TW201908814A

TW201908814A - 產生結構光

Info

Publication number: TW201908814A
Application number: TW107124833A
Authority: TW
Inventors: 馬克斯羅絲; 迪米翠巴金
Original assignee: 新加坡商海特根微光學公司
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2019-03-01
Also published as: US20200225501A1; WO2019016596A1; US10928642B2; CN111065886B; EP3655721B1; TWI752247B; EP3655721A1; CN111065886A

Abstract

結構光投影系統包含一發光裝置陣列，該發光裝置陣列經結構設計以發射一光圖案。一投影透鏡經結構設計以接收來自該陣列之該光圖案並將其投影至一第一光學元件。該第一光學元件更改該光圖案，以產生不規則之一第一經發射光圖案。該第一經發射光圖案被傳輸至一第二光學元件，該第二光學元件經結構設計以接收該第一光圖案並沿著一第二經發射圖案再現該第一經發射圖案，該第二經發射圖案包括以一磁磚狀(tiled)圖案配置之該第一經發射圖案之多個例項。

Description

產生結構光

本發明大致係關於光投影系統，及用於產生結構光圖案之方法及設備。

光投影系統用於各種應用中，以將一光圖案投射於一表面上。例如，已知光投影系統可用於判定物件之三維(3D)形狀。在用於3D形狀量測或3D映射之已知方法中，一結構光圖案經首先投影至物件表面上。記錄由物件高度分佈相位調變之條紋圖案之一影像，且接著用於計算相位調變，將一演算法應用至相位調變，以獲得與物件高度變化成比例之一相位分佈。最終，自相位分佈，構造真實世界座標。通常，有利的是，由於相位調變之後續計算及相位分佈之判定，在用於3D形狀量測之一方法中使用一結構光圖案，該結構光圖案係一不規則圖案。

用於3D形狀量測中之先前光投影系統包括發光元件及將經發射光圖案投影至一表面上之一構件，該等發光元件可為發光二極體(LED)或垂直腔面發射雷射(VCSEL)二極體。光投影系統可使用一投影透鏡或額外光學元件，以將經發射光圖案投影至一表面上，或更改且接著將經發射光圖案投影至一表面上。此等光學元件可為一繞射光學元件(DOE)。DOE經結構設計以繞射一入射光束或光圖案，以用一預定方式產生一輸出圖案。通過使用DOE，一入射光束或光圖案可經準直，或經塑形成一不同強度圖案且使用比入射光束或光圖案更低之一輸出能量。

如上文所提及，一不規則光圖案在用於3D形狀量測之一方法中提供優點。然而，製造經結構設計以產生一不規則光圖案之一光陣列係昂貴的。本發明提供一種結構光系統，該結構光系統不需要一不規則發光裝置陣列，而是依賴於一光學元件以產生自發射一規則圖案之一發光裝置陣列產生一不規則經發射光圖案。

使用一光學元件以達成一不規則光圖案，不僅避免與製造一不規則發光裝置陣列相關聯之成本，而且展示用於產生一不規則光圖案之其他替代解決方案之優點。例如，可使用經結構設計以產生一規則光圖案之一光陣列並選擇性地選擇陣列中之哪個發光裝置打開或關閉，以便產生一不規則光圖案；然而，此替代方案將不有利地增加由結構光系統消耗之功率。

本發明之結構光投影系統可包含一發光裝置陣列，此可經結構設計以發射一光圖案。該光圖案係由一第一光學元件接收，該第一光學元件經結構設計以更改該光圖案，以產生不規則之一第一經發射光圖案。接著，該第一經發射光圖案可經傳輸至一第二光學元件，該第二光學元件經結構設計以接收該第一光圖案並沿著一第二經發射圖案再現該第一經發射圖案，該第二經發射圖案包括以一磁磚狀圖案配置之該第一經發射圖案之多個例項。

產生一結構光圖案之方法包括自一發光裝置陣列發射一光圖案，使用一第一光學元件來更改該圖案以產生一第一經發射光圖案，並沿著一第二經發射圖案再現該第一經發射光圖案。

所描述之系統及方法之實施例可包含以下特徵之一或多者。除非另有說明，否則在下文描述之系統及方法中可以彼此之任何組合包含或實施任何各種特徵。

該等系統及方法可進一步包括一投影透鏡系統，該投影透鏡系統經結構設計以接收自該發光裝置陣列發射之光並將該光投影至該第一光學元件。

在一些實施例中，該發光裝置陣列包括發光裝置之一柵格。例如，該柵格可包括發光裝置之一12乘9柵格。

在一些實施例中，該等發光裝置包括VCSEL。

在一些實施例中，自該等發光裝置發射之該光圖案包括一均勻分佈圖案，該第一經發射圖案包括一不規則圖案，且該第二經發射圖案包括該不規則圖案之一均勻分佈。

在一些實施例中，由該等發光裝置發射之該光圖案包括發光裝置之個別叢集之一柵格，該等發光裝置之該等個別叢集包括以一非均勻圖案配置之發光裝置。例如，發光裝置之鄰近叢集可包括以一共同非均勻圖案配置之發光裝置。例如，發光裝置之鄰近叢集可包含以不同非均勻圖案配置之發光裝置。在一些情況中，以不同非均勻圖案之一序列配置發光裝置之該等鄰近叢集，該序列經再現或重複至少一次。

在一些實施例中，該磁磚狀圖案包括至少部分彼此重疊之該等第一經發射圖案之鄰近例項。在一些情況中，重疊圖案包含經安置於一第二圖案例項之多個元件之間之一第一圖案例項之至少一個元件。在一些實施例中，儘管鄰近例項至少部分彼此重疊，但個別例項之至少一些部分(諸如包含一中心區域、一主要部分或一中心區域之一主要部分)可不被一鄰近例項阻塞。即，在一些情況中，鄰近例項(例如，圖塊)可部分地彼此重疊，但由周圍圖塊保持實質上不同或不變。在一些實施例中，重疊例項或圖塊可各自為至少約20%(例如，至少約30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%)非重疊，其中圖塊之該等非重疊部分代表提供至該第二光學元件之該光圖案(例如，該第一圖案)。如圖2中所描繪，交錯圖塊可包含一中心非重疊部分及一外部重疊部分(例如，一重疊邊界)，該外部重疊部分與一鄰近圖塊之一外部重疊部分重疊。

在一些實施例中，該磁磚狀圖案包括彼此分離之該第一經發射圖案之鄰近例項。

在一些實施例中，該磁磚狀圖案包括以一系列行及列配置之該第一經發射圖案之一配置。在一些實例中，該配置包括一3乘3矩陣。在一些實例中，該配置包括一2乘2矩陣。

本申請案主張2017年7月18日申請之美國臨時專利申請案第62/533,992號之權利及優先權，該案係由本申請案之受讓人擁有且該案之全文以引用的方式併入本文中。

圖1繪示根據上述一些實施例之一結構光投影系統之一實例。在例示性系統中，一發光裝置陣列100 發射一光圖案。在一些實施例中，光陣列100 包括一組三個、12乘9柵格之VSCEL或總共324個VCSEL。在其他實施例中，光陣列之節距可為40微米(μm)，且可能減少至低至20 μm。在又其他實施例中，光陣列可呈一交錯佈局。

具有一投影透鏡120 之一投影透鏡系統110 經結構設計以接收自發光裝置陣列發射之光並將光投影至一第一光學元件130 。第一光學元件130 更改由光陣列100 發射之光圖案，以產生一第一經發射光圖案。在此更改中，第一光學元件130 將光陣列100 中之各發光裝置分成一給定數目之不規則編碼點位置。第一經發射光圖案係由第二光學元件140 接收，該第二光學元件140 經結構設計以沿著一第二經發射圖案再現第一經發射圖案。第二圖案包括以一磁磚狀圖案配置之第一經發射圖案之多個例項，此可形成一不規則經投影點圖案150 。由第二光學元件140 產生之不規則經投影點圖案150 涵蓋整個照明場。

通常，當磁磚狀圖案包括一2乘2矩陣時，第一光學元件130 將各發光裝置分成12個點位置，或當磁磚狀圖案包括一3乘3矩陣時，第一光學元件130將各發光裝置分成30個點位置。因此，在一些實施例中，不規則點圖案150 包括大約32,000個點，其中各單位單元尺寸包括介於30至80個點。

圖1之例示性系統可用於實行本文中所描述之各種方法之任一者。另外地，可使用本文中描述之方法來製造本文中繪示及描述之例示性系統。

圖2繪示可由本文中描述之例示性結構光投影系統產生並投影之例示性光圖案。圖2中之光陣列200 對應於圖1中之光陣列100 ；圖2中之投影透鏡系統210 對應於圖1中投影透鏡系統110 ；且圖2中之投影透鏡220 對應於圖1中之投影透鏡120 。如上文所論述及描繪，第一光學元件230 在憑藉投影透鏡系統210 接收自光陣列200 發射之光時，可產生一第一光圖案260 ，該第一光圖案260 可為一不規則圖案。例示性第一光圖案可為一經磁磚狀排列乘法圖案280 或一交錯乘法圖案290 。如上文所論述及描繪，第二光學元件240 可再現第一光圖案260 ，以產生第一光圖案260 之多個例項，從而形成一第二光圖案270 。第二光圖案270 可形成自結構光投影系統投影之不規則經投影點圖案250 。

在第二光圖案270 係一交錯乘法圖案290 之實施例中，存在一或多個非重疊部分291 及由第一光圖案260 之鄰近例項形成之一或多個重疊部分292 。

圖3A至圖3C繪示可使用本文中所描述之系統及方法產生之光圖案之三個不同例示性實施例。

例如，圖3A描繪光陣列投影一規則(例如，柵格)光圖案之實例。術語規則或柵格可包含發光元件之重複或一致圖案。在一些情況中，規則圖案301 包含相對於彼此大致垂直配置之發光元件之行及列。在一些情況中，規則光圖案可包含一成角度規則(例如，傾斜或菱形)圖案302 。即，在一些實施例中，規則圖案包含發光元件之行及列，其中列可相對於行之方向成角度或不垂直。

圖3B描繪陣列投影一子光圖案之一規則圖案之陣列之實例。在一些實施例中，子光圖案包括較小光叢集。在一些情況中，規則圖案311 包含發光元件之叢集之行及列，該等行及列相對於彼此大致垂直配置。在一些情況中，規則光圖案可包含一成角度規則(例如，傾斜或菱形)圖案312 ，該圖案312 包括光叢集。即，在一些實施例中，規則圖案包含發光元件之叢集之行及列，其中列可相對於行之方向成角度或不垂直。

圖3C描繪陣列投影一子光圖案之一規則圖案(例如，光之較小叢集之一柵格)之一實例，該子光圖案可在柵格321 之一個方向(例如，沿著x軸之列)上具有不同形狀之叢集，且在柵格322 之一個方向(例如，沿著y軸之行)上具有共同形狀之叢集。在一些情況中，如所描繪，柵格具有逐行之一序列之不同形狀之叢集323 (例如，圖3C中標記為A、B、C)。在一些實施例中，可重複沿著一列之序列之不同形狀之叢集(例如，A、B、C、A、B、C等)。

圖4描繪一物件平面401 與一影像平面402 之間之一例示性投影透鏡系統。該投影透鏡系統或投影透鏡可包含投影來自發光元件之光之一或多個光學組件。各種結構設計之任一者係可能的。例如，該投影透鏡可包含一或多個透鏡元件。該投影透鏡或形成投影透鏡之一或多個透鏡元件可由各種適合製造技術之任一者形成。例如，投影透鏡可由射出成型或晶圓級製造技術製造。

投影透鏡之特定光學性質可適於特定應用。在一些實施例中，投影透鏡可具有小於或等於約5毫米(mm)(例如，約1.5 mm至約5 mm)之一有效焦距。在一些實施例中，投影透鏡可具有小於或等於約1 mm(例如，約0.2 mm至約1.0 mm)之一物件場高度。

另外，透鏡類型之特定結構設計亦可適於使用。在一些實施例中，一透鏡元件可在投影透鏡之一物件側上係遠心的，其中無系統孔徑。然而，在一些實施例中，配置可包含非遠心設計(例如，主線角度(CRA)＜＞ 0度)及使用一或多個系統孔徑。

圖5描繪可與本文中之系統及方法一起使用之一例示性光學元件。在一些實施例中，如上所述，光學元件可用於自由規則陣列產生之光產生不規則或隨機化光圖案，該光可為一規則光圖案。在一些實施例中，光學元件可為一繞射光學元件。

在一些實施例中，一繞射光學元件可包含一繞射光柵，通常是一二維光柵，該光柵分成一入射束501 。例如，在已由投影光學件(諸如投影透鏡)凖直入射束之後，可自一單一發光元件(諸如一VCSEL)發射進入繞射光學元件之入射束。

可以各種適合構造之任一者形成繞射光學元件。例如，在一些實施例中，繞射光學元件可經形成為一二進位傳輸遮罩。在一些實施例中，繞射光學元件可經形成為一相位元件，此可包含具有2、3……16個離散位準或一連續分佈或在入射波上施加一適當相移之任何其他光學微結構之一表面凸紋分佈。

若繞射光柵之單位單元含有具有不同相位位準之n x n個像素(N：不均勻數目)，則可產生n x n個繞射級之一柵格。

在圖5中所示之情況中，繞射光柵之單位單元含有15 x 15個數量級，其中在此柵格中隨機地選擇之位置上選擇12個繞射級(例如，闡釋性繞射級502 )。

接著，繞射光學元件被結構設計或最佳化以僅照明期望繞射級。因此，可產生一不規則圖案。

100‧‧‧發光裝置陣列/光陣列

110‧‧‧投影透鏡系統

120‧‧‧投影透鏡

130‧‧‧第一光學元件

140‧‧‧第二光學元件

150‧‧‧不規則經投影點圖案

200‧‧‧光陣列

210‧‧‧投影透鏡系統

220‧‧‧投影透鏡

230‧‧‧第一光學元件

240‧‧‧第二光學元件

250‧‧‧不規則經投影點圖案

260‧‧‧第一光圖案

270‧‧‧第二光圖案

280‧‧‧經磁磚狀排列乘法圖案

290‧‧‧交錯乘法圖案

291‧‧‧非重疊部分

292‧‧‧重疊部分

301‧‧‧規則圖案

302‧‧‧成角度規則圖案

311‧‧‧規則圖案

312‧‧‧成角度圖案

321‧‧‧柵格

322‧‧‧柵格

323‧‧‧叢集

401‧‧‧物件平面

402‧‧‧影像平面

501‧‧‧入射束

502‧‧‧繞射級

A‧‧‧叢集

B‧‧‧叢集

C‧‧‧叢集

藉由結合所附圖式參考以下描述可更佳瞭解上文所述之本發明之態樣及進一步優點。圖式不一定按比例繪製，反之重點通常置於本發明之原理。

圖1繪示根據本發明之原理之一結構光投影系統之一項實施例。

圖2繪示根據本發明之原理之一結構光投影系統之一項實施例，且繪示由本發明之實施例產生之例示性光圖案。

圖3A至圖3C係例示性發光裝置陣列之圖解，其中發光元件之行及列處於一垂直或成角度配置中，其可根據本發明之實施例使用。

圖4繪示包含一或多個透鏡元件之一例示性投影透鏡系統，其可根據本發明之實施例使用。

圖5繪示一例示性光學元件，其經結構設計以僅照明期望繞射數量級，其根據本發明之實施例使用。

Claims

一種結構光投影系統，其包括：一發光裝置陣列，其發射一光圖案；一第一光學元件，其經結構設計以更改由該發光裝置陣列發射之該光圖案，以產生一第一經發射光圖案，該第一經發射光圖案係不規則的；及一第二光學元件，其經結構設計以接收由該第一光學元件產生之該第一光圖案並沿著一第二經發射圖案再現該第一經發射圖案，該第二經發射圖案包括以一磁磚狀圖案配置之該第一經發射圖案之多個例項。
如請求項1之結構光投影系統，其中由該陣列發射之該光圖案係一規則的、均勻的、網狀排列的、不中斷的、重複的、一致的或均勻分佈的圖案。
如請求項1之結構光投影系統，其中該第一經發射圖案係隨機的、非均勻的、非網狀排列的、中斷的、非均勻間隔的、部分阻塞的、部分封閉的或非均勻分佈的。
如請求項1之結構光投影系統，其中該第一經發射圖案沿著該第二經發射圖案磁磚狀排列、分佈或複製。
如請求項1之結構光投影系統，其中該第二經發射圖案係一均勻的、規則的或均勻分佈的圖案。
如請求項1之結構光投影系統，其中該結構光投影系統進一步包括一投影透鏡系統，該投影透鏡系統經結構設計以接收自該陣列發射之該光圖案並將該光圖案投影至該第一光學元件。
如請求項1之結構光投影系統，其中該磁磚狀圖案包括該第一經發射圖案之一或多個鄰近例項，該第一經發射圖案至少部分彼此重疊。
如請求項1之結構光投影系統，其中該等發光裝置包括一或多個VCSEL。
如請求項1之結構光投影系統，其中該陣列包括發光裝置之一或多個個別叢集之一柵格，發光裝置之該等個別叢集包括以一非均勻圖案配置之一或多個發光裝置。
如請求項1之結構光投影系統，其中該陣列包括發光裝置之一或多個個別叢集之一柵格，發光裝置之該等個別叢集包括以不同非均勻圖案之一序列配置之一或多個發光裝置，該序列經至少再現一次。
一種產生一結構光圖案之方法，該方法包括：自一發光裝置陣列發射一光圖案；接收自該發光裝置陣列發射之該光圖案，並用一投影透鏡投影該光圖案；使用一第一光學元件來更改由該發光裝置陣列發射之該光圖案，以產生一第一經發射光圖案，該第一經發射光圖案係不規則的；及使用一第二光學元件來接收由該第一光學元件產生之該第一經發射圖案並沿著一第二經發射圖案再現該第一經發射圖案，該第二經發射圖案包括以一磁磚狀圖案配置之該第一經發射圖案之一或多個例項。
如請求項11之方法，其中該陣列包含發光裝置之一或多個行及一或多個列，該等發光裝置經大致彼此垂直配置。
如請求項11之方法，其中該陣列包含發光裝置之一或多個行及一或多個列，該等一或多個列相對於該一或多個行以一非垂直角配置。
如請求項11之方法，其中該陣列投影一子光圖案之一規則圖案，該子光圖案可在該規則圖案之一第一方向上具有一或多個共同形狀之叢集，且在該規則圖案之一第二方向上具有一或多個不同形狀之叢集。
如請求項11之方法，其中該投影透鏡包括一透鏡元件，該透鏡元件在該投影透鏡之一物件側上係遠心的。
如請求項11之方法，其中該第一光學元件係一繞射光學元件。
一種自發光元件之一規則陣列產生一不規則結構光圖案之方法，該方法包括：自一均勻分佈VCSEL陣列產生一規則光圖案；使用一第一繞射光學元件來更改經發射之該規則光圖案，以產生一不規則光表示；及沿著相對於彼此配置之多個例項來再現該不規則光表示。
如請求項17之方法，其中使用一第二繞射光學元件來再現該不規則光表示。
一種製造一結構發光裝置之方法，該方法包括：形成經結構設計以發射一光圖案之一發光裝置陣列；將一第一光學元件安置於該發光裝置陣列之一照明場內，該第一光學元件經結構設計以更改由該發光裝置陣列發射之該光圖案，以產生一第一經發射光圖案，該第一經發射光圖案係不規則的；及將一第二光學元件安置於該第一經發射光圖案之一照明路徑內，該第二光學元件經結構設計以接收由該第一光學元件產生之該第一光圖案並沿著一第二經發射圖案再現該第一經發射圖案，該第二經發射圖案包括以一磁磚狀圖案配置之該第一經發射圖案之多個例項。