发射器阵列相对于基板的直线轴线的非零角度取向

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年10月28日提交的、题为“通过相对于相机轴线引入旋转角度的光斑投射器图案随机性(DOT PROJECTOR PATTERN RANDOMNESS BY INTRODUCING AROTATION ANGLE RELATIVE TO CAMERA AXES)”的美国临时专利申请No.63/263,201的优先权，其内容通过引用整体并入于此。

技术领域

本发明大体上涉及结构光系统和所述结构光系统的光斑投射模块。

背景技术

结构光系统可包含发射器阵列(例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列)、透镜、以及衍射光学元件(DOE)。在操作中，由发射器阵列的发射器发射的光通过透镜准直，并且准直光束(每个对应于相应的发射器)被引导到DOE。DOE分配该准直光束从而产生光斑投射(例如，准直光束的投射)。更具体地，DOE衍射给定光束，使得给定光束的衍射级由DOE以不同角度透射。衍射的角度范围发生在相对于DOE表面的、被称为视场(FOV)的角度范围内。FOV可以是例如60度FOV、90度FOV等。这些不同定向的衍射级在FOV中形成光斑投射(例如，包括数千或数万个光斑)。

发明内容

在一些实施方式中，一种结构光系统包括：相机模块；以及光斑投射模块，所述光斑投射模块包括：基板、设置在所述基板上的发射器阵列、以及设置在所述发射器阵列上方的衍射光学元件(DOE)，其中：所述发射器阵列包括以周期性发射器图案布置的多个发射器，并且所述发射器阵列相对于所述基板的直线轴线以第一非零角度定向。

在一些实施方式中，光斑投射模块包括基板；以及发射器阵列，所述发射器阵列设置在所述基板上，其中：所述发射器阵列包括以周期性发射器图案布置的多个发射器，并且所述发射器阵列相对于所述基板的直线轴线以第一非零角度定向。

在一些实施方式中，一种结构光系统包括：相机模块；以及光斑投射模块，所述光斑投射模块被配置为生成光斑投射，其中：所述光斑投射包括多个光斑，所述多个光斑对应于所述光斑投射模块的发射器阵列的多个发射器的周期性发射器图案；并且所述光斑投射相对于所述相机模块的视场的直线轴线以第一非零角度定向。

附图说明

图1为本文描述的示例性结构光装置的示意图。

图2为本文描述的光斑投射模块的示例性配置的示意图。

图3为本文中的光斑投射的示例性配置的示意图。

具体实施方式

示例实施方式的以下详细说明参考附图。不同附图中的相同参考标记可以标识相同或相似的元件。

三维(3D)感测飞行时间(ToF)装置(比如ToF相机)可以包括发射器阵列(例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列)、透镜、以及衍射光学元件(DOE)。在操作中，由发射器阵列的发射器发射的光(例如，红外(IR)光)通过透镜准直，并且准直光束(每个对应于相应的发射器)被引导到光学元件。光学元件分配准直光束以在对象上产生光斑投射(例如，准直光束的投射)。更具体地，光学元件衍射给定光束，使得给定光束的衍射级以不同角度透射。3D感测ToF装置可以包括一个或多个附加元件(例如，一个或多个传感器和/或处理器)，以感测光斑投射并基于光斑投射进行关于对象的一个或多个测量。

在许多情况下，ToF相机的视场(FOV)的x和y方向上的光斑投射的光斑的不均匀性有助于一个或多个附加元件获得关于对象的准确测量。例如，光斑之间的间隔和/或光斑沿着(或平行于)ToF相机的FOV的轴线的放置应该是不均匀的。通常，这通过使发射器阵列内的发射器的位置随机化来实现。然而，为了获得特定光斑计数，需要光学元件(例如，DOE和/或漫射器)来生成零阶图案(zero-order pattern)的多个高阶拼块(tile)(例如，当不存在DOE和/或漫射器时，与发射器阵列相关联的光斑的投射)。零阶图案的重复平铺拼接(repeat tiling)减少了光斑投射的整体光斑图案的不均匀性，因为零阶图案沿着ToF相机的FOV的x轴和y轴重复多次。在一些情况下，拼块可以被移位以增加整体光斑图案的不均匀性，但是仅在一个方向上(例如，沿着特定轴线而不是沿着其他轴线)。

本文描述的一些实施方式提供了一种结构光系统，其包括相机模块和光斑投射模块。光斑投射模块包括基板、设置在基板上的发射器阵列、设置在发射器阵列上方的透镜以及设置在透镜和发射器阵列上方的DOE。发射器阵列包括以周期性发射器图案(例如，二维周期性图案)布置的多个发射器，并且发射器阵列相对于基板的直线轴线以非零角度定向。因此，光斑投射模块生成光斑投射(例如，来自由发射器阵列的多个发射器发射的光)。光斑投射包括多个拼块，其中每个拼块包括符合与周期性发射器图案对应的周期性光斑图案的多个光斑(例如，周期性光斑图案的每个光斑与发射器图案的发射器相关联)。在一些实施方式中，光斑投射116相对于相机模块的FOV的一个或多个直线轴线以非零角度定向。

以这种方式，本文描述的一些实施方式增加了相机模块的FOV的x和y方向上的光斑投射的不均匀性。因此，与使用常规发射器阵列(例如，不具有非零角度取向)产生的光斑投射相比，该光斑投射在相机模块的FOV的x和y方向上更不均一，这允许相机模块获得对由光斑投射照射的对象的更准确的测量。

图1是本文描述的示例性结构光装置100的示意图。如图1所示，结构光装置100可包括光斑投射模块102。光斑投射模块102可以包括例如基板104、包括多个发射器108(例如，以发射器图案110布置)的发射器阵列106、透镜112和/或光学元件114。

发射器阵列106的多个发射器108可以被配置为发射光，并且可以包括例如多个发光二极管(LED)、多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、多个其他类型的垂直发射(例如，顶部发射或底部发射)激光器装置和/或其他类型的发光装置。多个发射器108可以以发射器图案110布置(例如，在发射器阵列106的芯片的表面中)，这在本文中关于图2进一步描述。

基板104可以包括用于保持发射器阵列106(例如，在光斑投射模块102的内部部分内)的结构。基板104可包括(例如)经配置以附接到发射器阵列106的芯片上的结构(例如，其包括金属材料、介电材料、半导体材料或其他材料)。发射器阵列106的芯片可以包括例如聚合物介电材料，比如FR4(例如，由具有环氧树脂粘合剂的编织玻璃纤维布制成的阻燃或自熄复合材料)、陶瓷材料(例如，高温共烧陶瓷(HTCC)材料或低温共烧陶瓷(LTCC)材料)、半导体材料(例如，包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)和/或锗(Ge))或其他材料。如图1所示，并且如本文关于图2进一步描述的，发射器阵列106可以设置在基板104上，并且可以相对于基板104的直线轴线以非零角度定向。

透镜112可以包括玻璃透镜、聚合物透镜或其他透镜，并且可以被配置为准直光(例如，由多个发射器108发射的光)和/或将光引导到光学元件114。光学元件114可以包括衍射光学元件(DOE)、漫射器和/或类似的光学元件，并且可以被配置为衍射光(例如，由多个发射器108发射的光和/或由透镜112引导到光学元件114的光)。透镜112可以设置在发射器阵列106上方，并且光学元件114可以设置在发射器阵列106和/或发射器阵列106上方。例如，如图1所示，光学元件114、透镜112和发射器阵列106可以在“堆叠”中对准(例如，其中光学元件114、透镜112和发射器阵列106与参考线(比如透镜112的光轴)对准)。

在一些实施方式中，光斑投射模块102可以被配置为生成光斑投射116(例如，从由发射器阵列106的多个发射器108发射的光)。例如，发射器阵列106的多个发射器108可以被配置为发射光，透镜112可以被配置为准直光和/或将光引导到光学元件114上，并且光学元件114可以被配置为在场景(例如，包括目标和/或对象)上生成光斑投射116。光斑投射116可以包括多个拼块，其中每个拼块包括符合对应于发射器图案110的光斑图案的多个光斑(例如，光斑图案的每个光斑与发射器图案110的发射器108相关联)。在本文中关于图3进一步描述光斑投射116。

在一些实施方式中，结构光装置100可包括相机模块118。相机模块118可以被配置为检测反射光120(例如，由场景反射到相机模块118的光斑投射116的光)。相机模块118可以包括透镜122和/或光学传感器124。透镜122可以包括玻璃透镜、聚合物透镜或其他透镜，并且可以被配置为聚焦光(例如，反射光120)和/或将光引导到光学传感器124。光学传感器124可以包括多个传感器元件126。传感器元件126可以被配置为获得关于入射在传感器元件126上的(例如，反射光的)光束的信息(例如，在由透镜122聚焦和/或引导之后)。因此，光学传感器124可以被配置为收集由多个传感器元件126获得的信息，以生成与场景相关联的传感器数据(例如，以测量目标和/或对象)。

透镜122可以设置在光学传感器124上方。例如，透镜122和光学传感器124可以在“堆叠”中对准(例如，其中透镜122和光学传感器124与参考线(比如透镜122的光轴)对准)。

如上所述，图1是作为示例提供的。其它示例可以不同于关于图1所描述的示例。

图2是本文描述的光斑投射模块102的示例性配置的示意图200。如图2所示，光斑投射模块102可以包括基板104、包括多个发射器108的发射器阵列106、透镜112和/或光学元件114(例如，如本文关于图1所述的)。

如图2中进一步所示，发射器阵列106可以以发射器图案110布置。在一些实施方式中，发射器图案110可以是周期性发射器图案，比如倾斜二维发射器图案、矩形二维发射器图案、居中矩形二维发射器图案、正方形二维发射器图案、六边形二维发射器图案和/或其他周期性二维发射器图案。因此，在一些实施方式中，发射器图案110可以对应于单斜二维布拉维晶格(Bravais lattice)、正交二维布拉维晶格、四方形二维布拉维晶格和/或六边形二维布拉维晶格。

如图2中进一步所示，发射器图案110可以与发射器阵列106(例如，发射器阵列106的芯片)的一个或多个直线轴线(在图2中示出为x轴和y轴)对准。因此，发射器图案110可以具有在发射器阵列106的x方向上的发射器间距D

如图2中进一步所示，发射器阵列106(例如，发射器阵列106的芯片)可以相对于基板104的一个或多个直线轴线(在图2中示出为x轴和y轴)以非零角度定向。例如，如图2所示，发射器阵列106可以相对于基板104的x轴以非零角度α

附加地或替代地，光学元件114可以相对于基板104的一个或多个直线轴线以非零角度定向。例如，当光学元件114具有矩形形状(例如，光学元件114具有四条边，例如具有内部直角)时，光学元件114的一个或多个直线轴线可以分别与发射器阵列106的一个或多个直线轴线对准(例如，光学元件114可以相对于发射器阵列106的一个或多个直线轴线以近似零的角度定向，例如在公差内的零度，公差可以小于或等于1度)。因此，光学元件114可以相对于基板104的一个或多个直线轴线、以与发射器阵列106相同的非零角度定向。

如上所述，图2是作为示例提供的。其它示例可以不同于关于图2所描述的示例。

图3是本文描述的光斑投射116的示例性配置的示意图300。光斑投射116可以由光斑投射模块102从由发射器阵列106的多个发射器108发射的光生成(例如，如本文其他地方所述)。

如图3所示，光斑投射116可以包括多个光斑302。多个光斑302可以对应于光斑投射模块102的发射器阵列106的多个发射器108的发射器图案110(例如，如本文关于图1和图2所述)。例如，光斑投射116可以包括多个拼块304(例如，以拼块的二维阵列布置)，其中每个拼块304可以包括多个光斑302中的光斑302的子集。光斑302的子集可以符合光斑图案306，该光斑图案306对应于发射器阵列106的多个发射器108的发射器图案110的(例如，光斑图案306的每个光斑302与发射器图案110的发射器108相关联)。例如，拼块304可以是发射器图案110的光学投射，并且因此，光斑图案306(例如，如图3所示)可以包括与发射器图案110的多个发射器108(例如，如图1和图2所示)相同数量和相同布置的光斑302。以此方式，光斑图案306可为周期性光斑图案，比如倾斜二维光斑图案、矩形二维光斑图案、居中矩形二维光斑图案、正方形二维光斑图案、六边形二维光斑图案及/或其他周期性二维光斑图案。因此，在一些实施方式中，光斑图案306可以对应于单斜二维布拉维晶格、正交二维布拉维晶格、四方形二维布拉维晶格和/或六边形二维布拉维晶格。

在一些实施方式中，光斑投射116可以具有一个或多个直线轴线。例如，当光斑投射116具有矩形形状(例如，光斑投射116具有四条边，比如具有内部直角，如图3所示)时，光斑投射116可以包括光斑投射x轴308和光斑投射y轴310。因此，多个光斑302和/或多个拼块304可以与光斑投射116的一个或多个直线轴线对准。此外，多个拼块304的每个光斑图案306可以与光斑投射116的一个或多个直线轴线对准。

如图3中进一步所示，光斑投射116可以至少部分地与相机模块118的视场(FOV)312(例如，相机模块118的检测的FOV)共同延伸。相机模块FOV 312可以具有一个或多个直线轴线。例如，当相机模块FOV 312具有矩形形状(例如，相机模块FOV 312具有四条边，比如具有内部直角，如图3所示)时，相机模块FOV 312可以包括相机模块FOV x轴314和相机模块FOV y轴316。

在一些实施方式中，光斑投射116可以相对于相机模块FOV 312的一个或多个直线轴线(在图3中示出为x轴和y轴)以非零角度定向。例如，如图3所示，光斑投射116可以相对于相机模块FOV x轴314以非零角度β

在一些实施方式中，光斑投射116的非零角度可以与发射器阵列106的非零角度匹配(例如，在公差内相等，该公差可以小于或等于1度)。例如，非零角度β

如上所述，图3是作为示例提供的。其它示例可以不同于关于图3所描述的示例。

前述公开内容提供了图示和说明，但并不旨在穷举或将实施方式限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，可以组合本文描述的任何实施方式，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不可组合的原因。

即使在权利要求中记载和/或在说明书中公开了特征的特定组合，这些组合也不旨在限制各种实施方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多特征可以以权利要求书中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是各种实现方式的公开内容包括每个从属权利要求与权利要求集合中的每个其他权利要求的组合。如本文所使用的，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一个”旨在覆盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及与多个相同项目的任何组合。

除非明确描述，否则本文使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括与冠词“该”结合引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)。在仅预期一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有(has)”、“有(have)”、“含有(having)”等旨在是开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。此外，如本文所使用的，术语“或”在按顺序使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一个”或“仅一个”组合使用)。此外，本文可以使用空间相对术语，例如“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，以便于说明，从而描述如图所示的一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他取向)，并且本文使用的空间相对描述词同样可以相应地解释。