[發明專利]基于面發射激光的投射裝置及其制作方法

有效

• 申請號: 201910105913.2
• 申請日: 2019-02-01
• 公開（公告）號: CN111522190B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 劉勁松
• 申請（專利權）人: 無錫奧普頓光電子有限公司
• 主分類號: G03B21/20
• 分類號: G03B21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本申請提供了一種基于面發射激光的投射裝置，包括：面發射激光器，可出射所需的平面圖案；以及集成衍射光學元件，其布置于所述面發射激光器前端，所述集成衍射光學元件的表面具有浮雕狀微結構，其形狀由融合的相位變換函數所確定，所述融合的相位變換函數通過將虛擬準直透鏡的透鏡函數和原始衍射光學元件的相位變換函數進行融合而得到。本申請還提供了相應的基于面發射激光的投射裝置的制作方法。本申請可以省去實體準直透鏡，從而有助于實現投射模組的小型化。

技術領域

本申請涉及光學元件、衍射光學、三維感測、激光投影等技術領域，特別地，本申請涉及基于面發射激光的投射裝置及其制作方法。

背景技術

隨著光學科技的迅猛發展，尤其是光學元件和衍射光學等技術分支的高速發展，三維感測(3D感測)裝置已日漸成熟，近幾年來市場上已出現了越來越多的搭載三維感測裝置的消費電子終端產品。例如，蘋果手機用于人臉識別的3D攝像頭模組(有時也稱為3D攝像模組)就是一種典型的三維感測裝置。該3D攝像頭模組使用垂直腔面發射激光器(VCSEL)，垂直腔面發射激光器發射的數百束激光經過準直后，再經過衍射光學元件復制，得到數萬個點(即通常所說的結構光)，投射到物體(比如人臉)后，通過探測物體上的結構光，就可以獲取物體的三維信息。

3D攝像頭模組除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息。有的3D攝像頭模組可以實時地進行三維信息采集，從而為消費電子終端(例如智能手機)加上了物體感知功能。這種物體感知功能有望解決消費電子終端的不同應用場景中的多個痛點，從而在人臉識別、增強現實(AR)、人機交互、三維建模、安防和輔助駕駛等多個領域引爆新的革命。具體來說，3D攝像頭實時獲取環境物體深度信息、三維尺寸以及空間信息，為動作捕捉、三維建模、VR/AR、室內導航與定位等“痛點型”應用場景提供了基礎的技術支持，因而具有廣泛的消費級和工業級應用需求。從應用角度來看，目前3D攝像頭能夠大顯身手的場景主要包括消費電子領域的動作捕捉識別、人臉識別，自動駕駛領域的三維建模、巡航與障礙避開，工業自動化的零件掃描檢測分揀，安防領域的監控、人數統計等等。基于上述分析，可以看出，3D攝像頭模組與其它類似的3D感測裝置的市場空間有望在未來數年呈現爆發式增長，具有廣闊的應用前景。

目前，3D攝像頭主要有三條主流技術路線：結構光(structure light)、光飛時間(TOF，time of flight)和多角成像(也稱雙目立體視覺技術，multi-camera)。從當前技術發展和產品應用來看，結構光與TOF使用便捷、成本較低，最具前景。

結構光技術的基本原理是：在激光器外放置一個光柵，激光通過光柵進行投射成像時會發生折射，從而使得激光最終在物體表面上的落點產生位移。當物體距離激光投射器比較近的時候，折射而產生的位移就較??；當物體距離較遠時，折射而產生的位移也就會相應的變大。這時使用一個攝像頭來檢測采集投射到物體表面上的圖樣，通過圖樣的位移變化，就能用算法計算出物體的位置和深度信息，進而復原整個三維空間。結構光技術一次成像即可讀取深度信息，然而解析度受光柵寬度與光源波長限制、對衍射光學器件(DOE)要求也較高。

TOF技術(即光飛時間技術)是通過主動發射調制過后的連續光脈沖信號至目標面上，然后利用傳感器接收反射光，利用它們之間的相位差進行運算和轉換得到距離/景深數據。TOF可以做到對逐個像素點的深度進行計算。目前的主流的TOF技術大多采用SPAD(single-photonavalanche diode，單光子雪崩二極管)陣列來精確檢測并記錄光子的時間和空間信息，繼而通過三維重構算法進行場景的三維重構。SPAD是一類高靈敏度的半導體光電檢測器，被廣泛應用于弱光信號檢測領域。

總的來說，結構光和TOF技術均具有各自的優勢和適合的應用場景，有望在今后一定時間內并行發展。從目前已經上市的產品技術運用來看，結構光和TOF技術原理上殊途同歸。下面以結構光技術為例介紹現有的一種典型的3D攝像頭的主要結構。該典型的3D攝像頭通常作為智能手機的前置攝像頭使用，有時也被稱為結構光模組。