CN109870827A - 具有离轴衍射元件的光学投影仪 - Google Patents

具有离轴衍射元件的光学投影仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于投影图案的装置，包括激光源、准直透镜和衍射光学元件DOE，以将准直化激光束衍射成特定点图案以用于感测三维3D表面的深度。

Description

具有离轴衍射元件的光学投影仪
技术领域
本发明涉及使用衍射图案的光学投影，用于诸如三维(3D)表面测量以用于面部识别或其他目的。
背景技术
图案的光学投影被用于诸如3D表面测量的应用中。可以测定由投影到平坦表面上的光束造成的点图案的位置。当同样的点图案被投影到待测量的3D表面上时，由于3D表面上不同的相交高度，点的位置偏离其设计位置。可以测量这些偏差并将其与3D表面的不同距离或深度相关联，并且可以生成3D图像。
一种配置使用被分成多个光束的激光束以在3D表面上产生被反射回检测器的点图案。图1示出了投影到面部102上的诸如光束101的光束/点图案的实例。当根据图案设计使用衍射光学元件(DOE)来将入射光束划分为N个光束时，每个衍射光束的功率(例如，第1阶光束101)大致等于ηP/N，其中η是衍射效率，P是入射激光功率。在大多数情况下，衍射效率无法达到100％。剩余功率(1-η)P将保留在未衍射光束(第0衍射阶次)(如光束100所示)和散射噪声中。非衍射光束(第0衍射阶)与衍射阶中的一个之间的功率比等于(1-η)N/η。对于大的N诸如1000或更高，即使具有98％的效率，每个衍射光束将具有0.098％的输入激光功率，而第0阶具有2％的输入激光功率。这意味着第0阶激光功率比其他衍射阶次多20倍以上。为了检测衍射后的点101，远程传感器可能需要衍射后的点具有一定量的激光功率。
当用于面部检测时，必须限制激光功率以避免损伤人的眼睛。即使使用不可见的红外激光，激光功率过高也可能导致视网膜灼伤。因为第0阶100高20倍，所以第0阶的激光功率可能会超过保证眼睛的安全的最小功率。
已公布的专利申请号2011/0075259的美国专利文件介绍了通过将DOE细分为M个亚DOE来减小第0阶功率与衍射阶功率的比率的技术。每个亚DOE具有N/M点。现在，对于亚DOE中的每个衍射阶次，每个衍射光束的激光功率为ηPM/N。P1是击在每个亚DOE上的激光功率。在最佳情况下，针对每个亚DOE的P1等于P/M。结果，每个衍射光束的激光功率不变并等于ηP/N。另一方面，每个亚DOE的第0阶功率仅为(1-η)P/M。现在非衍射光束(第0衍射阶)与衍射阶中的一个之间的功率比等于(1-η)N/Mη。继续前面的实例，并假设M等于9。第0阶光束与衍射光束的比为2.26。因此，第0阶超出眼部激光功率安全界限的几率显著降低。
发明内容
在本发明的一个实施方式中，提供了离轴DOE。离轴DOE具有轴偏离至一侧而非处于图案中心的第0阶光束。随后，诸如通过在沿着光路某处阻挡第0阶光束，或者以其他方式不将其投影到3D表面诸如人面部上而将第0阶光束消除。因此，第0阶光束的功率不需要受到限制，因为它不再危及人的眼睛。
在一个实施方式中，激光元件产生由准直透镜准直化的激光束。然后准直化光束穿过离轴DOE并且被反射组件(例如反射镜)反射到人面部或其他3D表面上。第0阶光束在被反射镜反射后被阻挡元件阻挡，该阻挡元件理想地为非反射或漫反射的，以避免干涉远离阻挡元件的反射光束。在一个实施方式中，通过限制用于光学元件的外壳中的开口的尺寸来形成阻挡元件，使得图案的大部分通过开口逸出，但是第0阶光束不会逸出。
在一个实施方式中，使用边发射激光器芯片来优化制造过程。这也允许在基底表面上紧凑地布置反射组件，使得第0阶光束变得足够偏离以在该光束被反射至人的面部或其他3D表面前被轻易阻挡。
在DOE的大规模生产中，存在许多会影响DOE的效率的因素。这些因素包括DOE表面的厚度控制、用于复制DOE的聚合物的折射率和/或生产后聚合物的收缩率。采用离轴方式时，由于光学投影机内的第0阶被阻挡，并且现在不会对眼睛造成任何危险，所以不必担心不同的生产技术对第0阶光束的亮度的影响。可以更低成本地进行生产或者可采用最佳的生产技术以增加衍射效率。
在一个实施方式中，离轴DOE用于诸如智能手机的电子装置中，以测量人面部的深度特征或确定人面部与相机的距离。校准是通过记录由平坦表面反射并由光电检测器检测的离轴衍射光束图案的多个元素的校准位置(第一位置)来完成的。然后，记录由诸如人面部的待测量的不平坦物体反射的离轴衍射光束图案的多个元素的测量位置(第二位置)。然后，确定校准位置和测量位置之间的差。从这些差可以确定深度的变化。该信息用于生成不平坦物体的不同点处的深度图并可用于识别不平坦物体。
附图说明
图1是现有技术的轴上衍射图案的实例。
图2是根据实施方式的离轴衍射光束图案的实例。
图3是使用离轴DOE的光学投影仪的第一实施方式。
图4是使用离轴DOE的光学投影仪的第二实施方式。
图5是使用离轴DOE的光学投影仪的第三实施方式。
图6示出了可以在本发明的一个实施方式中使用的混合激光和光电检测器模块的实施方式。
图7是具有本发明的一个实施方式的带有离轴DOE的集成的光学投影仪的智能手机的图。
图8是具有本发明的一个实施方式的带有离轴DOE的集成的光学投影仪的智能手机组件的框图。
具体实施方式
图2是由本发明实施方式产生的图案的实例的图，其中DOE是离轴衍射元件。与图1所示的衍射图形相比，第0阶光束200靠近衍射图形的底部。第0阶光束200位于图2所示的面部202的下方。由于第0阶远离表面测量区域，所以我们可以在光路的某处设置该第0阶光束的阻挡块。理论上，第0阶光束不需要被阻挡，因为它不会如接近人的眼睛，如图2所示。然而，由于图案可能随着准备使用它的用户而移动，或者它可能被站在用户附近的人看到，最好完全避免高强度的第0阶光束。
这种离轴衍射元件的构造例如描述于Wai-Hon Lee,Computer-GeneratedHolograms:Techniques and Applications,reprinted from Progress in Optics,1978和Wai-Hon Lee美国专利号7,699,516，其公开内容通过引用并入本文中。通常，由计算机生成的全息图(CGH)创建离轴衍射光束图案。假设投影的点图案由函数f(x，y)表示，并且F(u，v)是其傅立叶变换。CGH的数学表达式由下式给出
H(u，v)＝|F(u，v)|{1+cos(2πu/T+φ(u，v))} (1)
其中φ(u，v)是复函数F(u，v)的相位，并且T通过公式sinθ/λ与衍射角θ相关。然后使用激光记录装置在照相胶片或光刻胶上绘制函数H(u，v)。得到的CGH是可用于本发明的一个实施方式中的离轴衍射元素。
图3是本发明的第一实施方式的图。示出了激光器300，在一个实施方式中激光器300是边发射激光器。来自激光器300的发散光束由准直透镜301准直化以产生准直化光束。然后准直化激光束传输通过离轴DOE 303以产生一组衍射的光束302。由DOE 303衍射的光束302入射在反射镜304上。如图所示，光束305是作为激光束302的延续的第0阶光束。光束305由阻挡块306停止。箭头307表示从光学投影仪发出朝向人面部或其他3D物体的所有非第0阶离轴光束。虚线310是反射镜的法线。衍射光束的中心与光束302垂直。
优选地，阻挡块306优选地具有低反射、光漫射表面，使得第0阶光束的任何反射部分至少不比第二阶衍射光束亮。理想情况下，来自第0阶光束的任何光线均匀分散，或明显小于离轴衍射光束图案中任何更高阶光束的亮度。这样，第0阶光束的任何反射都不会被反射镜304拾取并且不会影响图案的测量。
图4示出了本发明的第二实施方式。在该实施方式中，离轴DOE 403是反射组件-衍射元件和反射镜被组合。第0阶光束405再次被阻挡块或光圈406阻挡。箭头407表示从光学投影仪出射的所有离轴光束。由于DOE和反射组件被组合，所以该实施方式的优点是需要更少的部件。然而，这导致第0阶光束在碰撞阻挡块406时与图案中的其它光束没有具有那么大的分离。这可能对获得所需的精确布置提出制造挑战。或者，可以改变衍射图案以产生更快的光束发散，或者阻挡块可以放置得离组合的DOE/反射器403更远。虚线410是反射镜的法线。衍射的光束的中心与光束402垂直。
图5示出了本发明的第三实施方式。激光器500的光轴不沿着透镜501的光轴502。这是产生离轴衍射光束图案而不是具有沿着透镜轴的激光轴的衍射图案并且使用衍射图来将第0阶光束衍射到离轴位置的不同方式。结果，准直化光束505以一定角度入射到DOE上。然后来自DOE的衍射光束507被反射镜504反射并且通过开口512离开投影单元外壳510。所示的第0阶光束505不需要被阻挡，因为它足够偏离轴线以至于不被反射镜504反射。然后第0阶光束将经过反射镜504并碰撞外壳510的内部。通过涂覆或以其他方式制造外壳510的内部以具有低反射率、光漫射表面，第0阶光束的反射不会干扰衍射图案。在一个实施方式中，反射镜的角度不是45度，并且由激光束的入射角和离轴装置的衍射角来确定。
在一个替代实施方式中，可以使用面发射激光器来替代前述实施方式中的边发射激光器。在一个实施方式中，激光器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
图6示出了可以适用于本发明的一个实施方式中的混合激光器和光电检测器模块的实施方式，如在Wai-Hon Lee美国专利No.5,299,299中更详细地示出的，其公开内容通过引用并入本文中。示出了光电检测器装置200具有在其表面上蚀刻的V形凹槽210。如图6所示，光电检测器制造在特殊硅晶片上，该特殊硅晶片具有相对于晶片表面成45度角的晶面。通过诸如薄焊料的粘合剂或金属粘合材料将反射镜220附着到该45度表面。具有周期T的波纹结构已经被蚀刻在反射镜220的顶面230上。
波纹结构被设计成将激光束分成衍射图案。激光芯片240通过导电粘合剂附着到光检测器上的衬垫250上。焊盘260允许完成与激光器芯片240的底部电连接。激光器芯片240后面的光敏区域用于检测来自激光器芯片的背光发射并因此用作激光功率监视器。衬垫272用于连接到检测器元件270的阳极。在反射镜220的背面是一组光电检测器280，在这个实施方式中具有六个元件a、b、c、d、e和f。额外的检测器元件可以实现多通道读数。衬垫281、282、283、284、285、286分别针对检测器a、b、c、d、e和f的阳极。检测器的后表面290提供与所有光敏元件的阴极接触。
图7示出了诸如智能手机的电子装置702的实施方式。装置702具有用于向用户呈现信息并且还用作用于输入信息的触摸屏的显示器704。光学模块706被设置，并且可以包括图3-6中的实施方式之一的元件。光电检测器可以是光学模块706的一部分，或者可以单独安装在电子装置702上。
图8是诸如图7的装置702的电子装置的实施方式的组件的框图。诸如微处理器的微控制器802控制电子装置的运行。存储器804包含用于操作微控制器802的存储程序以及数据存储。在一个实施方式中，存储器804可以是闪存或其他固态存储器，并且可以是一个或多个存储器芯片。
在微控制器802的指令下，触摸显示器812由显示控制器814控制。触摸显示器提供用户输入，并向用户提供显示信息。光学投影模块806可以是图2-5中所示的实施方式之一。示出了单独的光电检测器808，尽管其可以被集成到光学投影模块806中。还提供了照相机810，并且其他组件(未示出)可以被包括在电子装置中。
在一个实施方式中，离轴DOE用于诸如智能手机的电子装置中，以测量人面部的深度特征或确定人面部与相机的距离。存储器804中的程序控制微控制器802以控制照相机810和光学投影模块806以提供人面部的合成图像。校准通过记录由平坦表面反射并由光电检测器检测的离轴衍射光束图案的多个元素的校准位置来完成。然后，记录由诸如人面部的待测量的不平坦物体反射的离轴衍射光束图案的多个元素的测量位置。然后，确定校准位置和测量位置之间的差。从这些差可以确定深度的变化。该信息用于生成不平坦物体的不同点处的深度图。
在一个实施方式中，使用衍射图案确定深度的方法在Prime Sense的美国公开申请No.20100007717中阐述，其公开内容通过引用并入本文。一个实施方式的其他细节在PCT公开文本WO 2007/043036中阐述，其描述了用于物体重建的系统和方法，其中相干光源和随机散斑图案的生成器将相干随机散斑图案投影到物体上。成像单元检测照亮区域的光响应并生成图像数据。物体的图像中的图案相对于图案的参考图像的移位被用于物体的3D地图的实时重建。例如，在PCT公开文本WO 2007/105205中描述了使用散斑图案进行3D映射的其他方法。PCT公开文本WO 2007/043036和PCT公开文本WO 2007/105205的公开内容通过引用并入本文。
在一个实施方式中，存储器804中的程序控制微控制器802以将来自相机810的图像与来自光学投影模块806的深度信息组合以提供人面部的合成图像。然后面部识别软件可以将脸部与存储的脸部进行比较，无论是在装置上还是在云端。例如，可以使用这种比较来认证被授权操作电子装置或装置上的程序的人。或者，它可用于将人与社交媒体平台或其他平台或应用程序中检测到的人面部进行匹配。
尽管已经关于特定实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，许多修改是可能的。因此，虽然已经关于具体实施方式描述了本发明，但应该理解的是，本发明旨在覆盖所附权利要求范围内的所有修改和等同物。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
激光器，配置成产生激光束；
准直透镜，安装成拦截所述激光束并产生准直化光束；
衍射光学元件DOE，具有离轴衍射光束图案，安装成拦截所述准直化光束并产生包括离轴的第0阶光束的离轴衍射光束图案；和
投影元件，安装成拦截所述离轴衍射光束图案并投影所述图案除所述第0阶光束以外的部分。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投影元件包括：
反射组件；和
安装成拦截所述第0阶光束的阻挡块。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述阻挡块安装成在所述反射组件之前拦截所述第0阶光束。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述阻挡块安装成在所述反射组件之后拦截所述第0阶光束。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述DOE与所述反射组件集成。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投影元件包括反射组件，所述反射组件安装成反射所述离轴衍射光束图案的一部分但不反射所述第0阶光束。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投影元件包括被定位成使所述第0阶光束不通过的孔。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光器是边发射激光器。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光器是垂直腔面发射激光器VCSEL。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投影元件包括：
安装成拦截所述第0阶光束的阻挡块，所述阻挡块具有低反射、光漫射表面，使得所述第0阶光束的任何反射部分不比第二阶衍射光束明亮。
11.一种电子装置，包括：
光学投影模块，包括：
激光器，配置成产生激光束，
准直透镜，安装成拦截所述激光束并产生准直化光束，
衍射光学元件DOE，具有离轴衍射光束图案，安装成拦截所述准直化光束并且产生包括离轴第0阶光束的离轴衍射光束图案，
投影元件，安装成拦截所述离轴衍射光束图案并投影所述图案除所述第0阶光束以外的部分，以及
光电检测器；
微处理器；
存储器，包含具有用于以下的指令的非暂时性计算机可读介质：
记录由平坦表面反射并由所述光电检测器检测的所述离轴衍射光束图案的多个元素的第一位置；
记录由待测量的不平坦物体反射的所述离轴衍射光束图案的多个元素的第二位置；
确定反射的所述离轴衍射光束图案的多个元素的第一位置和第二位置之间的差；以及
基于反射的所述离轴衍射光束图案的多个元素的第一位置和第二位置之间的差，生成所述不平坦物体的不同点处的深度图。
12.根据权利要求11所述的电子装置，其特征在于，所述电子装置是智能手机。
13.一种方法，包括：
产生激光束；
拦截所述激光束并产生准直化光束；
拦截所述准直化光束并产生包括离轴的第0阶光束的离轴衍射光束图案；以及
拦截所述离轴衍射光束图案并投影所述图案除所述第0阶光束以外的部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述投影步骤包括：
反射所述图案除所述第0阶光束以外的部分；以及
阻挡所述第0阶光束。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在反射所述图案除所述第0阶光束以外的部分之前，完成阻挡所述第0阶光束。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在反射所述图案除所述第0阶光束以外的部分之后，完成阻挡所述第0阶光束。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使用集成的反射组件和衍射光学元件来完成产生所述离轴衍射光束图案和反射所述图案除所述第0阶光束以外的一部分。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括：
记录由平坦表面反射并由所述光电检测器检测的所述离轴衍射光束图案的多个元素的第一位置；
记录由待测的不平坦物体反射的所述离轴衍射光束图案的多个元素的第二位置；
确定反射的所述离轴衍射光束图案的多个元素的所述第一位置和所述第二位置之间的差；以及
基于反射的所述离轴衍射光束图案的多个元素的所述第一位置和所述第二位置之间的差，生成所述不平坦物体的不同点处的深度图。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述激光器是边发射激光器。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，投影所述图案除所述第0阶光束以外的部分的步骤使用反射镜。
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