CN111602303A - 包含主射线校正器光学元件之结构光照明器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述改良解析度及减少用于3D成像及手势辨识之微型广角VCSEL阵列投影模组中之结构光投影之失真的技术。投影器模组包括一主射线校正器光学元件，该主射线校正器光学元件沿着投影器透镜主射线路径导引VCSEL光束。VCSEL结构照明投影器使用该主射线光学元件校正器可在比投影器透镜影像焦点范围更大之一扩展距离范围上产生一高解析度、低失真结构光图案。该校正器元件被放置于该VCSEL阵列附近。取决于特定应用需求及光学组态，可以各种方式实施该校正器元件，包括(例如)一折射透镜、绕射透镜或微透镜阵列。

Description

包含主射线校正器光学元件之结构光照明器
技术领域
本发明是关于垂直腔面发射雷射(VCSEL)或其他可操作以投影一结构光图案之其他照明器。特定言之，本发明是关于改良解析度及减少用于结构光投影及三维(3D)成像之微型模组之失真，例如使用包括可定址阵列之VCSEL阵列，该等阵列可产生用于3D成像、手势辨识及其他应用之被动及动态结构光图案。
背景技术
一些微型光学投影***将一VCSEL阵列之一影像投影至一场景上，以形成场景中之物体之一结构照明。可以各种方式组态VCSEL阵列，其等包括规则或非规则阵列，以形成投影点阵列或其他形式之影像。一摄影机或其他类型之感测器用于记录入射于场景中之物体上之照明影像。可对此影像进行分析，且可判定物体之性质(诸如3D位置、移动及其他特性)。
许多照明应用需要110°或甚至更大之投影角的广角照明。为在适于行动电子装置或类似应用之一小或微型模组中达成此照明，通常需要一短焦距透镜。此外，为获得具有良好结构解析度之大角照明，通常需要比透镜孔径更大之侧向尺寸之一VCSEL阵列。VCSEL阵列发射垂直于VCSEL阵列平面之窄光束；因此，许多外光束将不穿过透镜且被阻挡。被阻挡之光束将不被作为照明图案之一部分而成像至场景上。
在广角投影中，解决上述问题之一种已知解决方案是在一透镜之物体平面附近放置一场透镜，以使来自物体之光射线通过透镜孔径聚焦。此方法亦可用于投影由VCSEL发射之光束。在此配置中，在VCSEL阵列附近放置一会聚光学元件，以使来自VCSEL阵列之光束通过透镜孔径聚焦。
然而，广角透镜通常产生显着影像失真。失真改变影像相对于物体图案之侧向形式，且亦影响影像解析度。当使用非相干光来投影影像时，来自物体之不同部分之射线填充透镜孔径，使得影像中之各点接收已穿过透镜孔径之所有部分之光。透镜之失真导致此等射线偏离理想投影位置，导致影像失真及减少影像解析度两者。
来自VCSEL阵列之光束相对窄，且因此该等光束不填充透镜孔径。其等行为类似于单一射线，且来自各VCSEL元件之光束穿过透镜孔径之一受限区域。当一场透镜用于通过透镜孔径聚焦光束时，亦将发生此结果。此配置之结果是，由于透镜失真，光束被投影至取决于光束通过透镜孔径之实际光学路径之位置。此外，光束本身失真，取决于光束传播通过透镜孔径之位置而增加光束发散。因为3D判定之准确度取决于照明图案结构之准确度，所以图案之失真将导致误差。
发明内容
本发明描述包括一主射线校正器光学元件之照明器。例如，本发明描述基于VCSEL之投影器，该基于VCSEL之投影器可有助于藉由沿着投影透镜之主射线角传播VCSEL光束而缓解或克服上文论述之VCSEL投影问题。如本发明中所使用，透镜之主射线是自物体点通过透镜之光学中心(即，入射光瞳)传播至设计影像点之一射线。自物体点通过透镜之其他区域传播之其他射线经设计以入射于相同影像点上，但归因于透镜失真而会偏离此位置。藉由沿着主射线导引窄VCSEL光束，光束经定位于透镜设计影像位置处。此外，因为VCSEL光束具有窄发散，实质上整个光束传播于主射线附近，使得减少或最小化透镜失真之效应。
例如，在一个态样中，本发明描述一种VCSEL阵列结构光照明器，该VCSEL阵列结构光照明器包括可操作以产生光束之一VCSEL阵列。照明器亦包括具有主射线角之一投影透镜，及安置于VCSEL阵列与投影透镜之间之一光学元件。光学元件可操作以使由VCSEL产生之光束弯曲以与投影透镜之对应主射线角匹配，该投影透镜可操作以投影自光学元件接收之光束，以产生一结构照明图案。
在另一态样中，本发明描述一种包括VCSEL阵列结构光照明器之一成像设备。一摄影机被安装在照明器之轴外，并可操作以记录由一或多个物体反射或散射之一结构照明图案。一运算装置包括一或多个处理器，并可操作以基于记录图案来运算一或多个物体之一各自位置或移动。
根据另一态样，本发明描述一种方法，该方法包括由发光元件之一阵列产生光束，导致该等光束被一光学元件弯曲，以与一投影透镜之对应主射线角匹配，且随后使该等光束穿过投影透镜，以将一结构照明图案投影至一或多个物体上。在一些例项中，方法进一步包括记录由一或多个物体反射或散射之一结构照明图案，使用一运算装置来分析记录图案以判定一或多个物体之一各自位置及/或移动。
一些实施方案包括以下优点之一或多者。例如，3D量测***通常需要可操作以在一大距离上量测深度。此距离通常长于投影透镜之聚焦深度。然而，由于VCSEL投影器正传播窄发散光束，故图案解析度可经维持在比影像之聚焦深度更长之一距离上。取决于光束传播通过投影透镜之位置，光束将自主射线位移直至到达影像焦点处。因此，远离影像焦点之区域将引起结构图案失真，即使光束大小仍保持很小，以获得良好图案解析度。藉由沿着主射线角传播光束，可消除此失真源。图案结构可在进行3D量测之整个深度上维持。
如本发明中所述，主射线光学元件校正器经设计以沿着投影透镜之主射线导引VCSEL阵列光束，以形成高解析度低失真结构光图案。可将校正器元件放置于VCSEL阵列附近。取决于具体应用需求及光学组态，校正器元件可采取若干形式中之任一者。在一些情况中，校正器元件包括一会聚折射透镜。表面可为球面或非球面，以在光学上将VCSEL阵列光束与投影透镜主射线之特性匹配。
在一些例项中，用于主射线校正器之光学元件包括一菲涅尔透镜。此类型之透镜之一优点是其厚度可小于一折射透镜。替代地，由于VCSEL输出具有一窄波长，可使用一绕射透镜。此一透镜可提供与绕射透镜同样小之厚度益处。
可提供同样小厚度益处之另一类型之校正器光学元件是一微透镜阵列。微透镜阵列可经组态以与VCSEL阵列匹配，除此之外，微透镜位置与VCSEL阵列元件位置渐进偏移。因此，在VCSEL阵列之中心处之微透镜与VCSEL光束轴对准。接着，微透镜被渐进偏移于向阵列之周边更远之位置处。偏移微透镜使外部VCSEL光束向投影透镜之中心弯曲。偏移是专门针对VCSEL阵列元件设计，使得光束与投影透镜之主射线角对准。
在一些情况中，微透镜阵列可为与VCSEL阵列对准之一分开之光学元件。微透镜阵列亦可被直接制造至VCSEL阵列上。此具有许多益处，包括藉由将微透镜之制造与VCSEL制造程序整合而减少组装成本。
自以下详细描述、附图及申请专利范围将容易明白其他态样、特征及优点。
附图说明
图1绘示与一些VCSEL阵列结构光照明器相关之一问题。
图2绘示与一些VCSEL阵列结构光照明器相关之另一问题。
图3绘示一VCSEL阵列结构光照明器之一实例，该VCSEL阵列结构光照明器包括定位于VCSEL阵列附近之一折射透镜，以使VCSEL光束弯曲并将其与一主射线角对准。
图4绘示一VCSEL阵列结构光照明器之另一实例，该VCSEL阵列结构光照明器包括一绕射透镜，以使VCSEL光束弯曲并将其与投影透镜之一主射线角对准。
图5绘示一VCSEL阵列结构光照明器之一实例，该VCSEL阵列结构光照明器包括一偏移微透镜阵列，以将VCSEL光束与投影透镜之主射线角对准。
图6A是无主射线角校正器之一结构光影像之一相片；图6B展示使用主射线角校正器实现之一改良。
具体实施方式
图1及图2绘示当使用一VCSEL阵列以将一3D结构照明图案投影至一场景上时可能出现之各种问题。如图1中所示，一VCSEL阵列10在垂直于VCSEL阵列平面之一方向上发射窄发散光束12之一平行阵列。一投影透镜14在一相关区域(例如，一场景中之物体上)中产生VCSEL阵列之一影像，并基于VCSEL阵列10之结构形式来形成一结构照明图案16。由于VCSEL光束12具有一窄发散，故在相关区域中，结构影像解析度被维持在一显着距离上。此特征对于3D成像及类似应用可为重要的，以当在相关区域中于不同距离处之物体上入射时维持结构影像图案16。
图1亦绘示当VCSEL阵列10大于投影透镜孔径18时可能出现之一问题。来自VCSEL阵列之外部之VCSEL光束不由输入透镜元件20撷取。因此，此等光束不被成像至结构照明区域中。
如由图2所进一步绘示，在阵列10之内部处产生之VCSEL光束是由投影透镜14撷取，并经成像至结构照明区域上。然而，不在阵列10之中心中的光束未入射于透镜14的中心上。因此，此等光束通过投影器透镜元件的外部分而行进于与主射线不同的位置处。对于一完美(例如，理想)透镜，此情境在影像焦点处不是一问题，此是因为透镜元件将VCSEL光束导引至正确成像位置。然而，实际上，情况并非如此，且投影透镜14之失真性质将光束导引至成像区域中之略不同的位置。VCSEL光束不是无穷小直径光束，而具有一有限直径。因此，光束的侧向组件将引起此失真，此修改光束的直径及轮廓。
在一些情况中，针对3D场景范围长于影像聚焦深度之3D感测应用(尤其针对一广角投影透镜)可发生一额外问题。若VCSEL光束发散是小的，则结构影像之解析度将维持超过此聚焦深度。然而，在焦点之外，VCSEL光束偏离主射线角(CRA)。此偏离可导致影像焦点之前后区域之图案结构的失真。
使用一场透镜，可藉由使VCSEL光束通过透镜孔径会聚，使得其等皆未被阻挡而避免第一问题。然而，此一方法不能解决其他问题，此是因为光束仍将沿着一非最佳路径通过透镜之各种部分传播。因为3D判定之准确度取决于照明图案结构之准确度，所以图案结构之任何失真(例如在3D判定及手势辨识应用中)将导致误差。
图3绘示一VCSEL阵列结构光照明器30之一配置之一实例，其中一会聚透镜32被放置于VCSEL阵列10附近。透镜32之会聚性质经设计以将VCSEL阵列光束角与投影透镜14之相关主射线角匹配。在图3中，展示仅一个VCSEL光束及主射线角以绘示原理，尽管在实际上将存在许多此等光束。透镜会聚性质经设计以沿着各自主射线角导引所有VCSEL光束，使得所有光束穿过投影透镜14之有效i/p孔径34的中心。有效i/p孔径34亦可被称为投影透镜14之入射光瞳。
VCSEL光束沿着主射线角以最小光束之失真透射通过投影透镜14。光束通过出射光瞳之中心(即，自输出侧观察之有效透镜o/p孔径36)离开投影透镜14。因此，在整个3D场景范围上，光束可以最小光束失真及不偏离结构影像中的设计位置被投影至结构照明区域中的设计位置处。
图4绘示一VCSEL阵列结构光照明器40之另一实例，该VCSEL阵列结构光照明器40包括一替代光学元件32A，用于沿着主射线角通过投影透镜14会聚VCSEL光束。在此情况中，元件安置于VCSEL阵列10附近，及经设计以将VCSEL光束绕射向投影透镜14之入射光瞳之中心之一绕射元件32A。各VCSEL光束之位置处之绕射结构经设计以使光束弯曲至与该元件位置之投影透镜14之主射线角匹配之角度。
在一些实施方案中，使用一菲涅尔透镜将VCSEL光束会聚在一起用于CRA匹配。在此等情况中，不是一绕射结构使VCSEL光束弯曲，而是使用一小棱镜区段来使光束弯曲。各区段棱镜角经设计以使VCSEL光束弯曲，以与投影透镜之主射线角匹配。使用绕射光学元件或菲涅尔透镜之一益处是，对于一给定光学功率，光学元件之厚度可远小于折射元件。针对微型投影模组(例如，手机及平板电脑)中之应用，此是一显着优点。
如图5中所示，在一些实施方案中，一VCSEL阵列结构光照明器50包括一微透镜阵列(MLA)52，该微透镜阵列(MLA)52可操作以将来自VCSEL阵列10之光束会聚在一起，以与投影透镜14之CRA匹配。插图5A证实一偏移微透镜52A如何在一方向上使VCSEL光束12向偏移方向弯曲。偏转量与偏移量成正比。
微透镜阵列52可经设计具有与VCSEL阵列10结构相同之布局，除此之外引入一负径向偏移。偏移量随着与阵列之中心之距离增加而增加。偏移经设计以使VCSEL光束12弯曲，以与该径向位置处之投影透镜14之CRA匹配。偏转量依据偏移及微透镜焦距两者而变化。
在一些例项中，微透镜阵列是一分开之光学元件，此在模组组装期间对准并安装。在一些情况中，一更有利方法是直接在VCSEL阵列10之顶部上制造微透镜阵列52。可使用各种方法以达成所欲结果，制造折射或绕射微透镜，或甚至微棱镜阵列。一种方法使用半导体制造程序，以将光学折射材料沈积于VCSEL阵列10上。接着，蚀刻或其他模制技术可用于形成球面或非球面透镜表面轮廓。此方法具有若干益处。例如，可导致适于微型模组之一非常薄光学元件。在VCSEL阵列10上制造MLA 52可与VCSEL本身之制造程序高度相容。最终，方法可消除当使用一分开之MLA时所需之昂贵对准及接合制程。
图6A及图6B是绘示可藉由使用一CRA匹配光学元件获得之结构照明中之显着改良之类型之相片。图6(A)是投影之影像之1/4，而不使用MLA投影透镜。中心中之影像显示合理亮度。然而，照明图案之外区域是黑的，此是因为在此外区域处之VCSEL光束被透镜孔径阻挡。图6(B)展示使用MLA匹配透镜投影之完整影像。在此影像中，结构照明之外区域更亮，且VCSEL阵列光束没有被投影透镜孔径阻挡。尽管在外径向位置处影像之亮度减少，但此是因为使用一平坦成像萤幕之余弦效应。外部位置处之光束以一大角入射于萤幕上，因此增加入射光束面积，使得功率密度降低。
尽管前述实例是关于VCSEL阵列描述，但可在一些实施方案中使用其他类型之发光元件(诸如发射一窄光束之其他类型之表面发射半导体光源(例如，RC-LED))。由VCSEL或其他发光元件发射之光(即，辐射)之波长可取决于应用而处于红外光(IR)、近IR、远IR、可见或电磁光谱之其他部分中。VCSEL或其他光源可个别、按群组(子群组)或共同定址。
一种使用结构成像之3D成像的方法是，使用(例如)上述之照明器之任一者在相关场景中的一或多个物体上投影一已知结构图案。一摄影机或其他成像装置可经安装于轴外，且用于记录由(若干)物体反射或散射的结构照明图案。此记录影像是一经修改结构影像；修改之本质取决于物***置及由摄影机观察之离轴的角度。可使用已知技术(例如，藉由包括一或多个处理器之一运算装置)来分析此修改影像，以运算(若干)物体之位置及/或移动。由于结构影像修改形成判定物体之位置的基础，故原始结构照明图案之任何失真将引起误差。因此，本发明表示精确3D成像及手势辨识***之一重要发展。
可在数位电子电路中或在电脑软体、韧体或硬体中实施本说明书中所描述之标的物及功能操作的各种态样(例如，(若干)物体之位置及/或移动的分析及运算)，该等态样包括在本说明书中所揭示之结构及该等结构之结构化等效物或该等结构中之一或多者的组合。可将本说明书中所描述之标的物的实施例实施为一或多个电脑程式产品，即供由资料处理设备执行或控制资料处理设备之操作之编码于一电脑可读媒体上之电脑程式指令的一或多个模组。电脑可读媒体可是一机器可读储存装置、一机器可读储存基板、一记忆体装置、影响一机器可读传播信号之物质之一组分或其等之一或多者之一组合。术语「资料处理设备」及「电脑」涵盖用于处理资料之所有设备、装置及机械，其包括(举例而言)一可程式化处理器、一电脑或多处理器或电脑。设备除包括硬体之外，可包括针对所论述电脑程式建立一执行环境之程式码(例如构成处理器韧体、一协定堆迭、一资料库管理***、一作业***或其一或多者之一组合的程式码)。
一电脑程式(亦被称为程式、软体、软体应用、指令码或代码)可是以任何形式之程式设计语言(其包括编译或解译语言)撰写，且其可是以任何形式(其包括作为一独立程式或作为适合于用在一运算环境中之一模组、组件、副常式或其他单元)部署。一电脑程式非必然对应于一档案***中之一档案。一程式可被储存在保留其他程式或资料之一档案之一部分中(例如储存在一标记语言文件中的一或多个指令码中)、被储存在专属于所论述程式之一单一档案中，或被储存在多个协调档案(例如储存一或多个模组、副程式或程式码之部分之档案)。一电脑程式可经部署以在一个电脑上或在经定位于一个地点处或跨多个地点分布且由一通信网路互连的多个电脑上被执行。
可由执行一或多个电脑程式之一或多个可程式化处理器执行本说明书中所描述之程序及逻辑流程以藉由操作输入资料且产生输出而执行功能。亦可藉由特殊用途逻辑电路(例如一FPGA(场可程式闸阵列)或一ASIC(特殊应用积体电路))执行程序及逻辑流程且亦可将设备实施为特殊用途逻辑电路或一ASIC。
适于执行电脑程式之处理器以实例之方式包括通用及专用微处理器两者及任何类型之数位电脑之任何一或多个处理器。一般而言，一处理器将自一唯读记忆体或一随机存取记忆体或两者接收指令及资料。一电脑之必要元件是用于执行指令之一处理器及用于储存指令及资料之一或多个记忆体装置。一般而言，一电脑亦将包括用于储存资料之一或多个大容量储存装置(例如，磁碟、磁光碟或光碟)或可操作地耦合以自该一或多个大容量储存装置接收资料或将资料传送至该一或多个大容量储存装置或两者。然而，一电脑不需要具有此等装置。此外，一电脑可嵌入于例如以下项之另一装置中：一行动电话、一个人数位助理(PDA)、一行动音讯播放器、一全球定位***(GPS)接收器，仅列举几个。适于储存电脑程式指令及资料之电脑可读媒体包括所有形式之非挥发性记忆体、媒体及记忆体装置，以实例之方式包括半导体记忆体装置(例如，EPROM、EEPROM)及快闪记忆体装置；磁碟(例如，内部硬碟或可移除磁碟)；磁光碟；及CD-ROM及DVD-ROM磁碟。处理器及记忆体可藉由特殊用途逻辑电路补充或并入至特殊用途逻辑电路中。
为提供与一使用者之互动，可在具有用于将资讯显示给使用者之一显示装置(例如，一CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)及一键盘及使用者可藉由其将输入提供至电脑中之一指标装置(例如，一滑鼠或一轨迹球)之一电脑上实施本说明书中所描述之标的物之实施例。亦可使用其他种类之装置来提供与一使用者之互动；例如，提供至使用者之回馈可为任何形式之感觉回馈(例如，视觉回馈、听觉回馈或触觉回馈)；且可以任何形式接收来自使用者之输入，包括声学、话音或触觉输入。
可在包括一后端组件(例如作为一资料伺服器)或包括一中间体组件(例如一应用伺服器)或包括一前端组件(例如，具有一图形使用者介面或透过其一使用者可与本说明书中所描述之标的物之一实施方案互动之一网页浏览器之一用户端电脑)或一或多个此等后端、中间体或前端组件之任何组合之一电脑***中实施本说明书中所描述之标的物之态样。***之组件可藉由数位资料通信(例如，一通信网路)之任何形式或媒体互连。通信网路之实例包括一区域网路(「LAN」)及一广域网路(「WAN」)(例如，网际网路)。
运算***可包括用户端及伺服器。一用户端及伺服器通常彼此远离且通常透过一通信网路互动。用户端与伺服器之关系藉由在各自电脑上运行且彼此具有一主从式关系之电脑程式而出现。
尽管在前文实施方案中描述各种细节，但可进行各种修改。因此，除了上述此等之外，一些实施方案可包括组件，因而一些实施方案可省略一或多个组件。相应地，其他实施方案是在发明申请专利范围之范畴内。

Claims (15)

1.一种VCSEL阵列结构光照明器，其包含：
一VCSEL阵列，其可操作以产生光束；
一投影透镜，其具有主射线角；及
一光学元件，其安置于该VCSEL阵列与该投影透镜之间，该光学元件是可操作以使由该等VCSEL产生之该等光束弯曲，以与该投影透镜之对应主射线角匹配；
其中，该投影透镜是可操作以投影自该光学元件接收之光束，以产生一结构照明图案。
2.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该光学元件包含一折射透镜。
3.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该折射透镜是球面的。
4.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该折射透镜是非球面的。
5.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该光学元件包含一绕射光学元件。
6.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该光学元件包含一菲涅尔透镜。
7.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该光学元件包含一微透镜阵列，该微透镜阵列对应于具有偏移阵列组态之该VCSEL阵列之一布局的布局。
8.根据权利要求7所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该微透镜阵列安置于该VCSEL阵列上。
9.根据权利要求7所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该微透镜阵列包括微透镜，该等微透镜之各自位置是自VCSEL阵列元件之对应位置渐进偏移。
10.根据权利要求1所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该投影透镜是一广角投影透镜，该广角投影透镜是可操作以产生110°或以上之一角度之一投影影像。
11.一种成像设备，其包含：
根据权利要求1至10中任一权利要求所述的VCSEL阵列结构光照明器，其中，该照明器是可操作以将一结构照明图案投影至一或多个物体上；
安装在该照明器之轴外之一摄影机，该摄影机是可操作以记录由该一或多个物体反射或散射之一结构照明图案；及
一运算装置，其包括一或多个处理器，以基于该记录图案来运算该一或多个物体之一各自位置或移动。
12.一种方法，其包含：
由发光元件之一阵列产生光束；
导致该等光束被一光学元件弯曲，以与一投影透镜之对应主射线角匹配；及
随后使该等光束穿过该投影透镜，以将一结构照明图案投影至一或多个物体上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该等光束是由一VCSEL阵列所产生。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，来自该等发光元件之该等光束被以下之至少一者弯曲，以与该投影透镜之该等对应主射线角匹配：一折射光学元件；一绕射光学元件；一菲涅尔透镜；或一微透镜阵列。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
记录由该一或多个物体反射或散射之一结构照明图案；
使用一运算装置来分析该记录图案，以判定该一或多个物体之一各自位置及/或移动。
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