JP7145073B2 - コード化パターンプロジェクタ - Google Patents

Description

本明細書で使用する節の表題はまとめるためのものに過ぎず、本願に記載の主題をいかなる形でも限定していると解釈すべきでない。

関連出願との相互参照
本願は、２０１５年１０月２１日に出願され「Coded Pattern Projector（コード化パターンプロジェクタ）」と題された米国仮特許出願番号第６２／２４４，３９７号の非仮出願である。米国仮特許出願番号第６２／２４４，３９７号の内容全体を引用により本明細書に援用する。

導入
多くの撮像アプリケーションは、構造化光を発生させる照明系の恩恵を受ける。構造化光の既知のパターンの光がシーン上に投影されると、当該パターンの変形によって、当該シーン内のオブジェクトについてのさまざまな表面および深度情報が与えられる。たとえば、３Ｄ撮像およびジェスチャ認識アプリケーションに用いられるような光学系は、コード化パターン投影を用いる。構造化光を用いる光学系への高まる需要を満たすために、構造化光照明源および方法の改善が必要である。

本教示は、好ましい実施形態および例示的な実施形態に従って、それらのさらなる利点とともに、添付の図面に関連して考慮されると以下の詳細な説明により詳しく記載されている。当業者は、以下に記載の図面は説明目的に過ぎないことを理解するであろう。図面は必ずしも正確な縮尺であるとは限らず、むしろ教示の原理を説明することに概して重点が置かれている。図面は、出願人の教示の範囲をいかなる方法でも限定することを意図していない。

本教示のコード化パターンを発生させるのに用いられる上部発光ＶＣＳＥＬ素子の材料構造の実施形態を示す図である。 本教示のコード化パターンを発生させるのに用いられる下部発光ＶＣＳＥＬ素子の材料構造の実施形態を示す図である。 モノリシックアレイとして構成された二次元ＶＣＳＥＬデバイスの実施形態の上面図である。 本教示のコード化パターンを発生させるのに用いられる上部発光ＲＣ－ＬＥＤ素子の実施形態を示す図である。 本教示のコード化パターンを発生させるのに用いられる下部発光ＲＣ－ＬＥＤ素子の実施形態を示す図である。 モノリシックアレイとして構成された二次元ＲＣ－ＬＥＤデバイスの実施形態の上面図である。 マイクロレンズを有する面発光アレイを示す図である。 マイクロレンズが集積された上部発光アレイ素子の構造を示す図である。 マイクロレンズが集積された下部発光アレイ素子の構造を示す図である。 共通基板上にモノリシック集積されたマイクロレンズアレイが集積された面発光アレイを示す図である。 ストライプまたはフリンジパターンを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 ストライプパターンを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 均一のストライプまたはフリンジパターンを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 本教示の４×４の二次元ＶＣＳＥＬアレイの実施形態を示す図である。 クワッドフラットパックハウジング内に装着されてハウジングリード線に接続された本教示のＶＣＳＥＬアレイの実施形態の写真を示す図である。 本教示のＶＣＳＥＬアレイの出力ビームスポットパターンの実施形態の像を示す図である。 複数のストライプのアレイを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 ベンチトップ実験において図９Ａに示す構成によって発生したストライプのアレイの写真を示す図である。 合体した複数のストライプのアレイを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 複数の均一のストライプを領域内に投影するための本教示の面発光素子レイアウトの実施形態を示す図である。 マイクロ光学プリズムアレイを含む本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 ２つのＤＯＥを含む本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 ２つのＤＯＥを含む本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 フライアイ発散レンズを含む本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態の実験ベンチトップセットアップの写真の図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタ装置のＶＣＳＥＬアレイの実施形態のマスクＣＡＤ図面を示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態の発生したストライプのアレイを示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態によって発生した、完全充填されたストライプパターンの写真を示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態によって発生した広視野ストライプパターンの写真を示す図である。 本教示のマイクロ光学プリズムアレイを含むコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す図である。 図２１Ａに示す本教示の実施形態のクローズアップ図である。 図２１Ａに示す本教示の実施形態の上面図である。 コード化された二次元構造化パターンを投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す図である。 大型構造化パターンを投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態によって投影された大型二次元構造化パターンの写真を示す図である。 完全充填されたコード化二次元パターン構造を投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す図である。 大型ＶＣＳＥＬアレイからパターンの複数の複製を投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態のＶＣＳＥＬ素子のパターンを示す図である。 本教示のＤＯＥを介して図２７Ａに示すパターンを投影することによって得られる構造化パターンを示す図である。 本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態のＶＣＳＥＬ素子のパターンを示す図である。 本教示のＤＯＥを介して図２７ＣのＶＣＳＥＬ素子のパターンからのビームを投影することによって得られる、コード化された構造化パターンを示す図である。 複数の完全充填されたコード化二次元パターン構造を広範囲内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す図である。

さまざまな実施形態の説明
添付の図面に示すような本教示の例示的な実施形態を参照して本教示を以下により詳細に説明する。本教示をさまざまな実施形態および例に関連して説明するが、本教示をそのような実施形態に限定することを意図していない。反対に、本教示は当業者によって認識されるように、さまざまな代案、変更および均等物を含む。本明細書の教示に接した当業者は、付加的な実現例、変更、および実施形態、および他の使用分野を認識するであろう。それらは本明細書に記載の本開示の範囲内にある。

明細書中の「一実施形態」または「実施形態」の言及は、当該実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、または特性が教示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書中のさまざまな箇所における「一実施形態における」という語句の出現は、すべてが同一の実施形態に言及しているとは限らない。

本教示の方法の個々のステップは、教示が実施可能であり続ける限り、任意の順序でおよび／または同時に実行可能であることを理解すべきである。さらに、本教示の装置および方法は、教示が実施可能であり続ける限り、任意の数の実施形態またはすべての記載される実施形態を含み得ることを理解すべきである。

本教示は、コード化された一連の構造化照明を投影するための方法および装置に関する。構造化光、または構造化照明とは、さまざまなパターンに形成されて、センシングシステムが撮像または検知中の特定の領域内に投影される光を指す。領域内に投影される光パターンは特定の空間パターンを有する。領域内に投影される特定の空間パターンはストライプパターン、スポットパターン、およびフリンジパターンを含み得る。領域内に投影される空間パターンは、暗い領域、もしくは照明範囲を囲む非照明領域を有し得るか、またはそれらは名目上は全灯パターン、もしくはいわゆる完全充填パターンであり得る。光パターンは規則的または不規則であり得る。光パターンは一次元または二次元に延在し得る。本教示に記載のいくつかの実施形態は特定のパターンを開示しているが、当業者であれば本教示は本明細書に記載の特定のパターンに限定されないことを認識するであろう。

構造化光を発生させる光源は、効率的で、明るく、容易に成形でき、信頼性が高いことが望ましい。また、構造化光を発生させる光源は、高速で変調可能であり、高温で動作可能であることが望ましい。本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法は、面発光アレイ技術を用いて照明を発生させる。面発光アレイは、デバイスの表面から光ビームのパターンを発生させる。面発光アレイはアドレス指定可能なアレイであり得る。アドレス指定可能なアレイによって、アレイの個々の素子、またはアレイ内の素子のグループを個別に電気的に制御することができる。たとえば、本教示は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイまたは共振空洞発光ダイオード（ＲＣ－ＬＥＤ）アレイから放射された光ビームを用いて、コード化された一連の構造化画像を投影する。本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法は、３Ｄ撮像およびジェスチャ認識アプリケーションなどにおける光学系に使用可能である。また、センシングおよび３Ｄ撮像の分野では、ＲＣ－ＬＥＤおよび低コスト高輝度ＶＣＳＥＬが利用できることによって恩恵を受けることになる多くのアプリケーションが出現しつつある。

ＶＣＳＥＬは、他のレーザ、特に端面発光半導体レーザに対して多くの有益な性質を有する。ＶＣＳＥＬは、多くの異なる波長について良好なコリメーションで円形の放射ビームまたは他の形状の放射ビームを発生させることができる。ＶＣＳＥＬは動作温度が変化しても波長の変化が小さく安定しており、高温で動作可能であり、長期信頼性が非常に高い。ＶＣＳＥＬは、利得スイッチング、緩和共鳴性質に起因する非常に短いパルスおよび非常に速いパルス立上がり時間で、高速パルスレートで動作可能である。

共振空洞ＬＥＤ（ＲＣ－ＬＥＤ）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってレーザではないのでパフォーマンスパラメータが低いことを除いて、ＶＣＳＥＬと同様の面発光デバイスである。ＲＣ－ＬＥＤは、線幅を減少させて出力ビームコリメーションを改善する共振空洞によって、通常のＬＥＤと比べて特性が改善されている。ＲＣ－ＬＥＤの共振空洞は、ＲＣ－ＬＥＤがレーザ光を放射しないように、ＶＣＳＥＬの空洞よりも線質係数（Ｑ値）が低い。

本教示のＶＣＳＥＬおよびＲＣ－ＬＥＤの１つの特徴は、それらが大量製造可能なことである。ＶＣＳＥＬおよびＲＣ－ＬＥＤなどの面発光デバイスは、大量生産工程に非常に好適である。さらに、すべての電気接点をデバイスの片側に位置決めするＶＣＳＥＬ設計の最近の革新によって、それらと電子部品の面実装アセンブリ技術との互換性が高まっている。これらのおよび多くの他の構成が可能であり、さらなる詳細は、Seurinらへの米国特許番号第８，６７５，７０６号、および２０１１年１２月２４日に出願されたSeurinらへの係属中の米国特許出願連続番号第１３／３３７，０９８号に開示されている。この特許および特許出願の内容全体が引用により本明細書に援用される。この特許および特許出願は、本願の譲受人であるニュージャージー州マーサービルのプリンストン・オプトロニクス・インコーポレイテッドが共有している。

基本的な２ミラーＶＣＳＥＬは、下位のまたは単一の横モードで非常に低出力でのみ動作可能である。ＶＣＳＥＬを高出力で動作させるとマルチモード動作が生じるため、レーザビーム出力は増加するがビームの輝度は増加しない。輝度を増加させる１つの方法は、第３のミラーを用いてＶＣＳＥＬを３ミラー構成で動作させることである。これによって共振空洞長が増加し、下位モードにおける高出力での動作が可能になる。この構成では、出力は、利得と利得セクション内の量子井戸の出力容量とによって定まる。

いくつかの実施形態では、本教示の高輝度ＶＣＳＥＬは制御された単一の分極で動作し、当該分極は通常は線形である。複数の分極で、または分極の方位がランダムであり異なる動作条件下で変化し得る単一の分極で動作するＶＣＳＥＬもある。何らかの形態の複屈折を共振空洞に導入することによって、単一のＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイ全体の分極方位を制御することができる。複屈折は、アパーチャ形状を変更すること、複屈折率を導入すること、またはＶＣＳＥＬ発光領域上に書かれた何らかの形態の線形格子を用いることを含む、さまざまな方法によって達成され得る。

さまざまな三次元撮像アプリケーションが構造化光を用いる。構造化照明によって、シーンの異なる領域に固有の照明パターンが生じる。カメラが軸外に配置され、合成構造化画像を記録するのに用いられ得る。合成画像を投影構造に対して適切に解析することによって、シーンの画像の判定、および領域内のオブジェクトについての深度情報が与えられる。構造化光を用いて三次元撮像アプリケーションを実現する別の方法は、立体撮像である。立体撮像では、２つのカメラを使用し、構造化光照明を用いてオブジェクトを見て、人間の両目が人間に三次元効果を作り出すのとほぼ同様に適切なアルゴリズムによって三次元アスペクトが生成される。

３Ｄ撮像およびジェスチャ認識に対するさまざまな構造化撮像アプローチは、回折光学素子（ＤＯＥ）によって規定される固定パターン構造を用いる。あるいは、面発光アレイ構成を用いてパターン構造が規定される。オフセットセンサが記録した画像の歪みが投影された照明構造に対して解析されて、照明シーン内のオブジェクトの深度および動きが判断される。面発光アレイ構成を用いるアプローチの変更は、面発光アレイ素子をアレイ素子のサブグループに分割し、各サブグループを別個にまたは複数のサブグループで起動することを含む。アレイ素子のサブグループを用いるとシーンの一部の領域を照明する際の柔軟性が高まるため、特定の時刻における特有の対象範囲をより詳細に調べることができる。

アレイ素子のサブグループの使用は、２００８年６月１２日に公開されSylvain Beckerらによって著されたＰＣＴ公開番号第ＷＯ ２００９１５３４４６ Ａ２号に記載されている。この公報では、面発光アレイのサブグループを順に起動してレーザスペックル効果を減少させ、３Ｄ撮像の感度および解像度を改善する。構造化光パターンがＤＯＥマスクによって発生し、結果として生じる構造はフリンジであるが、他のより複雑な形態も記載されている。

アレイ素子のサブグループを用いて構造化光を発生させることを記載している先行技術の別の例は、２０１４年１２月２５日に公開されたZafrir Morへの米国特許出願公開番号第ＵＳ ２０１４０３７６０９２ Ａ１号である。この出願では、著者は、アレイ素子の各列を別個に起動する面発光ダイオードアレイを記載している。一列の素子からの光がＤＯＥまたは円柱レンズを通って伝播して縞状の照明を形成する。縞状の照明はレンズによって領域内に投影される。こうして、すべての列が照明されると、縞のアレイが発生して領域内に投影される。当該列を個別にまたはグループで順に起動して、一連の異なる縞状照明パターンを発生させる。こうして、一連のコード化された照明構造を形成して、３Ｄ撮像、深度測定またはジェスチャ認識のために用いることができる。画像を増加させて照明シーンまたは領域のより広いカバー範囲を提供するために用いられ得る第２のＤＯＥも記載されている。

面発光レーザダイオードアレイを含む面発光アレイは、個々のデバイスの規則的なまたは不規則な２Ｄアレイを含み、当該デバイスの各々は予め定められた固定の直径を有するビームを伝播させる。個々の面発光アレイデバイス同士は、放熱、電気入力接触パッドおよび接続等の要因によって定まる距離だけ離れている。この結果、ビームは典型的に、各ビームのビーム直径の３倍以上互いに離間している。結果として、先行技術文献に記載の結果として生じる構造パターンは、かなり大きいサイズの非照明領域を間に有するスポットパターンまたはラインパターンである。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の１つの特徴は、一連のコード化された構造化パターンが一次元フリンジまたは二次元コード化スポットパターンのいずれかであり得ることである。コード化構造パターンのこれらの形状は、より柔軟性が高くより高解像度の３Ｄ撮像またはジェスチャ認識照明系を提供する。本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の付加的な特徴は、面発光アレイがＤＯＥまたは非対称光学部品を用いて構成されて、パターン特徴間に隙間のないパターンを形成することである。これによって、超高解像度撮像についての完全な照明カバー範囲が保証される。本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の付加的な特徴は、ＤＯＥマスクを用いてコード化パターンを増加させて照明のフィールドまたはビューを大きくすることである。

いくつかの実施形態では、１つ以上のセンサが軸外に配置されて、領域内のオブジェクトから反射した光を記録し得る。センサの数および位置は撮像アプローチに依存する。この記録画像を構造化発光パターンのパラメータに対して解析することによって、領域内のオブジェクトについての三次元情報を求めることができる。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法ではＶＣＳＥＬデバイスのさまざまな実施形態が用いられる。いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬデバイスは、上部の第１の半導体多層分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーおよび下部の第２の多層ＤＢＲミラーを含み、これらはレーザ共振空洞を形成する。第１のミラーと第２のミラーとの間に利得領域が位置決めされる。利得領域は、量子井戸のグループおよびアパーチャを含み得る。アパーチャは起動電流を中心領域に閉じ込めて、空洞の光学モードと同一の範囲内の量子井戸における利得を最大化する。アパーチャも、光学モードをその領域に限定する。レーザ共振空洞の他の性質に対するアパーチャサイズは横モードの性質を決定する。横モードの性質は、シングルモード対マルチモード、および他の特徴を含む。

いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬ構造は基板上の複数のエピタキシャル成長層を含む。電流注入のために電気コンタクト入力が上面および下面に形成される。ミラーの一方は、出力レーザビームの放射を可能にするように部分的に透過的に作られる。

ＶＣＳＥＬデバイスの利得および出力容量は、量子井戸の複数のグループを設けることによって増加させることができる。量子井戸の各グループは、電流および光学モードを同一の領域に閉じ込める関連付けられたアパーチャを有する。これによって、高利得および光学モードへの出力変換が得られる。いくつかの実施形態では、量子井戸の各グループ間にトンネルダイオード素子が位置している。トンネルダイオード素子は電荷担体を伝送する。トンネルダイオードによって、担体はトンネルダイオードのｐ－ｎ接合を通り抜けることができる。高輝度ＶＣＳＥＬのアレイについての技術は、２０１４年４月２９日に出願されたSeurinらへの米国仮特許出願連続番号第６１／９８５７７６号に開示されている。この仮出願の内容全体が引用により本明細書に援用される。また、この仮出願は、本願の譲受人であるニュージャージー州マーサービルのプリンストン・オプトロニクス・インコーポレイテッドに譲渡される。

より多くの量子井戸グループを用いると、シングルモード構成およびマルチモード構成の両方においてＶＣＳＥＬ内の出力が増加する。しかし、動作をシングルモードに限定するために、アパーチャは、より高位のモードが減衰されるように小径でなければならない。シングルモード動作における出力をさらに増加させて輝度を増加させるためには、レーザ共振器パラメータを変更してシングルモード直径を増加させて、より大量の量子井戸の複数のグループから出力を引き出す必要がある。これを達成する共振器パラメータの１つは、共振器長である。共振器長を増加させるとレージングモードの直径が増加し、シングルモード動作を制御するために用いられ得るアパーチャが大きくなるので、利得体積を増加させてより高い出力および輝度を得ることができる。

ＶＣＳＥＬ共振器長は、ＶＣＳＥＬエピタキシャル２ミラー構造からかなり離れて配置され得る第３のミラーを導入することによって増加する。中間のＤＢＲミラーと第３のミラーとの組合せによってレーザ共振器について同等のミラーが形成され、共振器長が第３のミラーと他方のＶＣＳＥＬ ＤＢＲミラーとの間の距離まで増加する。３ミラー共振器のいくつかの実施形態が形成され得る。当該実施形態は、ＶＣＳＥＬ基板に直接接着されるミラーである別個のミラーを用いるか、またはＶＣＳＥＬエピタキシャル構造の反対側のＶＣＳＥＬ基板表面上にミラーコーティングを堆積することによって形成される。

利得領域内の量子井戸の複数のグループの組合せ、および３ミラー共振空洞構造の使用によって、シングルモード出力が、したがってＶＣＳＥＬデバイスの輝度が２桁よりも大きく増加する。第３のミラーを用いてＶＣＳＥＬ素子の輝度を増加させることは、ＶＣＳＥＬ素子のアレイにも等しく適用可能であり、単一のミラーを第３のミラーとしてアレイのすべての素子に用いることができる。

単一のＶＣＳＥＬ素子およびＶＣＳＥＬ素子のアレイの光学モードは、当該素子またはアレイに制御された線形分極でレーザ光を放射させるいくらかの残留した光学的異方性、または複屈折がない限り、ランダムな分極でレーザ光を放射することになる。最新技術において公知の１つのアプローチは、楕円形のアパーチャまたは同様の手段を用いて、ＶＣＳＥＬ共振空洞内の十分な異方性によって線形分極モードを強制することである。分極限定ミラー、格子または外部共振器ＶＣＳＥＬを有する構成要素を用いるなどの他の方法も用いることができる。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法では、ＲＣ－ＬＥＤデバイスのさまざまな実施形態が用いられる。いくつかの実施形態では、ＲＣ－ＬＥＤデバイスは、上部の第１の半導体多層ＤＢＲミラーおよび下部の第２の多層ＤＢＲミラーを含む。第１および第２のミラーは共振空洞を形成する。量子井戸のグループ、および任意にアパーチャを含む当該ミラー同士の間に利得領域が位置決めされる。アパーチャは起動電流を中心領域に閉じ込めて、量子井戸における利得を増加させる。アパーチャも、光学モードをその領域に限定する。ＲＣ－ＬＥＤでは、上部の第１の半導体ＤＢＲミラーは、ＶＣＳＥＬの上部の第１の半導体ミラーよりも反射率が低い。具体的には、上部の第１の半導体ミラーの反射率は、いずれのレーザ作用も防止するように十分低い。共振空洞は、空洞と共振しない波長を有する光の損失を増加させることによって、量子井戸からの自然放射の線幅を細くするように作用する。

空洞と共振する波長を有する光は空洞内で前後に跳ね返り、量子井戸によって増幅される。ＤＢＲ反射器によって取り込まれない光は、伝播して空洞から出るか、伝播して基板から出るか、または基板に吸収される。空洞と共振しない波長からの放射は空洞内で減衰される。空洞内の増幅された自然放射の一部は、非コヒーレント放射のビームとして出力ＤＢＲによって放射される。このビームは非コヒーレントであるため、領域内のオブジェクトから反射する光内のスペックルがかなり減少する。

ＲＣ－ＬＥＤ構造はＶＣＳＥＬ構造と同様であり、基板上の複数のエピタキシャル成長層を典型的に含む。電流注入のために電気コンタクト入力が上面および下面に形成される。ＤＢＲミラーの一方は、出力ビームの放射を可能にするように部分的に透過的に作られる。

ＲＣ－ＬＥＤデバイスの利得および出力容量は、量子井戸の複数のグループを設けることによってＶＣＳＥＬと同様に増加させることができる。量子井戸の各グループは関連付けられたアパーチャを有しており、当該アパーチャは電流および光学モードを同一の領域に閉じ込めて、高利得および光学モードへの出力変換を得る。量子井戸の各グループ間のトンネルダイオードが電荷担体を伝送する。トンネルダイオードによって担体がｐ－ｎ接合を通り抜けることができる。

面発光アレイレイアウトは、単一のデバイス、デバイスの線形アレイ、またはデバイスの二次元グループとして構成され得る。これらのさまざまなデバイスおよびデバイスのグループは別個に起動され得る。デバイスのさまざまな構成の方位は、隣接するパターン素子の投影画像が部分的にオーバーラップするようにＤＯＥまたは非対称レンズと整列している。これによって、隣接する画像同士が合体してより大きい均一画像になる。いくつかの実施形態では、第２のＤＯＥを用いてパターンを増加させる。いくつかの実施形態では、隣接する交互配置された画像同士がオーバーラップするように複数のパターンが交互配置される。これらの実施形態では、起動された素子から照明が合体して１つの大きいパターン素子になる。いくつかの実施形態では、発光体デバイスの二次元グループは二次元に延在する。これらの実施形態では、隣接するスポット同士がオーバーラップする順次コード化されたスポットのパターンが発生する。これによって、照明領域内の完全な二次元カバー範囲が得られる。

大型の高密度に充填されたＶＣＳＥＬアレイを用いて、非常に複雑な構造化パターンを作成することができる。大型ＶＣＳＥＬアレイは最大で１０ｍｍの外側寸法を有し得る。いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイ寸法は、パターンを投影するのに用いられるレンズおよびＤＯＥの多くの直径よりも大きい場合がある。これは特に、携帯電話およびコンピュータタブレットなどのモバイル機器用に設計された小型システムの場合であろう。本教示のいくつかの実施形態では、マイクロ光学プリズムアレイを用いてＶＣＳＥＬ出力ビームを収束して、当該ビームに小型アパーチャ光学部品を通過させる。マイクロ光学プリズムアレイをＤＯＥとともに用いて、規則的なまたはランダムな分布のラインまたはスポットのさらに大きいアレイを形成することもできる。

異なる図面に表わされている例示的な実施形態を用いて本教示のさまざまな局面を説明することによって、原理の大まかな枠組みを本明細書に提示する。説明を明確かつ容易にするために、各実施形態は数個の局面のみを含む。しかし、１つ以上の実施形態において、異なる実施形態からの異なる局面を組合せるかまたは別個に実施してもよい。当業者にとって明白であるが明示的に図示または記載されていない場合がある、本発明の大まかな枠組み内の代表的な実施形態の多くの異なる組合せおよび下位の組合せは排除されると解釈すべきでない。

当業者は、さまざまな面発光デバイス構成が本教示において利用可能であることを認識するであろう。これは、一般的に起動されたアレイとして構成される規則的な面発光アレイ、および個々のまたはグループアドレス指定可能な面発光アレイとして構成される規則的な面発光アレイを含む。これは、上部発光面発光アレイおよび下部発光面発光アレイも含む。これは、拡大共振器３ミラーＶＣＳＥＬアレイ、および外部共振器３ミラーＶＣＳＥＬアレイも含む。面発光デバイスは１つの素子を含み得、または面発光デバイスは複数の素子のアレイを含み得る。素子のアレイは一次元または二次元に延在し得る。

図１Ａおよび図１Ｂは、本教示のコード化パターンを発生させるのに用いられる典型的なＶＣＳＥＬ単一素子デバイスおよびＶＣＳＥＬアレイ素子デバイスの素子の材料構造を示す。図１Ａは、上部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００の材料構造を示す。単純な２端子上部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００が基板１０２上に構築され、発光面１１０と同一の側に上部電気コンタクト層１０８を含む。１つ以上の量子井戸を含む発光および利得領域１０４が２つの誘電体反射器１０６と１０３との間に配置される。下部電気コンタクト層１０７が上部コンタクト１０８の表面の反対側の表面上に形成される。電流閉じ込めアパーチャ１０５が発光および利得領域１０４への駆動電流の流れを制御し、放射ビームの形状を決定する。アパーチャを用いて所望のビーム形状を得るこの特徴は米国特許公開番号第２０１３－０１６３６２７号に記載されている。当該米国特許は引用により援用されており、本願の譲受人が所有している。

上部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００の発光面１１０から発光１０９が現れる。発光面１１０は、基板１０２が位置決めされるのと反対側のデバイスの端に位置決めされる。上部コンタクト１０８はミラー１０６に隣接して位置決めされ、下部コンタクト層１０７は基板１０２に隣接して位置決めされる。上部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００は、装着したデバイスの上面から光が現れるように、基板側を下にして装着される。さらに、いくつかの実施形態では、効率的な放熱を実現するために一般的に行なわれるように、基板１０２の厚みを減少させるか、または基板１０２を完全に除去する。

図１Ｂは、下部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００′の材料構造を示す。単純な２端子下部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００′が基板１０２′上に構築され、基板１０２′に隣接して位置決めされた上部電気コンタクト層１０８′を含む。上部電気コンタクト層１０８′も発光面１１０′と同一の側にある。発光面１１０′から発光１０９′が現れる。１つ以上の量子井戸を含む発光および利得領域１０４′が２つの誘電体反射器１０６′と１０３′との間に配置される。下部電気コンタクト層１０７′が上部コンタクト１０８′の表面の反対側の表面上に形成される。電流閉じ込めアパーチャ１０５′が発光および利得領域１０４′への駆動電流の流れを制御し、放射ビームの形状を決定する。

図１Ｂに示す下部発光ＶＣＳＥＬデバイス１００′は、装着したデバイスの上面から光が現れるように、基板側を上にして装着されることに留意すべきである。さらに、いくつかの実施形態では、効率的な放熱を実現するために一般的に行なわれるように、基板１０２′の厚みを減少させるか、または基板１０２′を完全に除去する。

単一のＶＣＳＥＬデバイスの代わりに、複数のＶＣＳＥＬデバイスのアレイを単一の基板上に構築してもよいことが当業者によって認識され得る。図１Ｃは、モノリシックアレイとして構成された二次元ＶＣＳＥＬデバイスの上面図を示す。より具体的には、複数のＶＣＳＥＬデバイスの二次元アレイ１１３が共通基板１１４上に構築される。図１Ｃの各点は、図１Ａおよび図１Ｂに示したのと同様のＶＣＳＥＬデバイスを表わす。二次元アレイ１１３内のすべてのＶＣＳＥＬは、アレイの共通端子として機能する基板１１４に電気的に接続される。ＶＣＳＥＬが一括して発光する実施形態では、アレイ内の各ＶＣＳＥＬの他方の電気コンタクトは、アレイの第２の共通端子として機能するアレイ表面上の共通のメタライゼーションを用いて接続される。あるいは、ＶＣＳＥＬの別個の起動を利用する実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイの活性層側のコンタクトとの別個の電気的接続がなされる。これらの電気的接続は、電気駆動信号を印加するのに用いられる電気入力を表わす。個々のＶＣＳＥＬが共通のメタライゼーションコンタクトを共有している場合は、これらのＶＣＳＥＬはその電気入力に印加される共通の電気駆動信号によって駆動されることになる。上部発光ＶＣＳＥＬデバイス（図１Ａ）を用いる二次元ＶＣＳＥＬデバイスアレイの実施形態については、上部コンタクト層１０８との別個の電気的接続がなされる。下部発光ＶＣＳＥＬデバイス（図１Ｂ）を用いる二次元ＶＣＳＥＬデバイスアレイの実施形態については、下部コンタクト層１０７′との別個の電気的接続がなされる。

ＶＣＳＥＬデバイスのアレイは、一括して上向き方向に発光する。図１Ｃに示すようなＶＣＳＥＬアレイはＶＣＳＥＬアレイチップと呼ばれ得る。この特定の例では、ＶＣＳＥＬデバイスは円形のＶＣＳＥＬアレイチップを形成するように配置される。ＶＣＳＥＬアレイチップは任意の規則的な形状パターンまたは不規則なランダムパターンで構成され得ることが認識され得る。いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイチップは、たとえば米国特許公開番号第２０１３－０１６３６２７号に記載されている任意の種類の熱的サブマウント上に実装され得る。当該米国特許は引用により援用されており、本願の譲受人が所有している。

いくつかのコード化パターン３Ｄ撮像およびジェスチャ認識アプリケーションでは、直線偏光された構造化照明が必要である。これらの状況では、ＶＣＳＥＬアレイ素子またはＶＣＳＥＬアレイ全体の分極方位は、何らかの形態の複屈折を共振空洞に導入することによって方位付けられる。図１Ａおよび図１Ｂを参照して、いくつかの実施形態では、複屈折はアパーチャ１０５、１０５′の非対称形状を形成することによって達成される。あるいは、またはさらに、いくつかの実施形態では、複屈折率が導入される。あるいは、またはさらに、いくつかの実施形態では、何らかの形態の線形格子がＶＣＳＥＬ発光面１１０、１１０′上に書かれる。さまざまなこれらの方法を用いてアレイの異なる領域において異なる方位の直線偏光を得ることができることが当業者に明らかになるであろう。これらの技術を用いて、構造化光パターンの異なる範囲で異なる分極を有するコード化された構造化光パターンを発生させることができる。さらに、異なるパターンは、偏光子および波長板などのさまざまな分極依存素子に光パターンを通過させることによって得ることができる。

図１Ａおよび図１Ｂに示す２端子ＶＣＳＥＬデバイスの実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイチップの２つの端子はＶＣＳＥＬアレイチップの２つの両端に位置している。いくつかのアプリケーションについては、これら２つの端子をチップの同一の側に配置するように構成する方が便宜的である。ゆえに、本教示のいくつかの実施形態では、２つの端子がチップの同一の側にある２端子ＶＣＳＥＬデバイスを利用する。これらの実施形態は、面実装技術またはフリップチップ技術を用いてＶＣＳＥＬをサブマウントまたはプリント回路基板上に実装することができる大量組立に特に適用可能である。米国特許番号第８，６７５７０６号および第８，７８３８９３号にそのような面実装ＶＣＳＥＬアレイを設計および構築するための方法が記載されている。これらの特許は引用により本明細書に援用されており、本願の譲受人に譲渡される。

ＶＣＳＥＬデバイスの利得および出力容量は、量子井戸の複数のグループを設けることによって増加させることができる。量子井戸の各グループは自身に関連付けられたアパーチャを有しており、当該アパーチャは電流および光学モードを同一の領域に閉じ込めて、高利得および光学モードへの出力変換を得る。電荷担体を伝達する重要な素子が、量子井戸の各グループ間に必要である。これは、担体がｐ－ｎ接合を通り抜けることを可能にするトンネルダイオードを含む。高輝度ＶＣＳＥＬのアレイについての技術は、２０１４年３月１８日に２０１４年４月２９日に出願されたSeurinらへの米国仮特許出願連続番号第６１／９８５７７６号に記載されている。この特許出願は引用により本明細書に援用されており、本願の譲受人に譲渡される。

より多くの量子井戸グループを用いると、シングルモード構成およびマルチモード構成の両方においてＶＣＳＥＬ内の出力が増加する。しかし、動作をシングルモードに限定するために、アパーチャは、より高位のモードが減衰されるように小径でなければならない。シングルモード動作における出力をさらに増加させて輝度を増加させるためには、レーザ共振器パラメータを変更してシングルモード直径を増加させて、より大量の量子井戸の複数のグループから出力を引き出す必要がある。これを達成する共振器パラメータの１つは、共振器長である。共振器長を増加させるとレージングモードの直径が増加し、シングルモード動作を制御するために用いられ得るアパーチャが大きくなるので、利得体積を増加させてより高い出力および輝度を得ることができる。

ＶＣＳＥＬレーザ共振器長は、ＶＣＳＥＬエピタキシャル２ミラー構造からかなり離れて配置され得る第３のミラーを導入することによって増加する。中間のＤＢＲミラーと第３のミラーとの組合せによってレーザ共振器について同等のミラーが形成され、共振器長が第３のミラーと他方のＶＣＳＥＬ ＤＢＲミラーとの間の距離まで増加する。３ミラー共振器のいくつかの実施形態が形成され得る。当該実施形態は、ＶＣＳＥＬ基板に直接接着されるミラーである別個のミラーを用いるか、またはＶＣＳＥＬエピタキシャル構造の反対側のＶＣＳＥＬ基板表面上にミラーコーティングを堆積することによって接着される。

利得領域内の量子井戸の複数のグループの組合せ、および３ミラー共振空洞構造の使用によって、シングルモード出力が、したがってＶＣＳＥＬデバイスの輝度が２桁よりも大きく増加する。第３のミラーを用いてＶＣＳＥＬ素子の輝度を増加させることは、ＶＣＳＥＬアレイにも等しく適用可能であり、単一のミラーを第３のミラーとしてアレイ全体に用いることができる。３ミラー共振器拡大および外部ＶＣＳＥＬアレイについての技術は、米国特許番号第８，８２４，５１９号および第８，９２９，４０７号に記載されている。これらの特許は引用により本明細書に援用されており、本願の譲受人に譲渡される。

図２Ａおよび図２Ｂは、本教示のコード化パターンを発生させるのに用いられる典型的なＲＣ－ＬＥＤ単一素子デバイスおよびＲＣ－ＬＥＤアレイ素子デバイスの素子の材料構造を示す。図２Ａは本教示の上部発光ＲＣ－ＬＥＤ２１５を示す。上部発光ＲＣ－ＬＥＤ２１５は基板２０２上に構築される。上部電気コンタクト層２０８が発光面２４０と同一の側に位置決めされる。１つ以上の量子井戸を含む発光および利得領域２０４が２つの誘電体反射器２１７と２０３との間に配置される。反射器２１７は、共振自然放射ビームの一部を透過させる一部反射ミラーである。下部電気コンタクト層２０７が上部コンタクト２０８の表面の反対側の表面上に形成される。電流閉じ込めアパーチャ２０５が発光領域への駆動電流の流れを制御し、放射ビームの形状も決定する。基板２０２が位置決めされるデバイスの端の反対側に位置する発光領域２４０から発光２０９が起こる。上部コンタクト２０８および下部コンタクト２０７は、それぞれ活性層端および基板端に近接している。上部発光ＲＣ－ＬＥＤ２１５は、デバイスの上面から光が現れるように、基板側を下にして装着される。さらに、いくつかの実施形態では、効率的な放熱を実現するために一般的に行なわれるように、基板２０２の厚みを減少させるか、または基板２０２を完全に除去する。

図２Ｂは下部発光ＲＣ－ＬＥＤデバイス２１５′を示す。単純な２端子下部発光ＲＣ－ＬＥＤデバイス２１５′が基板２０２′上に構築され、基板２０２′に隣接して位置決めされた上部電気コンタクト層２０８′を含む。上部電気コンタクト層２０８′も発光面２４０′と同一の側にある。発光面２４０′から発光２０９′が現れる。１つ以上の量子井戸を含む発光および利得領域２０４′が２つの誘電体反射器２０３′と２１７′との間に配置される。下部電気コンタクト層２０７′が上部コンタクト２０８′の表面の反対側の表面上に形成される。電流閉じ込めアパーチャ２０５′が発光および利得領域２０４′への駆動電流の流れを制御し、放射ビームの形状を決定する。上部電気コンタクト層２０８′は基板２０２′に近接しており、下部電気コンタクト層２０７′は活性層に近接している。下部発光ＲＣ－ＬＥＤデバイス２１５′は、デバイス内の発光が矢印２０９′によって示す上向き方向であるように、基板側を上にして装着される。デバイスは各自の基板とともに示されているが、効率的な放熱のために基板２０２′の厚みを減少させること、または基板２０２′を完全に除去することが一般的に行なわれる。

単一のＲＣ－ＬＥＤデバイスの代わりに、複数のＲＣ－ＬＥＤデバイスのアレイを単一の基板上に構築してもよいことが当業者によって認識され得る。図２Ｃは、モノリシックアレイとして構成された本教示の二次元ＲＣ－ＬＥＤデバイスの上面図を示す。より具体的には、複数のＲＣ－ＬＥＤデバイスの二次元アレイ２１８が共通基板２１４上に構築される。図２Ｃの各点は、図２Ａまたは図２Ｂに示したのと同様のＲＣ－ＬＥＤデバイスを表わす。二次元アレイ２１８内のすべてのＲＣ－ＬＥＤは、アレイの第１の共通端子として機能する基板に電気的に接続される。ＲＣ－ＬＥＤが一括して発光する実施形態では、アレイ内の各ＲＣ－ＬＥＤの第２の電気コンタクトは、アレイの第２の共通端子として機能するアレイ表面上の共通のメタライゼーションを用いて接続される。あるいは、ＲＣ－ＬＥＤの別個の起動を利用する実施形態では、ＲＣ－ＬＥＤアレイの活性層側との別個の電気的接続がなされる。上部発光ＲＣ－ＬＥＤデバイス（図２Ａ）を用いる二次元ＲＣ－ＬＥＤデバイスアレイの実施形態については、上部コンタクト層２０８との別個の電気的接続がなされる。下部発光ＲＣ－ＬＥＤデバイス（図２Ｂ）を用いる二次元ＲＣ－ＬＥＤデバイスアレイの実施形態については、下部コンタクト層２０７′との別個の電気的接続がなされる。

ＲＣ－ＬＥＤデバイスは、一括して上向き方向に発光する。図２Ｃに示すようなＲＣ－ＬＥＤアレイをＲＣ－ＬＥＤアレイチップと呼ぶことにする。この特定の例では、ＲＣ－ＬＥＤデバイスは円形のＲＣ－ＬＥＤアレイチップを形成するように配置される。ＲＣ－ＬＥＤアレイチップは任意の規則的なまたは不規則な形状パターンまたはランダムパターンで構成され得ることが認識され得る。

図３は、マイクロレンズを有する先行技術の面発光アレイを示す。いくつかの実施形態では、面発光アレイはＶＣＳＥＬアレイである。いくつかの実施形態では、面発光アレイはＲＣ－ＬＥＤアレイである。マイクロレンズアレイ３２１が面発光アレイ３００から焦点距離だけ離れて整列している。マイクロレンズアレイ３２１は面発光アレイ３００からの光をコリメートする。面発光アレイからの光をコリメートすると、面発光アレイから現れる光の有効輝度が増加する。マイクロレンズアレイ３２１は、各マイクロレンズ素子３２０が発光素子光学軸３２３と同軸に整列するように寸法決めされて横方向に整列している。これによって、面発光アレイ３００からコリメートビーム３２２の平行アレイが生じる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ３２１は、図３に示すように、面発光アレイ３００の前に整列して固定された別個の光学部品である。

いくつかの実施形態では、マイクロレンズは図４Ａおよび図４Ｂに示すように面発光アレイ素子に集積される。図４Ａは、マイクロレンズが集積された上部発光アレイ素子の構造を示す。エピタキシャル成長層構造４０１が基板４０２上に成長し、発光デバイスがこの構造内に製作される。上部電気コンタクト４０８および下部電気コンタクト４０７が面発光体駆動装置に接続されてアレイを起動する。出力面上の上部電気コンタクト４０８は、出力ビーム４２５の伝播を可能にするアパーチャを有する。面発光アレイの上には、出力面上に透明光学材料４２６が堆積される。これは、典型的に反応性イオンエッチ（ＲＩＥ）または成形を含む他の好適な製作工程よって成形されて、凸レンズ４２４を形成する。凸レンズ４２４の形状は、発光アレイ素子が放射したビームを当該レンズがコリメートするように正確な焦点距離を与えるように設計される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズは面発光アレイ上に直接製作される。

図４Ｂは、マイクロレンズが集積された下部発光アレイ素子の構造を示す。面発光構造４０１′が基板４０２′上に成長し、当該構造は出力ビームが基板４０２′を横切るように設計される。電気コンタクト４０７′、４０８′が発光体アレイ駆動装置に接続されてアレイを起動する。基板表面上のコンタクト４０８は、出力ビーム４２５′の伝播を可能にするアパーチャを有する。レンズ４２７′は、発光アレイ素子が放射したビームを当該レンズがコリメートするように正確な焦点距離を与えるような形状で設計される。出力ビームが基板を横切る下部発光アレイの場合、レンズは図４Ａの実施形態と同様に基板表面上に作られ得るか、またはウェットエッチングによるもしくはＲＩＥによる基板のエッチングによってアレイの基板内に直接形成され得る。マイクロレンズが集積されたＶＣＳＥＬアレイを達成するためのアプローチの詳細は、Kaiyan Zhangらへの米国特許番号第６，８８８，８７１ Ｂ１号に記載されている。この特許は引用により本明細書に援用され、本願の譲受人に譲渡されている。

図４Ｃは、共通基板上にモノリシック集積されたマイクロレンズアレイが集積された面発光アレイを示す。マイクロレンズ４１３を有するアレイ素子が共通基板４１４上に製作される。出力側では、マイクロレンズアレイ４２８が、発光アレイ素子と整列しているマイクロレンズとともに製作される。いくつかの実施形態では、出力ビーム４１９のコリメートアレイがマイクロレンズアレイ４２８から放射される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイピッチはＶＣＳＥＬアレイピッチと同一であり、ＶＣＳＥＬアレイはＶＣＳＥＬ素子出力ビームをコリメートするようにマイクロレンズアレイと整列して位置合わせされる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイピッチはＶＣＳＥＬアレイピッチよりも小さく、マイクロレンズアレイはＶＣＳＥＬ素子出力ビーム方向をコリメートして収束するようにＶＣＳＥＬアレイと整列して位置合わせされる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイピッチはＶＣＳＥＬアレイピッチよりも大きく、ＶＣＳＥＬ素子出力ビーム方向をコリメートして発散させるようにＶＣＳＥＬアレイと整列して位置合わせされる。

図５は、ストライプまたはフリンジパターンを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置を示す。図５は単一の発光体素子５３０を用いる実施形態を示す。単一のＶＣＳＥＬ素子５３０は円形ビームを放射し、これがレンズ５３１によってコリメートされてＤＯＥ５３２に誘導される。ＤＯＥ５３２は一方の次元においてビーム形状を発散させるが、他方の次元においてコリメートビームを維持してストライプ画像５３３を形成する。いくつかの実施形態では、画像、または空間パターンは薄い幅広のストライプである。いくつかの実施形態では、画像、または空間パターンはフリンジパターンである。挿入図５３４、５３６は、所望の投影ビームパターンを実現するのに用いられる典型的なＤＯＥ構造の例を示す。

図６は、ストライプパターンを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す。単一の面発光素子６３０がビームを放射し、これがレンズ６３１によってコリメートされる。円柱レンズ６３４を用いて、一方の次元においてビーム形状を発散させるが、他方の次元においてコリメートビームを維持してストライプ画像６３３を形成する。円柱レンズ６３４は凸状でも凹状でもよい。凸状レンズの場合、レンズから構造化パターン６３３の位置までの距離はレンズ焦点距離よりもはるかに大きい。いくつかの実施形態では、円柱レンズは発散レンズである。いくつかの実施形態では、円柱レンズは短焦点距離収束レンズである。ＤＯＥを用いるか円柱レンズを用いるかの決定は、投影パターンのサイズおよび視野、ならびに所望の組立てられたアパーチャサイズに依存することになる。ＤＯＥを用いると設計の柔軟性が高まり、より大きい視野を投影することができる。以下の説明では、具体的に記載していないが、ストライプ画像を発生させるために円柱レンズがＤＯＥに代替できることに留意すべきである。

ストライプまたはフリンジパターンを発生させてそれを領域内に投影する図５および図６の装置の実施形態によって生成されるストライプ画像はやや楕円形状である。これは、ＶＣＳＥＬからの典型的にガウス型のプロファイルビームを引き伸ばした結果である。

図７は、均一のストライプまたはフリンジパターンを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す。線形アレイとして構成された複数のＶＣＳＥＬを用いることによって、より均一のストライプが発生する。ＶＣＳＥＬアレイ７３５は複数の平行ビームを放射し、これがレンズ７３１によってコリメートされてＤＯＥ７３２に誘導される。いくつかの実施形態では、１行の３つ以上のＶＣＳＥＬ発光体を用いて均一のストライプを発生させる。ＤＯＥは複数のストライプを発生させ、これらが重畳されて単一のより均一のストライプ７３６を形成する。このようにして生成された実際のストライプの像７３７を図７に示す。当該ストライプは均一のストライプパターンを示す。

本教示の方法およびシステムのいくつかの実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイを用いて光ビームのアレイを発生させることを記載している。当業者は、ＶＣＳＥＬアレイの代わりに他の面発光アレイ技術も使用できることを認識するであろう。たとえば、いくつかの実施形態ではＲＣ－ＬＥＤアレイが面発光アレイとして用いられてもよい。さまざまな実施形態において、さまざまな公知の面発光アレイ技術が利用され得る。

領域内に投影される光のパターンは面発光アレイによって発生する照明のパターンに依存するため、面発光アレイの発光体の異なるグループを選択的に起動することによって、異なるパターンを領域内に投影することができる。個々の発光体素子または発光体素子のグループは、面発光体駆動装置によって起動される特定のコンタクトに接続され得る。面発光体駆動装置に接続されたコントローラは次に、個々の画素および／または画素のグループを特定の順序で選択的に起動することができる。コントローラによって生成されたこれら一連の空間パターンはコード化パターンと呼ばれる。

三次元撮像またはジェスチャ認識のアプリケーションの中は、対象領域内のいくつかのオブジェクトについての深度情報を取得することができるように複数のストライプのアレイを必要とするものもある。複数のストライプのアレイは、１つの次元における線形の行のＶＣＳＥＬ素子がストライプを発生させ、次に第２の次元における線形の行のアレイが複数のストライプを作成するように、ＤＯＥを有する二次元面発光アレイを用いることによって得られる。線形の行のＶＣＳＥＬ素子を用いてストライプを発生させることは図７に関連して説明した。図８Ａ～図８Ｃは、本教示の二次元ＶＣＳＥＬアレイのさまざまな実施形態を示す。図８Ａは、本教示の４×４の二次元ＶＣＳＥＬアレイ８４０の実施形態を示す。４×４のＶＣＳＥＬアレイ８４０は各素子が個々に接続されて構成されているため、各素子を別個に起動することができる。ＶＣＳＥＬアレイの上部メタライゼーションマスクは、ＶＣＳＥＬ素子のアパーチャ８３８および電気コンタクトリード線８３９を有する。このアドレス指定可能なＶＣＳＥＬアレイ８４０では、各ＶＣＳＥＬ素子は、ＶＣＳＥＬを電気駆動信号によって個々に起動することができるように各自の別個のコンタクトリード線およびパッドを有する。

図８Ｂは、クワッドフラットパックハウジング内に装着されてハウジングリード線に接続された本教示のＶＣＳＥＬアレイの実施形態の写真を示す。図８Ｃは、本教示のＶＣＳＥＬアレイの出力ビームスポットパターンの実施形態の像を示す。この実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイ出力ビームスポットパターンは、すべてのＶＣＳＥＬ素子が起動された状態で示されている。

図９Ａは、複数のストライプのアレイを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す。二次元ＶＣＳＥＬアレイ９４０からの出力ビームがレンズ９３１によってＤＯＥ９３２を介して投影される。１行のＶＣＳＥＬアレイ９４０内の隣接する素子からの光が合体して均一のストライプの光を形成する。ＤＯＥ９３２はストライプ９４１のアレイを領域内に投影する。アレイ内の対応する１行のＶＣＳＥＬ素子を起動することによって、各ストライプを別個に起動することができる。こうして、ＶＣＳＥＬアレイ内の関連の行を起動することによって、異なるパターンのストライプを発生させることができる。図９Ｂは、ベンチトップ実験において図９Ａに示す構成によって発生したストライプのアレイの写真９４２を示す。写真９４２は完全に起動されたストライプパターンを示す。３Ｄ撮像またはジェスチャ認識アプリケーションについては、ＶＣＳＥＬアレイ行の異なるセットを時間の関数として起動することによって、一連の異なる空間的にコード化されたパターンを投影することができる。カメラまたは他の２Ｄセンサが軸外に配置され、当該一連の投影パターンによって照明されるオブジェクトの画像を記録するのに用いられる。結果として生じる歪んだストライプ画像を解析することによって、オブジェクトについての三次元深度情報が与えられる。結果として生じる歪んだストライプ画像を解析することによって、オブジェクトについての三次元深度情報が時間の関数としても与えられ得る。

面発光素子が発生させる光ビーム間には空間があり、当該空間のサイズは典型的に２つまたは３つのビーム直径である。当該空間は、コンタクトリング、メサ周囲、および除去不可能な他の特徴などの発光体設計の周辺部分に必要である。結果として、図９Ａ～図９Ｂに示すストライプは、対応する空間をストライプ間に有する。高解像度３Ｄ撮像およびジェスチャ認識のための最適な投影ストライプパターンはこれらの隙間を有さないが、隣接するストライプ同士が合体してより厚いストライプになるように部分的にオーバーラップするストライプを含む。このように、シーン全体がストライプパターンによってカバーされることになり、隙間内に位置する小さいオブジェクトまたはオブジェクトの一部が撮像および解析において見逃されることがない。

図１０は、合体した複数のストライプのアレイを発生させてそれを領域内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態を示す。合体したストライプパターン１０４３を得るために、面発光素子の正方アレイの代わりに、挿入図１０４４は、垂直方向の列の素子１０４５が水平方向において小さいオフセットを有して位置決めされた面発光アレイのパターンを示す。なお、垂直方向および水平方向の言及は例を明確にするために提供されていることに留意すべきである。当業者は、本教示は何行もの素子が特定の方向においてオフセットしていることに限定されないことを認識するであろう。オフセットは、隣接するＶＣＳＥＬ素子の間隔が垂直方向において減少するように設計される。いくつかの実施形態では、素子位置のオフセットのサイズはビームサイズとほぼ等しいように設計される。オフセットを有する面発光アレイからの出力ビームは、ＤＯＥを介して投影されると、隙間なく並んで撮像されるストライプを形成する。ビームプロファイルは典型的にガウス型であるため、いくつかの実施形態では、オフセットはビームサイズよりも若干小さく調整されて小さいオーバーラップを生成し、隣接する起動されたストライプの強度をより均一にする。図９Ａ～図９Ｂで説明したのと同様に、アレイ内の対応するＶＣＳＥＬ素子を起動することによって各ストライプを別個に起動することができる。こうして、ＶＣＳＥＬアレイ内の関連の素子を起動することによって、異なるパターンのストライプを発生させることができる。このように、完全充填された２値コード化パターンを発生させることができる。

図７に関連して上述したのと同様に、各ストライプに複数の発光体素子を用いることによって、改善されたより均一のストライプを作成することができる。図１１は、複数の均一のストライプを領域内に投影するための本教示の面発光素子レイアウトを示す。図１１に示すレイアウト実施形態は図１０の実施形態と同一のオフセットパターンを用いるが、各ストライプに寄与する複数のＶＣＳＥＬ素子も含み、これによってより均一のストライプが生成される。ＶＣＳＥＬアレイレイアウト１１４５は、３つのインライン素子１１４７、１１４８のセットを有する。３つのインライン素子１１４７、１１４８の各セットが１本のストライプを形成する。３つのインライン素子１１４７、１１４８の各セットは、隣接する素子のセットからほぼビームの直径分だけオフセットしている。図１１は、ＶＣＳＥＬアレイ１１４５に重畳された、対応する投影ストライプパターン１１４６も示す。図１１に示す投影ストライプパターン１１４６は、ＶＣＳＥＬアレイ１１４５とのオーバーラップを示すことができるようにサイズを縮小している。３つのインライン素子セット１１４７は均一の投影ストライプ１１４９を発生させることになる。隣接する３つの素子１１４８は、この場合は起動されておらず、点灯ストライプ１１４９に隣接した非点灯ストライプ１１５０を生成することになる。同じように、図１０に関連して説明したように、ＶＣＳＥＬアレイ内の素子の関連するセットを起動することによって、異なるパターンのストライプを発生させることができ、完全充填された２値コード化パターンを生成することができる。さまざまな実施形態において、さまざまな数の面発光素子がさまざまなセットに含まれている。これは、３つよりも少ない素子および３つよりも多い素子を備えるセットを含む。これは、異なる数の素子を備える異なるセットも含む。

本教示の１つの特徴は、比較的大きい面発光アレイ、特に、コード化パターンプロジェクタ装置内のその後の光学素子よりも大きい面発光アレイ使用できることである。ＶＣＳＥＬアレイは、１０ｍｍ平方の大きさで、またはさらにはそれよりも大きく製作することができる。多くの場合、ＶＣＳＥＬアレイは、投影レンズおよびストライプパターンを形成するのに用いられるＤＯＥよりも大きくなる。結果として、ＶＣＳＥＬアレイの周辺近くの放射ビームはレンズおよびＤＯＥアパーチャから外れて、投影パターンの輝度または形状に寄与しない可能性がある。この問題には、ＶＣＳＥＬアレイとＤＯＥとの間に位置決めされた光学素子を用いて対処することができる。図１２は、マイクロ光学プリズムアレイを含む本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の実施形態を示す。マイクロ光学プリズムアレイ１２５２がＶＣＳＥＬアレイ１２５１の前に配置されており、通常は矢印１２１９によって示す方向に放射される出力ビームを実線矢印によって示すように軸に向けて曲げる。このように、ビームは投影レンズ１２３１のアパーチャを通過する。挿入図１２５０はマイクロ光学プリズムアレイ１２５２の形態の実施形態の詳細を示しており、ここではＶＣＳＥＬアレイ１２５１の各発光体１２００に提示される各マイクロ光学プリズムアレイ１２５２素子の表面角度が異なる。具体的には、各発光体１２００に提示される各マイクロ光学プリズム素子の表面角度は、中心に近いビーム１２５３がわずかに曲がり、周辺のビーム１２５３が最も大きく曲がるように、マイクロ光学プリズムアレイ１２５２の中心から離れるにつれてマイクロプリズムについて比例的に増加する。いくつかの実施形態では、表面角度は、レンズ１２３１のアパーチャを通ってビームが均一に分布するように選択される。こうして、マイクロ光学プリズムアレイ１２５２は、ＶＣＳＥＬ出力ビームがコード化パターンプロジェクタ装置の投影レンズまたは他の光学素子のより小さいアパーチャを通って伝播するようにＶＣＳＥＬ出力ビームを曲げる役割を果たす。ＤＯＥ１２３２は大型ＶＣＳＥＬアレイ１２５１から大型ストライプパターン１２４１を発生させ、これが投影レンズ１２３１によって投影される。

ＶＣＳＥＬビームのコンパクトなアレイがマイクロ光学プリズムアレイ１２５２から現れ、レンズ１２３１を通って、次にＤＯＥ１２３２を通って伝播する。ＤＯＥ１２３２はビームを回折させて領域内にストライプパターン１２４１を形成する。ＤＯＥ１２３２が有する構造は、ＶＣＳＥＬビームのコンパクトなアレイおよび当該ビームの特定の伝播角度を回折させるように設計され、各発光体１２００に提示される各マイクロ光学プリズム１２５２素子の発光体位置および表面角度に基づく。

いくつかの実施形態では、コード化パターン内のストライプの数を増加させて、第１のＤＯＥとは異なる構造を有し得る第２のＤＯＥを用いて投影パターンの視野を拡大する。第２のＤＯＥの構造は、ストライプパターン全体を増加させてそれらの複製を互いに並べて位置決めするように設計される。図１３は、本教示の２つのＤＯＥを含むコード化パターンプロジェクタ装置を示す。第２のＤＯＥ１３５４が第１のＤＯＥ１３３２の後に配置される。第１のＤＯＥの構造は、本来のストライプパターンを発生させるように設計される。第２のＤＯＥの構造は、本来のストライプパターンを角度１３５５で回折させるように設計され、角度１３５５によって本来のストライプパターンの複数の複製１３５６が領域内に互いに隣接して配置される。このように、本来のストライプパターンの複数のコピーが投影されて大型ストライプパターンが形成される。いくつかの実施形態では、大型ストライプパターンは複数の隣接した本来のストライプパターンを含み、本来のストライプパターンは、ＶＣＳＥＬアレイ１３４４の特定のアレイパターンおよび第１のＤＯＥ１３２２の構造に起因する。ゆえに、第２のＤＯＥはストライプアレイの複数のコピーを作成し、隣接する起動されたＶＣＳＥＬ素子についての照明に隙間がないように、隣接するコピーの外側ストライプのエッジ同士をオーバーラップするように整列させる。

いくつかの実施形態では、付加的なＤＯＥをさらに用いて完全充填されたストライプパターンを生成することもできる。図１４は、２つのＤＯＥを含む本教示のコード化パターンプロジェクタ装置を示す。図１４の実施形態では、挿入図１４４０に示すＶＣＳＥＬ素子の規則的なアレイパターンが用いられる。この実施形態では、ＶＣＳＥＬ素子のオフセットがない。規則的なアレイパターン化ＶＣＳＥＬアレイの発光体からの光はレンズ１４３１および第１のＤＯＥ１４３２を通過して本来のストライプパターンを発生させる。本来のストライプパターン内のストライプを互いに隣接して配置するために、倍率器ＤＯＥ１４５４が、各々が小さい回折角１４５７を有する本来のストライプパターンを複製するように設計される。回折角１４５７は、本来のストライプパターンのストライプ幅発散角とほぼ同一であるように設定される。この回折角は、本来のストライプパターン１４５８、１４５９を交互配置して、本来のストライプパターンの交互のストライプを隣り合ったストライプパターンの隙間に配置する。

図１４は、図面を明確にするために２つの本来のストライプパターン１４５８、１４５９を作成する回折のみを示している。いくつかの実施形態では、より多くの交互配置された本来のストライプパターンがストライプ間の隙間を完全に充填する。いくつかの実施形態では、３つの交互配置された本来のストライプパターンが完全充填されたストライプパターンを発生させる。これらの実施形態では、３つの交互配置された本来のストライプパターンは、適切な回折角１４５７を用いることによって隙間を完全に充填する。一般的に、図１４の実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイからの出力光が第１のＤＯＥ１４３２を通って伝播してストライプアレイを形成し、第２のＤＯＥ１４５４は、交互のコピーからの隣接するストライプ同士がオーバーラップし、隣接する起動されたＶＣＳＥＬ素子についての照明に隙間がないように、ストライプアレイコピーを交互配置する。図１４は、表示を明確にするために、水平方向に変位した本来のストライプパターンを示している。いくつかの実施形態では、本来のストライプパターンは水平方向に変位していない。

本教示の１つの特徴は、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の１つ以上のＤＯＥの後のビーム経路内の付加的な光学素子を用いることである。付加的な光学素子は、投影パターンを領域内の異なるフィールド条件に適合させる役割を果たす。図１５は、フライアイ発散レンズ１５５９を含む本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す。ＶＣＳＥＬアレイ１５４４の素子からの光がレンズ１５３１に入射した後、ＤＯＥ１５３２に移動して本来のストライプパターンを発生させる。いくつかの実施形態では、ＤＯＥ１５３２は１つ以上のＤＯＥである。いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは１つ以上の円柱レンズに置換される。本来のストライプパターンはフライアイ発散レンズ１５５９に入射し、これはストライプパターン１５６１の画角１５６０を拡大するのに用いられる。フライアイ発散レンズを含む本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態は、クローズアップ三次元撮像アプリケーションに適している。収束レンズ、発散レンズ、およびプリズムなどの他の種類の付加的な光学部品を用いてコード化された構造化パターンをアプリケーション視野と一致させることができることが当業者に明らかになるであろう。

図１６は、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態の実験ベンチトップセットアップの写真である。図１６は、３７発光体ＶＣＳＥＬアレイ１６４０と、コリメート／投影レンズ１６３１と、ＤＯＥ構成要素１６３２とを示す。

図１７は、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置のＶＣＳＥＬアレイの実施形態のマスクＣＡＤ図面を示す。当該マスクＣＡＤ図面は、個々のＶＣＳＥＬ素子１７３８のレイアウトを示す３７発光体ＶＣＳＥＬアレイ１７４０を示す。３７個のＶＣＳＥＬ素子１７３８が六角形アレイ内に配置されている。

図１６および図１７の双方を参照して、ＶＣＳＥＬアレイ１６４０、１７４０がレンズ１６３１およびＤＯＥ１６３２とともにセットアップされると、ストライプのアレイが発生する。図１８は、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態の発生したストライプのアレイ１８４０を示す。発生したストライプのアレイ１８４０は本来のストライプパターンとも呼ばれ得る。図１８は、相対的な方位を示すために、本来のストライプパターン１８４０に重ね合わせられたＶＣＳＥＬアレイ放射パターン１８３８も示している。本来のストライプパターン１８４０のストライプ１８３６は、各ストライプに複数のＶＣＳＥＬ素子を用いるため、かなり均一である。本来のストライプパターン１８４０のストライプ１８３６の間には、ＶＣＳＥＬ素子間の空間に対応する空間が存在する。

本教示の１つの特徴は、ＶＣＳＥＬアレイの方位をＤＯＥに対して変更して、ストライプを生成するＶＣＳＥＬ素子をＶＣＳＥＬ素子間の空間または隙間に置くことによって、完全充填されたストライプパターンが得られることである。図１９は、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態によって発生した完全充填されたストライプパターンの写真を示す。図１９は、相対的な方位を示すために、完全充填されたストライプパターン１９４３に重ね合わせられたＶＣＳＥＬアレイ放射パターン１９４４も示している。この実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイ放射パターン１９４４はＤＯＥに対して回転しており、ＶＣＳＥＬ素子行間の隙間に３本のストライプを発生させて、隙間のない完全充填されたストライプパターン１９４３を発生させる。図１９は、ＶＣＳＥＬアレイおよびＤＯＥの配列を変更して互いにオーバーラップするストライプを作成する効果を示す。図１９は、投影されたコード化パターンのストライプ間の隙間を示していない。

本教示の１つの特徴は、ストライプパターンを拡大してより大きい視野を充填できることである。この特徴は、第２の倍率器ＤＯＥを含む図１３の実施形態の説明に関連して初めに上記で説明した。図２０は、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の実施形態によって発生した広視野ストライプパターンの写真を示す。図２０は、相対的な方位を示すために、広視野ストライプパターンに重ね合わせられたＶＣＳＥＬアレイ放射パターン２０４０も示している。ＶＣＳＥＬアレイ放射パターン２０４０ビームは第１のＤＯＥを通って伝播して本来のストライプパターン２０３６を形成する。ビームは次に第２の倍率器ＤＯＥを介して誘導されて、ストライプパターンの複製２０５６を形成する。このように、ストライプ方向に垂直な水平方向における幅広い照明視野が得られる。図２０に示す実施形態では、複製間に大きい間隔がある。当業者に明らかになるように、この複製間隔は、第２の倍率器ＤＯＥの設計構造を変更することによって調整またはさらには除去することができる。いくつかの実施形態では、第２の倍率器ＤＯＥは大きい角度でコピーを投影し、いくつかの実施形態では、第２の倍率器ＤＯＥは小さい角度でコピーを投影する。投影角度はＤＯＥ構造を変えることによって変わる。

本教示の１つの特徴は、本教示を用いてパターン形状を一次元コード化ストライプパターンから二次元コード化パターンに拡大できることである。これらの実施形態では、パターン素子は一次元ストライプではなく、二次元配列のスポットまたは形状となる。同一の概念を適用すると、プロジェクタは本明細書に記載のコード化された一連のストライプパターンと同様に、コード化された一連の二次元構造化パターンの視野を生成することができる。

ＶＣＳＥＬアレイは、１０ｍｍ平方の大きさで、またはさらにはそれよりも大きく製作することができる。多くの場合、ＶＣＳＥＬアレイは、投影レンズよりも大きく、かつコード構造化パターンを形成するのに用いられるＤＯＥよりも大きくなる。結果として、ＶＣＳＥＬアレイの周辺近くの放射ビームはレンズおよびＤＯＥアパーチャから外れる可能性がある。図２１Ａは、本教示のマイクロ光学プリズムアレイ２１５２を含むコード化パターンプロジェクタ装置および方法の実施形態を示す。図２１ＡはＶＣＳＥＬビームの曲げを示す側面図である。マイクロ光学プリズムアレイ２１５２がＶＣＳＥＬアレイ２１５１の前に配置されており、通常は矢印２１１９によって示す方向に放射される出力ビームを、投影レンズ２１３１のアパーチャを通過するように、実線矢印によって示すように軸に向けて曲げる。

図２１Ｂは、ＶＣＳＥＬアレイの中心を通る軸に向かってＶＣＳＥＬビームを曲げるマイクロ光学プリズムの断面を示す３つのＶＣＳＥＬ素子のクローズアップ図である。図２１Ｂはマイクロプリズムアレイ２１５２の形態の実施形態の詳細を示しており、ここではＶＣＳＥＬアレイ２１５１の各発光体２１００に提示される各マイクロ光学プリズム素子の表面角度が異なる。各発光体２１００に提示される各マイクロ光学プリズム素子の表面角度は、中心に近いビーム２１５３がわずかに曲がり、周辺のビーム２１５３が最も大きく曲がることによって、ビームがレンズアパーチャを通って均一に分布されるように、マイクロ光学プリズムアレイ２１５２の中心から離れるにつれてマイクロプリズムについて比例的に増加する。

図２１Ｃは、アレイ内の１つのＶＣＳＥＬデバイスに対する１つのマイクロ光学プリズム素子の位置および形状を示す上面図を示す。図２１Ｃは、本教示のコード化パターンプロジェクタ装置のＶＣＳＥＬアレイ素子２１００に対する各マイクロ光学プリズムアレイ素子の位置を示す。プリズムアパーチャ２１７１はＶＣＳＥＬ素子２１００および当該ＶＣＳＥＬ素子が放射するビームと整列しており、次にプリズム素子間に中間構造２１７０が存在する。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置の１つの特徴は、コード化された二次元構造化パターンを提供できることである。図２２は、コード化された二次元構造化パターンを投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す。ＶＣＳＥＬアレイは規則的なアレイパターンまたは不規則なアレイパターンであり得る。ＶＣＳＥＬ素子は構造化されたスポットのパターンを形成するように配置される。さまざまな実施形態において、これらのスポットは円形またはその他の形状であり得る。スポットの形状は、個々のＶＣＳＥＬ素子のアパーチャ形状によって規定される。投影レンズ２２３１がＶＣＳＥＬアレイの画像を投影して、構造化照明パターン２２７３を形成する。ＶＣＳＥＬアレイ２２５１はすべての素子を共に起動することができ、または個々の素子もしくは素子のグループが別個に起動されるアドレス指定可能なアレイであり得る。別個の素子または素子のグループを順に起動することによって、一連の異なるコード化された構造化パターン２２７３が発生する。

マイクロ光学プリズムアレイを有する大型ＶＣＳＥＬアレイを使用すると、非常に多くのスポットを有する大型構造化パターン２２７３が生成される。異なるＶＣＳＥＬ素子を順に起動すると、複雑な三次元撮像および深度検知アプリケーションに好適な多くの異なるコード化パターンが生成される。マイクロ光学プリズムアレイ２２５２はＶＣＳＥＬアレイとは別個に装着することができ、または図２２に示すように、より凹凸のある構造については低指数透明接着剤２２７２を用いてＶＣＳＥＬアレイに直接接着することができる。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の１つの特徴は、大型構造化パターンを投影することである。図２３は、大型構造化パターンを投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す。図２３は、二次元ＶＣＳＥＬアレイ出力を二次元で増加させるＤＯＥを用いた、スポットの大型二次元アレイの形成を示す。挿入図２３４０内に示すパターンを有する面発光アレイからのビームがレンズ２３３１によって投影され、当該ビームはＤＯＥ２３６２において誘導される。ＤＯＥ２３６２は、二次元でＶＣＳＥＬビームアレイの隣接する複数の複製を作成して大型二次元構造化パターン２３６３を実現する。複製は、パターンがスポットまたは形状の均一の大型アレイであるように、互いに近くに、しかしオーバーラップしないように配置される。面発光アレイ２３４０は、面発光アレイ２３４０内の関連の面発光素子を起動することによって異なるビームパターンを作成できるように、完全にアドレス指定可能である。こうして、コード化された一連のアレイパターンを領域内に投影して大きい視野に複製することができる。いくつかの実施形態では、この一連の異なるコード化パターンが投影され得、軸外に配置されたカメラまたは他の２Ｄセンサを用いて、これらの投影パターンによって照明されるオブジェクトの画像が記録される。これらの実施形態は、３Ｄ撮像またはジェスチャ認識アプリケーションを含むアプリケーションに用いられ得る。歪んだスポット画像を解析することによって、３Ｄ撮像またはジェスチャ認識アプリケーションのオブジェクトについての三次元深度情報が与えられる。

図２４は、本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態によって投影された大型二次元構造化パターンの写真を示す。図２４の写真は、図２３に関連して説明した構成の実施形態を示す。この大型二次元投影パターンは、均一の間隔を有するスポットの大型アレイである。非回折画像からのスポットの位置は、当該スポットを増加した画像に関連付けることができるように写真内に識別される。本来のＶＣＳＥＬアレイスポットパターン２４４０は、すべてのＶＣＳＥＬ素子が起動された状態で中心に示されている。スポットパターンのＤＯＥ投影複製２４６３は二次元において本来のＶＣＳＥＬアレイスポットパターン２４４０を囲んでいる。複製は、パターンがスポットまたは形状の均一の大型アレイであるように、互いに近くに、しかしオーバーラップしないように配置される。図２４に示す写真は、完全な視野をカバーするスポットの連続的な、かつ均一に離間したアレイを実証している。ＶＣＳＥＬアレイ内のＶＣＳＥＬ素子の異なるセットを起動することによって、コード化された一連の異なるパターン構造を投影することができる。これらのパターン構造は、ＶＣＳＥＬアレイ内のＶＣＳＥＬ素子の異なるセットを特定の時系列で起動することによって、時間の関数としてコード化することもできる。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の１つの特徴は、完全充填されたコード化二次元パターン構造を投影できることである。図２５は、完全充填されたコード化二次元パターン構造を投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す。具体的には、図２５は、投影されたＶＣＳＥＬアレイ画像を二次元ＤＯＥ倍率器を用いて交互配置して、密集したスポットのアレイを発生させることができる方法を示す。隣接するスポット同士は、すべてのＶＣＳＥＬ素子が起動されるとそれらが合体してより大きいスポット画像になるように、オーバーラップするよう配置される。この実施形態では、ＤＯＥ２５６４は、面発光ビームアレイ２５４０から現れる放射ビームのパターンをわずかにオフセットさせる構造を含む。オフセット距離はほぼ発光素子ビーム直径である。放射ビームのパターンからのＤＯＥの構造のオフセットはさまざまな方向に起こる。このように、オーバーラップするビームスポットは投影画像２５６５を完全に充填する。図２５は、投影画像２５６５を本質的に完全に充填するのに十分な４つのオーバーラップする複製を示す。完全充填された投影画像２５６５のダイアグラムは、完全な視野をカバーするスポットの複数のオーバーラップするアレイを生成することによって起動されるすべての面発光素子を示す。アレイ内の面発光素子の異なるセットを起動することによって、コード化された一連の異なるパターン構造を投影することができる。

ビームスポットのオーバーラップは任意の所望の量であり得、ほぼ発光素子ビーム直径であることに限定されないことが当業者によって認識され得る。ビームスポットのオーバーラップは、複数のビーム直径または非整数のアレイピッチでもよい。いくつかの実施形態では、１つの次元においてアレイピッチの３．３倍、および第２の次元においてアレイピッチの４．７倍のオーバーラップが用いられる。

本教示の１つの特徴は、コード化された構造化パターンの複数の複製を大型ＶＣＳＥＬアレイから投影できることである。図２６は、大型ＶＣＳＥＬアレイからパターンの複数の複製を投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す。図２６は、図２２に示す実施形態へのＤＯＥの追加を説明している。図２６は、大型の非常に密集したスポットのアレイを発生させる実施形態を示す。図２６の実施形態では、大型ＶＣＳＥＬアレイ２６５１からの出力ビームが、マイクロ光学プリズムアレイ２６５２を用いて投影レンズ２６３１を通って収束する。ＤＯＥ２６６４がレンズ２６３１の後に位置しており、ＶＣＳＥＬ構造化パターンの複数の複製を作成して、単一の投影された構造化パターン２６７４を作成する。いくつかの実施形態では、複数の複製が互いに隣接して配置されて大型パターンを形成し得る。いくつかの実施形態では、複製を交互配置してパターン密度を増加させ、単一の投影された構造化パターン空間を複製されたパターンスポットで完全に充填することができる。

本教示の１つの特徴は、二次元投影についての一連のコード化された構造化パターンを発生可能なことである。図２７Ａ～図２７Ｄは、ＶＣＳＥＬアレイと、オーバーラップ画像から構造パターンを作成する二次元ＤＯＥ倍率器とを用いてコード化構造パターンを作成する例を示す。図２７Ａは、本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態のＶＣＳＥＬ素子のパターンを示す。図２７Ｂは、図２７ＡのＶＣＳＥＬ素子のパターンからのビームをＤＯＥに通過させることによって生じる構造化パターンを示す。図２７Ａは、８個の発光素子を含むＶＣＳＥＬアレイパターン２７６６を示す。この場合、ＶＣＳＥＬアレイは規則的なアレイではなく、発光素子２７６７の位置は構造化された不規則なアレイレイアウトパターンである。図２７Ａの面発光アレイレイアウトパターンは、すべての素子が起動されており、ＤＯＥを介して投影され、当該ＤＯＥは、アレイサイズの１／４のサイズであるオフセットを有する４つの複製を発生させる。これによって、図２７ＡのＶＣＳＥＬアレイチップ２７６６の４つの象限のオーバーラップである、図２７Ｂに示す中心パターン２７６８が得られる。各ＶＣＳＥＬ素子スポットには、オーバーラップしているスポットの位置を識別できるように、明確にするために番号を付けている。たとえば、図２７Ａの１～８とラベル付けされたアレイ素子は、同一の番号の構造化パターン内のスポットに対応する。すなわち、図２７Ａの「１」とラベル付けされた素子からの光は、ＤＯＥによって投影されると図２７Ｂに示すように「１」とラベル付けされた複数のスポットとして現れる。発光体スポットのいくつかはオーバーラップして、隙間のないより大きいスポットを発生させる。なお、理解を明確にするために、図２７Ａ～図２７Ｂに示す図示には限られた数の面発光素子のみが用いられていることに留意すべきである。適切に離間した多数の発光素子を用いることによって投影パターンの完全なカバー範囲を得ることができることが当業者に明らかになるであろう。

図２７Ｃは、本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態のＶＣＳＥＬ素子のパターンを示す。図２７Ｄは、図２７ＣのＶＣＳＥＬ素子のパターンからのビームを本教示のＤＯＥに通過させることによって生じる構造化パターンを示す。図２７Ｃは、面発光素子の半分が白丸によって示されるように起動されていないことを示す。図２７Ｄは結果として生じる重ね合わせられた構造化パターンを示しており、これは図２７Ｂに示す構造とは異なる構造を有する。面発光素子の異なるセットを順に起動することによって多くの異なるパターンコードを発生可能であることが当業者に明らかになるであろう。こうして、一連の異なるコード化パターンが投影され得、軸外に配置されたカメラまたは他の２Ｄセンサを用いて、これらの投影パターンによって照明されるオブジェクトの画像が記録される。本教示のこの実施形態は、３Ｄ撮像またはジェスチャ認識アプリケーションに用いられ得る。歪んだスポット画像を解析することによって、３Ｄ撮像またはジェスチャ認識アプリケーションのオブジェクトについての三次元深度情報が与えられる。

図２７Ａ～図２７Ｄに示す実施形態では、面発光アレイチップサイズの１／４のオーバーラップが用いられている。さまざまな実施形態において、さまざまな他のオーバーラップ比率を用いて異なる複雑度の異なるパターン構造を得ることができる。さらに、いくつかの実施形態では、ＤＯＥは複数の複製を作成するように設計され得、当該複製がオーバーラップパターン２７６６の複数のコピーを発生させる。５つ以上の複製を作成するように設計されたＤＯＥを含む実施形態もある。このオーバーラップおよび複製の数は例である。多くの他の組合せが可能であり、当業者に明らかになるであろう。

本教示のコード化パターンプロジェクタ装置および方法の１つの特徴は、複数の完全充填されたコード化二次元パターン構造を領域内の広範囲内に投影できることである。図２８は、複数の完全充填されたコード化二次元パターン構造を広範囲内に投影する本教示のコード化パターンプロジェクタの実施形態を示す。図２８は、第２の倍率器ＤＯＥを用いて、図２５に示す交互配置されたアレイの画像フィールドを増加させることを示す。複製されたパターンは、すべての面発光体が起動されると全部の投影パターンが完全充填されるように、互いに接合される。第１のＤＯＥ２８６４が、完全充填されたコード化二次元パターンを発生させる。第２の倍率器ＤＯＥ２８７５が第１のＤＯＥ２８６２の後に配置されて、完全充填されたコード化二次元パターンの隣接する複製２８６９を投影する。これらの隣接する複製２８６９は、第２の倍率器ＤＯＥ２８７５構造の適切な設計によってわずかにオーバーラップして、完全に充填された拡大構造化パターンを生成するように配置され得る。

先の節で述べた説明から、本教示の原理は広範な順次コード化されたパターン、一次元ストライプパターンおよび二次元スポットパターンの両方を構築するように適用され得ることが認識され得る。面発光アレイをマイクロレンズアレイまたはマイクロプリズムアレイと結合することもでき、これによって面発光体ビームをコリメーション、投影および集光する際の柔軟性を高めることができる。

レンズおよびＤＯＥを有する面発光アレイによって、それらが広範な電子モジュール組立工程と非常に互換性を持つようになり、それらは、面実装モジュール発光アレイとともに、センサおよびＩＣデバイスを有するモジュール組立てられ得る。設計のモジュール的な局面および面実装局面は、モジュールを大量生産することによって製造コストを削減するのに特に魅力的である。面発光アレイは異なる材料を用いて構築可能であるため、異なる波長発光デバイス同士をモジュール的に互いに組合せて多波長モジュールを作成してもよい。ここに開示した原理のこれらおよび他の利点が当業者に明らかになるであろう。

いくつかの特定の実施形態を参照して本教示の大まかな枠組みを説明しているが、特定の面発光構造化照明アプリケーションに応じて、本明細書に記載の素子の組合せおよび下位の組合せを適用することによって他の実施形態を構成してもよい。当業者に明らかになるであろうさまざまな実施形態の変形および変更は本発明の範囲内にあり、添付の請求項に含まれている。

均等物
出願人の教示をさまざまな実施形態に関連して説明しているが、出願人の教示がそのような実施形態に限定されることを意図していない。反対に、出願人の教示は当業者によって認識されるように、さまざまな代案、変更および均等物を含み、これらは教示の精神および範囲から逸脱することなく本明細書においてなされ得る。

Claims (5)

1. コード化パターンプロジェクタ装置であって、
   ａ） 複数の発光体を含む発光体の面発光アレイを備え、前記複数の発光体の各々は、前記複数の発光体の各々の各自の電気入力に印加される電気駆動信号に応答して複数の光ビームの１本を発生させ、前記コード化パターンプロジェクタ装置はさらに、
   ｂ） 前記発光体の面発光アレイによって発生する前記複数の光ビームの光路内に位置決めされる単一の第１の光学素子を備え、前記第１の光学素子は、前記発光体の面発光アレイによって発生する前記複数の光ビームの各々を投影し、前記コード化パターンプロジェクタ装置はさらに、
   ｃ） 前記複数の光ビームの前記光路内に位置決めされる単一の第２の光学素子を備え、前記第２の光学素子は、前記複数の光ビームが少なくとも１つのストライプパターンを形成するように、第１の次元において前記複数の光ビームをコリメートし、第２の次元において前記複数の光ビームを発散させ、前記コード化パターンプロジェクタ装置はさらに、
   ｄ） 隣接する投影ストライプパターンが部分的に重なり合い、前記隣接する投影ストライプパターンをより大きなストライプパターンに合体させるように、前記少なくとも１つのストライプパターンの各々を複製し、複製した各ストライプパターンを対応する角度で投影する第３の光学素子をさらに備え、
   ｅ）複数の電気出力を有するコントローラを備え、前記複数の電気出力の各々は前記複数の発光体の各々の各自の電気入力に接続され、前記コントローラは、所望のコード化ストライプパターンを生成する所望の電気駆動信号を発生させるよう動作可能である、コード化パターンプロジェクタ装置。
2. 前記第２の光学素子は、前記複数の光ビームの前記光路内の前記第１の光学素子の後に位置決めされる、請求項１に記載のコード化パターンプロジェクタ装置。
3. 前記第１の光学素子は、前記複数の光ビームの前記光路内の前記第２の光学素子の後に位置決めされる、請求項１に記載のコード化パターンプロジェクタ装置。
4. 前記複数の発光体の少なくとも３つは、前記少なくとも１つのストライプパターンの少なくとも１つが均一のストライプパターンを含むように、前記発光体の面発光アレイの１行を形成するように位置決めされる、請求項１に記載のコード化パターンプロジェクタ装置。
5. 前記発光体の面発光アレイと前記第１の光学素子との間に位置決めされるマイクロプリズムアレイをさらに備え、前記マイクロプリズムアレイは、各々が前記複数の発光体のうちの各自の発光体と整列している複数のマイクロ光学プリズム素子を含み、前記マイクロプリズムアレイは、前記複数の光ビームが前記第１の光学素子のアパーチャを通って伝播するように前記複数の光ビームを曲げる、請求項１に記載のコード化パターンプロジェクタ装置。

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