[发明专利]单片结构光投影仪

说明书

本申请提出了一种用于以预定图案生成光点的远场图像的结构光投影仪，其中结构光投影仪包括：光源，其提供非准直光束作为输出；以及专用衍射光学元件，其被设置为截取非准直光束。形成专用衍射光学元件以呈现不均匀的光栅特征图案，其被配置为补偿非准直输出光束的非平面波前和相位延迟，从而提供具有所需的配置的光点的干涉图案作为投影仪的输出。

技术领域

本发明涉及一种结构光投影仪，更具体地说，涉及一种单片结构光投影仪，其不需要单独的准直器来提供光束整形。

背景技术

结构光投影仪正在被开发用于使用特定图案的光“点”来投射编码光或信息图案的应用。诸如3D感测、映射等应用取决于这种类型光源的使用。图1是典型现有技术的结构光投影仪简化图，包括发射光束B的激光二极管1。如图所示，光束在离开激光二极管1时发散。然后，发散光束被引导到准直透镜2中。准直透镜2的功能是将发散光束聚焦

(成形)成呈现平面波前的一组平行光线(即，准直光束)。然后将准直光束引导到衍射光学元件(DOE)3中，该衍射光学元件用于重定向一些光线，以便产生光点的干涉图案，如图2所示。当准直光束通过DOE的光栅时，通过在准直光束的波前引入一组相位延迟来形成光点图案。用于此目的的各种类型的衍射元件在本领域中是公知的，尤其包括折射曲面，菲涅耳透镜等。

虽然可用于提供结构光输出，但是准直器和DOE的组合需要仔细地对准(彼此以及光源)，以便产生期望的图案。对准公差必然增加投影仪的费用，以及制造组件所需的时间和精力。严格的对齐公差也会影响封装要求。使用单独的分立元件会影响投影仪本身的尺寸，特别是在需要利用这种投影仪阵列来产生更广泛和/或复杂的光点图案的应用中。

发明内容

本发明解决了本领域中仍然存在的需求，本发明涉及结构光投影仪，更具体地涉及单片集成结构光投影仪，其不需要单独的准直器组件，并且在示例性实施例中可以是直接制作在激光二极管光源本身上。

根据本发明，专用衍射光学元件(“专用DOE”)与光源结合使用以产生所需的点图案输出。特别地，形成专用DOE以呈现可变的衍射图案，其补偿离开激光器的非准直光束，使得与激光输出相关联的光束形状和相位延迟可以与专用DOE的衍射图案匹配。更具体地，在专用DOE中形成的衍射图案被配置为包括所包括的特征的非均匀间隔和/或厚度，以抵消非准直光束的波前所固有的相位延迟。对于需要产生光点阵列的应用(如图2所示)，形成专用DOE的特征的不均匀性在远离光束中心的方向上发展，且当非准直光束到达专用DOE时，其与相位延迟相匹配。预期其他非均匀性配置包括在本发明的范围内，并且可用于为特定应用创建专用点图案。点的图案可以采用规则阵列的形式，或者随机图案(在大多数情况下是伪随机的)，如图2所示。

本发明的一个示例性实施例利用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其定向在支撑衬底上，使得其发射穿过衬底的厚度，在一种情况下，专用DOE直接制造在衬底的表面上。因此，这种集成配置提供了非常紧凑和可靠的单片结构光投影仪。

本发明的各种实施例可以利用集成的光源阵列，设置成使得它们的发散光束不重叠。产生衍射图案以对光束阵列的发散提供适当的补偿。阵列可以是一维的或二维的。

可以使用离散光源结合离散的专用DOE(与单片集成配置相反)来形成本发明的其他实施例。由于专用DOE消除了对单独的准直器的需要，即使利用离散专用DOE的这些实施例也将比它们的现有技术的对应物更紧凑(并且还消除了准直器-DOE对准过程)。

本发明的示例性实施例采用结构化光投影仪的形式来以定义的图案(definedpattern)生成光点的远场图像，该投影仪包括提供非准直光束作为输出的光源和设置成截取非准直光束的专用衍射光学元件。专用衍射光学元件本身形成为包括多个光栅特征的非均匀图案，其被配置为既补偿非准直光束的波前和相位延迟，又衍射补偿光束以产生具有所定义图案的光点的干涉图案作为输出。

在以下讨论的过程中并参考附图，本发明的其他和进一步的实施例将变得显而易见。