TWI815935B - 包含整合式超透鏡及繞射光學元件的結構光投影機 - Google Patents

包含整合式超透鏡及繞射光學元件的結構光投影機 Download PDF

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Abstract

一種包含一結構光投影機之設備，該結構光投影機包含一光源、一超透鏡及一繞射光學元件(DOE)倍增器。該超透鏡及該DOE倍增器中之每一者經整合至該光源上。該結構光投影機可操作使得由該光源產生之光束通過該超透鏡及該DOE倍增器。

Description

包含整合式超透鏡及繞射光學元件的結構光投影機
本發明係關於結構光投影機。
結構光涉及將一已知圖案之光投影至一場景上。結構照明可具有任何規則形狀(例如，線或圓)或可具有一偽隨機圖案(諸如，偽隨機點圖案)或進一步可具有偽隨機形狀或形狀大小，此取決於應用。由結構光在場景中產生之一光圖案使得根據物件距發射結構光之設備之距離來區分物件成為可能。
本發明闡述一種包含一結構光投影機之設備。該結構光投影機包含一光源、一超透鏡及一繞射光學元件(DOE)倍增器。該超透鏡及該DOE倍增器中之每一者經整合至該光源上。該結構光投影機可操作使得由該光源產生之光束通過該超透鏡及DOE倍增器。
某些實施方案包含以下特徵中之一或多者。舉例而言，在某些例項中，該DOE倍增器及該超透鏡安置於彼此相同之表面上或彼此相同之平面中。在其他例項中，該DOE倍增器及該超透鏡安置於彼此不同之平面中。在某些情況中，該DOE倍增器直接安置於該光源之一輸出面上。
可在該DOE倍增器上提供一間隔件，使得該超透鏡經安置於該間隔件之一表面上且使得該間隔件將該超透鏡與該DOE倍增器分離。在某些情況中，該DOE倍增器及超透鏡係在該間隔件之一表面上使得該間隔件將該DOE倍增器及超透鏡與該光源之該輸出面分離。舉例而言，該間隔件可由一磊晶層或聚合物層組成。舉例而言，該間隔件可經接合至該光源之該輸出面。在某些例項中，該超透鏡之一橫向尺寸小於該DOE倍增器之一對應橫向尺寸。在某些實施方案中，該超透鏡之一包絡輪廓係與該DOE倍增器之一個二維光柵輪廓相同。在某一情況中，該DOE倍增器及超透鏡安置於其上之該間隔件之表面大於該光源之該輸出面。
在某些實施方案中，該光源包含一或多個VCSEL。
在某些例項中，藉由將該超透鏡及該DOE倍增器整合至該光源上，可獲得一高度緊湊投影機。舉例而言，此可係重要的，其中該結構光投影機經併入至一可攜式計算裝置中，諸如，一智慧電話。
依據以下詳細闡述、隨附圖式及申請專利範圍將容易明瞭其他態樣、特徵及優點。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張於2018年7月25日申請之美國臨時專利申請案第62/702,976號之優先權之權益。更早申請案之內容以引用的方式併入本文中。
圖1圖解說明包含一超透鏡及一繞射光學元件(DOE)倍增器之一結構光投影機20之一實例，超透鏡及繞射光學元件(DOE)倍增器兩者經整合至一光源上，諸如一低發散垂直腔表面發射雷射(VCSEL)或VCSEL陣列。DOE倍增器可操作以藉由以一節能方式***光束而使每一源元件光束倍增以自每一源元件(例如，VCSEL)產生多個光束。因此，DOE倍增器操作為將每一入射光束分離成多個非重疊光束之一分束器。光束之間隔、強度比率及對稱分佈由DOE倍增器之週期微結構設定。入射光束之發散角、直徑及偏光實質上保持不變。DOE倍增器可將VCSEL源元件光束繞射成一規則或不規則角度光束陣列，此取決於特定實施方案。另一方面，超透鏡可操作以將一任意相位輪廓印記於個別光束上。超透鏡在一介面處界定由次波長間隔移相器組成之一超表面，此允許對光性質之嚴格控制。以組合方式，DOE倍增器及超透鏡允許投影機20產生一結構光圖案(例如，一斑點圖案)。在某些例項中，藉由將超透鏡及DOE倍增器整合至光源上，可獲得一高度緊湊投影機。
如圖1中所展示，由投影機20產生之光束22中之至少某些光束可入射於一場景24上。照射於場景24上之光束22產生一圖案26，舉例而言，圖案26可由一結構光成像系統感測且處理以得到場景中之一或多個物件之一個三維深度圖。以下闡述根據某些實施方案之結構光投影機20之特定實例及進一步細節。
在某些例項中，如圖2中所展示，DOE倍增器30及超透鏡32安置於彼此不同之平面中。在所圖解說明實例中，將DOE倍增器30直接製作於安置於一基台36上之一VCSEL或VCSEL之一陣列34之一輸出面上。舉例而言，可在DOE倍增器30上提供一再生長磊晶層或一旋塗聚合物層作為一間隔件38。然後可在間隔件38之表面上製作超透鏡40以形成一完全整合式結構光投影機20，其中VCSEL光束通過DOE倍增器30及超透鏡32。前述組態可用於投影一相對小照明場，其中DOE倍增器30係在較超透鏡32之平面更靠近VCSEL之陣列34之一平面中。為投影一較大照明場，超透鏡32可安置於較DOE倍增器30之平面更靠近VCSEL之陣列34之一平面中。
在其他例項中，如圖3及圖4中所展示，DOE倍增器40及超透鏡42兩者係製造於相同表面上且可安置於相同平面中。舉例而言，可將DOE倍增器40及超透鏡42製作於一玻璃或其他透明間隔件48之表面上，隨後將該玻璃或該其他透明間隔件48直接地附接(例如，接合)至安置於一基台46上之一VCSEL或VCSEL之一陣列44之輸出面。在某些例項中，間隔件48最初可附接至VCSEL之輸出面且DOE倍增器及超透鏡隨後形成於間隔件表面上。
通常，超透鏡42之橫向尺寸(例如，大約100 nm)遠小於DOE倍增器40之對應橫向尺寸。在某些情況中，超透鏡42之包絡輪廓與DOE倍增器40之二維光柵輪廓大約相同。DOE倍增器40及超透鏡42形成於其上之間隔件48之表面可大於VCSEL或VCSEL陣列之輸出面，藉此提供用於待形成於相同表面上之DOE倍增器40及超透鏡42兩者之充足表面積。在一特定實例中，在由超透鏡32準直之後，光束發散係約4 mrad且光束直徑係約7 μm至8 μm。對於此等值，約2 mm之一透鏡焦距(FL)係適合的。間隔件48之厚度應係約FL*n，其中n係間隔件之折射率。
在某些實施方案中，超透鏡32具有由奈米結構組成之一扁平表面。在某些例項中，舉例而言，超透鏡32由奈米鰭組成。舉例而言，可藉由奈米鰭之適當旋轉來賦予所期望相位。
在其中光源包含一發光元件陣列之實施方案中，VCSEL陣列佈局可採取一規則或不規則陣列之形式。在某些情況中，可存在若干規則及/或不規則陣列群組。陣列可具有單獨可定址源元件或源元件群組(例如，VCSEL)。進一步，一各別DOE倍增器可整合至每一光源元件(例如，VCSEL)之面上。每一DOE倍增器可經設計以產生具有相同佈局之多個光束之一陣列或每一元件可具有一不同結構以產生每一VCSEL源元件之一不同倍增結構。進一步，在某些情況中，為每一VCSEL元件提供一各別超透鏡結構。或者，一分布式超透鏡結構可經提供以覆蓋多個VCSEL元件。
此處所闡述之結構光投影機可經整合至一寬範疇之小電子裝置中，諸如智慧電話、可穿戴裝置、生物裝置、行動機器人、監控攝影機、攝錄影機、膝上型電腦及平板電腦等。
可在此揭示內容之精神內進行各種修改。舉例而言，在單獨實施例之內容脈絡中於此說明書中闡述之特定特徵亦可在相同實施例中以組合形式實施。相反地，亦可單獨地或以任何適合子組合形式實施一單個實施例之內容脈絡中闡述之各種特徵。因此，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
20:結構光投影機/投影機 22:光束 24:場景 26:圖案 30:繞射光學元件倍增器 32:超透鏡 34:陣列 36:基台 38:間隔件 40:超透鏡/繞射光學元件倍增器 42:超透鏡 44:陣列 46:基台 48:透明間隔件/間隔件
圖1圖解說明一結構光投影機系統之一實例。
圖2圖解說明包含經整合至一光源上之一DOE倍增器及超透鏡之一結構光投影機之一第一實例。
圖3圖解說明包含經整合至一光源上之一DOE倍增器及超透鏡之一結構光投影機之另一實例。
圖4圖解說明根據某些實施方案之DOE倍增器及超透鏡之進一步細節。
22:光束
40:超透鏡/繞射光學元件倍增器
42:超透鏡
44:陣列
46:基台
48:透明間隔件/間隔件

Claims (15)

  1. 一種具有一結構光投影機的設備，其包含：一光源；一超透鏡；及一繞射光學元件(DOE)倍增器，其中該超透鏡及該DOE倍增器中之每一者經整合至該光源上，且其中該結構光投影機可操作使得由該光源產生之光束通過該超透鏡及該DOE倍增器；及其中該DOE倍增器是安置在該光源與該超透鏡之間。
  2. 如請求項1之設備，其中該DOE倍增器及該超透鏡安置於彼此不同之平面中。
  3. 如請求項2之設備，該DOE倍增器直接安置於該光源之一輸出面上。
  4. 如請求項2至3中任一項之設備，其包含該DOE倍增器上之一間隔件，其中該超透鏡安置於該間隔件之一表面上使得該間隔件將該超透鏡與該DOE倍增器分離。
  5. 如請求項4之設備，其中該間隔件由一磊晶層組成。
  6. 如請求項4之設備，其中該間隔件由一聚合物層組成。
  7. 如請求項1至3及5至6中任一項之設備，其中該光源包括一或多個VCSEL。
  8. 如請求項1之設備，其中該DOE倍增器及該超透鏡安置於彼此相同之一表面上。
  9. 如請求項1之設備，其中該DOE倍增器及該超透鏡安置於彼此相同之一平面中。
  10. 如請求項1、8或9中任一項之設備，其進一步包含附接至該光源之一輸出面之一間隔件，其中該DOE倍增器及超透鏡係在該間隔件之一表面上使得該間隔件將該DOE倍增器及超透鏡與該光源之該輸出面分離。
  11. 如請求項10之設備，其中該間隔件經接合至該光源之該輸出面。
  12. 如請求項10之設備，其中該超透鏡之一橫向尺寸小於該DOE倍增器之一對應橫向尺寸。
  13. 如請求項10之設備，其中該超透鏡之一包絡輪廓係與該DOE倍增器之一個二維光柵輪廓相同。
  14. 如請求項11至13中任一項之設備，其中該DOE倍增器及超透鏡安置於其上之該間隔件之表面大於該光源之該輸出面。
  15. 如請求項8及11至13中任一項之設備，其中該光源包括一或多個VCSEL。
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