CN110068984A - 光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置 - Google Patents

光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置。在一个实施方案中，来自单个激光器的光用于照射图案产生光学元件以产生图案。各种实施方案中的所述图案产生光学元件可以是例如全息衍射光学元件(DOE)或微透镜阵列。多光束光栅(MBG)多次复制所述图案，以提供多图案图像。透镜用于将所述多个图案投射到物体上。在一个实施方案中，所述透镜位于所述图案产生光学元件和所述多光束光栅(MBG)之间。

Description

光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置
技术领域
本发明涉及使用衍射的光学投影，所述光学投影用于诸如用于面部识别或其他目的的三维(3D)表面测量等用途，尤其涉及一种光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置。
背景技术
图案的光学投影用于诸如3D表面测量的应用中。可以确定由投射到平坦表面上的光束引起的点图案的位置。当相同的点图案投射到待测量的3D表面上时，由于3D表面上不同的交点高度，点的位置将偏离其设计位置。可以测量这些偏差并将它们与3D表面的不同距离或深度相关联，从而可以生成3D图像。
微型光学投影仪用于进行这种3D映射(也称为深度映射)。公开号为2008/0240502的美国专利申请使用光源(例如，激光二极管或LED)来照射透明体上的图案并将图案投射到物体上。然后，图像检测器捕获投射到物体上的图案的图像。在一个版本中，如国际公布WO2008/120217中所述，微透镜阵列放置在透明体图案后面，以改善所投射的图案的信号对比度。
为了将光学投影仪放入智能手机中，光学投影仪需要被非常小型化。所研究的一种方法是使用单个激光束和衍射光学元件(DOE)来产生点图案。但是为了产生具有足够多点的图案，0级光束与衍射光束的比太大。对于测量用户的脸部，由于可能对用户的眼睛造成潜在性损害，因此大的0级光束是不能接受的。
Prime Sense意识到，如果他们将激光束分成M个光束并使用M个DOE，则0级光束和衍射光束之间的比可以通过M系数最小化。这种方法在公开号为2009/0185274的美国专利申请中被描述，并且使用两个衍射光学元件(DOE)。在一个实施方案中，第一DOE用作将所发射的光束分成多个光束的分束器，第二DOE用作在每个光束上形成衍射图案的图案发生器。一个设计问题是需要用于分离M个光束的空间，以便M个光束可以照亮M个DOE。这限制了光学投影仪可以被小型化的程度。
为了提供进一步的小型化，Prime Sense的公开号为20140376092的美国专利申请使用另一种方法，使用VCSEL激光发射器阵列而不是使用单个激光器产生图案。透镜将非准直图案投射至用于产生图案的多个复制品的单个DOE。
图1示出了用于深度测量的小型光学投影仪的示例性应用。智能手机10包括显示器12、相机14和内部处理器以及其他电子装置。显示器12可用于向用户呈现信息，并且还用作用于输入信息的触摸屏。配置有光学投影仪/检测器模块16。光学投影仪/检测器模块16投射如箭头18所示发散的IR图像。IR图像作为一系列点22投射到用户的面部20上。然后，光学投影仪/检测器模块16中的检测器检测点22，并且可以从这些点的相对位置确定用户的面部20的各个部分的深度。通过将其与传统的二维面部识别相结合，可以非常准确地检测用户的面部。
图2示出了现有技术中已知的衍射光栅如何提供可形成图案例如一系列点的多个光束。激光束101入射到衍射光栅102上。光束101被衍射成一系列光束，例如从光栅102出射的光束103、光束104、光束105、光束106和光束107。衍射光束由衍射级描述，在原始光束的路径上是笔直的0级光束(光束105)、然后在一维光栅的每一侧上的第1级光束、然后第2级光束等。除了图2所示，通常会存在额外的衍射级。但是，前几级之外的光束的强度通常相对较弱。大多数激光能量分布在5个主光束中。由于该特定衍射光栅的目的是将单个激光束分成多个光束，因此有时将该特定衍射光栅称为多光束光栅(MBG)。
图3示出了如何使用现有技术的多光束光栅(MBG)的一个示例。物体201放置在透镜202前。透镜202将物体201的图像投射到平面204。多光束光栅203放置在透镜202之后。光栅203在平面204处产生输入物体201的多个图像。如果物体是“K”(205)形式的，则光栅203将复制它以提供如图所示的9个K的图像206的投射。这是上述引用的公开号为2014/0376092的美国专利申请中使用的投射用于3D图案识别的点图案的原理。
图4来自公开号为2014/0376092的美国专利申请。垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列20放置在透镜46前。在透镜46的顶部是多光束光栅(MBG)44。该集成模块能够将VCSEL阵列的多个图像投射入空间，以照亮用于3D识别的物体。集成光学投影模块30包含VCSEL阵列20。VCSEL管芯通过适当的电连接34、36、38安装在下底座32上。包括投射透镜46的光学器件40经由合适的间隔件42上安装在管芯之上。透镜46收集并投射VCSEL发射器的输出光束50。由薄间隔件48支撑的多光束光栅(MBG)44创建VCSEL阵列的线图案的多个复制品52、54、56，这些复制品在预定角度范围内扇形展开。
因此，需要一个改进的光学投影模块，其既小型又更经济制造。
发明内容
在一个实施方案中，来自单个激光器的光用于照射图案产生光学元件以产生图案。各种实施方案中的所述图案产生光学元件可以是例如全息衍射光学元件(DOE)或微透镜阵列。多光束光栅(MBG)多次复制所述图案以提供多图案图像。透镜用于将所述多个图案投射到物体上。在一个实施方案中，所述透镜位于所述图案产生光学元件和分束器DOE之间。
在一个实施方案中，图案产生光学元件是使用傅立叶变换全息图创建的全息衍射光学元件以产生点图案。点图案似乎源自激光发射点周围的平面，因此可以说它们是激光发射点的虚拟图像。多光束光栅(MBG)使用衍射方法分割点图案图像，其保持每个复制图案的强度基本相等。特别地，多光束光栅(MBG)是具有例如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲位置调制(PPM)的相位光栅。透镜将复制的图案投射到待测物体例如人的脸部上。
在一个实施方案中，光学投影仪模块设置有DOE、透镜和多光束光栅(MBG)。替代实施方案在DOE和透镜之间使用反射镜。又一替代实施方案使用反射DOE。另一个替代实施方案使用微透镜阵列代替DOE。
附图说明
图1是智能手机中的现有技术光学投影仪的示图。
图2是说明现有技术的多光束光栅的图。
图3是说明现有技术的多光束光栅如何可以用于将物体的图像成倍增加成图像阵列的图。
图4是说明多光束光栅的现有技术用途的图。
图5是说明DOE利用透镜和多光束组合创建被成倍增加成图像阵列的虚拟图像的图。
图6是说明具有DOE、透镜和分束器的本发明的实施方案的图。
图7是说明在DOE和透镜之间使用反射镜的替代实施方案的图。
图8是说明使用反射DOE的另一替代实施方案的图。
图9是说明使用微透镜阵列代替DOE的另一替代实施方案的图。
图10示出了可以在本发明的一个实施方案中使用的混合激光器和光电检测器模块的实施方案。
图11是本发明的一个实施方案中具有集成光学投影仪的智能手机的组件的框图。
具体实施方式
图5是DOE利用透镜和多光束组合创建被成倍增加成图像阵列的虚拟图像的图。在图5中，示出了边缘发射激光器401以照射DOE 403。如用户的眼睛404看向激光器401所观察到的，这将在平面402处产生虚拟图像405。点406是当全息图403不能抑制0级光束时由眼睛404看到的激光器401的发射点。尽管图像是多个字母“K”的图案，但是可以使用DOE可以生成的任何其他图像，例如点图案。
图6是说明具有DOE、透镜和分束器的本发明的实施方案的图。这产生了非常小型的光学投影仪以适用于诸如智能电话之类的装置。边缘发射激光器501照射DOE 503。可以调节激光器501和DOE 503之间的距离，以改变可以在平面502上看到的来自DOE 503的虚拟图像(全息图)的尺寸。图案504(“K”)表示平面502处的全息图的虚拟图像。成像透镜505通过多光束光栅(MBG)506投射图像图案，其中图像图案出现在透镜505的图像平面507处。图案在通过多光束光栅之后被复制，如图案508所示，从而在图像平面507上产生字母K的副本。由于使用多光束光栅(MBG)，全息图中记录的点的数量变得更少并且通过点的覆盖角度变得更小。这使得可以制作能够具有相对较弱的0级的全息图。
图7是说明在DOE和透镜之间使用反射镜的替代实施方案的图。边缘发射激光器601照射DOE 602(包含光点图像的全息图)。棱镜反射镜603反射DOE 602输出的激光束，将它们向上反射从而朝向成像透镜604。成像透镜604和多光束光栅605用于将图像阵列投射到该单元上方的空间中。
图8是说明使用反射DOE的另一替代实施方案的图。在该实施方案中，图7的棱镜反射镜603和DOE 602可以被组合，以提供反射DOE。激光装置701将光束投射到包含光点图像的反射全息图702上。所反射且衍射的光束被提供给成像透镜703。多光束光栅704将该图像分成多个图像。
图9是说明使用微透镜阵列代替DOE的另一替代实施方案的图。在该实施方案中，点图像是由微透镜阵列802根据激光发射器801产生的激光束创建的。微透镜阵列的放大主视图803被示出。平面804是微透镜阵列802的焦平面。805处示出的光点是在微透镜的焦点处(在平面804上)产生的。每个微透镜产生一个点。然后，该点阵列被从棱镜反射镜806反射，并通过多光束光栅808被透镜807成像。
DOE全息图的构造通过点图案的傅立叶变换全息图完成。这种衍射元件的构造描述于例如Wai-Hon Lee,Computer-Generated Holograms:Techniques and Applications,reprinted from Progress in Optics,1978和Wai-Hon Lee的美国专利No.7,699,516，其公开内容通过引用并入本文中。通常，点图案的图案被记录为计算机生成的全息图(CGH)。假设投射点图案由函数f(x,y)表示，而F(u,v)是其傅里叶变换。CGH的数学表示由下式给出
其中是复变函数F(u,v)的相位。假设傅立叶变换的振幅函数|F(u,v)|足够均匀并且在H(u,v)中被忽略。然后使用激光记录装置在光刻胶上绘制函数得到的CGH是可用于本发明实施方案的衍射元件。在一个实施方案中，图案产生光学元件是具有轴上0级光束的全息衍射光学元件。
对于本发明的实施方案，选择产生几乎相同强度的多个光束的多光束光栅，许多的多光束光栅不会产生几乎相同强度的多个光束。这种多光束光栅的一个实例描述于“High Efficiency Multiple Beams Gratings,”Wai-Hon Lee,Applied Optics,Vol.18,page 2152,July 1,1979中。该文章的公开内容通过引用并入本文中，描述了制造一种能够将入射激光束均匀地分成具有相同强度的多个光束的光栅的技术。特别地，使用具有例如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲位置调制(PPM)的相位光栅。使用记录材料或光学厚度的折射率的变化来创建相位光栅。这种等强度分束器光栅与上述实施方案中描述的其他元件的独特组合产生了本发明的优点。
产生2θ相移所需的光学厚度d与θ相关如下：
d(n-l)/λ＝θ/180°，
其中λ是照射的波长，n是记录材料的折射率。
对于λ＝0.6328μm和n＝1.5，0.4404μm的光学厚度d产生63°的θ。
在上述实施方案中，点图案由DOE产生。在一个实施方案中，使用约37×37的阵列，由DOE产生1200个点。分束器的5×5阵列用于生成25个图像副本或图案副本。使用1200点阵列，可生成30,000点图像。覆盖37×37阵列点的衍射角约为12度。或者，可以产生更少或更多数量的点。在一个实施方案中，全息DOE产生的图案具有500至1500个点的阵列，并且分束器具有的阵列产生10至30个图像副本或图案副本。
用单个DOE获得30,000点的全息图，衍射角需要约35度。采用目前的技术，10度全息图中最精细的结构超过5微米，而对于35度全息图而言，最精细的结构小于2微米。目前的蚀刻深度约为2微米。如果条纹间距小于2微米，则不可能获得2微米的深度。这就是30,000全息图或DOE中的0级大的原因。因此，为了使0级最小化，应该使用20度或更小的全息图。
各种实施方案使用具有发散光束的激光源，且不需要如在其他应用中那样准直光束。例如，光束可以以2:1或3:1的纵横比发散。在一个实施方案中，使用300毫瓦激光器，或者可以使用任何其他功率的激光器，取决于传感器的灵敏度。
在替代实施方案中，表面发射激光器可用于替换先前实施方案中的边缘发射激光器。在一个实施方案中，激光器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
图10示出了可以适用于本发明的一个实施方案的混合激光器和光电检测器模块的一个实施方案，如Wai-Hon Lee的美国专利No.6,188,062中更详细地所示，该专利的公开内容通过引用并入本文中。光电检测器装置200被显示具有在其表面上蚀刻的V形槽210。光电检测器在特定的硅晶片上制造，该硅晶片具有相对于晶片表面呈45度角的晶面，如图10所示。反射镜220通过粘合剂或金属结合材料如薄焊料连接到该45度表面上。具有周期T的波纹状结构已经被蚀刻在反射镜220的顶表面230上，从而提供图8的DOE。
波纹状结构设计成将激光束分成衍射图案。激光芯片240借助于导电粘合剂连接到光电检测器上的焊盘250。结合焊盘260允许与激光器芯片240的底部进行电连接。激光器芯片240后面的光敏区域270用于检测来自激光器芯片的背光发射，因此用作激光功率监视器。焊盘272用于连接至检测器元件270的阳极。在反射镜220的后侧是一组光电检测器280，在该实施方案中光电检测器280具有六个元件a、b、c、d、e和f。附加检测器元件可以实现多通道读出。焊盘281、282、283、284、285、286分别用于检测器a、b、c、d、e和f的阳极。检测器290的后表面提供与所有光敏元件的阴极的接触。或者，使用单个光电检测器芯片。在一个实施方案中，检测器芯片与投射模块分隔开。
图11是诸如图1的智能电话装置10之类的电子装置的实施方案的电子学的框图。微控制器812(例如微处理器)控制电子装置的操作。存储器814包含用于操作微控制器812的存储程序以及数据存储器。在一个实施方案中，存储器814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812的指导下，触控显示器822由显示控制器824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816可以是如上所述的图中所示的实施方案中的一种。尽管光电检测器818可以集成到光学投影模块816中，还是示出单独的光电检测器818。还提供了相机820，并且其他组件(未示出)可以包括于电子装置中。
在一个实施方案中，DOE用于电子装置例如智能手机中，以测量人脸的深度特征或确定人脸与相机的距离。存储器814中的程序控制微控制器812，以控制相机820和光学投影模块816提供人脸的合成图像。通过记录从平坦表面反射并由光电检测器检测的衍射图案的多个元素的校准位置来完成校准。然后，记录从待测量的非平坦物体(例如人的面部)反射的衍射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。根据这些差，可以确定深度的变化。该信息用于生成非平坦物体在不同点处的深度的图。
在一个实施方案中，使用衍射图案确定深度的方法在Prime Sense的公开号为No.20100007717的美国专利申请中有阐述，该专利申请的公开内容通过引用并入本文中。PCT公开WO 2007/043036中阐述了一个实施方案的更多细节，描述了一种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发生器将相干随机散斑图案投射到物体上。成像单元检测照明区域的光响应并生成图像数据。物体图像中的图案相对于该图案的参考图像的移位被用于实时重建物体的3D图。例如，在PCT公开WO2007/105205中描述了使用散斑图案进行3D映射的其他方法。PCT公开WO2007/043036和PCT公开WO 2007/105205的公开内容通过引用并入本文中。
在一个实施方案中，存储器814中的程序控制微控制器812，以组合来自相机820的图像与来自光学投影模块816的深度信息，从而提供人脸的合成图像。然后，面部识别软件可以将面部与无论是装置中还是云中存储的面部进行比较。例如，这种比较可以用于认证被授权操作电子装置或装置上的程序的人。或者，可以用于将人与在社交媒体平台或其他平台或应用上检测到的面部进行匹配。
虽然已经相对于特定实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到可以进行多种修改。因此，尽管已经相对于特定实施方案描述了本发明，但是应当理解，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)

1.一种光学投影仪，包括：
激光器，配置成产生激光束；
图案产生光学元件，安装成拦截所述激光束，并配置成根据所述激光束产生图案；
透镜，安装成投射所述图案；和
多光束光栅MBG，配置成多次复制所述图案以提供多图案图像。
2.如权利要求1所述的光学投影仪，还包括安装成改变所述图案的路径方向的成角度的反射镜。
3.如权利要求2所述的光学投影仪，其中，
所述图案产生光学元件是全息衍射光学元件，
所述全息衍射光学元件与所述成角度的反射镜组合，以提供所述成角度的反射镜上的衍射光学元件DOE作为反射DOE。
4.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是全息衍射光学元件。
5.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是微透镜阵列。
6.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述多光束光栅MBG由使用脉冲宽度调制PWM或脉冲位置调制PPM的相位光栅构造而成。
7.如权利要求6所述的光学投影仪，其中，所述相位光栅是使用记录材料或光学厚度的折射率的变化来创建的。
8.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是具有轴上0级光束的全息衍射光学元件。
9.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，
所述图案产生光学元件产生具有500至1500个点的阵列的图案，并且所述多光束光栅MBG具有产生10至30个图像或图案副本的阵列。
10.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述激光器是垂直腔面发射激光器VCSEL。
11.一种用于光学投影的方法，包括：
产生单个激光束；
拦截所述激光束并根据所述激光束产生图案；
用透镜投射所述图案；以及
多次复制所述图案以提供多图案图像。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
改变所述图案的路径方向。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
产生作为全息虚拟图像的图案。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
通过使用脉冲宽度调制PWM或脉冲位置调制PPM的相位光栅光束分离所述图案，以复制所述图案，
其中，所述相位光栅使用记录材料或光学厚度的折射率的变化来创建。
15.一种电子装置，包括：
光学投影仪模块，包括：
激光器，配置成产生激光束，
图案产生光学元件，安装成拦截所述激光束并配置成根据所述激光束产生图案；
透镜，安装成投射所述图案，
多光束光栅MBG，配置成多次复制所述图案以提供多图案图像，和
光电检测器；
微处理器；
包含非暂时性计算机可读介质的存储器，所述存储器具有用于以下操作的指令：
记录从平坦表面反射并由所述光检测器检测到的所述图案的多个元素的第一位置；
记录由待测量的非平坦物体反射的所述图案的多个元素的第二位置；
确定所反射的所述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；和
基于所反射的所述图案的多个元素的所述第一位置和所述第二位置之间的所述差，生成所述非平坦物体在不同点处的深度的图。
16.如权利要求15所述的电子装置，其中，
所述图案产生光学元件是全息衍射光学元件，以及
所述多光束光栅MBG由使用脉冲宽度调制PWM或脉冲位置调制PPM的相位光栅构造而成。
17.如权利要求16所述的电子装置，其中，所述相位光栅使用记录材料或光学厚度的折射率的变化来创建。
18.如权利要求15所述的电子装置，其中，所述图案产生光学元件是具有轴上0级光束的全息衍射光学元件。
19.如权利要求15所述的电子装置，其中，
所述图案产生光学元件产生具有500至1500个点的阵列的图案，并且所述多光束光栅MBG具有产生10至30个图像或图案副本的阵列。
20.如权利要求15所述的电子装置，其中，所述电子装置是智能手机。
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