[發明專利]一種衍射光學元件及配制方法

有效

• 申請號: 201710806581.1
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN107450190B
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 許星
• 申請（專利權）人: 深圳奧比中光科技有限公司
• 主分類號: G02B27/42
• 分類號: G02B27/42;G02B27/09;G03B35/00
• 代理公司: 44223 深圳新創友知識產權代理有限公司
• 代理人: 王震宇

本發明公開了一種衍射光學元件，用于結構光投影模組，所述結構光投影模組包括：光源，包括布置成二維陣列的多個子光源，用于發射與所述二維陣列一致的二維圖案光束；衍射光學元件，接收所述二維圖案化光束，并生成多級衍射光束；其中所述衍射光學元件經配置以投射出多個彼此不相重疊的二維圖案化光束，每個二維圖案化光束對應產生一個復制圖案，多個不相重疊的所述復制圖案組成密度分布均勻的斑點圖案。還公開了一種使用所述衍射光學元件以配制結構光投影模組的方法。按照本發明為結構光投影模組配制衍射光學元件，能夠在滿足不相關性的條件下投影出密度分布均勻的組合斑點圖案。

技術領域

本發明涉及一種衍射光學元件及使用所述的衍射光學元件以配制結構光投影模組的方法。

背景技術

3D成像技術是新一代人機交互技術的核心，隨著移動終端設備對3D成像技術的硬性需求，深度相機將會被廣泛應用于移動終端設備中，這也使得深度相機正朝著低功耗、高性能、小體積的方向發展。結構光投影模組是基于結構光技術的深度相機中的核心設備，其主要組成部分為光源以及衍射光學元件(DOE)。衍射光學元件(DOE)具有對光束進行調制的作用，比如將入射的光束進行分束以產生特定結構化圖案的出射光束。一種典型的方案是通過激光發射器發射出單光束后經準直透鏡以及衍射光學元件從而向外發射出激光斑點圖案，該斑點圖案被相應的相機采集后用來計算物體的深度圖像。

激光斑點圖案的強度、分布等因素會影響到深度圖像的計算精度。強度越高會提高圖案的對比度從而提高計算精度，然而衍射光學元件的零級衍射問題要求強度不能過高以避免發生激光安全問題，專利文獻CN2008801199119中提出了利用雙片DOE來解決零級衍射問題。激光斑點圖案的分布密度以及不相關度也會影響到計算精度，斑點圖案的不相關度可以通過對DOE進行設計以投影出不規則斑點圖案來提高其不相關度。對于斑點圖案的分布密度而言，密度的大小會影響到計算精度以及分辨率，更為重要的是，密度分布是否均勻將直接影響到整個視場中各個點的深度計算是否具有較為統一的精度，對于密度分布不均勻的斑點圖案而言，在被空間中三維物體進一步調制后其分布不均勻程度將為加劇，導致最終的深度計算精度下降。

傳統的邊發射光源盡管能提供足夠的光功率，但由于其發散角大、體積大、功耗高等特點，難以被應用到微型結構光投影模組中，而垂直腔面激光發射器(VCSEL)由于其體積小、發散角小、功耗低等特點將成為微型結構光投影模組中光源的主要選擇。一般地，采用由多個VCSEL組成的VCSEL陣列芯片作為光源，其通過DOE擴散投影至目標空間以形成結構光圖案，比如斑點圖案，要求斑點圖案具備隨機性(不相關性)，同時盡可能的分布均勻，即斑點密度分布均勻以提高深度圖像的計算精度。

導致斑點圖案密度分布不均的原因有多種，一種是由于DOE自身衍射性質決定，即隨著其衍射角度的增大(或者說衍射級的增加)，光斑的分布密度會逐漸降低；另一種是當光源由多個子光源組成時，DOE在將多個子光源進行同步衍射時，各個子光源所形成的子斑點圖案共同排列容易導致密度分布不均。

采用VCSEL陣列芯片雖然有諸多好處，但不利之處在于，結構光投影模組投影出的斑點圖案可以看成是每個VCSEL所投影的子斑點圖案組合而成，組合的形式由VCSEL陣列芯片上各個子光源的排列方式決定，因此將VCSEL陣列芯片的排列以及子斑點圖案都設計成隨機排列即能保證最終的斑點圖案具備不相關性。然而，要想提高計算精度，即保證斑點密度分布均勻這方面而言，VCSEL陣列芯片的排列以及子斑點圖案的隨機性都會降低最終投影的斑點圖案的均勻性。

因此，如何即能保證斑點圖案具備高度不相關性，同時保證斑點密度分布盡可能均勻是目前微型結構光投影模組設計所面臨的問題。

發明內容

本發明的主要目的在于針對現有技術的不足，提供一種衍射光學元件及使用該衍射光學元件以配制結構光投影模組的方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種衍射光學元件，用于結構光投影模組，所述結構光投影模組包括：