结构化光投射的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月28日递交的申请号为62/551,012的美国专利申请的优先权。在先的申请的内容通过引用被合并于此。

本公开涉及结构化光投射。

背景技术：

各种成像应用使用能够被集成例如在诸如智能电话、平板机、膝上计算机或个人计算机之类的主机计算设备内的紧凑光电子模块。在一些应用中，该模块包括光源来将结构化光图案投射到包括感兴趣的一个或多个对象的场景上。在一些结构化光构件中，将图案投射到主体上、获得图案的图像、将投射的图案与所收集的图案相比较，并且两个图案之间的差异与深度信息有关。因此，图案中的失真与深度有关。此类技术能够可用于低光度和低纹理对象或场景，这是因为结构化光能够提供附加的纹理(例如，用于匹配立体图像中的像素)。

技术实现要素：

本公开描述用于使用规则的发光元件阵列来创建不规则的结构化光图案的技术。

例如，在一个方面中，本公开描述一种从规则的发光元件阵列创建不规则的结构化光图案的方法。该方法包括：从均匀分布的发光元件阵列生成规则光图案，改变规则光图案以生成不规则光图案，以及在彼此相邻地布置的多个实例中复制不规则光图案。

一个或多个随后的特征存在于一些实施方式中。例如，发光元件阵列能够包括发光元件的列和行，其中，行相对于列垂直地布置，或其中，行相对于列成一角度。在一些实施方式中，发光元件阵列产生光的子图案的规则图案。在一些情况下，发光元件阵列产生光簇的网格，其中，网格在第一方向上具有共同形状的簇，并且其中，网格在与第一方向垂直的第二方向上具有不同形状的簇。

在一些实施方式中，该方法包括接收从发光元件阵列所发射的光并且将光投射到第一衍射光学元件以生成不规则光图案。不规则光图案例如可以是随机化的图案、非均匀的图案、非网格的图案、中断的图案、不匀地隔开的图案、部分被遮挡的图案、部分被阻挡的图案和/或不均等分布的图案中的至少一种。

在一些情况下，在多个实例中复制不规则图案包括产生不规则图案的均匀分布。复制不规则光图案可以包括：产生平铺图案、产生不规则光图案的多个交错的实例和/或产生不规则光图案的多个部分地重叠的实例。

本公开也描述一种包括共同可操作以发射规则光图案的发光元件阵列的结构化光投射系统。该系统另外包括：第一光学元件，被配置为改变由发光元件阵列发射的光图案以生成第一不规则光图案，以及第二光学元件，被配置为接收由第一光学元件生成的不规则光图案并且产生包括第一不规则图案的多个实例的图案。

一个或多个随后的特征存在于一些实施方式中。例如，发光元件阵列能够包括发光元件的列和行，其中，相对于列垂直地布置行，或其中，行相对于列成一角度。在一些情况下，发光元件阵列可操作用于投射光的子图案的规则图案。在一些实施方式中，发光元件阵列可操作用于投射光簇的网格，其中，网格在第一方向上具有共同形状的簇，并且其中，网格在与第一方向垂直的第二方向上具有不同形状的簇。发光元件能够例如是vcsel。

第一不规则光图案能够例如是随机化的图案、非均匀的图案、非网格的图案、中断的图案、不匀地隔开的图案、部分被遮挡的图案、部分被阻挡的图案和/或不均等分布的图案中的至少一种。

结构化光投射系统能够进一步包括投射透镜系统，该投射透镜系统可操作用于接收从发光元件阵列发射的光并且将光投射到第一光学元件。第二光学元件能够被布置为产生不规则图案的均匀分布、平铺图案、不规则光图案的多个交错的实例和/或不规则光图案的多个部分地重叠的实例。

在一些实施方式中，第一和第二光学元件中的每一个包括衍射光学元件。

本公开还描述一种包括光源的光学传感器模块，该光源包括操作为将结构化光图案投射到对象上的结构化光投射系统。模块也包括：光学传感器，其感测从由结构化光图案照射的对象反射回的光；以及处理电路，其可操作用于至少部分地基于来自光学传感器的信号来确定对象的物理特性。本公开也描述一种包括光学传感器模块的主机设备(例如，智能电话)，其中，主机设备可操作用于使用数据由光学传感器模块的光学传感器获得的数据以用于由主机设备执行的一个或多个功能。

在一些实施方式中，能够实现各种优点。例如，所公开的主题能够促进产生结构化光图案，该结构化光图案能够增强三维成像或其他系统并且可以用于增强合并在这里所描述的结构化光投射系统的智能电话和其他计算设备的操作。

根据以下详细描述、附图，和权利要求，其他方面、特征和优点将很明显。

附图说明

图1图示出结构化光投射系统的示例。

图2、图3、图4、图5和图6图示出以规则图案布置的发光元件阵列的示例。

图7图示出被布置为产生平铺光图案的结构化光投射系统的示例。

图8图示出被布置以产生交错光图案的结构化光投射系统的示例。

图9图示出投射透镜系统的示例。

图10图示出衍射光学元件的示例。

图11图示出合并结构化光投射系统的模块的示例。

图12图示出合并结构化光投射系统的主机设备的示例。

具体实施方式

本公开描述用于使用规则的发光元件阵列来创建不规则的结构化光图案的技术。如以下更详细地描述的，方法能够包括从规则的发光元件阵列(例如，均匀分布的垂直腔面发射激光器阵列(vcsel))生成规则光图案。规则光图案能够例如是均匀分布的图案、像网格的图案，或其他规则图案。该方法包括：改变所发射的规则光图案以生成光的不规则表示，并且将光的不规则表示复制为彼此相邻布置的多个实例。

图1图示出根据一些实施方式的结构化光投射系统20的示例。系统可操作用于执行在本公开中描述的各种方法。如图1所示，系统20包括诸如vcsel22之类的发光元件阵列，其能够被例如安装在模块24中的基底上。能够以规则图案来布置vcsel22。图2和图3图示出vcsel的规则图案的示例。具体地，图2和图3描绘其中vcsel阵列投射光的规则(例如，网格)图案的示例。规则图案表示发光元件的重复的(例如，一致的)图案。在一些情况下，规则图案包括大体上被布置为相对于彼此垂直的发光元件的列和行(请参见图2)。例如，能够将发光设备22的阵列布置为发光设备的网格(例如，12乘9网格)。在一些情况下，规则光图案能够包括成一角度(例如，倾斜的)规则图案。因此，在一些实施方式中，规则图案包括其中行相对于列的方向成一角度(例如，不垂直或有偏移的)发光元件的列和行(请参见图3)。

图4和图5描绘其中vcsel阵列投射光的子图案26或28(例如，光的较小簇的网格)的规则图案的示例。在一些情况下，规则图案包括发光元件22的簇26(或28)的列和行，其中将簇布置为大体上相对于彼此垂直(请参见图4)。在一些情况下，规则光图案能够包括簇28的成一角度(例如，倾斜的)规则图案(请参见图5)。因此，在一些实施方式中，规则图案包括发光元件22的簇28的列和行，其中簇28的行相对于列的方向成一角度(例如，不垂直)。

图6描绘另一个示例，其中vcsel阵列投射光的子图案的规则图案(例如，光的较小簇的网格)，其在网格的一个方向上(例如，沿着列或y轴)具有共同形状的簇30并且在网格的不同方向上(例如，沿着行或x轴)具有不同形状的簇。在一些情况下，如所描绘的，从列至列网格具有不同形状的簇(例如，在图6中标记为a、b，和c)的序列。在一些实施方式中，重复沿着行的不同形状的簇的序列(例如，a、b、c、a、b、c，等等)。

图1的系统20还包括投射透镜系统40以及第一光学元件42和第二光学元件44。如通过图7和图8所图示出的，投射透镜系统40被配置为接收从vcsel22的阵列发射的光并且将光投射到第一光学元件42。第一光学元件42被配置为改变由vcsel22的阵列发射的光图案以生成光的第一发射的不规则图案46。不规则图案46能够例如是随机化的图案、非均匀的图案、非网格的图案、中断的图案、不匀地隔开的图案、部分被遮挡的图案、部分被阻挡的图案和/或不均等分布的图案。第二光学元件44被配置为接收由第一光学元件42生成的不规则光图案46并且在第二发射的图案50中复制第一发射的图案，该第二发射的图案50包括例如在平铺图案中布置的第一发射的图案46的多个实例(请参见图7)。第二光学元件44能够例如通过平铺、分布和/或复制第一发射的图案来复制第一发射的图案46。由第二光学元件44产生的图案50能够例如是第一图案46的多个实例的规则或均匀分布的图案。因此，在一些实施方式中，从发光设备22共同地发射的光图案是光的均匀分布的图案、第一发射的图案46是不规则图案，并且第二发射的图案50是不规则图案的均匀分布。

在一些实施方式中，平铺图案50包括互相分开的第一发射的图案46相邻的实例。在一些实施方式中，平铺图案50包括以一系列列和行布置的第一发射的图案46的多个实例。在一些情况下，布置包括诸如3乘3矩阵或2乘2矩阵等等的矩阵。

在一些实施方式中，第二发射的图案50包括第一发射的图案46的多个交错的，或至少部分地重叠的实例(请参见图8)。在一些情况下，重叠的图案包括第一图案实例的至少一个要素被安置在第二图案实例的多个要素内或其之间。在一些实施方式中，尽管相邻的实例与彼此至少部分地重叠，但独立的实例的至少一些部分(例如，中央区域、大多部分，或中央区域的大多部分)能够不被相邻的实例遮挡。也就是说，在一些情况下，相邻的实例(例如，拼块)能够彼此部分地重叠，而仍保留基本上与周围拼块的区别特征(例如，未改变的)。在一些情况下，重叠的拼块中的每一个至少是20％不重叠的，或在一些情况下，甚至更多(例如，至少30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％)，其中拼块的不重叠的部分表示向第二光学元件提供的光图案(即，第一图案)。如在图8中所描绘的，交错的拼块能够包括中央不重叠的部分52和与相邻的拼块的外部重叠部分重叠的外部重叠部分54(例如，重叠边界)。

图9描绘投射透镜系统40的示例，其能够包括被布置为从发光元件22投射光的一个或多个光学组件。光学组件的各种配置是可能的。例如，投射透镜40能够包括被线性地布置并且可以通过任意适当的制造技术(例如，注塑或晶圆级制造技术)所形成的一个或多个透镜元件60、62、64。投射透镜系统40的特定光学属性能够适合于特定应用。在一些实施方式中，投射透镜系统40具有小于或等于大约5毫米(mm)的有效焦距(例如，在1.5mm-5mm范围内)。在一些情况下，投射透镜具有小于或等于大约1mm的物场高度(例如，在0.2mm-1.0mm的范围内)。另外地，透镜类型的特定配置能够适合于特定应用。在一些实施方式中，至少一个透镜元件在投射透镜系统40的远心在的物方上而没有系统孔径。然而，在一些实施方式中，投射透镜系统40包括非远心透镜设计(例如，主光角(cra)＜＞0度)并且使用一个或多个系统孔径。

能够例如将光学元件42、44实施为相应衍射光学元件，其可操作用于从由规则的发光元件阵列22所产生的光来创建期望图案的光。在一些实施方式中，衍射光学元件42、44中的一个或两者包括分割入射波束72的相应衍射光栅(例如，二维光栅)70(请参见图10)。例如，可以在单个发光元件(例如，vcsel)已经被投射透镜系统40准直之后从单个发光元件(例如，vcsel)发射进入衍射光学元件42的入射波束。

能够在任意适当的构造中形成衍射光学元件42、44。例如，在一些情况下，将衍射光学元件形成为二元透射掩模。在一些实例中，将衍射光学元件形成为位相元件，其能够包括具有分立的水平的表面起伏分布、连续分布或向入射波施加适当的相移的任意其他光学微观结构。如果衍射光栅的单位单元包含具有n个不同的位相水平的n乘n像素(其中n是奇数数量)，则能够创建n乘n衍射级次的网格。在具有15乘15级次的图10的示例中，在网格中的随机地选择的位置上选择十二个衍射级次。然后能够配置(例如，优化)衍射光学元件以仅仅照射期望的衍射级次。结果，能够产生不规则光图案。

如上面指出的，系统20的各个组件的细节能够根据特定实施方式而变化。然而，特定实施方式操作为基于平铺的、环形理想子图来产生编码的结构化光。在这种情况下，投射的图案能够例如由重复的拼块组成，每个拼块是二维环形理想子图。由系统投射的图案中的每个点被零隔离和围绕(即，没有直接相邻的光点)。图案能够具有非常高水平的随机性。此外，使用规则的(例如数百(例如，600)vcsel)阵列，投射的图案能够具有几万(例如，39,000)的点，其中，至少大约75％的点位于照相机的视场内。vcsel阵列能够在y方向(或x方向)上具有平移对称。此外，vcsel中的一些可以发射波长(即，颜色)不同于由阵列中的其他vcsel所发射的光的波长的光。第一衍射元件创建激光束的未校正的光点图案，并且第二衍射元件将未校正的光点图案倍增到矩阵(3乘3)图案中。发散角和扇出角度能够被优化以投射与彼此分开相对大的间隙的未校正的光点图案的复制。在一些情况下，由系统投射的最后的图案被色彩编码并且是均匀的。

如图11中所图示的，能够将结构化光投射系统(包括规则的vcsel阵列或其他发光元件22、投射透镜系统40和衍射光学元件42、44)作为模块100的一部分来集成。能够将vcsel22安装在与光学组件(例如，40、42、44)通过间隔物104分开的印制电路板或其他基底102之上，该间隔物104在vcsel22和投射透镜系统40之间建立良好定义的距离。间隔物104横向围绕vcsel22并且充当模块的侧壁。在一些情况下，模块是紧凑的，具有相对小的印迹和小的z高度。

能够例如与诸如三维成像和视频系统等等的各种成像系统相关联地使用用于创建和投射结构化光的在以上描述的系统和方法。此外，如上所述的结构化光投射系统，或合并此类结构化光投射系统的模块能够被集成到诸如可以具有网络能力的智能电话、膝上计算机、可穿戴设备和其他计算设备的等等的大范围的主机设备中。主机设备可以包括处理器和其他电子组件，和诸如照相机、飞行时间成像器等等的被配置用于收集数据的其他补充模块。可以包括其他补充模块，诸如环境照明、显示屏、汽车前灯，等等。主机设备可以另外包括非易失性存储器，在其中存储用于操作光电子模块(在一些实例中，补充模块)的指令。

图12图示出光电系统的示例，该光电系统包括如上所述的并且操作为将结构化光图案128投射到感兴趣的场景126中的一个或多个对象上的结构化光投射器20。在一些实施方式中，投射的图案由频谱的ir或接近ir区域中的光组成。来自投射的图案128的光能够被场景126中的对象(多个)反射并且由包括对由光投射器20所发射的光的波长敏感的在空间上分布的光敏组件(例如，像素)的图像传感器122来感测。在一些情况下，诸如透镜130等等的一个或多个光学元件帮助朝向图像传感器122引导从场景126反射的光。能够例如由处理电路读出和使用所检测的信号以用于立体匹配以生成三维图像。处理电路能够是可操作的以至少部分地基于来自传感器的信号来确定对象的物理特性，和/或使用由光学传感器所获得的数据以用于由主机设备执行的一个或多个功能。例如在提供附加的纹理用于在立体图像中匹配像素时，使用结构化光能够是有利的。

在一些实施方式中，光投射器20、透镜128和图像传感器122被集成在主机计算设备(例如，智能电话)内。在此类情况中，光投射器20、透镜28和图像传感器22能够被安置在主机设备的正面盖玻片124下面。由光投射器20所发射的结构化光能够产生被投射到主机设备外部的场景126中的对象上的离散特征的图案128(即，纹理或编码光)。在一些实例中，光投射器20、透镜128和图像传感器122是同一光电子模块的组件。在其他实施方式中，光投射器20能够是没有被集成到与图像传感器122和/或透镜128相同的模块中的分立组件。另外，光投射器210也能够被用于其他类型的应用(例如，接近感测、使用三角测量的距离确定)中并且不局限于以上提出的成像应用。

在一些实例中，如上所述合并结构化光投射系统的模块能够获得与其他技术相比更准确的数据。因此，能够更准确地执行由主机设备基于从结构化光投射系统发射的信号所执行的功能，因此给予智能电话或其他主机设备实质的优点。

尽管参考各种优选的实施例来描述本公开的大框架，但其他实施方式可以包括在本公开中描述的要素的组合和子组合。例如，在一些情况下，关于以上不同的实施方式所描述的特征可以与相同的实施方式组合。因此，其他实施方式处于权利要求的范围内。