CN112639518A - 使用偏振特定vcsel的三维成像和感测应用 - Google Patents

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Abstract

使用VCSEL光源产生偏振光，其中偏振光中的至少一些被对象反射或散射。被反射或散射的偏振光中的至少一些被接收在传感器中，所述传感器能够选择性地操作以检测与由所述VCSEL光源产生的所述光具有相同偏振的接收光。在一些情况下，对来自所述传感器的信号进行处理以获得所述对象的三维距离图像，或者使用飞行时间技术进行处理以确定距所述对象的距离。

Description

使用偏振特定VCSEL的三维成像和感测应用
技术领域
本公开涉及使用偏振(polarization)特定垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的三维(3D)成像和感测应用。
背景技术
VCSEL可以为各种照明应用提供小型、紧凑、功能强大的激光源。将VCSEL用作用于结构化光成像系统、光检测和测距(LIDAR)系统以及其它类型的3D感测和成像系统的照明源正在迅速发展的应用领域中得到应用。用于各种应用的典型系统包括非偏振或随机偏振的VCSEL源。然而，这些系统的灵敏度可能受到来自环境的光学噪声以及气溶胶和其它背景散射介质对VCSEL光束的散射的限制。
发明内容
本公开描述了使用一个或多个偏振VCSEL的3D光成像和感测系统。通过使用能够选择性地操作以检测与由(多个)VCSEL发射的照明具有相同偏振的光的光学传感器，检测从对象反射或散射并且与由(多个)VCSEL发射的光具有相同偏振的VCSEL光。不检测具有正交偏振的光学噪声以及从气溶胶和类似介质散射的VCSEL光的正交偏振分量。在一些实施方式中，所述系统提高了灵敏度。对于一些应用而言，重要的益处可以是降低功耗。
作为示例，在一个方面中，本公开描述了一种用于光成像和/或光的模块，所述模块包括：VCSEL光源，所述VCSEL光源能够操作以产生偏振光；以及传感器，所述传感器能够选择性地操作以检测与由VCSEL光源产生的光具有相同偏振的接收光，其中接收光被模块外部的对象反射或散射。
在另一方面中，本公开描述了一种方法，所述方法包括使用VCSEL光源产生偏振光，其中偏振光中的至少一些被对象反射或散射。所述方法还包括在传感器中接收被反射或散射的偏振光中的至少一些，所述传感器能够选择性地操作以检测与由所述VCSEL光源产生的所述光具有相同偏振的接收光。在一些情况下，所述方法还包括处理来自传感器的信号以获得所述对象的三维距离图像，或者使用飞行时间技术处理来自所述传感器的信号以确定距所述对象的距离。
一些实施方式包括以下一个或多个特征。例如，在一些情况下，VCSEL光源能够操作以产生线性偏振光。各种VCSEL结构可以用于产生线性偏振光。因此，在一些情况下，VCSEL光源包括具有不对称孔的VCSEL。在一些情况下，VCSEL光源包括VCSEL，所述VCSEL包括一个或多个反射光栅。在一些情况下，所述VCSEL包括亚波长反射光栅。
在一些实施方式中，所述VCSEL光源包括VCSEL，其中第一和第二衍射布拉格反射器彼此分离并限定激光谐振腔，其中所述VCSEL光源还包括与所述第一或第二衍射布拉格反射器中的至少一者相邻的反射光栅。在一些情况下，所述第一衍射布拉格反射器是部分反射的，并且所述反射光栅与所述第一衍射布拉格反射器相邻。在一些实施方式中，所述VCSEL结构包括与所述第一衍射布拉格反射器相邻的第一反射光栅以及与所述第二衍射布拉格反射器相邻的第二反射光栅。在一些情况下，所述VCSEL光源包括VCSEL，所述VCSEL具有彼此分离并限定激光谐振腔的第一和第二反射光栅。
根据以下详细描述、附图和权利要求，其它方面、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1示出了使用线性偏振VCSEL光源的光成像或感测系统的示例。
图2A和2B(统称为图2)示出了能够操作以产生线性偏振光的VCSEL结构的示例。图2A是俯视图，而图2B是横截面侧视图。
图3示出了能够操作以产生线性偏振光的VCSEL另一种结构。
图4示出了能够操作以产生线性偏振光的VCSEL结构的另一个示例。
图5示出了能够操作以产生线性偏振光的另一种VCSEL结构。
图6示出了能够操作以产生线性偏振光的又另一种VCSEL结构。
图7示出了包括能够操作以发射和感测偏振光的模块的智能电话的示例。
图8示出了包括能够操作以发射和感测偏振光的模块的车辆防撞和监视系统的示例。
具体实施方式
如图1所示，3D结构化光成像或测距系统10包括偏振VCSEL光源12和光学传感器14，所述光学传感器14具有与VCSEL源的偏振对齐的偏振滤光器。因此，光学传感器14能够操作以选择性地检测与由VCSEL光源12产生的光13B具有相同偏振的光13A。VCSEL光源12可以包括单个VCSEL(例如，在LIDAR系统的情况下)或诸如VCSEL的阵列的多个VCSEL(例如，在结构化光成像系统的情况下)。VCSEL的使用可能是有利的，因为VCSEL提供了小型、紧凑、功能强大的激光源。在一些情况下，VCSEL光源12和传感器14容纳在例如模块中。来自VCSEL光源12的一个或多个线性偏振光束13B被引导到感兴趣区域18(例如，在模块外部)。取决于特定应用的需求，由VCSEL光源12产生的光束13B可以包括例如红外(IR)、近红外或其它波长的光。在一些情况下，提供诸如透镜之类的无源光学元件以调整(多个)光束的发散和方向。(多个)VCSEL光束13B的路径中的模块外部的对象16可以例如取决于对象的形状和成分在各个方向上反射和散射来自(多个)光束的辐射13C。以垂直角度入射在对象表面上的VCSEL光13B可以反射回传感器14，所述传感器14可以位于光源12附近。反射回传感器14的光13C将主要以与从光源12发射的入射光束13B相同的线性偏振进行偏振。
结构化光成像系统使用结构化照明，其是指空间编码或调制的照明。结构化照明可以具有任何规则的形状(例如线或圆)，或者可以具有伪随机图案(诸如伪随机点图案)，或者还可以具有伪随机形状或伪随机大小的形状。在结构化成像系统中，图像传感器14可以被实施为例如像素阵列。可以提供信号处理器以处理由传感器14获取的(多个)原始图像并导出获取的对象16的三维深度图。
在适合于例如智能电话应用的结构化光系统中，光源12可以被实施为VCSEL阵列，其光束被投射到感兴趣区域18中。传感器14可以被实施为例如相机，以基于来自一个或多个对象16的反射来记录光斑图像。记录的图像中的横向光斑位置将取决于(多个)对象16距传感器14和VCSEL光源12的距离。然后，可以例如通过智能电话中的计算设备(例如，信号处理器)来分析(多个)光斑图像，以计算对象16的3D位置。
诸如飞行时间(TOF)系统之类的光学测距系统可以收集一个或多个对象16的距离数据。距离数据可以包括例如一个或多个对象与光学测距系统之间的距离。与结构化光成像系统相比，在诸如LIDAR系统之类的光学测距系统中，传感器14可以被实施为例如单个光电检测器，以接收和记录指示脉冲光束从单个VCSEL到对象16并返回传感器14的飞行时间的信号。在一些情况下，传感器14包括一个或多个解调光敏元件(即，像素)。飞行时间可以例如由计算设备(例如，信号处理器)来计算，并且用于确定距对象16的距离。例如，信号处理器可以使用来自(多个)像素的信号来计算光从VCSEL光源12行进到感兴趣对象16并返回到传感器14的焦平面所花费的时间。因此，TOF传感器与相关联的电子器件和逻辑一起能够操作以通过测量传感器14与对象16的点之间的光信号的飞行时间来基于已知的光速来解析距离。如果跨过对象16扫描VCSEL光束，则可以获得对象16的完整3D位置记录。
在一些情况下，使用线性偏振VCSEL光源12可以提高系统10的灵敏度。通过使用被限于检测与由VCSEL光源发射的光具有相同线性偏振的光的传感器14，检测从对象16以相同偏振反射或散射的VCSEL光。另一方面，传感器14将不会检测具有正交偏振的光学噪声以及从气溶胶和类似介质散射的VCSEL光的正交偏振分量。在一些情况下，将线性偏振VCSEL与偏振传感器结合使用可以在各种应用中提供提高的灵敏度和分辨率。例如，对于智能电话和其它应用而言，潜在益处是降低功耗。对于其它对功率不太敏感的应用，所公开的技术可以导致更大的距离范围。
图2至6示出了线性偏振VCSEL结构的示例。例如，图2A和2B示出了能够操作以使用不对称孔22产生线性偏振光的非圆形VCSEL设备结构20的示例。蚀刻椭圆形或其它不对称横截面台面24以提供VCSEL元件。然后，在用于提供当前孔的后续氧化过程期间，在孔形状中形成不对称性。例如，在一些情况下，VCSEL阵列台面24被制造为具有卵形横截面。当形成VCSEL限流氧化物孔时，它们也具有类似但较小的卵形形状。该特征导致卵形横截面增益部分，使得VCSEL设备20以卵形形状的光束进行操作。卵形结构导致施加到VCSEL晶体结构的不对称热应力和电应力，从而导致折射率不对称性。这种光学不对称性导致VCSEL以与折射率不对称性对齐的线性偏振发出激光。
通常，应当有足够的不对称性来克服VCSEL结构中的任何其它偏振偏置。此外，如上所述，图2的VCSEL阵列布局包括不对称孔22，并在卵形形状的输出光束中产生受控的线性偏振。由VCSEL结构20产生的非圆形VCSEL光束可以在光束发散性质方面具有相关联的变化。因此，VCSEL结构20对于不关心此类问题的应用可能更为有用。
在其它实施方式中，能够操作以产生线性偏振光的VCSEL结构包括一个或多个反射光栅。在一些情况下，这些结构可以产生基本对称的圆形输出光束(即，具有圆形或大致圆形横截面的光束)。VCSEL可以进行顶部发射或底部发射。在一些实施方式中，反射光栅在功能上与分布式布拉格反射器(DBR)结合。在其它情况下，即使在没有相关联的DBR的情况下，也可以有利地使用反射光栅。
如图3的示例所示，顶部发射VCSEL结构包括与顶部部分反射DBR 36组合的亚波长反射光栅30。在所示的示例中，VCSEL结构被制造在基板32的顶部上，并且输出光束39被透射出所述结构的顶部。VCSEL结构包括底部高反射DBR 33以及顶部部分反射DBR 36，所述顶部部分反射DBR 36透射输出光束39。可以被实施为镜子的两个DBR 33、36形成激光谐振腔。在两个DBR 33、36之间是包括多个量子阱31的组或堆栈的增益区域34，多个量子阱31可以例如通过在顶部和底部电触点(例如，电极)37、38之间流动的电流来激活。在一些设计中，通过在量子阱31上照射激光束以光学地泵浦载流子来激活量子阱31。在由电流激活的VCSEL中，孔35可以用于将电流集中在中心区域。该孔35可以例如通过氧化形成，但是可以使用诸如离子注入之类的其它技术来形成围绕孔的电绝缘区域。
如图3所示，反射光栅30形成在上部DBR 36的顶部，其反射率可以被调整以优化总的组合反射率。反射光栅30和DBR 36的组合结构应被设计和制造成具有适当的相位关系。
图4示出了另一种VCSEL结构，所述VCSEL结构能够操作以产生具有圆形或基本圆形光束横截面的线性偏振光。所示的示例是底部发射VCSEL结构，其中相应的反射光栅40A、40B分别与上部DBR 46和下部DBR 43结合操作。在这种情况下，底部DBR 43是部分反射的，而顶部镜46是高反射的，使得输出光束49透射通过基板42。可以被实施为镜子的两个DBR43、46形成激光谐振腔。在两个DBR 43、46之间是包括多个量子阱41的组或堆栈的增益区域44，多个量子阱41可以例如通过在顶部和底部电触点(例如，电极)47、48之间流动的电流来激活。反射光栅40A、40B中的相应一者设置成与DBR 43、46中的每一者相邻。孔45可以用于将电流集中在中心区域。例如，可以将图4的VCSEL结构绑定为与散热器直接接触，以进行更高效的冷却。
在一些实施方式中，诸如在其中亚波长反射光栅具有非常高的反射率(例如，接近100％)的情况下，反射光栅可以消除对关联的DBR的需要。图5示出了示出底部发射VCSEL结构的示例，所述底部发射VCSEL结构能够操作以产生具有圆形或基本圆形光束横截面的线性偏振光。在这种情况下，VCSEL结构包括高反射亚波长反射光栅50，但不包括底部DBR。可以被实施为镜子的顶部DBR 56是高反射的，使得输出光束59透射通过基板52。激光谐振腔形成在顶部DBR 56与反射光栅50之间，并且包括增益区域54。增益区域54包括多个量子阱51的组或堆栈，多个量子阱51可以例如通过在顶部和底部电触点(例如，电极)57、58之间流动的电流来激活。孔55可以用于将电流集中在中心区域。
反射光栅的细节可以取决于特定应用而变化。作为已知结构的示例，亚波长反射光栅可以包括一维光栅结构，所述一维光栅结构具有由设置在低折射率材料之间的高折射率材料制成的线。高折射率材料与低折射率材料之间的折射率差确定带宽和调制深度，并产生了更宽的反射带。反射对各种参数敏感，所述参数诸如光栅周期、光栅厚度、光栅的占空比、光栅下方低折射率层的厚度和折射率。在一些情况下，亚波长反射光栅可以包括第一层低折射率材料、在低折射率材料层上的多个周期性间隔开的高折射率材料段以及在高折射率材料段上的第二层低折射率材料。也可以使用其它反射光栅结构。
在一些实施方式中，顶部DBR和底部DBR中的每一者可以从VCSEL结构中省略，并且可以由相应的反射光栅代替。图6示出了示出顶部发射VCSEL结构的示例，所述顶部发射VCSEL结构能够操作以产生具有圆形或基本圆形光束横截面的线性偏振光。输出光束69透射出形成在基板62上方的结构的顶部。在这种情况下，VCSEL结构包括高反射亚波长反射光栅60A、60B，但不包括底部或顶部DBR。激光谐振腔形成在顶部反射光栅60A与底部反射光栅60B之间，并且包括增益区域64。增益区域64包括多个量子阱61的组或堆栈，多个量子阱61可以例如通过在顶部和底部电触点(例如，电极)67、68之间流动的电流来激活。孔65可以用于将电流集中在中心区域。
在一些情况下，用相应的反射光栅替换一个或两个DBR还可以提供其它优点。例如，沿着VCSEL结构的光轴的更短长度可导致更薄的VCSEL设备。另外，取决于所使用的材料，可以减小电阻。较低的电阻可以帮助减少电功率耗散，这进而可以导致更高的电光功率转换效率。此外，因为使用(多个)反射光栅不需要像(多个)DBR结构那样需要不同的材料掺杂水平，所以光学吸收损失可以更小。这些特征可以导致更高的VCSEL效率，从而带来在相同光输出功率下较低输入功率的益处。
如上所述，线性偏振VCSEL光源12和线性偏振传感器14的结合使用可以通过增加信噪比来提高灵敏度。可能在传感器中产生噪声信号的环境光13D(见图1)是非偏振的；因此，这种光学噪声的约百分之五十将被传感器偏振分析仪消除。大气中的气溶胶19(参见图1)也趋向于将光13E散射回传感器14。通常，在气溶胶19内部存在多个内部反射，这趋向于使入射的线性偏振光束去偏振。因此，来自这种散射对象的噪声信号也可以被衰减。
处理电路可以被实施为例如具有适当的数字逻辑和/或其它硬件组件(例如，读出寄存器；放大器；模数转换器；时钟驱动器；时序逻辑；信号处理电路；和/或微处理器)的一个或多个半导体芯片中的一个或多个集成电路。因此，处理电路被配置为实施与这种电路相关联的各种功能。
这里描述的模块可以用作例如接近传感器模块或用作诸如用于手势感测或识别的其它光学感测模块。所述模块可以集成到各种电子设备和其它设备中，诸如移动电话、智能电话、相机、笔记本计算机、个人数字助理(PDA)和平板计算机等。所述模块可以集成到各种小型电子设备中，诸如生物设备、移动机器人和监视相机等。
图7示出了智能电话70的示例，所述智能电话70包括用于3D成像和/或感测的模块72。模块72能够操作以发射偏振光并选择性地检测与发射光束具有相同偏振的入射光束。模块72包括偏振VCSEL光源74，其包括能够操作以发射偏振光的一个或多个VCSEL。在一些情况下，由光源74产生的光被结构化。模块72还包括偏振敏感传感器76，所述偏振敏感传感器76能够操作以选择性地感测与由光源74发射的光束具有相同偏振的入射光束。VCSEL光源74和传感器76可以安装在例如印刷电路板或其它基板78上。模块72还可以包括投影光学器件79A和收集光学器件79B，它们可以被实施为例如透镜或其它无源光学元件。信号处理电路77能够操作以处理由传感器76检测的信号，并确定例如距将一些偏振光反射回智能电话的智能电话70外部的对象的距离，和/或用于手势识别。
在一些实施方式中，智能电话70具有大约几毫米(例如5至7mm)的厚度(t)。通过使用线性偏振VCSEL源，可以以更高的信噪比获得所需的成像灵敏度，这可以导致操作所需的总功率更低。
图8示出了汽车安全的背景中的另一种示例性应用。防撞传感器和监视系统可以使用多个LIDAR模块来检测包括道路86上的其它车辆的对象82，以分析潜在的危险情况并向车辆驾驶员提供听觉或其它警告。LIDAR模块84(其中的每一者包括如上所述的偏振VCSEL光源和对应的偏振敏感传感器)可以位于车辆80上或车辆80中的不同位置处，以检测车辆80外部的对象82并确定它们距车辆的距离。通常，期望这些系统小型、紧凑且相对便宜，但仍在感测危险对象时提供良好的灵敏度。
除了智能电话和其它便携式计算设备以及汽车防撞和监视系统之外，上述技术、模块和系统还可以用于其它应用，包括但不限于计算机游戏系统。
可以对前述示例进行各种修改。因此，其它实施方式在权利要求书的范围内。

Claims (28)

1.一种用于光成像和/或光感测的模块，其包括：
VCSEL光源，所述VCSEL光源能够操作以产生偏振光；以及
传感器，所述传感器能够选择性地操作以检测与由所述VCSEL光源产生的光具有相同偏振的接收光，所述接收光被所述模块外部的对象反射或散射。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述VCSEL光源能够操作以产生线性偏振光。
3.根据前述权利要求中任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源能够操作以产生结构化光。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源包括具有不对称孔的VCSEL。
5.根据权利要求4所述的模块，其中，所述不对称孔为卵形形状。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源包括VCSEL，所述VCSEL包括反射光栅。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源包括彼此分离并限定激光谐振腔的第一和第二衍射布拉格反射器，所述VCSEL光源还包括与所述第一或第二衍射布拉格反射器中的至少一者相邻的反射光栅。
8.根据权利要求7所述的模块，其中，所述第一衍射布拉格反射器是部分反射的，并且所述反射光栅与所述第一衍射布拉格反射器相邻。
9.根据权利要求7所述的模块，其包括与所述第一衍射布拉格反射器相邻的第一反射光栅，以及与所述第二衍射布拉格反射器相邻的第二反射光栅。
10.根据权利要求7所述的模块，其中，所述反射光栅是亚波长反射光栅。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源包括彼此分离并限定激光谐振腔的第一和第二反射光栅。
12.根据权利要求11所述的模块，其中，所述第一或第二反射光栅中的至少一者是亚波长反射光栅。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源包括顶部发射VCSEL。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的模块，其中，所述VCSEL光源包括底部发射VCSEL。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的模块，其中，所述模块能够操作用于三维结构化光成像。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的模块，其中，所述模块能够操作用于三维飞行时间测距。
17.一种方法，其包括：
使用VCSEL光源产生偏振光，其中，所述偏振光中的至少一些被对象反射或散射；以及
在传感器中接收被反射或散射的偏振光中的至少一些，所述传感器能够选择性地操作以检测与由所述VCSEL光源产生的光具有相同偏振的接收光。
18.根据权利要求17所述的方法，其包括处理来自所述传感器的信号以获得所述对象的三维距离图像。
19.根据权利要求17所述的方法，其包括使用飞行时间技术处理来自所述传感器的信号以确定距所述对象的距离。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，所述偏振光是线性偏振光。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述偏振光是结构化光。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其包括使用具有不对称孔的VCSEL产生所述偏振光。
23.根据权利要求17至21中的任一项所述的方法，其包括使用包括反射光栅的VCSEL产生所述偏振光。
24.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其包括使用VCSEL产生所述偏振光，所述VCSEL包括彼此分离并限定激光谐振腔的第一和第二衍射布拉格反射器，所述VCSEL还包括与所述第一或第二衍射布拉格反射器中的至少一者相邻的反射光栅。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一衍射布拉格反射器是部分反射的，并且所述反射光栅与所述第一衍射布拉格反射器相邻。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述VCSEL包括与所述第一衍射布拉格反射器相邻的第一反射光栅以及与所述第二衍射布拉格反射器相邻的第二反射光栅。
27.根据权利要求17至21中的任一项所述的方法，其包括使用包括亚波长反射光栅的VCSEL产生所述偏振光。
28.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其包括使用VCSEL产生所述偏振光，所述VCSEL包括彼此分离的第一和第二反射光栅，所述反射光栅限定激光谐振腔。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116667123A (zh) * 2023-07-31 2023-08-29 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调q激光器

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11949213B2 (en) * 2020-07-08 2024-04-02 Meta Platforms Technologies, Llc VCSEL arrays for generation of linear structured light features

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9916145D0 (en) * 1999-07-10 1999-09-08 Secr Defence Control of polarisation of vertical cavity surface emitting lasers
US20020148944A1 (en) * 2001-04-12 2002-10-17 Tatum Jimmy A. Laser optical area scanner and response system and methods
CN1650151A (zh) * 2002-07-12 2005-08-03 河流诊断公司 光学分光计
US20070181810A1 (en) * 2006-02-06 2007-08-09 Tan Michael R T Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array laser scanner
CN101385207A (zh) * 2005-12-12 2009-03-11 菲尼萨公司 垂直腔面发射激光器上用于偏振锁定的表面光栅
CN101393372A (zh) * 2007-09-21 2009-03-25 株式会社理光 光路转换装置,光扫描装置,以及图像形成设备
EP2157401A1 (en) * 2008-08-18 2010-02-24 Holding Prodim Systems B.V. Apparatus and method for measuring spatial co-ordinates
EP2827175A2 (en) * 2013-07-12 2015-01-21 Princeton Optronics, Inc. 2-D planar VCSEL source for 3-D imaging
US20150311673A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Princeton Optronics Inc. Polarization Control in High Peak Power, High Brightness VCSEL
US20150362585A1 (en) * 2013-07-12 2015-12-17 Princeton Optronics Inc. 2-D Planar VCSEL Source for 3-D Imaging
CN205809294U (zh) * 2015-12-18 2016-12-14 意法半导体(R&D)有限公司 距离感测装置
US20170115497A1 (en) * 2015-10-21 2017-04-27 Princeton Optronics, Inc. Coded Pattern Projector
WO2017151846A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-08 Princeton Optronics, Inc. High-speed vcsel device

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101844549B1 (ko) * 2010-07-12 2018-04-02 쓰리세이프 에이/에스 질감 특징을 이용한 객체의 3ｄ 모형제작
US8136733B1 (en) * 2011-01-12 2012-03-20 Marson Technology Co., Ltd. VCSEL barcode scanner
US20120258431A1 (en) * 2011-04-11 2012-10-11 Lauren Mark D Method and System for Tracking Jaw Motion
US8743923B2 (en) * 2012-01-31 2014-06-03 Flir Systems Inc. Multi-wavelength VCSEL array to reduce speckle
US9030470B2 (en) * 2012-08-14 2015-05-12 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Method and system for rapid three-dimensional shape measurement
JP6568065B2 (ja) * 2013-08-02 2019-08-28 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 調節可能な偏光を有するレーザデバイス
US9693839B2 (en) * 2014-07-17 2017-07-04 Align Technology, Inc. Probe head and apparatus for intraoral confocal imaging using polarization-retarding coatings
US9900579B2 (en) * 2015-12-26 2018-02-20 Intel Corporation Depth-sensing camera device having a shared emitter and imager lens and associated systems and methods
JP2017187431A (ja) * 2016-04-08 2017-10-12 株式会社リコー 光学センサ及び画像形成装置
US10123706B2 (en) * 2016-07-27 2018-11-13 Align Technology, Inc. Intraoral scanner with dental diagnostics capabilities
CA3022442C (en) * 2017-10-24 2019-08-27 Shining 3D Tech Co., Ltd. Three-dimensional reconstruction method and device based on monocular three-dimensional scanning system
US10324170B1 (en) * 2018-04-05 2019-06-18 Luminar Technologies, Inc. Multi-beam lidar system with polygon mirror
US10609266B2 (en) * 2018-08-21 2020-03-31 Rockwell Automation Technologies, Inc. Camera for wide field of view with an arbitrary aspect ratio

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9916145D0 (en) * 1999-07-10 1999-09-08 Secr Defence Control of polarisation of vertical cavity surface emitting lasers
US20020148944A1 (en) * 2001-04-12 2002-10-17 Tatum Jimmy A. Laser optical area scanner and response system and methods
CN1650151A (zh) * 2002-07-12 2005-08-03 河流诊断公司 光学分光计
CN101385207A (zh) * 2005-12-12 2009-03-11 菲尼萨公司 垂直腔面发射激光器上用于偏振锁定的表面光栅
US20070181810A1 (en) * 2006-02-06 2007-08-09 Tan Michael R T Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array laser scanner
CN101393372A (zh) * 2007-09-21 2009-03-25 株式会社理光 光路转换装置,光扫描装置,以及图像形成设备
EP2157401A1 (en) * 2008-08-18 2010-02-24 Holding Prodim Systems B.V. Apparatus and method for measuring spatial co-ordinates
EP2827175A2 (en) * 2013-07-12 2015-01-21 Princeton Optronics, Inc. 2-D planar VCSEL source for 3-D imaging
US20150362585A1 (en) * 2013-07-12 2015-12-17 Princeton Optronics Inc. 2-D Planar VCSEL Source for 3-D Imaging
US20150311673A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Princeton Optronics Inc. Polarization Control in High Peak Power, High Brightness VCSEL
US20170115497A1 (en) * 2015-10-21 2017-04-27 Princeton Optronics, Inc. Coded Pattern Projector
CN205809294U (zh) * 2015-12-18 2016-12-14 意法半导体(R&D)有限公司 距离感测装置
CN106896365A (zh) * 2015-12-18 2017-06-27 意法半导体(R&D)有限公司 测距装置
WO2017151846A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-08 Princeton Optronics, Inc. High-speed vcsel device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116667123A (zh) * 2023-07-31 2023-08-29 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调q激光器
CN116667123B (zh) * 2023-07-31 2023-09-22 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调q激光器

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