CN110543029B

CN110543029B - 单片结构光投影仪

Info

Publication number: CN110543029B
Application number: CN201910845712.6A
Authority: CN
Inventors: 阿克塞尔埃德蒙泰西尔简; 简阿克塞尔埃德蒙泰西尔; 博卡特朱立安; 朱立安博卡特
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: CN110543029A

Abstract

本申请提出了一种用于以预定图案生成光点的远场图像的结构光投影仪，其中结构光投影仪包括：光源，其提供非准直光束作为输出；以及专用衍射光学元件，其被设置为截取非准直光束。形成专用衍射光学元件以呈现不均匀的光栅特征图案，其被配置为补偿非准直输出光束的非平面波前和相位延迟，从而提供具有所需的配置的光点的干涉图案作为投影仪的输出。

Description

单片结构光投影仪

技术领域

本发明涉及一种结构光投影仪，更具体地说，涉及一种单片结构光投影仪，其不需要单独的准直器来提供光束整形。

背景技术

结构光投影仪正在被开发用于使用特定图案的光“点”来投射编码光或信息图案的应用。诸如3D感测、映射等应用取决于这种类型光源的使用。图1是典型现有技术的结构光投影仪简化图，包括发射光束B的激光二极管1。如图所示，光束在离开激光二极管1时发散。然后，发散光束被引导到准直透镜2中。准直透镜2的功能是将发散光束聚焦

(成形)成呈现平面波前的一组平行光线(即，准直光束)。然后将准直光束引导到衍射光学元件(DOE)3中，该衍射光学元件用于重定向一些光线，以便产生光点的干涉图案，如图2所示。当准直光束通过DOE的光栅时，通过在准直光束的波前引入一组相位延迟来形成光点图案。用于此目的的各种类型的衍射元件在本领域中是公知的，尤其包括折射曲面，菲涅耳透镜等。

虽然可用于提供结构光输出，但是准直器和DOE的组合需要仔细地对准(彼此以及光源)，以便产生期望的图案。对准公差必然增加投影仪的费用，以及制造组件所需的时间和精力。严格的对齐公差也会影响封装要求。使用单独的分立元件会影响投影仪本身的尺寸，特别是在需要利用这种投影仪阵列来产生更广泛和/或复杂的光点图案的应用中。

发明内容

本发明解决了本领域中仍然存在的需求，本发明涉及结构光投影仪，更具体地涉及单片集成结构光投影仪，其不需要单独的准直器组件，并且在示例性实施例中可以是直接制作在激光二极管光源本身上。

根据本发明，专用衍射光学元件(“专用DOE”)与光源结合使用以产生所需的点图案输出。特别地，形成专用DOE以呈现可变的衍射图案，其补偿离开激光器的非准直光束，使得与激光输出相关联的光束形状和相位延迟可以与专用DOE的衍射图案匹配。更具体地，在专用DOE中形成的衍射图案被配置为包括所包括的特征的非均匀间隔和/或厚度，以抵消非准直光束的波前所固有的相位延迟。对于需要产生光点阵列的应用(如图2所示)，形成专用DOE的特征的不均匀性在远离光束中心的方向上发展，且当非准直光束到达专用DOE时，其与相位延迟相匹配。预期其他非均匀性配置包括在本发明的范围内，并且可用于为特定应用创建专用点图案。点的图案可以采用规则阵列的形式，或者随机图案(在大多数情况下是伪随机的)，如图2所示。

本发明的一个示例性实施例利用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其定向在支撑衬底上，使得其发射穿过衬底的厚度，在一种情况下，专用DOE直接制造在衬底的表面上。因此，这种集成配置提供了非常紧凑和可靠的单片结构光投影仪。

本发明的各种实施例可以利用集成的光源阵列，设置成使得它们的发散光束不重叠。产生衍射图案以对光束阵列的发散提供适当的补偿。阵列可以是一维的或二维的。

可以使用离散光源结合离散的专用DOE(与单片集成配置相反)来形成本发明的其他实施例。由于专用DOE消除了对单独的准直器的需要，即使利用离散专用DOE的这些实施例也将比它们的现有技术的对应物更紧凑(并且还消除了准直器-DOE对准过程)。

本发明的示例性实施例采用结构化光投影仪的形式来以定义的图案(definedpattern)生成光点的远场图像，该投影仪包括提供非准直光束作为输出的光源和设置成截取非准直光束的专用衍射光学元件。专用衍射光学元件本身形成为包括多个光栅特征的非均匀图案，其被配置为既补偿非准直光束的波前和相位延迟，又衍射补偿光束以产生具有所定义图案的光点的干涉图案作为输出。

在以下讨论的过程中并参考附图，本发明的其他和进一步的实施例将变得显而易见。

附图说明

现在参考附图，

图1是现有技术的点投影仪的简化图。

图2示出了由穿过DOE的光线的干涉产生的示例性点图案。

图3是根据本发明形成的结构光投影仪的简化图。

图4示出了本发明的一个具体实施例，在这种情况下包括VCSEL光源和专用DOE的组合，该专用DOE形成具有不均匀间隔的元件以补偿发散光束。

图5是图1的专用DOE的放大图，并示出了接近发散光束的波前和DOE中元件的不均匀间隔。

图6示出了本发明的另一个实施例，在这种情况下，示出了根据本发明原理使用具有相关专用DOE的光源阵列来形成结构光投影仪。

图7示出了本发明的另一个实施例，在这种情况下利用形成专用DOE的材料层中的不均匀厚度，变化的厚度被配置成补偿发散光束。

图8示出了本发明的又一个实施例，其中专用DOE形成为包括非均匀间隔和非均匀厚度以补偿光束发散。

具体实施方式

图3是根据本发明原理形成的示例性结构光投影仪10的简化框图。类似于上述现有技术的配置，光源12用于发射光束，光束在离开光源12时发散，并且当光束沿输出路径传播时继续发散为非准直光束。根据本发明，专用DOE 14被配置成与非准直光束相互作用并产生光点图案，该图案可以与图2所示的光点基本相同。

如下面将详细讨论的，形成专用DOE 14以呈现光栅特征18的不均匀图案16，与典型DOE相反，典型DOE呈现均匀配置以产生所需干涉图案。特别地，图案16在跨越元件14的表面的相邻特征18之间的间隔方面可以是不均匀的，或者在形成专用DOE 14的材料层内的特征18的厚度方面不均匀，或者是不均匀间距和不均匀厚度的组合。在任何情况下，具体地形成图案16以补偿离开光源的非准直光束的不同部分的到达时间的延迟，从而形成光的期望点图案投影。在此背景下，现在将在下面详细讨论本发明的各种实施例。

本发明示例性实施例通过控制形成光栅图案的相邻特征之间的间隔，来提供在专用DOE图案中所需的不均匀性，如图4所示。图4示出了单片集成结构光投影仪，其中本发明的专用DOE 40形成在基板32的背面30上，VCSEL器件34安装在基板32的背面30上并用作投影仪的光源。还在图4中示出VCSEL 34的金属接触层38，其形成在基板32的背面30的对面上。在该特定实施例中，VCSEL 34以“上下颠倒”(即，外侧表面朝下(epi-side down))方式安装，以便穿过基板32的厚度发射(代替从顶部表面射出并进入自由空间的通常过程)。当发射光束通过基板32传播时，发射光束的发散由图3中的虚线示出。图4还示出了非平面波前从VCSEL器件34向专用DOE 40的移动。根据本发明的该特定实施例，形成专用DOE 40以呈现相邻光栅特征44之间的非均匀间隔的图案42。在该特定示例中，专门形成DOE 40的图案42以调整相邻光栅特征44之间的间隔，以匹配通过VCSEL 34发射的光的光束轮廓。即，间距被控制为补偿在相对于波前中心的波前的外部区域之间的相位延迟。通过在根据本发明的教导形成的专用衍射元件中提供这种补偿，准直和衍射都由单个部件提供，从而产生紧凑的结构化光投影仪布置。

在该实施例的一个特定配置中，可以通过在金属接触层38上沉积材料层46(例如，TiO₂)并随后图案化和蚀刻材料层46以配置所需图案42的光栅特征44来形成专用DOE40。或者，可以通过将特征44直接蚀刻到金属接触层38中来形成图案42。使用传统的、众所周知的集成电路制造工艺在接触层中/上直接产生衍射图案的能力导致极其紧凑的结构光投影仪，图案与VCSEL发出的光束对齐。在任何配置中，只要DOE 40产生具有不同折射率值的各个特征44的光栅图案，穿过这些区域的光束将经历不同的衍射程度，从而在远场中产生所需的点光束图案。通过利用某种类型的非均匀特征(不均匀的尺寸、形状、间隔等)，DOE 40提供来自VCSEL 34的发散输出光束的准直，因此不需要单独的准直透镜。

图5是专用DOE 40的放大视图，图5示出了图案42中的不均匀性，其特别配置成匹配从VCSEL 34输出的非准直光束的波前。如图5所示，在专用DOE40的中心区域中的特征44A以一定间隔地相对靠近在一起(由间隔S_A表示)，特征44A和44B之间的间隔在增加(表示为S_B的间隔)。在来自专用DOE 40的中心特征44A的+x和-x方向上，这种具有特征44C的间距(S_C)在增加，等等。根据本发明的这个特定实施例，控制间隔以匹配波前外部的相位延迟，相位延迟如图5中的Δφ所示。

如上所述，本发明的专用DOE可以与配置为替代仅仅单个光源的结构光投影仪的光源阵列一起使用。图6示出了包括VCSEL 34-1至34-N阵列的示例性配置，VCSEL 34-1至34-N的外延向下设置在基板60上，使得它们的发射光束通过基板60的厚度传播并通过n型接触层62离开。根据本发明的该阵列实施例的这种特定配置，VCSEL阵列在单个衬底上形成为集成阵列，其中多个单独的专用DOE 70-1至70-N设置在基板60的n型接触层62上。如图所示，DOE 70-1至70-N中的每一个与其相关联的VCSEL 34-1至34-N对准。

在这种情况下，DOE 70-1至70-N形成在适当材料的层72内并且被配置为呈现期望的非均匀图案74-1至74-N(间隔、厚度或两者的不均匀)。每个图案形成为以与其自身的单独光束相互作用，以从该发射光束产生所需的点图案。根据本发明的这个实施例，VCSEL34-1到34-N被分开预定距离d，使得它们的发散光束在穿过基板60时不重叠。特别地，条件是将d定义为大于2*T*sin(θ)，其中T是基板60的厚度，θ定义为光束的横向发散，如图6所示。以这种方式，在DOE 70-1至70-N中形成的特定图案74-1，74-2，......和74-N可以独立地配置，以提供仅基于其相关光束的发散特性的最佳图案，而不用担心重叠光束的干涉。实际上，应该理解，每个DOE可以呈现不同的非均匀衍射图案，使得各种图案的组合提供所需的点图案结果。有利的是，标准集成电路制造工艺的使用允许以直接方式形成结构光投影阵列。

此外，应该理解，更大的VCSEL阵列可以用作本发明的集成结构光投影仪的光源，包括这种装置的二维阵列。在每种情况下，产生单独的衍射图案以用于从每个光束中产生光斑图案。

图7示出了本发明的另一个实施例，其中在这种情况下，控制专用DOE元件的特征厚度(而不是特征间隔)，以提供补偿光束发散所需的非均匀性。特别地，图7示出了专门的DOE 80，其形成在材料层中，该材料层沉积在n型(金属)接触层38上(与上述实施例一样)。可以顺序处理材料以产生不同厚度的单独光栅特征82。这里，光栅特征82的厚度随着从专用DOE 80的中心的两个方向上的x而变化。在DOE 80的中心区域中示出最厚的特征82A，具有一对稍微不厚的特征82B设置在特征82A的两侧(其中t_A＞t_B)。向外延伸的下一对特征82C略短于特征82B(t_B＞t_C)，等等。

可以通过使用一系列图案和蚀刻以控制在每个蚀刻步骤期间去除的材料的量来改变厚度。或者可以使用受控反应离子蚀刻(RIE)工艺来定制特征82的厚度并产生所需图案。可以使用调整特征82的厚度的其他方法，并且在所有情况下，修改厚度以便控制与穿过局部特征82的光束部分相关联的相位延迟。特别地，特征越厚，相位延迟越长。因此，通过了解与用于形成特征82的特定材料相关联的相位延迟(作为穿过材料的光的波长的函数)，根据本发明可以开发出厚度不均匀的适当配置，以为非准直输出光束提供补偿。

图8中示出了本发明的又一个实施例。这里形成专门的DOE90，以显示元件的不均匀间隔和元件的不均匀厚度的组合。在该特定配置中，DOE90包括一组特征92，其由第一厚度t₁或第二厚度t₂形成(在相邻特征之间具有间隔，如图所示)。该特定实施例中的厚度可以在尺寸上相关，以便为穿过较厚特征的波的部分提供2π相移(然而，这应该被认为是仅一种可能的配置和可能用过的t₁和t₂的其他值)。特征92也形成为具有两个不同的宽度，如W₁和W₂所示。这种特征厚度和宽度的组合可以形成闪耀的衍射光学元件，其还补偿来自VCSEL34的非准直输出光束。特别地，该配置用于帮助耗尽零阶模式(即，不是衍射的模式。)

虽然上述实施例示出了单片结构光投影仪的创建，但是应该理解，专用DOE可以形成为单独的分立元件并且与光源对准设置，例如图3的框图所示。

回想一下，结构光投影仪的现有技术配置需要将准直透镜与标准DOE对准，然后将对准的组合包装到模块中。然后，模块需要与相关的光源对齐。如上所述，本发明通过将准直和衍射功能组合成单个元件而不需要这些各种对准和封装步骤，该单个元件可以与激光光源集成以形成单片结构光投影仪。本发明的结构光投影仪坚固且非常紧凑。在不需要额外的分立元件的情况下，制造工艺大大地简化并且允许极其紧凑的投影产品，这是手机工业中应用的关键因素(例如，智能手机内的投影仪)。

因此，应当理解，上述实施例是作为示例引用的，并且本发明不限于上文特别示出和描述的内容。而是，本发明的范围包括各种所述特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读此前的描述时将想到的并且在先前未公开的变化和修改。

Claims

1.一种结构光投影仪，用于以定义的图案产生光点的远场图像，包括：

单个激光二极管，产生非准直光束作为输出；和

专用衍射光学元件，其设置成截取来自所述单个激光二极管的所述非准直光束，所述专用衍射光学元件包括布置成非均匀图案的多个光栅特征，其被配置为补偿所述非准直光束的波前和相位延迟，且其后衍射补偿光束，以从所述单个激光二极管产生表现出所定义图案的光点的干涉图案作为输出；

其中，所述多个光栅特征的非均匀图案包括所述多个光栅特征的不均匀厚度和/或相邻光栅特征之间的不均匀间隔；

其中，所述不均匀间隔用来匹配波前外部的相位延迟；

其中，所述不均匀厚度用来控制与穿过局部特征的光束部分相关联的相位延迟,特征越厚，相位延迟越长。

2.如权利要求1所述的结构光投影仪，其特征在于，从所述专用衍射光学元件的中心区域向外测量，所述不均匀间隔的尺寸增加。

3.如权利要求1所述的结构光投影仪，其中，从专用衍射光学元件的中心区域向外测量，所述光栅特征的厚度减小。

4.如权利要求1所述的结构光投影仪，其中各个光栅特征呈现第一厚度t₁和第二厚度t₂中的任何一个，相邻的光栅特征由第一间隔W₁和第二间隔W₂中的任一个隔开，以形成补偿的高阶专用衍射光学元件。

5.如权利要求1所述的结构光投影仪，其中所述单个激光二极管包括单模激光二极管。

6.如权利要求1所述的结构光投影仪，其中所述单个激光二极管包括多模激光二极管。

7.如权利要求1所述的结构光投影仪，其中所述单个激光二极管包括半导体激光二极管。

8.如权利要求7所述的结构光投影仪，其中所述单个激光二极管包括垂直腔表面发射激光器VCSEL。

9.如权利要求8所述的结构光投影仪，其中所述VCSEL倒置设置，以引导所述非准直光束穿过支撑基板的厚度，从所述支撑基板的主表面射出。

10.如权利要求9所述的结构光投影仪，其中，所述专用衍射光学元件设置在所述支撑基板的主表面上。

11.根据权利要求10所述的结构光投影仪，其中所述专用衍射光学元件包括在所述支撑基板的主表面上形成的在表面层内蚀刻的所述多个光栅特征的非均匀布置。

12.一种结构光投影仪，包括：

多个单个激光二极管，每个激光二极管提供非准直光束作为输出；和

多个专用衍射光学元件，以一对一关系设置在所述多个单个激光二极管上方并与所述多个单个激光二极管对准，每个单独的专用衍射光学元件包括布置成非均匀图案的多个光栅特征，以补偿相关的非准直光束的波前和相位延迟，且其后衍射相关的补偿光束，所述多个专用衍射光学元件产生结构光输出，所述结构光输出包括与所述单个激光二极管的阵列相关的多个干涉图案；

其中，所述不均匀间隔用来匹配波前外部的相位延迟；

13.一种制造结构光投影仪的方法，包括以下步骤：

a)提供产生非准直输出光束的单个激光二极管；

b)分析步骤a)中提供的所述非准直输出光束以确定与所述非准直输出光束相关的特定非平面波前和相位延迟；和

c)配置衍射光学元件的多个光栅特征以呈现补偿所述非准直输出光束的所述特定非平面波前和相位延迟的非均匀性，且衍射补偿光束,以从所述单个激光二极管产生具有预定图案的光点的干涉图案作为输出；

其中，所述多个光栅特征包括所述多个光栅特征的不均匀厚度和/或相邻光栅特征之间的不均匀间隔；

其中，所述不均匀间隔用来匹配波前外部的相位延迟；

14.根据权利要求13所述的方法，其中在执行步骤a)时，在支撑基板上提供垂直腔表面发射激光二极管，并且所述垂直腔表面发射激光二极管被定向成发射穿过所述支撑基板的厚度的所述非准直输出光束，所述非准直输出光束在所述支撑基板的主表面上射出。

15.如权利要求14所述的方法，其中在执行步骤c)时，所述衍射光学元件设置在所述支撑基板的主表面上，以形成单片结构光投影仪。

16.如权利要求15所述的方法，其中将所述衍射光学元件直接蚀刻到所述支撑基板的主表面中。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述衍射光学元件通过以下步骤形成：

在所述支撑基板的主表面上沉积半导体材料层；

图案化所述半导体材料层以呈现不均匀图案；和

蚀刻图案化的层以产生所述衍射光学元件的所述多个光栅特征。