[發明專利]單片結構光投影儀

有效

• 申請號: 201910845712.6
• 申請日: 2019-09-06
• 公開（公告）號: CN110543029B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 簡阿克塞爾埃德蒙泰西爾;朱立安博卡特
• 申請（專利權）人: II-VI特拉華有限公司
• 主分類號: G02B27/42
• 分類號: G02B27/42;G03B21/20
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 韓輝峰;楊明釗

本申請提出了一種用于以預定圖案生成光點的遠場圖像的結構光投影儀，其中結構光投影儀包括：光源，其提供非準直光束作為輸出；以及專用衍射光學元件，其被設置為截取非準直光束。形成專用衍射光學元件以呈現不均勻的光柵特征圖案，其被配置為補償非準直輸出光束的非平面波前和相位延遲，從而提供具有所需的配置的光點的干涉圖案作為投影儀的輸出。

技術領域

本發明涉及一種結構光投影儀，更具體地說，涉及一種單片結構光投影儀，其不需要單獨的準直器來提供光束整形。

背景技術

結構光投影儀正在被開發用于使用特定圖案的光“點”來投射編碼光或信息圖案的應用。諸如3D感測、映射等應用取決于這種類型光源的使用。圖1是典型現有技術的結構光投影儀簡化圖，包括發射光束B的激光二極管1。如圖所示，光束在離開激光二極管1時發散。然后，發散光束被引導到準直透鏡2中。準直透鏡2的功能是將發散光束聚焦

(成形)成呈現平面波前的一組平行光線(即，準直光束)。然后將準直光束引導到衍射光學元件(DOE)3中，該衍射光學元件用于重定向一些光線，以便產生光點的干涉圖案，如圖2所示。當準直光束通過DOE的光柵時，通過在準直光束的波前引入一組相位延遲來形成光點圖案。用于此目的的各種類型的衍射元件在本領域中是公知的，尤其包括折射曲面，菲涅耳透鏡等。

雖然可用于提供結構光輸出，但是準直器和DOE的組合需要仔細地對準(彼此以及光源)，以便產生期望的圖案。對準公差必然增加投影儀的費用，以及制造組件所需的時間和精力。嚴格的對齊公差也會影響封裝要求。使用單獨的分立元件會影響投影儀本身的尺寸，特別是在需要利用這種投影儀陣列來產生更廣泛和/或復雜的光點圖案的應用中。

發明內容

本發明解決了本領域中仍然存在的需求，本發明涉及結構光投影儀，更具體地涉及單片集成結構光投影儀，其不需要單獨的準直器組件，并且在示例性實施例中可以是直接制作在激光二極管光源本身上。

根據本發明，專用衍射光學元件(“專用DOE”)與光源結合使用以產生所需的點圖案輸出。特別地，形成專用DOE以呈現可變的衍射圖案，其補償離開激光器的非準直光束，使得與激光輸出相關聯的光束形狀和相位延遲可以與專用DOE的衍射圖案匹配。更具體地，在專用DOE中形成的衍射圖案被配置為包括所包括的特征的非均勻間隔和/或厚度，以抵消非準直光束的波前所固有的相位延遲。對于需要產生光點陣列的應用(如圖2所示)，形成專用DOE的特征的不均勻性在遠離光束中心的方向上發展，且當非準直光束到達專用DOE時，其與相位延遲相匹配。預期其他非均勻性配置包括在本發明的范圍內，并且可用于為特定應用創建專用點圖案。點的圖案可以采用規則陣列的形式，或者隨機圖案(在大多數情況下是偽隨機的)，如圖2所示。

本發明的一個示例性實施例利用垂直腔表面發射激光器(VCSEL)，其定向在支撐襯底上，使得其發射穿過襯底的厚度，在一種情況下，專用DOE直接制造在襯底的表面上。因此，這種集成配置提供了非常緊湊和可靠的單片結構光投影儀。

本發明的各種實施例可以利用集成的光源陣列，設置成使得它們的發散光束不重疊。產生衍射圖案以對光束陣列的發散提供適當的補償。陣列可以是一維的或二維的。

可以使用離散光源結合離散的專用DOE(與單片集成配置相反)來形成本發明的其他實施例。由于專用DOE消除了對單獨的準直器的需要，即使利用離散專用DOE的這些實施例也將比它們的現有技術的對應物更緊湊(并且還消除了準直器-DOE對準過程)。

本發明的示例性實施例采用結構化光投影儀的形式來以定義的圖案(definedpattern)生成光點的遠場圖像，該投影儀包括提供非準直光束作為輸出的光源和設置成截取非準直光束的專用衍射光學元件。專用衍射光學元件本身形成為包括多個光柵特征的非均勻圖案，其被配置為既補償非準直光束的波前和相位延遲，又衍射補償光束以產生具有所定義圖案的光點的干涉圖案作為輸出。

在以下討論的過程中并參考附圖，本發明的其他和進一步的實施例將變得顯而易見。