CN111065886A

CN111065886A - 生成结构光

Info

Publication number: CN111065886A
Application number: CN201880056228.9A
Authority: CN
Inventors: 德米特里·巴金; 马尔库什·罗西
Original assignee: Ames Sensors Singapore Pte Ltd
Current assignee: Ames Osram Asia Pacific Pte. Ltd.
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2038-07-18
Also published as: TW201908814A; US20200225501A1; WO2019016596A1; US10928642B2; CN111065886B; EP3655721B1; TWI752247B; EP3655721A1

Abstract

结构光投影系统包括发光器件的阵列，其被配置成发射光的图案。投影透镜被配置成从阵列接收光的图案并将其投影到第一光学元件。第一光学元件改变光的图案以产生不规则的光的第一发射图案。光的第一发射图案被传输到第二光学元件，第二光学元件被配置成接收光的第一图案并沿着第二发射图案再现第一发射图案，第二发射图案包括以平铺图案排列的第一发射图案的多个实例。

Description

生成结构光

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月18日提交的美国临时专利申请第62/533,992号的利益和优先权，该临时专利申请由本申请的受让人所有，并通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及光投影系统以及用于产生结构光图案的方法和装置。

背景技术

光投影系统在各种应用中用于在表面上投射光的图案。例如，已知的光投影系统可用于确定物体的三维(3D)形状。在已知的用于三维形状测量或三维映射的方法中，结构光图案首先投影到对象表面上。记录被物体高度分布相位调制的条纹图案的图像，然后用于计算相位调制，对其应用一种算法来获得与物体高度变化成比例的相位分布。最后，从相位分布出发，构造出真实世界的坐标。通常，由于随后的相位调制计算和相位分布的确定，在用于3D形状测量的方法中使用不规则图案的结构光图案是有利的。

先前用于3D形状测量的光投影系统包括发光元件，其可以是发光二极管(LED)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)二极管，以及将所发射的光图案投影到表面的装置。光投影系统可以使用投影透镜或附加的光学元件以将所发射的光图案投影到表面上，或者改变所发射的光图案然后将其投射到表面上。这种光学元件可以是衍射光学元件(DOE)。DOE被配置成对入射光束或光的图案进行衍射而以预定方式生成输出图案。通过使用DOE，入射光或光的图案可以被对准，或被成形成不同强度的图案，并且具有比入射光或光的图案更低的输出能量。

发明内容

如上所述，不规则的光图案在用于三维形状测量的方法中提供了优势。然而，制造被配置成产生不规则的光图案的光的阵列是昂贵的。本发明提供一种结构光系统，该结构光系统不需要不规则的发光器件的阵列，而是依赖于光学元件从发射规则图案的发光器件的阵列创建不规则发射的光图案。

使用光学元件来获得光的不规则图案，不仅避免了与制造不规则的发光器件的阵列相关的成本，而且还显示出相对于用于产生光的不规则图案的其他替代解决方案的优势。例如，人们可以使用被配置成产生光的规则图案的光的阵列，并选择性地选择阵列中的哪个发光器件来打开或关闭以产生光的不规则图案；然而，这种替代方案将不利地增加由结构光系统消耗的功率。

本发明的结构光投影系统可以包括发光器件的阵列，其可以被配置成发射光的图案。光的图案由第一光学元件接收，第一光学元件被配置成改变光的图案以产生不规则的光的第一发射图案。然后，光的第一发射图案可以被传输到第二光学元件，第二光学元件被配置成接收光的第一图案并沿着第二发射图案再现第一发射图案，第二发射图案包括以平铺图案排列的第一发射图案的多个实例。

产生结构光图案的方法包括从发光器件的阵列发射光的图案，使用第一光学元件改变该图案以产生光的第一发射图案，以及沿着第二发射图案再现光的第一发射图案。

所描述的系统和方法的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。除非另有说明，否则在下面描述的系统和方法中，可以包括各种特征中的任何一个都或者各种特征中的任何一个都可以以彼此的任何组合来实现。

系统和方法可以进一步包括投影透镜系统，投影透镜系统被配置成接收从发光器件的阵列发射的光并将光投影到第一光学元件。

在一些实施方式中，发光器件的阵列包括发光器件的栅格。例如，栅格可以包括12乘9的发光器件的栅格。

在一些实施方式中，发光器件包括VCSEL。

在一些实施方式中，从发光器件发射的光的图案包括均匀分布的图案，第一发射图案包括不规则图案，并且第二发射图案包括均匀分布的该不规则图案。

在一些实施方式中，由发光器件发射的光的图案包括发光器件的单独簇的栅格，发光器件的单独簇包括以非均匀图案排列的发光器件。例如，相邻的发光器件的簇可以包括以共同的非均匀图案排列的发光器件。例如，相邻的发光器件的簇可以包括以不同的非均匀图案排列的发光器件。在一些情况下，相邻的发光器件的簇以不同的非均匀图案的序列被排列，该序列被再现或重复至少一次。

在一些实施方式中，平铺图案包括至少部分地彼此重叠的第一发射图案的相邻实例。在一些情况下，重叠图案包括在第二图案实例的多个元件内部或之间被布置的第一图案实例的至少一个元件。在一些实施方式中，尽管相邻实例至少部分地彼此重叠，但是单独实例的至少一些部分(例如包括中心区域、多数部分或中心区域的多数部分)可以被相邻实例通畅。也就是，在一些情况下，相邻实例(例如，平铺图)可以部分地彼此重叠，但基本上保持不同或未被周围的平铺图改变。在一些实施方式中，重叠实例或平铺图可以各自至少约20％(例如，至少约30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％)不重叠，其中平铺图的不重叠部分代表提供给第二光学元件(例如，第一图案)的光的图案。如图2所示，交错的平铺图可以包括与相邻平铺图的外部重叠部分重叠的中心非重叠部分和外部重叠部分(例如，重叠边界)。

在一些实施方式中，平铺图案包括彼此分离的第一发射图案的相邻实例。

在一些实施方式中，平铺图案包括排列在一系列的列和行中的第一发射图案的排列。在一些示例中，该排列包括3乘3矩阵。在一些示例中，该排列包括2乘2矩阵。

附图说明

通过参考结合附图的以下说明，可以更好地理解上述发明的方面以及进一步的优势。附图不一定要按比例缩放，而是通常强调说明本发明的原理。

图1示出了根据本发明的原理的结构光投影系统的一个实施方式。

图2示出了根据本发明的原理的结构光投影系统的一个实施方式，并且示出了由本发明的实施方式生成的示例性光图案。

图3A-3C是发光器件的示例性阵列的图示，发光器件具有以垂直或成角度排列的发光元件的列和行，发光元件可根据本发明的实施方式使用。

图4示出了包括一个或多个透镜元件的示例性投影透镜系统，透镜元件可根据本发明的实施方式使用。

图5示出了示例性光学元件，其被配置成仅照亮所需的衍射级，衍射级可根据本发明的实施方式使用。

具体实施方式

图1示出了根据上述一些实施方式的结构光投影系统的示例。在示例系统中，发光器件的阵列100发射光的图案。在一些实施方式中，光阵列100包括一组3个、12乘9个VSCEL的栅格或总共324个VSCEL。在其它实施方式中，光阵列的间距可以是40微米(μm)，并且可以潜在地降低到低至20μm。在其它实施方式中，光阵列可以交错布置。

具有投影透镜120的投影透镜系统110被配置成接收从发光器件的阵列发射的光并将光投影到第一光学元件130。第一光学元件130改变由光阵列100发射的光的图案以产生光的第一发射图案。在这种改变中，第一光学元件130将光阵列100中的每个发光器件分割成给定数量的不规则、编码的点位置。光的第一发射图案被第二光学元件140接收，第二光学元件140被配置成沿第二发射图案再现第一发射图案。第二图案包括排列在平铺图案中的第一发射图案的多个实例，其可形成不规则投影的点图案150。由第二光学元件140产生的不规则投影的点图案150覆盖整个照明场。

通常，当平铺图案包含2乘2矩阵时，第一光学元件130将每个发光器件分割成12个点位置，或当平铺图案包含3乘3矩阵时，分割成30个点位置。因此，在一些实施方式中，不规则投影的点图案150包括大约32,000个点，同时每个单元格大小包括30到80个点。

图1的示例系统可用于执行本文描述的各种方法中的任何一种。此外，本文所示和所描述的示例系统可以使用本文所描述的制造方法制造。

图2示出了可由本文所述的示例结构光投影系统生成和投影的示例性光图案。图2中的光阵列200对应于图1中的光阵列100；图2中的投影透镜系统210对应于图1中的投影透镜系统110；且图2中的投影透镜220对应于图1中的投影透镜120。如上所讨论和所描绘的，第一光学元件230在通过投影透镜系统210的方式接收从光阵列200发射的光时，可以产生光的第一图案260，光的第一图案260可以是不规则图案。示例光的第一图案可以是平铺的倍增图案280或交错的倍增图案290。如上所讨论和所描绘的，第二光学元件240可以再现光的第一图案260以创建光的第一图案260的多个实例，形成光的第二图案270。光的第二图案270可以形成从结构光投影系统投影的不规则投影的点图案250。

在其中光的第二图案270是交错的倍增图案290的实施方式中，存在由光的第一图案260的相邻实例形成的一个或多个非重叠部分291和一个或多个重叠部分292。

图3A-3C示出了可使用本文所述系统和方法生成的光图案的三个不同示例实施方式。

例如，图3A描绘了其中光阵列投影光的规则(例如，栅格)图案的示例。术语规则或栅格可以包括发光元件的重复的或一致的图案。在一些情况下，规则图案301包括列和行的发光元件，这些发光元件通常相对彼此垂直地排列。在一些情况下，光的规则图案可以包括有角度的规则的(例如，倾斜的或菱形的)图案302。也就是，在一些实施方式中，规则图案包括列和行的发光元件，其中行可以相对于列的方向成角度或不垂直。

图3B描绘了其中阵列投影光的子图案的规则图案的示例。在一些实施方式中，光的子图案包括较小的光簇。在一些情况下，规则图案311包括通常相对彼此垂直排列的列和行的发光元件簇。在一些情况下，光的规则图案可以包括成角度的规则(例如，倾斜的或菱形的)图案312，其包括光簇。也就是，在一些实施方式中，规则图案包括列和行的发光元件簇，其中行可以相对于列的方向成角度或不垂直。

图3C描绘了其中阵列投影光的子图案的规则图案(例如，较小的光簇的栅格)的示例，光的子图案的规则图案可以在栅格321的一个方向上(例如，沿着x轴的行)具有不同形状的簇并在栅格322的一个方向上(例如，沿着列或y轴)的具有共同形状的簇。在一些情况下，如所描绘的，栅格可以具有从列至列的不同形状的簇323的序列(例如，图3C中标记的A、B和C)。在一些实施方式中，沿着行的不同形状的簇的序列可以重复(例如，A、B、C、A、B、C等)。

图4描绘了对象平面401和图像平面402之间的示例投影透镜系统。投影透镜系统或投影透镜可以包括从发光元件投影光的一个或多个光学组件。各种配置中的任何一种都是可能的。例如，投影透镜可以包括一个或多个透镜元件。投影透镜或形成投影透镜的一个或多个透镜元件可以通过各种合适的制造技术中的任何一种来形成。例如，投影透镜可以通过注射成型或晶圆级制造技术来制造。

投影透镜的特定光学性能可适合于特定应用。在一些实施方式中，投影透镜可以具有小于或等于约5毫米(mm)(例如，约1.5mm至约5mm)的有效焦距。在一些实施方式中，投影透镜可具有小于或等于约1mm(例如，约0.2mm至约1.0mm)的物体场高度。

此外，透镜类型的特定配置也可适合于使用。在一些实施方式中，透镜元件可以在无系统孔径的投影透镜的对象侧上是远心的。然而，在一些实施方式中，排列可包括非远心设计(例如，主光角(CRA)<>0度)并使用一个或多个系统孔径。

图5描绘了可与本文的系统和方法一起使用的示例光学元件。在一些实施方式中，如上所讨论的，光学元件可用于从由规则阵列(其可以是规则光图案)产生的光创建光的不规则的或随机的图案。在一些实施方式中，光学元件可以是衍射光学元件。

在一些实施方式中，衍射光学元件可以包括衍射光栅，通常是二维光栅，其分割入射光束501。例如，进入衍射光学元件的入射光束可以在经过投影光学件(例如投影透镜)的准直之后从单个发光元件(例如VCSEL)发射。

衍射光学元件可以形成各种合适的结构中的任何一种。例如，在一些实施方式中，衍射光学元件可以形成为二进制传输掩模。在一些实施方式中，衍射光学元件可形成为相位元件，其可包括具有2、3…16个离散能级的表面凹凸轮廓或连续轮廓或对入射波施加适当相移的任何其他光学显微结构。

如果衍射光栅的单元格包含具有不同相位水平的n x n像素(N：奇数)，则可以创建n x n衍射级的栅格。

在图5所示的情况下，衍射光栅的单元格包含15x 15阶，同时在该栅格中随机选择的位置上选择12个衍射级(例如，图示性衍射级502)。

然后对衍射光学元件进行配置或优化，以仅照亮所需的衍射级。结果，可以创建不规则图案。

Claims

1.一种结构光投影系统，包括：

发光器件的阵列，所述发光器件的阵列发射光的图案；

第一光学元件，所述第一光学元件被配置成改变由所述发光器件的阵列发射的所述光的图案以产生光的第一发射图案，所述光的第一发射图案是不规则的；以及

第二光学元件，所述第二光学元件被配置成接收由所述第一光学元件产生的所述光的第一图案并沿第二发射图案再现所述第一发射图案，所述第二发射图案包括以平铺的图案排列的所述第一发射图案的多个实例。

2.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中由所述阵列发射的所述光的图案是规则的、均匀的、栅格状的、未被干扰的、重复的、一致的或均匀分布的图案。

3.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述第一发射图案是随机的、非均匀的、非栅格的、被干扰的、间隔不均衡的、部分阻塞的、部分堵塞的或非均等分布的。

4.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述第一发射图案沿着所述第二发射图案平铺、分布或复制。

5.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述第二发射图案是均匀的图案、规则的图案或均匀分布的图案。

6.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述结构光投影系统进一步包括投影透镜系统，所述投影透镜系统被配置成接收从所述阵列发射的所述光的图案并将所述光的图案投射到所述第一光学元件。

7.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述平铺的图案包括所述第一发射图案的一个或多个相邻实例，所述第一发射图案至少部分地彼此重叠。

8.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述发光器件包含一个或多个VCSEL。

9.根据权利要求1所述的结构光投影系统，其中所述阵列包括一个或多个发光器件的单独簇的栅格，所述发光器件的单独簇包括一个或多个以非均匀图案排列的发光器件。

10.根据权利要求1所述的结构光投射系统，其中所述阵列包括一个或多个发光器件的单独簇的栅格，所述发光器件的单独簇包括一个或多个以不同的非均匀图案的序列排列的发光器件，所述序列被再现至少一次。

11.一种产生结构光图案的方法，所述方法包括：

从发光器件的阵列发射光的图案；

接收从所述发光器件的阵列发射的所述光的图案并用投影透镜投影所述光的图案；

使用第一光学元件改变由所述发光器件的阵列发射的所述光的图案以产生光的第一发射图案，所述光的第一发射图案是不规则的；并且

使用第二光学元件接收由所述第一光学元件产生的所述第一发射图案，并沿第二发射图案再现所述第一发射图案，所述第二发射图案包括以平铺的图案排列的所述第一发射图案的一个或多个实例。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述阵列包括通常相对彼此垂直排列的一个或多个列的发光器件和一个或多个行的发光器件。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述阵列包括一个或多个列的发光器件和一个或多个行的发光器件，所述一个或多个行的发光器件相对于所述一个或多个列的发光器件以非垂直的角度排列。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述阵列投影光的子图案的规则图案，所述光的子图案的规则图案可以在所述规则图案的第一方向上具有一个或多个共同形状的簇，并在所述规则图案的第二方向上具有一个或多个不同形状的簇。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述投影透镜包括透镜元件，所述透镜元件在所述投影透镜的对象侧上为远心的。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一光学元件为衍射光学元件。

17.一种从发光元件的规则阵列创建不规则的结构光图案的方法，所述方法包括：

从均匀分布的VCSEL阵列产生光的规则图案；

改变使用第一衍射光学元件发射的所述光的规则图案以产生光的不规则表现；并且

沿着相对彼此排列的多个实例再现所述光的不规则表现。

18.根据权利要求17所述的方法，其中使用第二衍射光学元件再现所述光的不规则表现。

19.一种制造结构发光器件的方法，所述方法包括：

形成发光器件的阵列，所述发光器件的阵列被配置成发射光的图案；

在所述发光器件的阵列的照明场内设置第一光学元件，所述第一光学元件被配置成改变由所述发光器件的阵列发射的所述光的图案以产生光的第一发射图案，所述光的第一发射图案是不规则的；以及

在所述光的第一发射图案的照明路径内设置第二光学元件，所述第二光学元件被配置成接收由所述第一光学元件产生的所述光的第一图案并沿着第二发射图案再现所述第一发射图案，所述第二发射图案包括以平铺的图案排列的所述第一发射图案的多个实例。