CN115629485B - 散斑投射器和结构光相机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及光器件领域，公开了一种散斑投射器和结构光相机，通过在散斑投射器中设置偏振光发射器和超构表面；偏振光发射器出射两种单一偏振状态的偏振光；超构表面的两个表面方向上呈现不同预设排布结构；当两种单一偏振状态的偏振光单独照射在超构表面时，一种单一偏振状态的偏振光在超构表面的一个表面方向上发生衍射而投射出点阵光，另一种单一偏振状态的偏振光在超构表面的另一个表面方向上发生折射而投射出泛光，从而仅通过控制偏振光发射器交替出射指定单一偏振状态的偏振光就可以实现泛光和点阵光相互切换的投射效果，实现模组小型化，降低成本，降低功耗。

Description

散斑投射器和结构光相机

技术领域

本发明涉及光器件领域，特别涉及一种散斑投射器和结构光相机。

背景技术

现有散斑结构光模型（模组）包括散斑投射器（Tx）和散斑接收器（Rx），其中Tx发射红外散斑，照射到待测物体上，再由Rx拍摄红外散斑，藉由散斑形变计算深度信息。图1为现有Tx投射模型，垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）发出光源后经准直镜准直，准直光线再经衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE）衍射复制，投射一定数量的散斑投射器，产生点阵光。图2为投射器工作状态，投射器以斑点的形式投射出光线，以实现能量汇聚，达到更远的投射距离。

为实现泛光和点阵光的切换投射，现有部分方案采用移动准直镜空间位置的方法，来使得准直镜失焦，从而获得泛光投射。即传统投射架构下，准直镜会存在两种状态，其中正常状态实现点阵投射，失焦状态实现泛光投射。图3为不同失焦程度对应投射效果，在失焦足够的前提下，点阵投射会变化为泛光投射。参考图4，要使得镜头失焦，目前的实现方式主要是在镜头两端安放音圈电机（Voice Coil Motor，VCM）驱动马达，通过电流驱动，使得准直镜可上下移动。但是增加VCM会使得模组体积增大，无法小型化，同时也会增加模组成本。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种散斑投射器和结构光相机，能够在不增加VCM的情况下，利用偏振光源切换出射两种单一偏振状态的偏振光，达到泛光和点阵光相互切换的投射效果，实现模组小型化，降低成本，降低功耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种散斑投射器，包括：偏振光发射器和超构表面；

所述偏振光发射器出射两种单一偏振状态的偏振光；所述超构表面的两个表面方向上呈现不同预设排布结构；

所述两种单一偏振状态的偏振光分别照射在所述超构表面时，一种所述单一偏振状态的偏振光在所述超构表面的一个所述表面方向上发生衍射而投射出点阵光，另一种所述单一偏振状态的偏振光在所述超构表面的另一个所述表面方向上发生折射而投射出泛光。

本发明的实施方式还提供了一种结构光相机，包括：如上所述的散斑投射器，以及散斑接收器。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在散斑投射器中设置偏振光发射器和超构表面；偏振光发射器出射两种单一偏振状态的偏振光；超构表面的两个表面方向上呈现不同预设排布结构；当两种单一偏振状态的偏振光分别照射在超构表面时，一种单一偏振状态的偏振光在超构表面的一个表面方向上发生衍射而投射出点阵光，另一种单一偏振状态的偏振光在超构表面的另一个表面方向上发生折射而投射出泛光，从而仅通过控制偏振光发射器切换出射指定两种单一偏振状态的偏振光就可以实现泛光和点阵光相互切换的投射效果，实现模组小型化，降低成本，降低功耗。

附图说明

图1为现有技术的散斑投射器示意图；

图2为散斑投射器工作状态示意图；

图3为散斑投射器不同失焦程度对应投射效果示意图；

图4为音圈电机驱动准直镜移动示意图；

图5为本发明实施方式提供的散斑投射器的结构示意图；

图6为光的偏振方向示意图；

图7为光的自然偏振态示意图；

图8为本发明实施方式提供的垂直腔面发射激光器的发光点示意图；

图9为本发明实施方式提供的超构表面的结构示意图；

图10-a为本发明实施方式提供的泛光投射示意图；

图10-b为本发明实施方式提供的点阵光投射示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明一实时方式提供一种散斑投射器，如图5所示，该散斑投射器包括：偏振光发射器1和超构表面2。

其中，偏振光发射器1出射两种单一偏振状态的偏振光；超构表面2的两个表面方向上呈现不同预设排布结构。上述两种单一偏振状态的偏振光分别照射在超构表面2时，一种单一偏振状态的偏振光在超构表面2的一个表面方向上发生衍射而投射出点阵光，另一种单一偏振状态的偏振光在超构表面2的另一个表面方向上发生折射而投射出泛光。

众所周知，光有传播方向和偏振方向。如图6所示，横向方向为光的传播方向，垂直传播方向，如图中的竖向方向以及垂直于纸面方向（“·”表示）均为光的偏振方向。若对偏振态不做管控，光线将以自然偏振态出射，即在垂直于传播方向的全周均存在等概率的偏振态，如图7所示，为光的自然偏振态。

本实施例中，偏振光发射器1可以出射两种单一偏振状态的偏振光，单一偏振状态的偏振光也指单一方向的偏振光，即线偏振光。本实施例中对偏振光发射器1的具体类别和结构，以及出射的两种单一偏振状态的偏振光的偏振方向以及两方向之间的夹角均不做限定，只要满足具有出射指定两种单一偏振状态的偏振光的功能即可。同时，超构表面2上沿指定两个不同的表面方向上呈现不同预设排布结构。超构表面2上设置有预设排布结构的一侧面向偏振光发射器1而迎向偏振光。本实施例中呈现预设排布结构的两个表面方向之间的角度差，以及预设排布结构的具体形态不做限定，只要满足偏振光发射器1的上述两种单一偏振状态的偏振光照射在超构表面2时，偏振光发射器1所出射的上述一种单一偏振状态的偏振光在超构表面2的一个上述表面方向上发生衍射而投射出点阵光，偏振光发射器1所出射的上述另一种单一偏振状态的偏振光在超构表面2的另一个上述表面方向上发生折射而投射出泛光即可。

这样，通过控制本实施例中散斑投射器的偏振光发射器1出射任一上述单一偏振状态的偏振光，利用该单一偏振状态的偏振光和超构表面2上与之匹配的平面方向上的预设排布结构配合发生衍射或者折射，从而实现点阵光和泛光的切换。

在实际进行结构设计时，可以预先通过光学实践适配设计出上述偏振光发射器1的两个单一偏振状态的偏振光和超构表面2的两个表面方向上的排布结构的结构组合。例如，可以先设计偏振光发射器1出射两个单一偏振状态的偏振光，包括偏振方向和偏振方向之间的角度，然后迎合这两个单一偏振状态的偏振光，设计超构表面2的两个表面方向上的排布结构，使一个单一偏振状态的偏振光照射在一个表面方向上的排布结构后发生衍射，使另一个单一偏振状态的偏振光照射在另一个表面方向上的排布结构后发生折射。又例如，可先设计超构表面2的两个表面方向上的排布结构，然后适配设计偏振光发射器1出射两种单一偏振状态的偏振光，使得其中一种单一偏振状态的偏振光照射在一个表面方向上的排布结构后发生衍射，使另一种单一偏振状态的偏振光照射在另一个表面方向上的排布结构后发生折射。

此外在设计结构过程中，用于发生折射而产生泛光的结构组合中，对应单一偏振状态的偏振光照射在超构表面2的相应表面方向上的排布结构后也可以发生部分衍射，但衍射程度小于折射程度，从而最终投射出去的整体效果仍是泛光。

与相关技术比较，本实施例通过在散斑投射器中设置偏振光发射器和超构表面；偏振光发射器出射两种单一偏振状态的偏振光；超构表面的两个表面方向上呈现不同预设排布结构；当两种单一偏振状态的偏振光分别照射在超构表面时，一种单一偏振状态的偏振光在超构表面的一个表面方向上发生衍射而投射出点阵光，另一种单一偏振状态的偏振光在超构表面的另一个表面方向上发生折射而投射出泛光，从而仅通过控制偏振光发射器切换出射指定两种单一偏振状态的偏振光就可以实现泛光和点阵光相互切换的投射效果，实现模组小型化，降低成本，降低功耗。

本发明另一实时方式提供一种散斑投射器，如图8、图9所示，该散斑投射器在前述实施例的基础上，对偏振光发射器1和超构表面2进行了细化。

上述偏振光发射器1可以为但不局限于垂直腔面发射激光器。

在一个例子中，如图8所示，垂直腔面发射激光器上可设置有多个发光点（发光点3和发光点4），也称“光点矩阵”，多个发光点被划分成两类区域（发光点3位于一类区域、发光点4位于另一类区域，每类区域边界未画出），两类区域的发光点对应产生两种单一偏振状态的出射光线。

具体地，如图8所示，一类区域中的发光点3（“●”表示）对应产生一种单一偏振状态的出射光线，另一类区域中的发光点4（“○”表示）对应产生另一种单一偏振状态的出射光线。这样，通过控制这两类区域中任一类区域的发光点点亮，同时另一类区域的发光点熄灭，即可出射对应的单一偏振状态的偏振光。

在一个例子中，上述两种单一偏振状态的偏振光的偏振方向可相差90度。

在实际设计中，偏振方向相差90度（相互垂直）的两种单一偏振状态的偏振光，其偏振特征的区别度会更加突出，因此选择区别度高的两个偏振光来搭配超构表面2在特定两个表面方向上的预设排布结构，可以更好的呈现点阵光和泛光相区别的投射效果。

如图9所示，超构表面2上可设置纳米级的多个圆柱结构5；多个圆柱结构5在一个表面方向上呈现高度不变且直径逐渐变小的预设排布结构，在另一个表面方向上呈现高度和直径均逐渐变小的预设排布结构。

具体地，如图9所示，超构表面2上可由多列纳米级硅材料（根据实际需要也可以采用其他材料）构成的圆柱结构5在特定的两个表面方向上形成预设排布结构。例如图9中，多个圆柱结构5直径、高度、排布具有极高的均匀性。在一个表面方向（X’方向），圆柱结构5的高度不变，直径逐渐变小，同时，在另一个表面方向（Y’方向），圆柱结构5的高度和直径都逐渐变小。这两个表面方向可以搭配上述偏振光发射器1出射的两种单一偏振状态的偏振光而分别投射出点阵光和泛光。

在实际设计超构表面2在上述两个表面方向上的预设结构排布时，也可以设计采用其他结构以及其他排布方式，只要满足在超构表面2的这两个平面方向上的排布结构与偏振光发射器1出射的两种单一偏振状态的偏振光相互匹配，能够投射出点阵光和泛光即可。

在一个例子中，超构表面的两个表面方向可相互垂直。

具体地，如图9所示，超构表面2上X’方向和Y’方向可相互垂直。当偏振光发射器1出射的两种单一偏振状态的偏振光的偏振方向相互垂直时，两种偏振光可分别记为X方向偏振光和Y方向偏振光。如图10-a所示为X方向偏振光搭配上述X’方向的超构表面得到泛光，图10-b所示为Y方向偏振光搭配上述Y’方向的超构表面得到点阵光的样例图。

在一个例子中，本实施例中散斑投射器还包括：

偏振切换装置（图中未示出），用于控制偏振光发射器1切换出射上述两种单一偏振状态的偏振光，或者在同一时间同时出射上述两种单一偏振状态的偏振光。

具体地，偏振切换装置可以控制偏振光发射器1在同一时间仅出射上述两种单一偏振状态的偏振光中的一种偏振光，然后在不同时间段进行切换，从而控制散斑投射器切换投射出泛光和点阵光；或者偏振切换装置可以控制偏振光发射器1在同一时间同时出射上述两种单一偏振状态的偏振光，以满足特定场景需求。

例如，如图8所示，偏振切换装置可以在同一时间内控制偏振光发射器1中的发光点3点亮，发光点4熄灭，从而投射出一种单一偏振状态的偏振光；或者在同一时间内控制偏振光发射器1中的发光点4点亮，发光点3熄灭，从而投射出另一种单一偏振状态的偏振光；又或者在同一时间内控制偏振光发射器1中的发光点4，发光点3同时点亮，从而同时投射出两种单一偏振状态的组合态偏振光。

与现有技术相比，本发明实施采用垂直腔面发射激光器出射两种单一偏振状态的偏振光；通过垂直腔面发射激光器上设置的发光点，通过点亮不同区域中发光点以对应出射指定单一偏振状态的偏振光。利用偏振切换装置对垂直腔面发射激光器出射的两种单一偏振状态的偏振光进行灵活切换。

本发明的另一实施方式涉及一种结构光相机，包括：如上任一实施例中所述的散斑投射器，以及散斑接收器。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种散斑投射器，其特征在于，包括：偏振光发射器和超构表面；

所述偏振光发射器出射两种单一偏振状态的偏振光；所述超构表面的两个表面方向上呈现不同预设排布结构；

所述两种单一偏振状态的偏振光分别照射在所述超构表面时，一种所述单一偏振状态的偏振光在所述超构表面的一个所述表面方向上发生衍射而投射出点阵光，另一种所述单一偏振状态的偏振光在所述超构表面的另一个所述表面方向上发生折射而投射出泛光；

所述超构表面上设置纳米级的多个圆柱结构；所述多个圆柱结构在一个所述表面方向上呈现高度不变且直径逐渐变小的预设排布结构，在另一个所述表面方向上呈现高度和直径均逐渐变小的预设排布结构。

2.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述偏振光发射器为垂直腔面发射激光器。

3.根据权利要求2所述的散斑投射器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器上设置有多个发光点，所述多个发光点被划分成两类区域，所述两类区域的发光点对应产生所述两种单一偏振状态的出射光线。

4.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述两种单一偏振状态的偏振光的偏振方向相差90度。

5.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述超构表面的两个表面方向相互垂直。

6.根据权利要求1-5任一项所述的散斑投射器，其特征在于，还包括：

偏振切换装置，用于控制所述偏振光发射器切换出射所述两种单一偏振状态的偏振光，或者在同一时间同时出射所述两种单一偏振状态的偏振光。

7.根据权利要求1所述的散斑投射器，其特征在于，所述另一种所述单一偏振状态的偏振光在所述超构表面的另一个所述表面方向上还发生部分衍射。

8.根据权利要求1-5任一项所述的散斑投射器，其特征在于，所述超构表面为纳米级硅材料。

9.一种结构光相机，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任一项所述的散斑投射器，以及散斑接收器。

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