的图解例示重叠图案结构的图。在每个图中，左手边显示投影图案的单个复本158，光点显示为圆圈，透镜的中心使用十字标记，并且图案的周期(如果复制且没有重叠)由长方形框架标记。该布局也与基线图案相对应，其随后由FODOE 144复制。
每个图的中间显示由FO DOE 144执行的复制方案160，每个副本的中心位置由“x”标记。每个图的右手边显示从DOE 144投影的相对应的合成图案164。在图案164中，光点使用圆圈标记，每个副本的中心位置使用“x”标记，并且透镜中心使用十字标记。
为了便于比较，每个图中合成图案164的中心(对应于DOE 144的零级)使用长方形标记。如图中可以清楚看到的，复本重叠的图案164的区域中圆圈的密度(也就是，合成图案的密度)高于基线图案158中圆圈的密度。
在图2的示例中，VCSEL阵列120具有不相关的准随机布局。阵列被设计成具有阵列的物理最小距离限制，但是也考虑y轴上50％的重叠将仍然保留点之间的最小距离。FO DOE144执行3×5复制，也就是沿着一个轴复制基线图案三次(根据图的方向任意地称作水平的)，以及沿着正交的轴(称作垂直的)复制五次。在水平轴上，FO周期(结构160中标记“x”之间的距离)与基线图案158的宽度相同。在垂直轴上，FO周期是基线图案尺寸的一半。
在该示例中，可以看到，投影图案164的2/3包括密集图案，而在两个垂直端，图案是稀疏的，因为它没有重叠。在该简化示例中，稀疏图案占据相对大的图案部分，因为示例具有少数复本。在实际生活的投影仪中，复本的数量更大，因此总视野(FOV)中稀疏图案的部分更小。使用准随机布局，难以证明重叠效果以及增加密度相对于扩大重叠的潜能，因为这与图案设计非常相关。因此，下面的示例参考使用网格图案。
在图3的示例中，从VCSEL网格阵列中产生的图案158具有最小距离为d的45°规则网格。FO DOE 144执行3×5复制，具有如图2中相同的水平和垂直周期。在作为结果的合成图案164的中间，每单位面积的点数加倍，并且点之间的距离是
在图2和3中，相邻复本之间的重叠比是50％。但是，公开的技术并不局限于50％重叠，并且可以任何其他适当的(典型地更大的)重叠比使用。
在图4中，从VCSEL阵列中产生的图案158具有最小可用距离为d的六边形网格布局。FO DOE 144执行3×9复制，水平FO周期与基线图案的宽度相同且垂直FO周期等于图案高度的1/3。在该星座图中，重叠比是66.67％。结果，作为结果的合成图案164的中心具有每单位面积多三倍的点，并且点之间的距离是
在上面图2-4的示例中，FO DOE产生仅在一维(垂直维度)上重叠的复本。图5例示根据本发明的一种实施方案，在两个维度上引入重叠的可能性。在图5的示例中，基线图案158具有最小距离d的方格布局。FO DOE 144执行5×5复制，水平FO周期和垂直FO周期都等于几何图案角度的一半。在该结构中，重叠比沿着每个轴都是50％。作为结果的合成图案是每单位面积四倍多点且距离为d/2的方格。
图2-4的方案仅仅作为示例描述。在可供选择的实施方案中，投影仪30可以使用任何其他适当的VCSEL阵列布局，以及任何其他适当的FO结构来实现。
合成图案密度的动态控制
在一些场景下，期望对于合成图案中点的密度具有动态控制。在一些实施方案中，投影仪30能够通过将VCSEL阵列分成段，并且选择性地激活或禁止每个段来增加和减小点密度。
图6是根据本发明的一种实施方案的例示投影图案密度的动态控制的图。图的左手边显示产生上面图2的图案的VCSEL阵列120。但是，在该示例中，VCSEL阵列被分成两个段，表示为A和B。两个段由阵列中间的水平凹槽彼此隔离。
投影仪30包括控制电路(图中没有显示)，用于例如通过单独地应用或切断到每个段的电源供给，来单独地驱动每个段的VCSEL。这样，控制电路可以仅驱动段A(在该情况下，段A的VCSEL发光而段B的VCSEL是暗的)，仅驱动段B(在该情况下，段B的VCSEL发光而段A的VCSEL是暗的)，或者驱动两个段(也就是，两个段的VCSEL都发光)。
图6的右手边显示如对于图2所描述的，使用FO DOE通过复制产生的作为结果的图案(仅显示中心图案的区域)。因为FO周期是图案宽度的一半，它与通过仅操作阵列的一半而产生的图案的宽度相同。因此，复制匹配阵列的一半(图块之间没有间隙也没有重叠)。显示分别对应于上述三种模式(表示为“A”，“B”和“A+B”)的三个图案170A…170C。如图中可以看到的，点密度从一种模式到另一种模式而有所不同。因为VCSEL阵列的每个部分(A或B)的2-D图案配置具有不同的密度，图170A、170B、170C中所示的投影图案分别是稀疏的、中等的和密集的。
图6中所示VCSEL到段的划分是示例划分，其仅仅为了概念清晰而描述。在作为选择的实施方案中，VCSEL可以任何期望的方式被分成任何适当数量的段。例如，在两个轴上为50％重叠设计的阵列可以被分成四个象限。不同的段不需要一定包括相同数量的VCSEL或具有类似的形状。
当使用重叠点图案复本时减少深度估计的模糊度
如上所述，在一些实施方案中，由投影仪30投影的合成图案用于计算图案被投影于其上的景物或物体的3-D映像(“深度映像”)。深度可以从投影图案的捕捉图像来估计，通过在捕捉图像的每个点相对于已知的参考，测量图案的局部横向位移。每个点的深度坐标可以基于图案的局部横向位移由三角测量计算。横向位移典型地沿着某个核线估计。
但是，在上述实施方案中，合成图案由某个基线图案的多个位移复本构成。结果，“图块”图案以与FO周期相同的图块周期跨越FOV而复制。虽然合成图块图案自身内部设计为不相关，但是整个图块将与相邻图块高度相关。结果，横向位移不再是单一的，并且模糊度将在解中产生。在这种情况下，作为结果的深度估计将是错误的。如果必需的扫描范围在照相机与投影仪之间的核线方向上引起与合成图案中相邻复本之间的偏移相同数量级或大于它的横向位移，这种模糊度可能发生。
假设，不失一般性，核线(横向位移在其上测量)是图的水平轴。当仅使用垂直重叠时(例如图2-4中)，模糊距离(ambiguity range)由与基线图案宽度相同的FO水平周期定义。当垂直和水平重叠都使用时(例如图5中)，模糊距离是基线图案宽度的一半。通过扩大VCSEL阵列减小该模糊原则上是可能的，因为清晰的角度由VCSEL阵列120的尺寸和透镜146的焦距定义。但是，这种解决方案对于VCSEL阵列代价很高，增加光学器件的复杂度，且不总是可行的。
在一些实施方案中，设计FO DOE 144解决上述模糊度。代替具有FO衍射级Nx，Ny，DOE 144可以被设计成具有FO衍射级Nx，k·Ny，其中k＝2，3，…。该FO具有交错设计：每列仍然包括仅Ny级，但是它相对于相邻列横向偏移一级。这种设计产生平铺的合成图案，其中图块的每列相对于复本的相邻列以等于图块高度(垂直轴)的一小部分的偏移量横向偏移(沿着垂直轴)。作为复本之间该偏移的结果，清晰的深度测量的范围有效地增加了k因子。
图7和8是根据本发明的实施方案，显示具有减少模糊度的FO设计的示例的图。在两个图中，十字标记活动FO级的位置。FO都配置为9×9级(同时剩余级为零)，用于产生基线图案的9×9复制。十字也代表基线图案的复本的中心。
在图7中，k＝2，意味着两个级代表图块沿着垂直轴的角度尺寸(50％重叠的基线图案是FO周期的四倍)。该示例中相邻复本之间的横向偏移量是一个FO级，其是图块间垂直偏移量的一半。如图中可以看到的，水平轴上的重复周期现在是两个水平FO级。在图8中，k＝3，意味着三个级代表图块沿着垂直轴的角度尺寸(50％重叠的基线图案是FO周期的六倍)。在该示例中，相邻复本之间的横向偏移量是一个FO级，其是图块之间垂直偏移量的1/3。如图中可以看到的，水平轴上的重复周期现在是三个水平FO级。
图7和8中显示的交错FO设计是通过设计将不需要的FO级抑制为零的设计示例。这些示例仅仅为了概念清晰而描述。在作为选择的实施方案中，FO可以包括以任何期望的方式具有任何交错数量的任何级数。
因此应当理解，上述实施方案作为示例而引用，并且本发明并不局限于在上文特别显示和描述的内容。当然，本发明的范围包括在上文描述的各种特征的组合和子组合，以及当阅读前述描述时本领域技术人员将想到的并且在当前技术领域中没有公开的变化和修改。本专利申请中包含作为参考的文献将认为是申请的完整部分，除了任何术语以与本说明书中明确或含蓄进行的定义冲突的方式在这些包含的文献中定义的程度之外，应当仅考虑本说明书中的定义。

Claims (20)

1.一种光电器件，包括：
半导体衬底；
以二维图案在衬底上排列的光学发射器阵列；
投影透镜，所述投影透镜安装在半导体衬底上并且被配置以收集并聚焦由光学发射器发出的光，以便投影包含具有给定间距的基线光图案的光束，所述基线光图案与衬底上的光学发射器的二维图案相对应；以及
衍射光学元件，所述衍射光学元件安装在衬底上并且被配置以产生并投影具有比所述基线光图案的间距更精细的合成图案密度的基线光图案的多个重叠复本。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光学发射器包括垂直腔面发射激光器器件。
3.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述衍射光学元件被配置以产生所述多个复本以便在一维上重叠。
4.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述衍射光学元件被配置以产生所述多个复本以便在二维上重叠。
5.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光学发射器的二维图案不位于规则格子上。
6.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光学发射器的二维图案是不相关图案。
7.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光学发射器的二维图案是规则网格图案。
8.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述投影透镜和所述衍射光学元件形成在单个光学衬底上。
9.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光学发射器的二维图案被分成可单独寻址的两个或更多个子集，并且所述光电器件包括控制电路，所述控制电路被配置以寻址所述子集的一个或多个的组合以便控制重叠复本用于产生多个不同的图案密度。
10.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述衍射光学元件被配置以在投影光束的相邻列中的复制之间产生横向偏移，以便减少基于测量投影光束中沿着列的横向位移的深度估计的模糊度。
11.一种用于生产光电器件的方法，所述方法包括：
提供半导体衬底；
在衬底上以二维图案形成光学发射器阵列；
将投影透镜安装在半导体衬底上以便收集并聚焦由光学发射器发出的光，从而投影包含具有给定间距的基线光图案的光束，所述基线光图案与衬底上的光学发射器的二维图案相对应；以及
将衍射光学元件安装在衬底上以便产生并投影具有比所述基线光图案的间距更精细的合成图案密度的基线光图案的多个重叠复本。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学发射器包括垂直腔面发射激光器器件。
13.根据权利要求11所述的方法，其中由所述衍射光学元件产生的所述多个复本在一维上重叠。
14.根据权利要求11所述的方法，其中由所述衍射光学元件产生的所述多个复本在二维上重叠。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学发射器的二维图案不位于规则格子上。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学发射器的二维图案是不相关图案。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学发射器的二维图案是规则网格图案。
18.根据权利要求11所述的方法，其中安装投影透镜和衍射光学元件包括将所述投影透镜和所述衍射光学元件形成在单个光学衬底上。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学发射器的二维图案被分成可单独寻址的两个或更多个子集，并且所述方法包括提供控制电路，所述控制电路寻址所述子集的一个或多个的组合以便控制重叠复本用于产生多个不同的图案密度。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述衍射光学元件在投影光束的相邻列之间产生横向偏移，以便减少基于测量投影光束中沿着列的横向位移的深度估计的模糊度。
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