CN112534306A - 包括集成式超透镜及衍射光学元件的结构光投影机 - Google Patents

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Abstract

一种包括结构光投影机的设备，所述结构光投影机包括光源、超透镜及衍射光学元件(DOE)倍增器。所述超透镜及所述DOE倍增器中的每一个都集成至所述光源上。所述结构光投影机可操作使得由所述光源产生的光束通过所述超透镜及所述DOE倍增器。

Description

包括集成式超透镜及衍射光学元件的结构光投影机
相关申请的交叉引用
本申请案主张于2018年7月25日申请的美国临时专利申请案第62/702,976号的优先权的权益。更早申请案的内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及结构光投影机。
背景技术
结构光涉及将已知图案的光投影至场景上。结构照明可具有任何规则形状(例如，线或圆)或可具有伪随机图案(例如，伪随机点图案)或进一步可具有伪随机形状或形状大小，这取决于应用。由结构光在场景中产生的光图案使得根据对象距发射结构光的设备的距离来区分对象成为可能。
发明内容
本发明阐述一种包括一种结构光投影机的设备。所述结构光投影机包括光源、超透镜及衍射光学元件(DOE)倍增器。所述超透镜及所述DOE倍增器中的每一个集成至所述光源上。所述结构光投影机可操作使得由所述光源产生的光束通过所述超透镜及DOE倍增器。
某些实施方案包括以下特征中的一或多个。例如，在某些情况下，所述DOE倍增器及所述超透镜设置于彼此相同的表面上或彼此相同的平面中。在其他情况下，所述DOE倍增器及所述超透镜设置于彼此不同的平面中。在某些情况下，所述DOE倍增器直接设置于所述光源的一输出面上。
可在所述DOE倍增器上提供间隔件，使得所述超透镜经设置于所述间隔件的表面上且使得所述间隔件将所述超透镜与所述DOE倍增器分离。在某些情况下，所述DOE倍增器及超透镜系在所述间隔件的表面上使得所述间隔件将所述DOE倍增器及超透镜与所述光源的所述输出面分离。举例而言，所述间隔件可由外延层或聚合物层组成。举例而言，所述间隔件可经接合至所述光源的所述输出面。在某些情况下，所述超透镜的横向尺寸小于所述DOE倍增器的对应横向尺寸。在某些实施方案中，所述超透镜的包络轮廓系与所述DOE倍增器的二维光栅轮廓相同。在某些实施方案中，所述DOE倍增器及超透镜设置于其上的所述间隔件的表面大于所述光源的输出面。
在某些实施方案中，所述光源包括一个或多个VCSEL。
在某些情况下，通过将所述超透镜及所述DOE倍增器集成至所述光源上，可获得高度紧凑投影机。举例而言，这可能是重要的，其中所述结构光投影机经并入至可携式计算装置中，例如，智能电话。
依据以下详细阐述、附图及权利要求将容易明了其他方面、特征及优点。
附图说明
图1示出了结构光投影机系统的一个示例。
图2示出了包括集成至光源上的DOE倍增器及超透镜的结构光投影机的第一示例。
图3示出了包括集成至光源上的DOE倍增器及超透镜的结构光投影机的另一示例。
图4示出了根据某些实施方案的DOE倍增器及超透镜的更多细节。
具体实施方式
图1示出了包括超透镜及衍射光学元件(DOE)倍增器的结构光投影机20的示例，超透镜及衍射光学元件(DOE)倍增器两者集成至光源上，例如低发散垂直腔表面发射激光(VCSEL)或VCSEL阵列。DOE倍增器可操作以通过以节能方式分裂光束而使每个源元件光束倍增以自每个源元件(例如，VCSEL)产生多个光束。因此，DOE倍增器操作为将每个入射光束分离成多个非重叠光束的分束器。光束的间隔、强度比率及对称分布由DOE倍增器的周期微结构设定。入射光束的发散角、直径及偏振实质上保持不变。DOE倍增器可将VCSEL源元件光束绕射成规则或不规则角度光束阵列，取决于特定实施方式。另一方面，超透镜可操作以将任意相位轮廓印记于个体光束上。超透镜在界面处界定由次波长间隔移相器组成的超表面，此允许对光性质的严格控制。以组合方式，DOE倍增器及超透镜允许投影机20产生结构光图案(例如，斑点图案)。在某些情况下，通过将超透镜及DOE倍增器集成至光源上，可获得高度紧凑投影机。
如图1中所展示，由投影机20产生的光束22中的至少一些可入射于场景24上。照射于场景24上的光束22产生图案26，举例而言，图案26可由结构光成像系统感测且处理以得到场景中的一或多个对象的一个三维深度图。以下阐述根据某些实施方式的结构光投影机20的特定示例及进一步细节。
在某些情况下，如图2中所展示的，DOE倍增器30及超透镜32设置于彼此不同的平面中。在所示出的示例中，将DOE倍增器30直接在VCSEL的输出面上，或设置在基台36上的VCSEL的阵列34的输出面上制造。举例而言，可在DOE倍增器30上提供再生长外延层或旋涂聚合物层作为间隔件38。然后可在间隔件38的表面上制作超透镜40以形成完全集成式结构光投影机20，其中VCSEL光束通过DOE倍增器30及超透镜32。前述结构可用于投影相对小的照明区域，其中DOE倍增器30在较超透镜32的平面更靠近VCSEL的阵列34的平面中。为投影较大照明区域，超透镜32可设置于较DOE倍增器30的平面更靠近VCSEL的阵列34的平面中。
在其他情况下，如图3及图4中所展示的，DOE倍增器40及超透镜42两者制造于相同表面上，且可设置于相同平面中。例如，可将DOE倍增器40及超透镜42制作于玻璃或其他透明间隔件48的表面上，随后将所述玻璃或所述其他透明间隔件48直接地附接(例如，接合)至设置于一基台46上的一VCSEL或VCSEL的一阵列44的输出面。在某些例项中，间隔件48最初可附接至VCSEL的输出面且DOE倍增器及超透镜随后形成于间隔件表面上。
通常，超透镜42的横向尺寸(例如，在100nm的数量级上)远小于DOE倍增器40的对应横向尺寸。在某些情况下，超透镜42的包络轮廓与DOE倍增器40的二维光栅轮廓大约相同。DOE倍增器40及超透镜42形成于其上的间隔件48的表面可大于VCSEL或VCSEL阵列的输出面，藉此提供用于待形成于相同表面上的DOE倍增器40及超透镜42两者的充足表面积。在一特定示例中，在由超透镜32准直之后，光束发散系约4mrad且光束直径系约7μm至8μm。对于此等值，约2mm的一透镜焦距(FL)系适合的。间隔件48的厚度应系约FL*n，其中n系间隔件的折射率。
在某些实施方案中，超透镜32具有由纳米结构组成的一扁平表面。在某些例项中，举例而言，超透镜32由纳米鳍片组成。举例而言，可通过纳米鳍片的适当旋转来赋予所期望相位。
在其中光源包括一发光元件阵列的实施方案中，VCSEL阵列布局可采取规则或不规则阵列的形式。在某些情况中，可存在若干规则及/或不规则阵列群组。阵列可具有单独可寻址源元件或源元件群组(例如，VCSEL)。进一步，各别DOE倍增器可集成至每个光源元件(例如，VCSEL)的面上。每个DOE倍增器可经设计以产生具有相同布局的多个光束的阵列或每个元件可具有不同结构以产生每个VCSEL源元件的不同倍增结构。进一步，在某些情况下，为每个VCSEL元件提供各别超透镜结构。或者，分布式超透镜结构可经提供以覆盖多个VCSEL元件。
此处所阐述的结构光投影机可集成至广泛的小型电子装置中，例如智能电话、可穿戴装置、生物装置、移动机器人、监控摄影机、摄录像机、膝上型计算机及平板计算机等。
可在此公开内容的精神内进行各种修改。举例而言，在单独实施例的内容中于此说明书中阐述的特定特征亦可在相同实施例中以组合形式实施。相反地，亦可单独地或以任何适合子组合形式实施一单个实施例的内容中阐述的各种特征。因此，其他实施方案系在申请专利范围的范畴内。

Claims (15)

1.一种设备，其包括：
结构光投影机，其包括：
光源；
超透镜；及
衍射光学元件(DOE)倍增器，
其中所述超透镜及所述DOE倍增器中的每一个集成至所述光源上，且其中所述结构光投影机可操作使得由所述光源产生的光束通过所述超透镜及所述DOE倍增器。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述DOE倍增器及所述超透镜设置于彼此不同的平面中。
3.如权利要求2所述的设备，所述DOE倍增器直接设置于所述光源的输出面上。
4.如权利要求2至3中任一项所述的设备，其包括所述DOE倍增器上的间隔件，其中所述超透镜设置于所述间隔件的表面上使得所述间隔件将所述超透镜与所述DOE倍增器分离。
5.如权利要求4的所述设备，其中所述间隔件由外延层组成。
6.如权利要求4的所述设备，其中所述间隔件由聚合物层组成。
7.如权利要求2至6中任一项所述的设备，其中所述光源包括一个或多个VCSEL。
8.如权利要求1的所述设备，其中所述DOE倍增器及所述超透镜设置于彼此相同的表面上。
9.如权利要求1的所述设备，其中所述DOE倍增器及所述超透镜设置于彼此相同的平面中。
10.如权利要求1、8或9中任一项所述的设备，还包括附接至所述光源的输出面的间隔件，其中所述DOE倍增器及超透镜系在所述间隔件的表面上使得所述间隔件将所述DOE倍增器及超透镜与所述光源的所述输出面分离。
11.如权利要求10的所述设备，其中所述间隔件经接合至所述光源的输出面。
12.如权利要求10的所述设备，其中所述超透镜的横向尺寸小于所述DOE倍增器的对应横向尺寸。
13.如权利要求10的所述设备，其中所述超透镜的包络轮廓系与所述DOE倍增器的二维光栅轮廓相同。
14.如权利要求10至13中任一项所述的设备，其中所述DOE倍增器及超透镜设置于其上的所述间隔件的表面大于所述光源的所述输出面。
15.如权利要求8至14中任一项所述的设备，其中所述光源包括一或多个VCSEL。
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