用于激光散斑减少的超表面的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月2日提交的标题为“metasurfacesforlaserspecklereduction”的美国临时申请号62/693,065的利益，该临时申请的内容通过引用被全部并入本文。

发明领域

本发明涉及照明，且特别是涉及用激光器照明。

背景

许多应用依赖于用结构光、泛光照明或者经设计的照明图案对场景进行照明。当反射光以某种方式例如在三维感测中被处理时或者当对二维图像执行另外的处理步骤时，这样的照明是有用的。

在机器视觉系统中，正确的照明是特别重要的。在这样的系统中，被照射的结构的精确结构、纹理和对比度的知识在由机器视觉系统检查的物品的后续处理中是重要的。

由于它的低成本、窄输出光束、窄带宽和高照明水平，用于这样的照明的常用设备是垂直腔表面发射激光器或“vcsel”。

像大多数激光器一样，vcsel输出相干光。这在照射粗糙表面时造成困难。这样的表面引起可能干扰照射光束的反射。这导致在小区域上的具有信号强度的大变化的随机图案。这样的图案通常被称为“散斑(speckle)”。

散斑消极地影响处理代表图像的数据的任何算法的准确性。

概述

可以通过促进照明的分集(diversity)来抑制散斑。示例包括增加入射角(光以该入射角照射场景)的数量，增加用于照射场景的波长的数量，增加用于照射场景的不同偏振的数量，以及在照明和随后的记录或成像的过程期间改变光的图案。这些形式的分集在本文被称为角分集、波长分集、偏振分集和时间分集。

本文所述的装置和方法至少部分地依赖于与使用一种或更多种前面提到的技术抑制散斑的形成相关的超表面(metasurface)。

在一个方面中，本发明特征在于启用超表面的照明器，该启用超表面的照明器经由光条穿过照明孔复制照明源。该实施例通过减小空间相干性来增加角分集。

在另一方面中，本发明特征在于启用超表面的设计，该启用超表面的设计使在单个vcsel阵列中的vcsel的输出波长单独地多样化(diversify)，从而增加波长分集。

在又一方面中，本发明特征在于在另一光学元件上扩展vcsel阵列的图像以增加空间不相干性和角分集的光学元件。

用于起超表面的作用的合适的光学元件包括对放置和组装误差都是鲁棒的并且形成总体超表面的扩散元件。典型的超表面包括嵌在介质中的纳米结构，纳米结构具有与介质的折射率不同的折射率，以便起衍射中心的作用。

在一个方面中，本发明特征在于用于照射物体的照明系统。这样的系统包括照明源、耦合器、光条和图案化超表面。耦合器将来自照明源的光耦合到光条中。在经历了光条内的全内反射之后并且在与图案化超表面相互作用之后，光离开光条并朝着物体传播。

在一些实施例中，超表面在光条的表面上被图案化。实施例包括超表面在顶表面上被图案化的实施例和超表面在底表面上被图案的实施例。顶表面和底表面分别离被照射的物体最近和最远。

实施例包括其中图案化超表面包括具有均匀高度的纳米结构的实施例。这些纳米结构嵌在介质中。在所使用的波长处，纳米结构具有比它们嵌入的介质更高的折射率。在这些实施例之中有纳米结构在该波长处的折射率大于二的实施例、介质是空气的实施例以及介质在该波长处的折射率小于二的实施例。

另外的实施例包括来自照明源的光在沿着图案化超表面的多个衍射位置处被复制的实施例。在这些实施例之中有复制品被分开的距离大于照明源的相干长度的实施例和复制品是不相干的实施例。

在一些实施例中，来自照明源的光形成在光条的顶表面上的复制品，作为其结果，光在入射时被衍射并被重定向到自由空间中。其他光形成在光条的底表面上的复制品。在这种情况下，由于与图案化超表面的相互作用，入射在底表面上的光被衍射，因而使光在光条内不再被全内反射并因而被重定向到自由空间中。

在其他实施例中，光条的有效孔等于它的暴露表面。

在其他实施例中，光条使得物体上的照明的分集大于在没有光条的情况下物体被直接照射的情况下的照明的分集。

在其他实施例中，光条使物体上的散斑比物体在没有光条的情况下被直接照射时具有的散斑少。特别是，散斑的对比度降低。

实施例还包括图案化超表面是部分地反射和部分地透射的实施例以及图案化超表面具有非零反射系数和到期望级内的非单一衍射的实施例。

在实施例之中还有气隙将图案化超表面与光条分开的实施例。在一些实施例中，气隙是不变的。但在其他情况下，它是可变的。在特定实施例中，气隙线性地改变。

在另一方面中，本发明特征在于用于照射物体的照明系统。这样的系统包括具有针对输出光的设计波长的vcsel阵列。vcsel阵列包括激光器和图案化超表面。图案化超表面引起每个激光器的输出波长偏离设计波长的变化。作为结果，激光器输出在不同波长处的光。

在一些实施例中，图案化超表面使由激光器输出的光从设计波长改变大于二十纳米。

实施例还包括图案化超表面包括第一层和第二层的实施例。在这些实施例之中有第一层在设计波长处是透射的以及第二层向不同的激光器赋予不同的相移的实施例。在这些实施例之中还有第二层是在设计波长处具有超过90％的反射率的反射层的实施例、第二层是电介质反射镜以及第一层是为不同的激光器赋予不同的相移的超表面的实施例、第二层在所有不同的波长下都是反射的实施例以及第一层和第二层由均匀厚度的并具有低折射率的材料分开的实施例。

在一些实施例中，图案化超表面包括具有均匀高度和第一折射率的纳米结构。纳米结构由具有第二折射率的介质包围。第一折射率超过第二折射率。在这些实施例之中有第一折射率为至少二的实施例以及图案化超表面具有占空比作为参数的实施例。在这些实施例中，通过改变占空比而引入的相移的范围产生相应范围的发射波长。

在另一方面中，本发明特征在于用于照射物体的照明系统。照明系统包括vcsel阵列和复制层。该阵列包括多个源，每个源是vcsel。源发射在不同波长处的光。布置在阵列上方的复制层为每个源形成多个合成源。这些合成源相对于彼此是不相干的。

在一些实施例中，复制层包括衍射光栅。

在其他实施例中，复制层包括图案化超表面。在这些实施例之中有超表面被配置成既衍射光以形成合成源又使来自合成源的光束成形的实施例。

在另一方面中，本发明特征在于包括具有补片(patches)的扩散器的装置。每个补片包括超表面。每个超表面包括嵌在介质中的纳米结构。纳米结构具有比介质的折射率大的折射率。每个超表面执行不同的光学功能。

实施例包括补片随机地排列的实施例和补片在有序排列中的实施例。

实施例还包括补片执行从由光束转向、光束成形、准直和起透镜的作用组成的组中选择的任两种功能的实施例。

另外的实施例包括照射光入射在一组补片上并且该组补片对照射光执行功能的实施例。该功能是由该组中的单独补片执行的功能的平均值。

另外的实施例包括每个补片具有矩形边界的实施例以及每个补片具有基于voronoi单元的边界的实施例。

还有其他实施例包括补片具有随机边界的实施例、补片具有准随机边界的实施例以及补片定义有序平铺的实施例。

如在本文所使用的，术语“超表面”和“超颖层”可互换地使用。在任一情况下，该术语指包括电介质纳米颗粒的分布的电介质的区域，电介质纳米颗粒战略性地按大小被排列和放置，以便以特定方式与光相互作用。通过类比，由人戴着的处方眼镜以特定的方式与光相互作用以在视网膜处实现光的期望分布。他们这样做主要是由于他们的形状。超表面或超颖层可以被认为是处方眼镜，其使用纳米颗粒的分布而不是它的整体形状，以便做同样的事情。

本发明的这些和其他特征从下面的详细描述和附图中将变得明显，其中：

附图简述

图1示出了照明系统；

图2示出图1的照明系统的平面图；

图3示出了在图1和图2的照明系统上的图案化超表面的配置；

图4示出了在图1和图2的照明系统上的图案化超表面的附加配置；

图5是示出作为在有和没有图1和图2所示的类型的光条的情况下的照明源的不同配置的结果的照明波纹的表；

图6示出了使用图案化超表面来在vcsel阵列中产生波长分集；

图7是示出使用图6的图案化超表面的输出波长的示例性变化的表；

图8示出了在由图6的图案化超表面实现的vcsel阵列上的示例性波长分布；

图9示出了用于复制源以创建在空间上不相干的合成源的复制层；

图10示出了图1的光条的实施例；

图11示出了拼缀扩散器，其中每个补片是超表面；以及

图12示出了合并前述特征中的多个特征的照明系统。

详细描述

图1示出了照明系统10，其中光条12沿着纵轴14从第一端16延伸到第二端18。在所示的实施例中，光条12具有矩形横截面，该矩形横截面限定沿着纵轴延伸的四个表面。在这些表面之中有具有一行图案化超表面22的照明表面20，每个超表面限定衍射部位24。在操作中，至少一些光通过每个衍射部位24离开光条12，并朝着待照射的物体26行进。所示的实施例示出了分立的图案化超表面22。然而，可选的实施例特征在于沿着光条12的照明表面20延伸并且对于每个衍射部位24具有分立区域的超表面22。

光条12包括电介质，例如玻璃。然而在一些实施例中，如图10所示，光条12在顺应性聚合物上形成。这允许光条12缠绕在表面周围。

在第一端12处的耦合器28将来自vcsel的光耦合到光条10中，使得光以一角度进入，该角度使光在其穿过光条12朝着第二端传播时经历全内反射。合适的耦合器28是棱镜、反射镜或衍射表面。在一些实施例中，耦合器28在来自vcsel的光进入光条12之前使光准直或以其他方式对该光进行初步处理。在这种情况下，耦合器28使用超表面、透镜子组件或反射镜小面/棱镜系统来执行准直。

当来自vcsel的光通过光条12传播时，它经历全内反射。作为结果，光落在每个图案化超表面22上。这导致由耦合器28提供的原始图像32的一系列复制图像30，如在图2中的平面图中所示的。这样的复制品30的数量和在它们之间的间距取决于特定的波模式。

在任何情况下，每当与复制品30相关联的光入射在这些衍射部位24中的一个上时，光中的一些辐射到自由空间中，而光的其余部分反射回到光条12中以继续它沿着轴14的行程。在衍射部位24处辐射到自由空间内的光是最终照射物体的光。

当光通过衍射部位24离开时，每个图案化超表面30处理光，以努力减少在物体26处的散斑。在衍射部位24处的图案化超表面22不需要与在其他衍射部位24处的图案化超表面22相同。

图案化超表面22将由该模式携带的至少一些但不是全部能量衍射到自由空间中，使得它可用于照射物体26。因此，每个图案化超表面22起朝着将被照射的物体26引导光的独立光源的作用。

图案化超表面22的存在提供了某些优点。

首先，图案化超表面22能够使光束成形，使得光根据期望的图案照射物体26。因此，如果均匀照明是期望的，则图案化超表面22可以补偿在没有图案化超表面22的情况下由来自光条12的不均匀照明图案以其他方式所补偿的东西。

第二，在连续衍射部位24之间的距离可以被选择为比vcsel的相干长度更长。这个非相干照明降低了散斑的可能性。

此外，光经由衍射事件进入自由空间。这消除了任何零阶模式，同时也提高了眼睛安全性。

光在具有折射率n的介质中传播的相干长度用公式确定。波长λ和带宽δλ由下式给出：

在vcsel提供具有1纳米带宽的940纳米光的情况下，光通过具有1.45的折射率的玻璃，相干长度为大约270微米。通过将衍射部位24沿着光条12定位在大于该相干长度的距离处，降低与在物体26上看到的任何散斑相关联的对比度变得可能。该对比度降低的程度将取决于沿着光条12存在的不相干复制图像30的数量。特别是，对比度将降低，降低值为与这种复制图像30的数量的平方根相等的因子。

虽然不是需要的，但是在第二端18处提供反射镜34是有用的。这将允许没有离开光条12的光。然而，通过图案化超表面22的适当设计，确保基本上所有的光从光条耦合出也是可能的。

图3示出了如何在光条的顶层处设计超表面22的示例。上行示出了在超表面22上的相位梯度的横向和纵向视图。这样的相位梯度允许光在出射时被准直，以创建照明图案或者再现点的图案，如在结构光应用中的情况一样。

图4示出了部分衍射超表面22的实现。图4的顶行示出了超表面层36的两种放置。在顶行的左侧面板中，最终照射物体26的光在透射通过超表面层36之后照射物体。相反，在顶行的右侧面板中，最终照射物体26的光在从超表面层36反射之后照射物体。

图4的底行示出了具有反射率的超表面层36，该反射率随沿着光条的纵轴的位置的变化而变化。这允许超表面层36具有朝着光条的第二端18单调地降低的反射率。这种形式的在空间上变化的反射率沿着光条12产生更均匀的照明。在该实施例中，反射率的变化来自于使用受抑全内反射来创建部分反射镜。

在左侧实施例中，反射沿着长度保持不变。然而，在右侧实施例中，由于线性地减小光条12和顶部超表面层36之间的气隙38，反射系数指数地变化。由于受抑全内反射的现象，导致到超表面层36内的透射的泄漏指数地增加。因此，图3和图4示出了如何在光条12的照明表面上设计部分地反射的超表面以及如何设计反射以在光从光源传播得更远时提供反射比的指数下降。这导致物体26的更均匀的照明。

图5是示出当使用如本文所述的光条12时与有散斑的照明相关的散斑对比度的降低的表。从由没有光条12的单个vscel的照射产生的散斑对比度被任意选择为100％作为基线值。可以看到，将小光条添加到单个体素将这个对比度降低到原来的22％。

图6示出了利用vcsel激光器的阵列作为照明源来实现波长分集的配置。

一般来说，包括vcsel的阵列的激光器在同一工艺中使用同一管芯一起被制造。因此，由每个激光器发射的波长将是相同的。在激光器之间的这种变化的缺乏常常被认为是合乎需要的特征。然而，它确实有促进在被照射物体上的散斑的缺点。

为了引入波长分集，避免这种制造变化性的缺乏是必要的。这通过使用图案化超表面以使在同一vcsel阵列中的不同激光器共振并在稍微不同的波长处发射来实现。

图6示出了来自vcsel阵列38的第一激光器40和第二激光器42。每个激光器40、42以量子阱44为特征。量子阱44位于分布式布拉格反射器46的顶部上。常规激光器将在量子阱44的另一侧上具有另一个分布式布拉格反射器。然而在图6中，这由图案化超表面50代替。图案化超表面50具有小于波长的单位单元。因此，激光器的孔48充满相同的单位单元。作为结果，在孔48上没有相移。

图案化超表面50或另一个分布式布拉格反射器朝着量子阱44将光反射回。然而，图案化超表面40也将相移赋予到这个光。这个相移改变激光器的腔的有效长度，且因而改变它的共振。作为结果，相移干扰激光器的输出波长。通过在不同的激光器40、42上使用稍微不同的图案化超表面50，干扰由每个激光器40、42输出的波长是可能的。这导致波长分集，波长分集又减少散斑。

图案化超表面50通常是被蚀刻以形成亚波长纳米结构的电介质层。用于在电介质层中使用的合适材料包括硅、砷化镓、砷化铟镓或在vcsel制造中常规使用的材料。

在一些实施例中，图案化超表面50仅具有单个层。在这些实施例中，反射和相移都出现在该单个层内。如图6所示，其他实施例包括第一超表面层52和第二超表面层54，每个超表面层的厚度是大约一个波长。

在该第二实施例中，第一超表面层52主要是透射的。该第一超表面层52将相移赋予到入射光上。第二超表面层54具有高反射率，且因此充当反射镜。

使图案化超表面50作为激光器40、42的一部分意味着激光器的输出波长可以在最终的光刻步骤中被定义，同时在阵列中的所有激光器中保持激光器的相同的剩余结构。

相移通过改变激光器的有效腔长度来干扰激光器的输出波长。该有效腔长度由腔的标称长度l和附加长度之和给出，该附加长度从对出现的各种相移求和产生：

其中：

·leff是有效腔长度，

·l是腔的标称长度，

·λ是设计波长，

·是由第一超表面层52赋予的相移，

·是在反射期间由第二超表面层54赋予的相移，以及

·是在反射期间由分布式布拉格反射器46赋予的相移。

激光器40、42的输出波长于是由腔共振条件给出：

其中n是在腔上取平均的vcsel结构的群折射率，以及m是表示在腔中配合的积分波长的数量的整数。作为结果，激光器40、42的输出波长可以任意被选择，只要它保持被反射镜超表面反射。该输出波长由下式给出：

vcsel是短腔激光器。这意味着m很小。因此，可以通过适当地设计图案化超表面来覆盖大范围的波长。

如在图7中的示例性计算中所示的，使用这个相移来将甚至中等尺寸的腔的输出波长改变相当大的数量是可能的。作为额外的好处，抑制不希望有的激光模式也是可能的。这可以通过将所设计的发射波长与为该波长设计的适当反射超表面重叠来完成。

散斑对比度的有用的定义是散斑场的强度的标准偏差与它的平均强度之比，使用前述定义，通过这种类型的构造获得的散斑对比度的降低可以由下面的等式量化：

其中：

·c是散斑对比度，

·分别是照明中心频率和波长，

·δν是照明带宽(假设高斯强度分布)，

·σh是被照射表面均方根粗糙度，以及

·θo，θi分别是相对于表面的输出光线角度和输入光线角度。

从检查中明显的是，对比度c与c～δν^-1/2一样起作用。因此，使照明带宽增加9倍(这大致相当于使用led来代替vcsel)将对比度降低了3倍。在实际系统中，增益可能大于上面的理论预测。

在某些应用中，向超表面赋予额外的相位梯度以分散、衍射或引导离开vcsel的光可能是有益的。

图8示出了第一vcsel阵列56和第二vcsel阵列58。每个阵列具有以相应的第一波长和第二波长输出光的第一激光器60和第二激光器62。在第一波长和第二波长之间的差异小于在第一波长和来自阵列56、58的任何其他波长之间的差异。

在第一阵列56中，激光器按波长被分组，使得第一激光器60和第二激光器62是相邻的。这导致第一阵列56上的波长梯度。在第二阵列58中，第一激光器60和第二激光器62不再相邻。

从图8明显的是，通过适当地制造超颖层，在阵列56、58上创建波长源的任意分布是可能的。

关于图6描述的波长分集的创建以角分集为代价出现。对于给定的波长，物体26将被较少的激光器照射。

图9通过使激光器40的光束穿过复制层64来减轻这一困难。复制层64有效地复制每个光束。然后，所复制的光束将充当不同的源，该不同的源用从不同角度入射的光照射物体26。这促进了角分集。

在一些实施例中，复制层64包括将每个光束复制到多个衍射级或角度内的衍射光栅。在其他实施例中，复制层64包括另一个图案化超表面。在后一种情况下，图案化超表面可以被配置为衍射和准直两者。此外，图案化超表面可以在不同位置66处具有不同图案，以便针对用于照射该位置的特定激光器40进行优化。

复制层64的高度超过最小高度，以便确保在空间上分离的复制光束之间的相干性的破坏。换句话说，通过使用单独vcsel的低时间相干性，破坏从复制层64出现的在空间上分离的光束的空间相干性是可能的。这从下面的等式得出：

其中：

·l是相干长度，

·n是介质的折射率，光通过该介质传播，

·λ是照射波长，以及

·δλ是照明的带宽。

只要在从同一点衍射并落在物体26上的两个光束之间的路径长度差长于l(其为复制层64的厚度以及衍射角的函数)，则所复制的光束就是相互不相干的。

通过在整个阵列38上重复这个过程，激光器40实际上可以被复制到合成源中。来自这些复制的光填充在物体26处的大空间范围。这通过增加被照射的场景的角分集来减少散斑。

不管复制层64是否采取衍射光栅或另一图案化超表面的形式，其都可以被修整以通过改变那个超表面或光栅的纳米结构并调节它以对于特定激光器的波长展示最大设计效率来独立地针对每个激光器40或激光器40的集合起作用，该特定激光器照射复制层64的那个部分。超表面设计还可以包括与衍射光栅集成的光束成形能力。

可选的扩散器提供更均匀的照明。在一些情况下，扩散器是折射扩散器，其中小透镜统计地或者根据一些设计被分布，以便以不同的图案聚焦或准直光。在这种扩散器中，控制透镜的尺寸和曲率半径的分布是可能的，以便实现一些期望的照明强度分布。

然而，这种扩散器被这些透镜可以采取的形式限制。作为实际问题，这些透镜是简单的球面透镜。因此，自由度的数量受限于曲率半径和尺寸。只有当微透镜元件的远场分布的整体聚集在远场中时，定制的强度分布才形成。

可选的方法是从超表面的整体形成扩散器。在这样的情况下，设计不被对依赖于球面透镜的需要限制。因此，这些超表面可以被配置为执行不同的功能。

图11示出了由补片68制成的扩散器66的平面图，每个补片是具有散射元件的不同布置的不同超表面。尽管所示的补片68是矩形的，但这仅作为例证。每个补片68一般在尺寸上是多个波长。

在一些实施例中，一些补片68执行光束转向功能。在这样的实施例中，每个补片68将光束引导到某个角度内。然后，可以通过为每个子部件指定相位剖面(phaseprofile)的适当分布来再现远场强度分布。

特定源40在被复制层64复制之后可以照射几个补片68。如在展开图中所示的，第一补片70和第二补片72可以具有实质上不同的设计。在所示的示例中，第一补片70示出了闪耀光栅的设计，以及第二补片72示出了发散透镜的设计。

在第一补片70和第二补片72中所示的超表面74在形式上是圆形的。然而，其他实施例特征在于椭圆形的、矩形的、三角形的、多边形的、由参数曲线描述的或由贝塞尔(bezier)曲线描述的超表面。

图12示出了组合一些前述特征以减少照明中的散斑的照明系统。

图12的左侧示出了在vcsel阵列38上的激光器40处开始的光线的光线路径。光线穿过布置在vcsel阵列38上方的复制层64。阴影示出目标，相同的波长入射在该目标上。复制层64复制光线，每条光线入射在扩散器66上的不同超表面补片68上。

图12的右侧示出了与在左侧上的结构相同的结构，但是不同超表面的示意性表示被示出。在右侧图示中更清楚地看到在所示的复制层64中的超表面补片和交叉光栅。覆盖在每个激光器40上并干扰激光器的输出频率的不同纳米结构也可以在图12中的右侧图示中清楚地看到。

在描述了本发明及其优选实施例后，被主张为新的并被专利证书保护的是所附权利要求的内容。