CN109541817A - 一种偏振态可控的结构光投射模组及3d成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种偏振态可控的结构光投射模组以及具有该结构光投射模组3D成像装置，其中结构光投射模组包括：激光vcsel阵列光源，所述激光vcsel阵列光源的发光面具有高对比度光栅层，每个发光点的出射光经过高对比度光栅层后，具有一致且可控的偏振态；衍射光学元件，与所述偏振态匹配，用于复制所述出射光并扩散出射。本发明利用高对比度光栅层，使激光vcsel阵列光源的出射光具有一致且可控的偏振态，有效的提高整个3D成像装置的光能量利用率、投射pattern的均匀性，且有效降低了投射pattern的零级亮度，因而进一步提高了装置的成像精度。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种偏振态可控的结构光投射模组及3D成像装置。
背景技术
不同于传统的2D成像装置，如摄像机，只能获取物体的平面2D信息，3D成像装置还可以获取物体的深度信息，构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量，零件建模，医疗诊断，安防监控，机器视觉，生物识别，增强现实AR，虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。
基于结构光技术的3D成像装置是一种体积小、成像精度高的新型技术装置，具备极大的商业应用潜力，目前在消费手机领域已经获得一定程度的应用。例如公开号CN206805630U的专利申请文件提供一种基于VCSEL阵列光源的结构光投影模组，包括：VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括：半导体衬底，以及至少两组VCSEL子阵列排列在半导体衬底上，所述VCSEL子阵列由VCSEL光源组成；衍射光学元件，所述衍射光学元件包括：至少两个衍射光学元件子单元；所述衍射光学元件子单元分别与所述VCSEL子阵列对应，用于将所述VCSEL子阵列的光源发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。
VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列光源由于体积小、功率大、光束发散角小、运行稳定等诸多优势将成结构光投射模组的首选光源。VCSEL光源阵列可以在一个极其小的基底上通过布置多个VCSEL光源的方式来进行激光投影，比如在2mm×2mm的半导体衬底上布置100甚至更多个VCSEL光源。
结构光3D成像装置中的核心部分在于结构光投射模组，当前市面上结构光3D成像装置中的投射模组的出射光都不具备偏振态可控的特性，因此具有光能量利用率低、投射pattern的均匀性差、零级较亮等缺点，对3D成像装置的精确度带来负面影响。
发明内容
本发明提供一种偏振态可控的结构光投射模组，可以有效的提高整个3D成像装置的光能量利用率、投射pattern的均匀性，且有效降低了投射pattern的零级亮度，因而进一步提高了装置的成像精度。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种偏振态可控的结构光投射模组，包括：
激光vcsel阵列光源，所述激光vcsel阵列光源的发光面上方具有高对比度光栅(HCG)层，发光点的出射光经过高对比度光栅(HCG)层后，具有一致且可控的偏振态；
衍射光学元件，与所述出射光的偏振态匹配，用于复制所述出射光并扩散出射。
上述激光vcsel阵列光源的发光点是按照一定随机图案规则来分布排列的，构成的整个发光点阵列。所述的发光面可以理解为激光vcsel阵列光源的光束出射面，高对比度光栅(HCG)层中的亚波长光栅覆盖住所述的发光点阵列，每个发光点上方对应一个亚波长光栅微结构，各个亚波长光栅微结构相同一致。
所述激光vcsel阵列光源的出射光经过高对比度光栅(HCG)层后，其偏振状态将变成可控且一致。由于高对比度光栅层具备亚波长光栅微结构，包含了亚波长周期型与亚波长非周期型两种类型，所述发光点的出射光经过亚波长光栅微结构后，光的偏振方向将变得与亚波长光栅微结构的栅格方向一致。
作为优选的，所述的激光vcsel阵列光源包括依次设置的N电极层、基板层、N型DBR层、有源层、P型DBR层、P电极层和高对比度光栅(HCG)层，所述P电极层刻蚀出光孔形成所述发光点。
所述高对比度光栅(HCG)层位于所述P型DBR层的表面。
作为优选的，还包括准直透镜，接收由所述激光vcsel阵列光源出射的光束，并准直为平行光出射进入所述的衍射光学元件。
作为优选的，所述的准直透镜为单片透镜或包含多片透镜的透镜组。
作为优选的，所述的高对比度光栅层包含与所述发光点数量相对应的多个亚波长光栅，所述发光点的出射光经过亚波长光栅后，光的偏振方向将变得与亚波长光栅的栅格方向一致。
亚波长光栅的形状与发光孔的形状一致，如采用圆形的发光孔，高对比度光栅层也含有多个分离的圆形亚波长光栅(备注：不限于圆形，只要能盖住发光孔即可)，数量与发光点数量相同，尺寸与发光点的出光孔一致或者稍大，刚好覆盖在每个发光点的上方，
所述的高对比度光栅(HCG)是单层的多个分离的圆形亚波长光栅构成，高折射率区域和低折射率区域的折射率比值很高，达到2以上，作为优选的，高折射率为3.59，低折射率为1，比值为3.59。亚波长光栅的周期在0～λ之间，随不同的系统要求而变化，其中λ是激光vcsel阵列光源的发光波长。圆形亚波长光栅的数量与发光点数量相同，尺寸与发光点的出光孔一致或者稍大，刚好覆盖在每个发光点的上方。
作为优选的，所述衍射光学元件与所述激光vcsel阵列光源的出射光的偏振态匹配，即为以激光vcsel阵列光源的出射光的偏振态作为设计所述衍射光学元件的参数。
本发明中，衍射光学元件的设计，其入射光的偏振态设置与所述激光vcsel阵列光源的出射光一致，因此最终按照设计来制造得到的衍射光学元件，相比入射光的偏振态设置与vcsel阵列光源的出射光无法一致的设计，其均匀性可以降低9％以上，零级pattern的亮度可以降低0.4％以上，光能利用率可以提高10％以上。
本发明还提供一种3D成像装置，包括：
上述偏振态可控的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；
图像接收模块，用于获取所述的结构光图案；
处理运算模块，根据所述结构光图案计算出深度信息。
相较于现有技术，本发明利用高对比度光栅层，使激光vcsel阵列光源的出射光具有一致且可控的偏振态，且所使用的衍射光学元件DOE设计时，所使用的偏振态设置与激光vcsel阵列光源的出射光偏振态一致，最终有效的提高了整个3D成像装置的光能量利用率、投射pattern的均匀性，且有效降低了投射pattern的零级亮度，因而进一步提高了装置的成像精度。
附图说明
图1是基于结构光技术的3D成像装置原理图；
图2是一种偏振态可控的结构光投射模组的光学原理示意图；
图3是激光vcsel阵列光源的发光点阵列示意图；
图4是传统激光vcsel阵列光源的纵向结构示意图；
图5是传统激光vcsel阵列光源的发光点偏振态示意图；
图6是一种偏振态可控的激光vcsel阵列光源的纵向结构示意图；
图7是高对比度光栅的微结构示意图
图8是一种偏振态可控的激光vcsel阵列光源的发光点偏振态示意图；
图9是设计模拟仿真结果对比表格；
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示的3D成像装置，包括结构光投射模组100、图像接收模块200、处理运算模块300。结构光投射模组100用于向目标投射结构光图案，图像接收模块200(例如摄像头)用于获取投射出去的结构光图案，处理运算模块300根据获取的结构光图案计算深度信息。当实际物体，例如人脸处在该装置前方20cm-120cm范围时，3D成像装置开始启动工作，最终可以获取前方人脸的3D深度信息。其中，结构光投射模组100包括激光vcsel阵列光源10、准直透镜20和衍射光学元件DOE 30。
如图2所示的偏振态可控的结构光投射模组100，主要包括激光vcsel阵列光源10b、准直透镜20、衍射光学元件DOE 30三个部分，在空间上依次按照从左到右的顺序排列。
其中所述激光vcsel阵列光源10b的发光点阵列1001是按照一定随机图案规则来分布排列的，构成的整个发光点阵列1001称之为pattern，如图3的俯视图所示。如图4，传统的激光vcsel阵列光源10a的纵向结构自下而上依次是N电极层101、基板层102、N型DBR层103、有源层104、P型DBR层105和P电极层106，其中P电极层106会使用刻蚀技术刻蚀出多个分离的孔，构成上述的发光点阵列1001。如图5所示，此种激光vcsel阵列光源10a的发光点阵列1001，其出射激光的偏振态不可控，即每个发光点的出射光的偏振方向是不一致的，图中箭头代表偏振态。如图6所示，本实施例所使用的激光vcsel阵列光源10b在纵向结构上多了一层，称作高对比度光栅(HCG)层107，位于P电极层106的上方，该层含有多个分离的圆形亚波长光栅1071，如图7所示，数量与发光点数量相同，尺寸与发光点的出光孔一致或者稍大，刚好覆盖在每个发光点的上方。每个发光点1001的出射光经过对应的亚波长光栅微结构1071后，光的偏振方向将变得与亚波长光栅微结构1071的栅格方向一致，因此所有出射光的偏振状态将变成一致，且可以随亚波长光栅微结构1071的设计不同而变得可控。如图8所示是最终经过高对比度光栅(HCG)层107的出射光的偏振态示意图，图中箭头代表偏振态。
亚波长光栅1071的高折射率区域和低折射率区域的折射率比值很高，达到2以上，作为优选的，高折射率为3.59，低折射率为1，比值为3.59。亚波长光栅的周期在0～λ之间，随不同的系统要求而变化，其中λ是激光vcsel阵列光源的发光波长。激光vcsel阵列光源10b的发光波长在红外波段，本发明优选的为940nm波长，为不可见红外光。亚波长光栅微结构1071包含了亚波长周期型与亚波长非周期型两种类型，本发明优选为亚波长周期型。
激光vcsel阵列光源10b的出射光被后续的准直透镜20所接收，对其进行汇聚，同时使之成为平行光出射，该过程不改变光的偏振状态。准直透镜20可以是一片透镜，也可以是包含多片透镜的透镜组。
准直透镜20的出射光束继续向前传播，经过衍射光学元件DOE 30，所述衍射光学元件的设计，其入射光的偏振态设置与所述激光vcsel阵列光源的出射光一致，因此最终按照设计来制造得到的衍射光学元件，相比入射光的偏振态设置与vcsel阵列光源的出射光无法一致的设计，其均匀性可以降低9％以上，零级pattern的亮度可以降低0.4％以上，光能利用率可以提高10％以上。衍射光学元件DOE 30把入射光束复制成多束pattern光束，然后扩散出射，形成空间结构光的多级次pattern，该光束pattern打到前方物体上，对物体形成结构光空间编码的效果。普通结构光3D成像装置中的结构光投射模组100，因为其激光vcsel阵列光源10a的每个发光点的出射光的偏振态未知且不一致，因此衍射光学元件DOE30在设计时，其入射光的偏振态设置与vcsel阵列光源的出射光无法一致，即无法与激光vcsel阵列光源10a的每个发光点的出射光偏振态相匹配，造成光能量利用率低、投射pattern光束的均匀性差、零级pattern光束的亮度偏高，最终阻碍了整个装置的3D成像性能提升。
基于本实施例的设计仿真对比结果如图9所示，可以看到基于本实施例的设计2在均匀性、零级亮度、光能利用率方面的表现明显由于传统方案的设计1。其中均匀性的计算公式如下：
其中，MAX代表所有级次pattern中最高光强度，MIN代表所有级次pattern中最低光强度；
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种偏振态可控的结构光投射模组，其特征在于，包括：
激光vcsel阵列光源，所述激光vcsel阵列光源的发光面上方具有高对比度光栅层，每个发光点的出射光经过高对比度光栅层后，具有一致且可控的偏振态；
衍射光学元件，与所述出射光的偏振态匹配，所述衍射光学元件用于复制所述出射光并扩散出射。
2.如权利要求1所述的偏振态可控的结构光投射模组，其特征在于，所述的激光vcsel阵列光源包括依次设置的N电极层、基板层、N型DBR层、有源层、P型DBR层、P电极层和高对比度光栅层，所述P电极层刻蚀出光孔形成所述发光点；
所述高对比度光栅层位于所述P型DBR层的表面。
3.如权利要求1所述的偏振态可控的结构光投射模组，其特征在于，还包括准直透镜，接收由所述激光vcsel阵列光源出射的光束，并准直为平行光出射进入所述的衍射光学元件。
4.如权利要求3所述的偏振态可控的结构光投射模组，其特征在于，所述的准直透镜为单片透镜或包含多片透镜的透镜组。
5.如权利要求1所述的偏振态可控的结构光投射模组，其特征在于，所述的高对比度光栅层包含与所述发光点数量相对应的多个亚波长光栅，所述发光点的出射光经过亚波长光栅后，光的偏振方向将变得与亚波长光栅的栅格方向一致。
6.如权利要求1所述的偏振态可控的结构光投射模组，其特征在于，所述的匹配是指以激光vcsel阵列光源出射光的偏振态作为设计所述衍射光学元件的参数。
7.一种3D成像装置，其特征在于，包括：
权利要求1～6中任意一项所述的偏振态可控的结构光投射模组，用于向目标投射结构光图案；
图像接收模块，用于获取所述的结构光图案；
处理运算模块，根据所述结构光图案计算出深度信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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