CN111176061A - 结构光投影仪和包括结构光投影仪的电子设备 - Google Patents

结构光投影仪和包括结构光投影仪的电子设备 Download PDF

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Abstract

提供了一种结构光投影仪，包括：光源，被配置为发射光；以及纳米结构阵列，被配置为基于由光源发射的光形成点图案，纳米结构阵列包括多个超级单元，每个超级单元分别包括多个纳米结构，其中，所述多个超级单元中的每个超级单元包括第一子单元和第二子单元，第一子单元包括具有第一形状分布的多个第一纳米结构，第二子单元包括具有第二形状分布的多个第二纳米结构。

Description

结构光投影仪和包括结构光投影仪的电子设备
相关申请的相交引用
本申请基于并要求于2018年11月9日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请No.62/758,064的优先权，并且要求于2019年2月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0017960的优先权，所述申请的公开通过全文引用合并于此。
技术领域
本公开的示例实施例涉及一种结构光投影仪和包括结构光投影仪的电子设备。
背景技术
近来，关于对诸如人、物等的对象的识别，为了进行精确的三维(3D)形状识别，需要准确地识别对象的形状、位置、移动等。作为提高3D形状识别准确度的方法，已经开发出使用结构光的3D感测技术，从而实现更精确的运动识别。
结构光系统必须能够形成所需的点图案，并且还必须与各种电子设备耦合，需要结构光系统的小型化和高分辨率。为了产生结构光，可以使用诸如衍射光学元件(DOE)之类的光学部件。然而，光学部件的体积影响设计精度和制造要求。
发明内容
一个或多个示例实施例提供一种结构光投影仪和包括结构光投影仪的电子设备。
附加方面部分地将在接下来的描述中进行阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过对示例实施例的实践来获知。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种结构光投影仪，包括：光源，被配置为发射光；以及纳米结构阵列，被配置为基于由所述光源发射的光形成点图案，所述纳米结构阵列包括多个超级单元，每个超级单元分别包括多个纳米结构，其中，所述多个超级单元中的每个超级单元包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元包括具有第一形状分布的多个第一纳米结构，所述第二子单元包括具有第二形状分布的多个第二纳米结构。
所述光源可以包括多个发光元件。
所述多个发光元件和所述多个超级单元可以分别以二维周期性晶格设置。
所述多个发光元件的晶格常数与所述多个超级单元的晶格常数的比率可以是有理数。
所述多个发光元件的二维周期性晶格和所述多个超级单元的二维周期性晶格可以具有相同的形状和不同的尺寸。
所述多个发光元件的二维周期性晶格和所述多个超级单元的二维周期性晶格可以具有相同的形状和相同的尺寸。
所述光源与所述纳米结构阵列之间的距离可以是C2/2λ的整数倍，其中所述超级单元的晶格常数是C，所述光源发射的光的中心波长是λ。
所述第一形状分布和所述第二形状分布可以彼此不同。
所述第一子单元和所述第二子单元可以具有相等的面积。
所述超级单元还可以包括k个子单元，所述k个子单元分别包括设置有第k形状分布的第k个纳米结构，其中k是3和N之间的整数，N是大于3的整数。
所述超级单元中包括的第一子单元至第N子单元可以以二维周期性晶格设置。
所述超级单元中包括的第一子单元至第N子单元中的每个子单元可以具有与所述超级单元的等分面积对应的面积。
所述第一子单元至所述第N子单元中的每个子单元中包括的多个第一纳米结构至多个第N纳米结构的第一形状分布至第N形状分布可以彼此不同。
所述第一子单元至所述第N子单元的相位轮廓可以基于预定规则彼此相关联，并且所述第一子单元至所述第N子单元中的每个子单元可以被配置为分别基于所述第一子单元至所述第N子单元的相位轮廓来调制入射光的相位。
第m子单元的相位轮廓可以包括所述第一子单元至所述第N子单元共用的局部相位轮廓以及与包括所述第m子单元的超级单元的位置相对应的全局相位轮廓，其中m是从1到N的整数，N是大于或等于3的整数。
所述第一纳米结构和所述第二纳米结构可以分别具有小于由所述光源发射的光的波长的形状尺寸。
所述多个第一纳米结构的间距和所述多个第二纳米结构的间距可以分别小于或等于由所述光源发射的光的波长的1/2。
每个第一纳米结构的高度和每个第二纳米结构的高度可以分别小于或等于从所述光源发射的光的波长的2/3。
所述第一纳米结构和所述第二纳米结构可以分别包括折射率与周围材料的折射率相差0.5或更多的材料。
所述点图案可以包括随机图案，并且所述随机图案可以包括形成集群的多个点，所述集群是规则地设置的。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种电子设备，包括：结构光投影仪，包括：光源，被配置为发射光；以及纳米结构阵列，被配置为基于由所述光源发射的光形成点图案，所述纳米结构阵列包括多个超级单元，每个超级单元分别包括多个纳米结构，其中，所述多个超级单元中的每个超级单元包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元包括具有第一形状分布的多个第一纳米结构，所述第二子单元包括具有第二形状分布的多个第二纳米结构；第一传感器，被配置为接收被对象反射的光，所述对象被所述结构光投影仪发射的光照射；以及处理器，被配置为基于由所述第一传感器接收的光获得关于所述对象的深度位置的第一信息。
所述电子设备还可以包括：第二传感器，被配置为接收被所述对象反射的光，其中，所述处理器还被配置为基于由所述第二传感器接收的光获得关于所述对象的深度位置的第二信息。
所述处理器还可以被配置为基于所述第一信息和所述第二信息中的至少一个来获得所述对象的深度信息。
根据示例实施例的又一方面，提供了一种结构光投影仪，包括：光源，被配置为发射光，所述光源包括多个发光元件；以及纳米结构阵列，被配置为基于由所述光源发射的光形成点图案并且包括多个超级单元，所述多个超级单元中的每个超级单元包括多个子单元，其中，所述多个子单元中的每个子单元被配置为基于所述多个子单元中的每个子单元的相位轮廓来调制由所述光源发射的光的相位。
可以基于与所述点图案对应的预定规则来设置所述多个子单元中的每个子单元的相位轮廓。
所述多个发光元件和所述多个超级单元可以分别以二维周期性晶格设置，并且所述多个发光元件的二维周期性晶格和所述多个超级单元的二维周期性晶格可以具有相同的形状。
附图说明
上述和/或其他方面将从结合附图对示例实施例的以下描述中变得清楚明白并且更易于理解，其中：
图1是示出了根据示例实施例的结构光投影仪的结构的截面图；
图2是示出了图1的结构光投影仪中包括的纳米结构阵列的图案的平面图，该纳米结构阵列的图案包括包含多个子单元的超级单元；
图3是通过放大图2的部分区域详细示出了纳米结构阵列的包括子单元和超级单元的图案的平面图；
图4是示出了图1的结构光投影仪中包括的光源中所包括的多个发光元件的布置的平面图；
图5是放大图1的结构光投影仪的部分区域的平面图，其示出了超级单元和发光元件之间的对应关系；
图6概念性地示出了超级单元中包括的子单元形成不同的相位轮廓；
图7示出了由超级单元形成的结构光的随机图案；
图8示出了由图1的结构光投影仪形成的准随机点图案的结构光：
图9是详细示出了图1的结构光投影仪的纳米结构阵列中包括的第一子单元的截面图；
图10是详细示出了图1的结构光投影仪的纳米结构阵列中包括的第二子单元的截面图；
图11A至图11E是示出了图9和图10中所示的纳米结构的示例形状的透视图；
图12是示出了根据示例实施例的结构光投影仪中包括的纳米结构阵列的图案的平面图；
图13是示出了包括图12的纳米结构阵列的结构光投影仪中采用的光源中所包括的多个发光元件的布置的平面图；
图14是示出了根据示例实施例的电子设备的示意性结构的框图；以及
图15是示出了根据示例实施例的电子设备的结构的框图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的示例实施例，其中，类似的附图标记始终表示类似的元件，并且为了描述的清楚和方便起见，可以夸大每个元件。在这点上，示例性实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。如本文所用，术语“和/或”包括关联列出的项目中的一个或多个项目的任意和所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该理解为仅包括a、仅包括b、仅包括c、包括a和b两者、包括a和c两者、包括b和c二者、或包括a、b和c的全部。
以下示例实施例仅是说明性的，并且可以根据这些实施例进行各种修改。
诸如“在......上方”或“在......上”之类的表述不仅可以包括“以接触方式直接在......上”的含义，还可以包括“以非接触方式在......上”的含义。
当假设某个部件包括某个组件时，术语“包括”或“包含”意味着对应组件还可以包括其他组件，除非写了与对应组件相反的特定含义。
在实施例中使用的诸如“单元”或“模块”之类的术语指示用于处理至少一个功能或操作的单元，并且可以用硬件、软件或者用硬件和软件的组合来实现。
图1是示出了根据示例实施例的结构光投影仪的结构的截面图。图2是示出了图1的结构光投影仪中包括的纳米结构阵列的图案的平面图，该纳米结构阵列的图案包括包含多个子单元的超级单元，并且图3是通过放大图2的部分区域示出了纳米结构阵列的包括子单元和超级单元的图案的平面图。图4是示出了图1的结构光投影仪中包括的光源中所包括的多个发光元件的布置的平面图。
结构光投影仪100可以包括光源120和纳米结构阵列140，该纳米结构阵列140通过从光源120发射的光形成具有点图案的结构光。
纳米结构阵列140可以包括多个纳米结构。多个纳米结构的布置可以形成纳米结构-子单元-超级单元的分级结构。例如，子单元包括多个纳米结构，并且多个子单元形成超级单元。超级单元145重复地布置在纳米结构阵列140上。
参考图3，超级单元145可以包括第k个子单元SB_k(其中k是从1到9的整数)。然而，子单元的数量9仅是示例，并且实施例不限于此。子单元的数量可以是大于或等于2的整数。第k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以用
Figure BDA0002121891920000061
表示。包括k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的超级单元145可以以二维(2D)周期性晶格形式来布置。如图3所示，周期性晶格可以是两个方向上的晶格常数等于C1的平行四边形形状。
光源120可以包括多个发光元件122的阵列。然而，实施例不限于此，并且光源120可以是单个光源。
当光源120包括多个发光元件122的阵列时，多个发光元件122的布置可以与超级单元145的布置相同或相似。当多个超级单元145以2D周期性晶格形式布置时，多个发光元件122也可以以对应的2D周期性晶格形式来布置。例如，多个超级单元145和多个发光元件122可以以相同形状或相似形状的2D周期性晶格来布置。多个发光元件122和多个超级单元145可以以具有相同形状和相同尺寸的2D周期性晶格来布置。多个发光元件122和多个超级单元145也可以以具有相同形状和不同尺寸的2D周期性晶格来布置。然而，实施例不限于此。可以基于多个发光元件122中的各个发光元件之间的布置间距来确定纳米结构阵列140和光源120之间的最佳光学距离。多个发光元件122和多个超级单元145可以以具有不同形状和不同尺寸的2D周期性晶格来布置。
发光元件122可以是发光二极管(LED)或激光二极管。发光元件122可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。发光元件122可以包括有源层，该有源层包括III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，并且具有多量子阱结构。然而，实施例不限于此。发光元件122可以发射约850nm或940nm的激光，或者发射近红外光波段或可见光波段的光。然而，从发光元件122发射的光的波长不限于此，并且可以使用发射期望波段的光的发光元件122。
可以分别控制发光元件122。发光元件122的诸如波长、波前的角谱等的光学特性可以是相同的。然而，实施例不限于此，并且可以一起采用具有不同光学特性的发光元件122。
如图4所示，多个发光元件122可以以两个方向上的晶格常数是C2的平行四边形形式来布置。周期性晶格的尺寸，即多个超级单元145的布置和多个发光元件122的布置的两个方向上的晶格常数，可以彼此不同。多个超级单元145的布置的晶格常数C1与多个发光元件122的布置的晶格常数C2的比率可以是有理值。例如，C1/C2不限于整数，并且可以具有任意有理值。多个发光元件122的布置可以具有其中一个或多个发光元件122对应于一个超级单元145的关系。然而，实施例不限于此，并且发光元件122的数量可以小于超级单元145的数量。
多个子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以分别具有相等的面积。每个子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以具有通过等分超级单元145的面积而获得的面积。超级单元145和子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以具有相同的形状。尽管在图3中子单元SB_k(k是从1到9的整数)被示出为正六边形，并且超级单元145被示出为平行四边形，但是该图示是示例并且子单元SB_k(k是从1到9的整数)也可以具有平行四边形形状。通过使子单元SB_k(k是从1到9的整数)的面积相等，可以最大化结构光的点图案的点之间的强度均匀性。然而，实施例不限于此，并且超级单元145中的子单元SB_k(k是从1到9的整数)之间的面积分布可能不均匀。多个子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以分别具有不同的面积。多个子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以分别具有不同的形状。超级单元145和子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以具有不同的形状。可以考虑基于结构光投影仪100将被应用于的应用所需的结构光图案来确定形状。
光源120和纳米结构阵列140之间的光学距离OPD可以被确定为适当的距离，使得当来自光源120的光在穿过纳米结构阵列140的同时形成点图案时，清晰地形成每个点。例如，光学距离OPD可以被设置为其中通过自成像、塔尔博特效应(Talbot effect)等形成清晰点的距离。
当多个发光元件122和多个超级单元145以具有相同形状和相同尺寸的2D周期性晶格布置时，光学距离OPD可以是C2/2λ的整数倍，其中C是超级单元145的晶格常数，λ是来自光源120的光的中心波长，并且光源120和纳米结构阵列140之间的介质的折射率为1。
图5是放大图1的结构光投影仪100的部分区域的平面图，其示出了超级单元145和发光元件122之间的对应关系。
如图5所示，一个发光元件122可以对应于一个超级单元145。其中一个发光元件122对应于一个超级单元145的位置不限于图示的位置①。只要发光元件122的布置的周期性晶格形式具有与超级单元145的布置的周期性晶格形式相同的形状，发光元件122和超级单元145就可以在超级单元145中的另一位置彼此对应。
图6概念性地示出了超级单元中包括的子单元形成不同的相位轮廓，并且图7示出了由超级单元形成的结构光的随机图案。
超级单元145中包括的第k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以具有相同的相位轮廓或不同的相位轮廓，用于调制入射光的相位。通过在子单元SB_k中使用不同的斜线PL示出了不同的相位轮廓。k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的相位轮廓可以取决于待形成的点图案根据规则彼此关联。例如，当k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)共享相同的透镜相位轮廓时，可以形成周期性点图案的结构光。
k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的相位轮廓可以包括：k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)之间共同的局部相位轮廓分量；以及与其中包括第k个子单元SB_k的超级单元145的相对位置相关联的全局相位轮廓分量。局部相位轮廓可以是每个第k子单元SB_k(k是从1到9的整数)的中心为其参考的相位轮廓。与其中包括第k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的超级单元145的相对位置相关联的全局相位轮廓与其中包括第k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的超级单元145的2D坐标空间位置相关联。例如，令对角线PL之间的间隔是全局线性相位轮廓的周期，基于与其对应的波矢(kx，ky)以及其上布置有纳米结构阵列的纳米结构的2D空间上的位置坐标(x，y)来确定全局相位轮廓。基于超级单元的相对位置和与第k个子单元SB_k对应的波矢来确定不同超级单元的k个子单元之间的相位差。不同的子单元可以具有不同的波矢。
局部相位轮廓可以确定点图案的强度分布、光传播等。全局相位轮廓可以使将由局部相位轮廓形成的点图案的位置移位。移位的量和方向可以对应于全局线性相位轮廓的波矢的大小和方向。
参考图7，结构光SL可以包括多个重复随机图案RP。图示的随机图案RP示出了由一个超级单元145形成的点图案。可以将第k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的唯一波矢集合设置为使得结构光SL的点的位置不重叠。通过设计k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的相位轮廓，可以改变点的位置、强度分布、大小等，以获得期望的形式。
图8示出了由图1的结构光投影仪形成的准随机点图案的结构光。
这里，准随机点图案表示这样的图案，其中包括多个点的每个随机图案形成根据规则布置的集群。
图9是详细示出了图1的结构光投影仪的纳米结构阵列中包括的第一子单元的截面图，并且图10是详细示出了图1的结构光投影仪的纳米结构阵列中包括的第二子单元的截面图。图11A至图11E是详细示出了图9和图10中所示的纳米结构的示例形状的透视图。
第一子单元SB_1可以包括基板SU和形成在基板SU上的多个第一纳米结构NS1。第一纳米结构NS1可以具有横截面宽度为D1且高度为H1的柱形状。第一纳米结构NS1可以具有亚波长的形状尺寸，即，形状尺寸小于由光源120发射的光的中心波长λ。第一纳米结构NS1的高度H1可以小于或等于波长λ的2/3。多个第一纳米结构NS1的布置间距可以小于或等于波长λ的1/2。
第二子单元SB_2可以包括基板SU和形成在基板SU上的多个第二纳米结构NS2。第二纳米结构NS2可以具有横截面宽度为D2且高度为H2的柱形状。第二纳米结构NS2的高度H2可以小于或等于波长λ的2/3。多个第二纳米结构NS2的布置间距可以小于或等于波长λ的1/2。
多个第一纳米结构NS1的形状分布和多个第二纳米结构NS2的形状分布可以彼此不同。这里，形状分布可以是以下项中的任何一个或多个：关于第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2中的每一个的形状、尺寸、布置间距、每个位置的形状分布、每个位置的尺寸分布以及每个位置的布置间距分布。可以在将由包括第一子单元SB_1和第二子单元SB_2的超级单元形成的点图案中确定多个第一纳米结构NS1的形状分布和多个第二纳米结构NS2的形状分布。
图9和图1O示出了两个子单元，即第一子单元SB_1和第二子单元SB_2。对于包括N个子单元的超级单元，第一子单元至第N子单元中分别包括的多个第一纳米结构至多个第N纳米结构的第一形状分布至第N形状分布可以彼此不同。根据示例实施例，至少两个子单元的纳米结构形状分布可以彼此不同。
这样，形成超级单元的多个子单元可以具有取决于将由超级单元形成的点图案而根据规则彼此相关联的相位轮廓。将每个子单元的纳米结构形状分布确定为实现这种相位轮廓。尽管多个第一纳米结构NS1中的每个和多个第二纳米结构NS2中的每个分别被示出为具有相同的形状、尺寸和间隔，但是示例实施例不限于此。当超级单元包括N个子单元时，可以将第k个子单元SB_k(k是从1到9的整数)的第k纳米结构形状分布确定为实现期望的相位轮廓。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以包括折射率与周围材料的折射率相差0.5或更多的材料。例如，支撑第一纳米结构NS1的基板SU和支撑第二纳米结构NS2的基板SU可以包括折射率与第一纳米结构NS1的折射率和第二纳米结构NS2的折射率不同的材料。基板SU和第一纳米结构NS1的折射率之间的差异以及基板SU和第二纳米结构NS2的折射率之间的差异可以大于或等于0.5。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的折射率可以高于基板SU的折射率，但是示例实施例不限于此。例如，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的折射率可以低于基板SU的折射率。
基板SU可以包括以下任何一种材料：玻璃(熔融二氧化硅、BK7等)、石英、聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、SU-8等)和塑料，或者可以是半导体基板。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以包括单晶硅(c-Si)、多晶硅(p-Si)、非晶硅(a-Si)、III-V族化合物半导体(磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等)、碳化硅(SiC)、氧化钛(TiO2)或氮化硅(SiN)中的至少一种。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以如图11A所示具有直径为D且高度为H的圆柱形状，或者如图11B所示具有边长为D且高度为H的正方棱柱形状。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以是具有非对称横截面的柱形。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以如图11C所示具有椭圆柱形状，该椭圆柱形状具有不同长度的长轴Dy和短轴Dx并具有高度H，如图11D所示具有矩形棱柱形状，该矩形棱柱形状具有不同长度的宽度Dy和长度Dx并具有高度H，以及如图11E所示具有棱柱形状，该棱柱形状具有十字形截面并具有高度H，该十字形截面具有不同长度的宽度Dx和长度Dy。
图12是示出了根据示例实施例的结构光投影仪中包括的纳米结构阵列的图案的平面图。
纳米结构阵列240的多个超级单元245可以以具有矩形形状的周期性晶格形式来布置。水平方向X上的晶格常数C3和竖直方向Y上的晶格常数C4可以彼此相同或不同。超级单元245中包括的子单元SB_k(k是从1到9的整数)可以以具有矩形形状的周期性晶格形式来布置。超级单元245被示为包括九个子单元SB_k，但是这仅是示例，使得其中可以包括两个或更多个或其他数量的子单元。
图13是示出了包括图12的纳米结构阵列的结构光投影仪中采用的光源中所包括的多个发光元件的布置的平面图。
当在包括如图12所示的纳米结构阵列240的结构光投影仪中，光源220包括多个发光元件222时，多个发光元件222可以以具有与纳米结构阵列240的超级单元245类似的矩形形状的周期性晶格形式来布置。多个发光元件222的布置的水平方向X上的晶格常数和竖直方向Y上的晶格常数可以分别是C5和C6。
当纳米结构阵列240的超级单元245的布置为其中C3和C4彼此相等的正方形晶格形式时，多个发光元件222的布置也可以是其中C5和C6彼此相等的正方形晶格形式。C3/C4可以等于C5/C6。一个或多个发光元件222可以对应于一个超级单元245，即，多个发光元件的数量可以等于或大于超级单元245的数量。然而，示例实施例不限于此，并且多个发光元件222的数量可以小于超级单元245的数量。
图14是示出了根据示例实施例的电子设备的结构的框图。
电子设备500可以包括：结构光投影仪510，被配置为将结构光SL照射到对象OBJ；传感器530，被配置为接收从利用结构光SL照射的对象OBJ反射的光；以及处理器550，被配置为执行用于根据从传感器530接收的光Lr获得对象OBJ的形状信息的计算。
结构光投影仪510可以采用上述结构光投影仪100。结构光投影仪510可以通过使用由纳米结构阵列的纳米结构-子单元-超级单元形成的分级结构的形状和具有与之对应的布置的光源来形成期望点图案的结构光，从而形成期望点图案的结构光。在该分级结构中，超级单元中包括的多个子单元的数量或子单元的相位轮廓之间的关系可以取决于使用关于对象OBJ的信息的应用。
传感器530可以感测由对象OBJ反射的结构光Lr。传感器530可以包括光检测元件的阵列。传感器530还可以包括光谱分析设备，用于基于波长分析从对象OBJ反射的光。
处理器550可以通过将照射到对象OBJ的结构光SL与从对象OBJ反射的光Lr进行比较来获得关于对象OBJ的深度信息，并且根据所获得的深度信息分析对象OBJ的3D形状、位置、移动等。在结构光投影仪510中产生的结构光SL的点图案可以是数学编码图案，以唯一地具有光线的角度和方向以及亮点和暗点到达焦平面的位置坐标。该图案可以由分级结构的具体形状形成，其中在分级结构中结构光投影仪510中包括的纳米结构形成子单元和超级单元。当该图案的光被3D形状的对象OBJ反射时，反射光Lr的图案具有从照射的结构光SL的图案改变而来的形状。可以比较这样的图案并且可以跟踪坐标特定图案以提取对象OBJ的深度信息，使得可以提取与对象OBJ的形状、深度和移动相关联的3D信息。
处理器550可以整体控制电子设备500的操作，例如传感器530的操作或者结构光投影仪510中包括的光源的驱动。
电子设备500还可以包括存储器。被编程为允许处理器550执行用于提取关于对象OBJ的3D信息的计算的计算模块以及计算所需的其他数据可以存储在存储器中。
还可以在结构光投影仪510和对象OBJ之间布置用于调节从结构光投影仪510朝向对象OBJ的结构光SL的方向或者针对结构光SL执行进一步调制的光学元件。
可以向另一单元或另一电子设备发送处理器550的计算结果，即关于对象OBJ的形状和位置的信息。例如，这样的信息可以用于其他应用模块中并被存储在存储器中。计算结果所发送到的其他电子设备可以是显示设备或打印机。其他电子设备也可以是但不限于自主设备(例如，无人驾驶车辆、自动驾驶车辆、机器人、无人机等)、智能电话、智能手表、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、个人计算机(PC)、各种可穿戴设备、其他移动或非移动计算设备、物联网(IoT)设备等。
电子设备500可以是获得对象OBJ的深度图像的深度相机或结构光相机。电子设备500还可以是但不限于使用对象OBJ的深度信息的自主设备(例如，无人驾驶车辆、自动驾驶车辆、机器人、无人机等)、智能电话、智能手表、蜂窝电话、PDA、笔记本电脑、PC、各种可穿戴设备、其他移动或非移动计算设备、IoT设备等。
图15是示出了根据示例实施例的电子设备的示意性结构的框图。
电子设备600可以包括：结构光投影仪610，被配置为将结构光SL照射到对象OBJ；第一传感器630和第二传感器640，被配置为感测来自对象OBJ的光；以及处理器650，被配置为执行用于通过分析从第一传感器630或第二传感器640中的至少一个接收的光来获得对象OBJ的形状信息的计算。
根据示例实施例的电子设备600与图14的电子设备500的不同之处在于，电子设备600包括被布置在不同位置以接收从对象OBJ反射的光的第一传感器630和第二传感器640。可以通过相对于对象OBJ布置在不同位置的第一传感器630和第二传感器640来获得与深度位置相关联的不同视点处的信息。处理器650可以通过使用多个视点处的信息来计算深度信息，从而具有提高的准确度。
电子设备600可以被称为有源立体相机，原因在于通过使用结构光而不是普通照明来获得多个视点处的信息。
第一传感器630、结构光投影仪610和第二传感器640可以串联布置或间隔开一定距离布置。尽管结构光投影仪610被示出为布置在第一传感器630和第二传感器640之间，但是该图示是示例。第一传感器630可以布置在第二传感器640和结构光投影仪610之间，或者可以不同地布置。
第一传感器630和第二传感器640均可以包括光学检测元件阵列。第一传感器630和第二传感器640可以相对于结构光投影仪610布置在不同位置，因此可以具有从对象OBJ感测的反射光的不同详细信息。第一传感器630可以接收反射光Lr1，第二传感器640可以接收反射光Lr2。
处理器650可以通过分析从第一传感器630接收的反射光Lr1来计算关于对象OBJ的深度位置的第一信息，并且通过分析从第二传感器640接收的反射光Lr2来计算关于对象OBJ的深度位置的第二信息。处理器650可以通过使用第一信息和第二信息中的任何一个或全部来计算关于对象OBJ的深度信息。
与包括一个传感器的示例实施例相比，根据该示例实施例的电子设备600可以提高准确度。电子设备600可以通过在两个不同位置处的第一传感器630和第二传感器640获得对象OBJ的多个视点处的图像信息，从而通过使用取决于使用环境的各种方法获得关于对象OBJ的深度信息。电子设备600可以通过选择性地使用例如结构光或环境光来获得关于对象OBJ的深度信息。也就是说，可以通过关闭结构光投影仪610并使用环境光，或者通过将使用环境光的图像信息与使用结构光的图像信息相组合，来获得对象OBJ的多个视点处的图像信息。
上述结构光投影仪可以提供适合于需要结构光的应用的点图案的结构光。
通过使用亚波长纳米结构的阵列，上述结构光投影仪可以最小化设备尺寸并提高光学效率。
采用上述结构光投影仪的电子设备可以获得对象的具有提高的准确度的深度信息。
示例实施例中描述的特定执行仅仅是示例，而并非用任何方法来限制技术范围。为了简洁起见，可能不会详细描述常规电子设备、控制系统、软件开发和系统的其他功能方面。此外，所呈现的各种附图中示出的连接线或连接器意在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑连接。
应当理解，本文所描述的示例实施例应当被认为仅是描述性的，而不是为了限制目的。对每个实施例中的特征或方面的描述一般应当被看作可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已参考附图描述了示例实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (26)

1.一种结构光投影仪，包括：
光源，被配置为发射光；以及
纳米结构阵列，被配置为基于由所述光源发射的光形成点图案，所述纳米结构阵列包括多个超级单元，并且所述多个超级单元中的每个超级单元包括多个纳米结构，
其中，所述多个超级单元中的每个超级单元包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元包括具有第一形状分布的多个第一纳米结构，所述第二子单元包括具有第二形状分布的多个第二纳米结构。
2.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其中，所述光源包括多个发光元件。
3.根据权利要求2所述的结构光投影仪，其中，所述多个发光元件和所述多个超级单元分别以二维周期性晶格设置。
4.根据权利要求3所述的结构光投影仪，其中，所述多个发光元件的晶格常数与所述多个超级单元的晶格常数的比率是有理数。
5.根据权利要求3所述的结构光投影仪，其中，所述多个发光元件的二维周期性晶格和所述多个超级单元的二维周期性晶格具有相同的形状和不同的尺寸。
6.根据权利要求3所述的结构光投影仪，其中，所述多个发光元件的二维周期性晶格和所述多个超级单元的二维周期性晶格具有相同的形状和相同的尺寸。
7.根据权利要求6所述的结构光投影仪，其中，所述光源与所述纳米结构阵列之间的距离是C2/2λ的整数倍，其中C是所述超级单元的晶格常数，λ是所述光源发射的光的中心波长。
8.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其中，所述第一形状分布和所述第二形状分布彼此不同。
9.根据权利要求8所述的结构光投影仪，其中，所述第一子单元和所述第二子单元具有相等的面积。
10.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其中，所述超级单元还包括k个子单元，所述k个子单元分别包括设置有第k形状分布的第k个纳米结构，其中k是3和N之间的整数，N是大于3的整数。
11.根据权利要求10所述的结构光投影仪，其中，所述超级单元中包括的第一子单元至第N子单元以二维周期性晶格设置。
12.根据权利要求11所述的结构光投影仪，其中，所述超级单元中包括的第一子单元至第N子单元中的每个子单元具有与所述超级单元的等分面积对应的面积。
13.根据权利要求10所述的结构光投影仪，其中，第一子单元至第N子单元中的每个子单元中所包括的多个第一纳米结构至多个第N纳米结构的第一形状分布至第N形状分布彼此不同。
14.根据权利要求10所述的结构光投影仪，其中，第一子单元至第N子单元的相位轮廓基于预定规则彼此相关联，并且
其中，所述第一子单元至所述第N子单元中的每个子单元被配置为分别基于所述第一子单元至所述第N子单元的相位轮廓来调制入射光的相位。
15.根据权利要求14所述的结构光投影仪，其中，第m子单元的相位轮廓包括所述第一子单元至所述第N子单元共用的局部相位轮廓以及与包括所述第m子单元的超级单元的位置相对应的全局相位轮廓，其中m是从1到N的整数，N是大于或等于3的整数。
16.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构分别具有小于由所述光源发射的光的波长的形状尺寸。
17.根据权利要求16所述的结构光投影仪，其中，所述多个第一纳米结构的间距和所述多个第二纳米结构的间距小于或等于由所述光源发射的光的波长的1/2。
18.根据权利要求16所述的结构光投影仪，其中，每个第一纳米结构的高度和每个第二纳米结构的高度小于或等于由所述光源发射的光的波长的2/3。
19.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构中的每个纳米结构包括折射率与周围材料的折射率相差0.5或更多的材料。
20.根据权利要求1所述的结构光投影仪，其中，所述点图案包括随机图案，并且
其中，所述随机图案包括形成规则布置的集群的多个点。
21.一种电子设备，包括：
结构光投影仪，包括：
光源，被配置为发射光；以及
纳米结构阵列，被配置为基于由所述光源发射的光形成点图案，所述纳米结构阵列包括多个超级单元，并且所述多个超级单元中的每个超级单元包括多个纳米结构，
其中，所述多个超级单元中的每个超级单元包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元包括具有第一形状分布的多个第一纳米结构，所述第二子单元包括具有第二形状分布的多个第二纳米结构；
第一传感器，被配置为接收被对象反射的光，所述对象被所述结构光投影仪发射的光照射；以及
处理器，被配置为基于由所述第一传感器接收的光获得关于所述对象的深度位置的第一信息。
22.根据权利要求21所述的电子设备，还包括：
第二传感器，被配置为接收被所述对象反射的光，
其中，所述处理器还被配置为基于由所述第二传感器接收的光获得关于所述对象的深度位置的第二信息。
23.根据权利要求22所述的电子设备，其中，所述处理器还被配置为基于所述第一信息和所述第二信息中的至少一个来获得所述对象的深度信息。
24.一种结构光投影仪，包括：
光源，被配置为发射光，所述光源包括多个发光元件；以及
纳米结构阵列，被配置为基于由所述光源发射的光形成点图案并且包括多个超级单元，所述多个超级单元中的每个超级单元包括多个子单元，
其中，所述多个子单元中的每个子单元被配置为基于所述多个子单元中的每个子单元的相位轮廓来调制由所述光源发射的光的相位。
25.根据权利要求24所述的结构光投影仪，其中，基于与所述点图案对应的预定规则来设置所述多个子单元中的每个子单元的相位轮廓。
26.根据权利要求24所述的结构光投影仪，其中，所述多个发光元件和所述多个超级单元分别以二维周期性晶格设置，并且
其中，所述多个发光元件的二维周期性晶格和所述多个超级单元的二维周期性晶格具有相同的形状。
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