CN218585104U - 单点vcsel散斑投射器 - Google Patents

Abstract

公开了一种单点VCSEL散斑投射器，其中包括：单点VCSEL光源和被保持于所述单点VCSEL光源的光出射路径上的衍射光学元件，所述单点VCSEL光源仅具有一个发光孔，用于出射单束激光，所述光衍射元件用于对所述单束激光进行整形，进而使得所述单点VCSEL散斑投射器生成具有多个光斑的散斑图案。所述单点VCSEL散斑投射器针对近距离眼球追踪技术对投射器形成的光斑数量和光斑能量要求较低的特点，以单个发光点作为所述单点VCSEL散斑投射器的光源，通过光整形元件形成多个光斑，这样，可以减小所述单点VCSEL散斑投射器的尺寸。

Description

单点VCSEL散斑投射器

技术领域

本申请涉及结构光领域，更为具体地涉及单点VCSEL散斑投射器。

背景技术

结构光技术是一种基于主动视觉重建目标的光学技术，可通过由投射器投射的具有特定结构特征的光信号和由摄像头采集到的携带了目标对象信息的光信号利用三角法来计算目标对象的深度信息，进而获取目标对象的三维图像。结构光技术被广泛应用于人脸识别、空间测距、AR/VR等领域。

然而，在结构光技术的实际应用中存在诸多问题，例如，投射器的体积较大、功耗较高、编解码算法复杂、解码精度较低等。

具体地，在利用结构光进行眼球追踪的结构光方案中，目前普遍采用Camera+LED的结构光方案，以LED光源作为投射器的光源，通过相机采集被目标对象反射的光信号。在该方案中，投射器的LED光源需要设置多个发光点，以在眼球上形成多个光斑，更加准确地追踪眼球。相应地，该技术方案对各个LED发光点的焊接位置的精准度要求较高，LED发光点的数量较多，功耗较大、使得投射器的整体体积较大。

在一些结构光方案中，投射器的光源设有多个发光点，形成发光点点阵，进而形成基础编码图案 P1，所述基础编码图案 P1中包括与所述发光点点阵的多个发光点对应的多个散斑点 P0，然后利用衍射光学器件对基础编码图案 P1进行复制和拼接，以生成包括更多散斑点 P0、视角更大的激光散斑编码图案。然而，由于所述激光散斑编码图案是由包括了多个散斑点 P0的基础编码图案 P1复制和拼接生成的，不仅编解码算法复杂，而且，所述激光散斑编码图案中会出现多个相似块，即，多个散斑点 P0分布方式完全一致或者相似的区域，如图1所示。在对所述激光散斑编码图案进行解码的过程中，容易导致特征点匹配错误，解码精度降低。

因此，需要一种新型的结构光设计方案。

发明内容

本申请的一个优势在于提供了一种单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL散斑投射器针对近距离眼球追踪技术的特点，设计了适于近距离眼球追踪的单点VCSEL散斑投射器，不仅能够在结构上简化结构光设计方案，还能够在算法端简化结构光设计方案。

本申请的另一个优势在于提供了一种单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL散斑投射器针对近距离眼球追踪技术对投射器形成的光斑数量和光斑能量要求较低的特点，以单个发光点作为所述单点VCSEL散斑投射器的光源，通过光整形元件形成多个光斑，这样，可以减小所述单点VCSEL散斑投射器的尺寸，在简化所述投射器的结构的同时能够满足近距离眼球追踪技术对投射器形成的光斑数量和光斑能量要求，且能够简化结构光编解码算法。

本申请的又一个优势在于提供了一种单点VCSEL散斑投射器，所述单点VCSEL散斑投射器最终形成的散斑图案不存在相似块的问题，这样，可以降低解码难度，提高解码精度。

为了实现上述至少一优势或其他优势和目的，提供了一种单点VCSEL散斑投射器，其包括：单点VCSEL光源，仅具有一个发光孔，用于出射单束激光；以及被保持于所述单点VCSEL光源的光出射路径上的衍射光学元件，用于对所述单束激光进行整形，进而使得所述单点VCSEL散斑投射器生成具有多个光斑的散斑图案。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述散斑图案中光斑的数量为80至500。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述散斑图案中尺寸为所述散斑图案的尺寸的预设百分比的任意两个区域的光斑分布方式不同。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述衍射光学元件具有准直结构。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述单点VCSEL光源的长度尺寸为2mm至5mm，宽度尺寸为2mm至5mm，高度尺寸为2mm至5mm。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述单点VCSEL光源的发散角小于等于40°。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述单点VCSEL光源在所述衍射光学元件的光轴上的距离为1mm至2mm。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述单点VCSEL散斑投射器的发散角为50°至80°。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述衍射光学元件适于与眼球间隔10mm至20mm。

在本申请的单点VCSEL散斑投射器中，所述单点VCSEL散斑投射器包括基板和安装于所述基板的保持件，所述单点VCSEL光源安装于所述基板，所述保持件具有外周壁、从所述外周壁向内延伸的内支撑壁和由所述内支撑壁和所述基板围合形成的通光腔，所述单点VCSEL光源位于所述通光腔内，所述衍射光学元件被支撑于所述内支撑壁，所述衍射光学元件至少部分对应于所述单点VCSEL光源。

通过对随后的描述和附图的理解，本申请进一步的目的和优势将得以充分体现。

本申请的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

从下面结合附图对本申请实施例的详细描述中，本申请的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1图示了根据现有的单点VCSEL散斑投射器生成的激光散斑编码图案。

图2图示了根据本申请实施例的单点VCSEL散斑投射器的立体示意图。

图3图示了根据本申请实施例的单点VCSEL散斑投射器的截面图示意图。

图4图示了根据本申请实施例的单点VCSEL散斑投射器生成的散斑图案的局部示意图。

具体实施方式

以下说明书和权利要求中使用的术语和词不限于字面的含义，而是仅由发明人使用以使得能够清楚和一致地理解本申请。因此，对本领域技术人员很明显仅为了说明的目的而不是为了如所附权利要求和它们的等效物所定义的限制本申请的目的而提供本申请的各种实施例的以下描述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离本申请构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

申请概述：如上所述，在结构光技术的实际应用中存在诸多问题，例如，投射器的体积较大、功耗较高、编解码算法复杂、解码精度较低等。具体地，在利用结构光进行眼球追踪的结构光方案中，目前普遍采用Camera+LED的结构光方案，以LED光源作为投射器的光源，通过相机采集被目标对象反射的光信号。在该方案中，投射器的LED光源需要设置多个发光点，以在眼球上形成多个光斑，更加准确地追踪眼球。相应地，该技术方案对各个LED发光点的焊接位置的精准度要求较高，LED发光点的数量较多，功耗较大、使得投射器的整体体积较大。

在一些结构光方案中，投射器的光源设有多个发光点，形成发光点点阵，进而形成基础编码图案 P1，所述基础编码图案 P1中包括与所述发光点点阵的多个发光点对应的多个散斑点 P0，然后利用衍射光学器件对基础编码图案 P1进行复制和拼接，以生成包括更多散斑点 P0、视角更大的激光散斑编码图案。然而，由于所述激光散斑编码图案是由包括了多个散斑点 P0的基础编码图案 P1复制和拼接生成的，不仅编解码算法复杂，而且，所述激光散斑编码图案中会出现多个相似块，即，多个散斑点 P0分布方式完全一致或者相似的区域，如图1所示。在对所述激光散斑编码图案进行解码的过程中，容易导致特征点匹配错误，解码精度降低。

值得一提的是，本申请的发明人注意到，在现有的结构光方案中，通常采用多发光点光源作为投射器的光源，即，投射器的光源设有多个发光点。这是由于，在一定范围内，投射器所生成的散斑图案中光斑数量越多，结构光系统获取的目标对象的特征越多，越精细，测量精度或识别精度越高。这使得人们容易陷入思维误区：投射器的光源中发光点的数量越高，生成的光斑数量越多，结构光的应用效果越好。然而，人们在追求对目标对象进行细微特征获取的同时往往忽略了光斑数量对结构光系统的功耗、尺寸、散热、编解码算法难度、编解码精度的影响，同时，也忽略了并非所有的应用场景都需要成千上万个光斑。不同的应用场景对光斑的数量、能量的需求是不同的。

在人脸识别的应用中，通常，投射器需要生成10000以上个光斑，以获取人脸的细节特征，提高人脸识别的准确度。现有的应用于人脸识别的投射器中，一些投射器能够生成20000以上个光斑，甚至一些投射器能够生成30000以上个光斑。且人脸识别应用不仅对光斑的数量有较高的要求，还对单个光斑的能量有相应的要求。

本申请的发明人发现，近距离眼球追踪对投射器形成的光斑的数量、光斑的能量，以及，所述投射器的发散角要求较低，较少数量的光斑即可满足近距离眼球追踪的需求。相应地，本申请提出：针对近距离眼球追踪技术对投射器形成的光斑数量和光斑能量要求较低的特点，可设计适用于近距离眼球追踪的投射器，将所述投射器的生成光斑的数量控制在1000以内。

进一步地，考虑到多个发光点对编解码算法的影响，本申请采用单点光源作为投射器的光源，可以降低编解码难度，有效避免在最终形成的散斑图案中出现相似块，提高解码精度。

基于此，根据本申请的一个方面，本申请提出了一种单点VCSEL散斑投射器，其包括：单点光源和被保持于所述单点光源的光出射路径上的衍射光学元件，所述单点光源仅具有一个发光孔，用于出射单束光，所述光衍射元件用于对所述单束光进行整形，进而使得所述单点VCSEL散斑投射器生成具有多个光斑的散斑图案。

在介绍本申请的基本原理之后，下面将参考附图来具体介绍本申请的各种非限制性实施例。

示意性单点VCSEL散斑投射器：如图2至图4所示，根据本申请实施例的单点VCSEL散斑投射器被阐明，其中，所述单点VCSEL散斑投射器适用于近距离眼球追踪。在结构光系统中，可通过所述单点VCSEL散斑投射器向眼睛的虹膜投射带有编码信息的光，通过摄像头接收眼球反射的光，进而，可确定眼球主要注视的区域和余光注视的区域。在AR/VR设备的应用中，AR/VR设备可根据主要注视的区域调整其工作模式，降低能耗。这里，近距离是指所述单点VCSEL散斑投射器与眼球的距离小于等于100mm。应可以理解，所述单点VCSEL散斑投射器也可被应用于其他近距离投射的应用中。

具体地，如图2所示，所述单点VCSEL散斑投射器包括：基板 10、安装于所述基板10的单点光源 20、安装于所述基板 10的保持件 30和被保持于所述单点光源 20的光出射路径上的光整形件 40。所述单点光源 20即为仅包括一个发光点的光源，相应地，所述单点光源 20有且仅有一个发光孔，用于出射单束光，能够生成单个光斑 f。也就是，所述单点光源 20的发光点的数量为1，发光孔的数量为1；所述投射器的发光点的数量为1，发光孔的数量为1。所述光整形件 40用于对所述单束光进行整形，进而生成具有多个光斑 f的散斑图案 s。在本申请实施例中，所述单点VCSEL散斑投射器能够投射1000个以内的光斑 f。在本申请的一个具体示例中，所述单点VCSEL散斑投射器能够投射80个至500个光斑 f，也就是，所述散斑图案 s中光斑 f的数量为80至500。

所述单点VCSEL散斑投射器针对近距离眼球追踪技术对投射器形成的光斑 f数量和光斑 f能量要求较低的特点，以单个发光点作为所述单点VCSEL散斑投射器的光源，通过光整形元件形成多个光斑 f，在简化所述投射器的结构的同时能够满足近距离眼球追踪技术对投射器形成的光斑 f数量和光斑 f能量要求，且能够简化结构光编解码算法。所述单点VCSEL散斑投射器最终形成的散斑图案 s不存在相似块的问题，这样，可以降低解码难度，提高解码精度。

理想情况下，所述散斑图案 s中各个区域的光斑 f分布情况来评判光斑 f分布的随机性。例如，所述散斑图案 s中任意两个区域中光斑 f分布方式不同，其中，每个区域的面积尺寸为所述散斑图案 s的尺寸的预设百分比（例如，3%），也就是，所述散斑图案 s中尺寸为所述散斑图案 s的尺寸的预设百分比（例如，3%）的任意两个区域的光斑 f分布方式不同。再例如，所述散斑图案 s中任意两个区域中光斑 f分布方式不同，其中，每个区域的光斑 f数量为预设数量值（例如，3个），也就是，所述散斑图案 s中分别由预设数量值（例如，3个）的光斑 f形成的任意两个区域中光斑 f分布方式不同。可通过所述散斑图案 s中每相邻两个光斑 f之间的距离来评判光斑 f分布的均匀性。例如，所述散斑图案 s中每相邻两个光斑 f之间的距离与每相邻两个光斑 f之间的距离的比值小于预设值。

在本申请实施例中，所述单点光源 20被实施为垂直腔面发射激光器，即，单点VCSEL光源，包括一个VCSEL发光点，用于出射单束激光。所述单点VCSEL光源的长度尺寸为2mm至5mm，宽度尺寸为2mm至5mm，高度尺寸为2mm至5mm。所述单点VCSEL光源的体积较小，有利于和其他部件封装在一起形成尺寸较小的投射器。在本申请的变形实施方式中，所述单点光源 20可被实施为其他类型的光源。

在本申请实施例中，所述保持件 30被稳固地安装于所述基板 10。所述保持件 30具有外周壁 31、从所述外周壁 31向内延伸的内支撑壁 32和对应于所述单点光源 20的通光腔 33，所述内支撑壁 32和所述基板 10围合形成所述通光腔 33，所述单点光源 20位于所述通光腔 33内。

所述光整形件 40被支撑于所述保持件 30的内支撑壁 32，至少部分对应于所述单点光源 20，通过这样的方式，所述光整形件 40被保持于所述单点光源 20的光出射路径上。

在本申请实施例中，所述光整形件 40包括至少一衍射光学元件 41，所述衍射光学元件 41包括多个微结构，能够对所述单点光源 20出射的光束进行衍射。所述单点光源20位于所述衍射光学元件 41的焦平面上，所述衍射光学元件 41的焦距为1mm至2mm。相应地，所述单点光源 20在所述衍射光学元件 41的光轴上与所述衍射光学元件 41的距离 L1为1mm至2mm，如图3所示。

在实际应用中，所述单点VCSEL散斑投射器适于在一定距离范围内向眼球投射光线。在所述单点VCSEL散斑投射器的应用过程中，所述单点VCSEL散斑投射器的衍射光学元件 41朝向使用者的眼球，所述衍射光学元件 41与使用者的眼球之的距离L2为10mm至20mm。

所述单点光源 20的发散角和所述衍射光学元件 41的结构设计将影响所述单点VCSEL散斑投射器的发散角。在本申请实施例中，所述单点光源 20的发散角为小于或等于40°，所述单点VCSEL散斑投射器的发散角为50°至80°。

特别地，在本申请实施例中所述衍射光学元件 41的至少一微结构对所述单点光源 20出射的光束具有准直的作用，也就是，所述衍射光学元件 41的至少一微结构形成准直结构，即，所述衍射光学元件 41具有准直结构。应可以理解，所述光整形件 40可以被实施为其他结构，例如，在本申请的一个具体示例中，所述光整形件 40包括准直镜和散射镜，所述单点光源 20在所述准直镜的焦平面上，所述准直镜的有效焦距等于1mm至2mm。相应地，所述单点光源 20在所述准直镜的光轴上的距离为1mm至2mm。

所述衍射光学元件 41可以在计算机的辅助下进行表面微结构设计，然后通过微纳加工工艺在原材料上刻蚀出设计好的微结构。所述衍射光学元件 41的设计本质上是对光学系统的相位恢复，即，已知输入光场和输出光场分布，求解衍射光学元件 41的相位分布，以实现目标光场的衍射输出。在本申请实施例中，以本申请的光编码方案作为衍射元件的目标光场，通过衍射光学元件 41设计算法来获得衍射光学元件 41的相位分布。

具体地，在本申请实施例中，光编码方案的具体实施方案并不为本申请所局限。例如，所述光编码方案可以被实施为伪随机阵列编码方法，可以采用伪随机序列折叠算法、DeBruijn序列移位算法、穷举法编码。在本申请的一个具体示例中，采用伪随机序列折叠算法进行光编码，首先，生成伪随机序列。然后，将伪随机序列的元素沿主对角线放入

个数格子中，每当达到一侧边缘时即跳转到相反的一侧继续，例如，从左上向右下逐个填充，到达边缘后从另一侧继续填充，直到完成对全部格子的填充。

所述衍射光学元件 41设计算法的具体实施方式也不为本申请的所局限，例如，G-S及其改进算法、杨-顾算法、模拟退火算法、遗传算法等。在本申请的一个具体示例中，采用G-S算法来获得衍射光学元件 41的相位分布。首先，设置基本参数，根据采样公式计算合适的采样间隔，对输入平面设置初始相位值

，设置最大迭代次数并将初始迭代次数设为0，确定评价函数，设输入光场为平面波，可得输入平面的复振幅分布函数

，即：

。然后，对

做傅里叶变换，得到输出平面的复振幅分布函数

。接着，保留复振幅分布函数

的相位，将振幅替换为目标光场的振幅

，得到新的复振幅分布函数

。随后，对

作傅里叶逆变换，得到输入平面的复振幅分布函数

，将振幅替换为常数值1，得到新的复振幅分布函

，即，

，不断重复上述步骤，直到评价函数满足设计要求或达到最大循环次数，获得衍射光学元件 41的相位分布。

综上，基于本申请实施例的单点VCSEL散斑投射器被阐明，所述单点VCSEL散斑投射器针对近距离眼球追踪技术的特点，设计了适于近距离眼球追踪的单点VCSEL散斑投射器，不仅能够在结构上简化结构光设计方案，还能够在算法端简化结构光设计方案。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (10)

1.一种单点VCSEL散斑投射器，其特征在于，包括：单点VCSEL光源，仅具有一个发光孔，用于出射单束激光；以及被保持于所述单点VCSEL光源的光出射路径上的衍射光学元件，用于对所述单束激光进行整形，进而使得所述单点VCSEL散斑投射器生成具有多个光斑的散斑图案。

2.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述散斑图案中光斑的数量为80至500。

3.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述散斑图案中尺寸为所述散斑图案的尺寸的预设百分比的任意两个区域的光斑分布方式不同。

4.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述衍射光学元件具有准直结构。

5.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL光源的长度尺寸为2mm至5mm，宽度尺寸为2mm至5mm，高度尺寸为2mm至5mm。

6.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL光源的发散角小于等于40°。

7.根据权利要求6所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL光源在所述衍射光学元件的光轴上的距离为1mm至2mm。

8.根据权利要求7所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL散斑投射器的发散角为50°至80°。

9.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述衍射光学元件适于与眼球间隔10mm至20mm。

10.根据权利要求1所述的单点VCSEL散斑投射器，其中，所述单点VCSEL散斑投射器包括基板和安装于所述基板的保持件，所述单点VCSEL光源安装于所述基板，所述保持件具有外周壁、从所述外周壁向内延伸的内支撑壁和由所述内支撑壁和所述基板围合形成的通光腔，所述单点VCSEL光源位于所述通光腔内，所述衍射光学元件被支撑于所述内支撑壁，所述衍射光学元件至少部分对应于所述单点VCSEL光源。

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