用于组合式点光与泛光照明模块的共用光学组件

背景技术

泛光照明器被结合到各种产品中，例如移动装置和其他应用，以提供3D感测能力、机器人技术中的3D映射、面部检测等。例如，参看图1，包括泛光照明器的结合在例如移动装置内的光学组件100使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)102来向光学装置106提供泛光束104，所述光学装置转而产生来自输出108的红外(IR)光到相关的物体或人(未图示)上的均匀照明场。图2示出使用诸如图1中绘示的已知光学组件产生的泛光束的示例。

点阵投影仪有时也与泛光照明器结合使用。点阵投影仪使用第二VCSEL 103来产生到光学装置107的点光束105，所述光学装置转而产生来自输出108的IR光的多个点，从而产生相关的被照明物体的三维图以进行面积和深度确定。红外相机(未图示)从调制的IR泛光捕获深度特征的图像，并且如果被采用，还从从相关的被照明物体反射回的点图案捕获深度特征的图像。然后可以将捕获到的数据的处理用于期望的目的，例如面部识别。与常规泛光照明器相关联的一个缺点是它们的射程被限制于约1.5m。这种相对较短的射程极大地限制了可以使用该技术的应用的类型。

本公开的主题旨在克服或至少减少上述问题中的一个或多个的影响。

发明内容

公开了一种用于组合式泛光与点光照明模块的共用光学组件。所述共用光学组件包括用于提供泛光束的第一高功率VCSEL元件和用于提供点光束的第二高功率VCSEL元件，其中所述第一VCSEL元件与所述第二VCSEL元件共用相同光学装置。点光束是使用与泛光束相同水平的光学功率来产生，但是点光束聚集成点。因此，返回信号的功率足够高，与单独使用泛光束达到的结果相比，能够在更长的射程内进行检测。代价是接收到的信息分辨率较低，因为只有点所在之处的信息被反射回红外相机。整个系统为点光和泛光功能使用相同的红外相机，但使用泛光束提供高分辨率的短射程检测，而使用点光束提供低分辨率的较长射程检测。通过使用本发明，有效射程从约1.5m增加到约6m。此外，由于泛光模块与点光模块共用相同的光学装置，因此实现显著的成本节省和空间节省。

前述发明内容并不意图概述本公开的每个潜在实施方案或每个方面。

附图说明

图1示出本领域所知的具有单独的点光和泛光照明模块的光学组件；

图2示出本领域所知的使用标准随机化漫射器产生的泛光束；

图3示出根据本发明的示例性实施方案的具有组合式点光与泛光照明模块和共用光学装置的共用光学组件；

图4A示出根据本发明的示例性实施方案产生的点阵投影仪图案；

图4B示出根据本发明的示例性实施方案产生的泛光束；

图5示出根据本发明的示例性实施方案的基于工作距离的预期空间节省；

图6示出根据本发明的示例性实施方案的共用光学装置的配置；

图7示出根据本发明的示例性实施方案的点光VCSEL布局；

图8示出根据本发明的示例性实施方案的泛光VCSEL布局；

图9示出根据本发明的示例性实施方案的各个泛光VCSEL发射器(图8)与最近的漫射器小透镜中心(图6)之间的X轴和Y轴差值的分布；

图10示出使用本发明的示例性实施方案产生的点光场；以及

图11示出使用本发明的示例性实施方案产生的泛光场。

具体实施方式

参看图3，高功率VCSEL照明器组件300包括组合式点光与泛光照明模块。所述组合模块包括被配置为提供泛光束305的第一VCSEL元件303和被配置为提供点光束304的第二VCSEL元件302。两个VCSEL元件302、303安装在基板301上，并且组件300包括与基板301相邻设置的共用光学装置306。组件300旨在用作整个系统的部件，例如移动装置的面部识别单元。

点光束VCSEL元件302以限定的配置并且相对于共用光学装置306以限定的距离(被称为工作距离(“WD”))安装在基板301上。泛光束VCSEL元件303也以限定的配置并且相对于共用光学装置306以限定的距离安装在基板301上，其中所述限定的距离偏离工作距离。点光束和泛光束通过共用光学装置306进行成像以产生输出307。

如以下结合示例性实施方案更详细地阐释，共用光学装置306包括周期性漫射器光学元件，以通过使用两个彼此相当接近的单独的VCSEL 303、302的发射来产生点光场和泛光照明场。组合光束导致使用泛光束以高分辨率进行短射程检测以及使用点光束以较低分辨率进行较长射程检测。因为点光束将VCSEL发射聚集为强度增加的小光点，所以系统的整体射程增加。实现更长射程使分辨率有些损失，因为只有点光束从物体反射回检测器。整个系统的有效射程从仅使用泛光束的约1.5m增加到使用点光束的约6m。

在本发明的应用的一个示例中，IR传感器可以从泛光束提取深度信息，然后进行切换并从点光束提取深度信息，并将两种模式的深度信息相结合。例如，当扫描房间以获取尺寸来进行家具可视化时，可以使用点光模式。泛光可以用于例如面部映射或在映射物体凑近时使用。此外，由于点光VCSEL与泛光VCSEL共用共同光学装置，因此该两者结合到同一个模块上，导致与不共用光学装置的模块相比显著节省大小。

仍大体上参看图3，点光场VCSEL 302被配置为以距共用光学装置306的预定工作距离来工作并且具有在发射器之间限定的间距，使得共用光学装置306处的衍射效应产生点光场。泛光场VCSEL 303与共用光学装置306之间的距离偏离该工作距离以避免此类衍射效应。例如，与点光场VCSEL 302相比，较厚的VCSEL基板303或从安装基板301算起的增加的高度可以用于产生所需的偏离距离。偏离距离避免了具有高对比度的衍射效应，这对于点阵成像器来说是合乎需要的，但对于泛光成像器来说却是不合需要的。

仍大体上参看图3，从小源对周期性漫射器阵列自成像导致的衍射效应致使每个单独发射器在漫射器的输出轮廓的包络内重新成像。发射器的间距适当，使得各个发射器阵列图像都相互对齐。该现象在理论上类似于Lau效应，用激光器阵列取代被照明的第一光栅。例如，参见Sudol,R.(1981)，Lau Effect:An Interference Phenomenon in PartiallyCoherent Light[Thesis],The University of Rochester,Rochester,New York。该理论规定了可以在距离Z＝NP

由于这种高对比度现象仅发生在特定距离处，因此VCSEL激光器阵列和周期性漫射器阵列之间的偏离或散焦可能会降低对比度。如果第二VCSEL发射器(即，泛光VCSEL303)布局被设计为使得激光器与最近的漫射器自由形状小透镜光学中心之间的X和Y差值在单个漫射器自由形状小透镜表面的整个区域范围内稍微均匀分布，则衍射效应基本上可以被消除。

这可以通过简单的配置来完成。例如，对于n＝4以及λ＝940nm，间距为35um的正方形漫射器阵列可以在距离2606um处具有高对比度。工作距离为2400um、采取具有正方形间距35*(1+1/20)的20x20发射器布局的VCSEL可以提供非常均匀的X和Y差值分布。可以通过各种方式来实现均匀的X和Y差值分布，包括具有特定旋转角度的采用各种间距的长方形、正方形或六边形VCSEL阵列或特别设计的伪随机VCSEL阵列。应当注意，尽管在该示例中为点光VCSEL发射器和泛光VCSEL发射器使用了940nm的波长，但是由于它是3D感测应用的常用波长，因此本发明不限于任何特定发射器波长或任何特定应用。例如，可以采用具有850nm的波长的VCSEL发射器，这是另一个常用的VCSEL波长。也可以使用更长或更短的波长。此外，点光VCSEL发射器和泛光VCSEL发射器的波长不需要相同。例如，点光发射器的波长可以是940nm，而泛光发射器的波长可以是850nm，或反之亦然。与从该两个阵列发射相同波长的情况相比，发射器具有两个不同的波长需要在接收器侧使用更宽的滤波器。另选地，如果发射器具有不同的波长，则也可以在接收器侧使用具有多个通带的滤波器。

图4A绘示与共用光学装置306恰当地匹配并且与共用光学装置306相距适当的工作距离的点光VCSEL 302的投影图案的图像。

图4B绘示与共用光学装置306不匹配并且相对于共用光学装置306偏离或散焦150um的泛光VCSEL 303的投影图案的图像。

现在参看图5，绘示了通过本发明可实现的若干示例VCSEL照明器组件大小缩减。在图5的左侧是现有技术的VCSEL照明器组件100，而在右侧是根据本发明的示例性实施方案的VCSEL照明器组件300(如图3中描述)。在所示示例中，并且参看表格(中间行)，对于2.3mm的工作距离，组件300中的共用光学装置的光束宽度是2.7mm，而具有单独光学装置的组件100的光束宽度是3.9mm。因此，在该示例中，作为本发明的结果实现了大约24％的尺寸减小。

对于1.7mm的较小工作距离，组件300中的共用光学装置的光束宽度是2.4mm，而具有单独光学装置的组件100的光束宽度是3.2mm。在该示例中，作为本发明的结果实现了大约19％的尺寸减小。最后，对于2.8mm的较大工作距离，组件300中的共用光学装置的光束宽度是3mm，而具有单独的光学装置的组件100的光束宽度是4.6mm。在该示例中，作为本发明的结果实现了大约28％的尺寸减小。因此，尺寸减小的百分比随着工作距离的增加而增加。

现在参看图6，共用光学装置306(在图3中)的漫射器包括相同的、自由形状表面的周期性阵列，所述自由形状表面将入射光整形为期望的照明或漫射轮廓。在该示例性实施方案中，周期性漫射器具有X和Y间距是33微米的正方形布局601。每个小透镜602是相同的并且被设计成将入射光散布在指定的照明场上。在本示例中，工作距离(“WD”)，即点光场VCSEL302与共用光学装置306之间的距离，是2.32mm(即，np

现在参看图7，绘示根据本发明的示例性实施方案的点光VCSEL302(在图3中)。点光VCSEL 302阵列是X和Y间距是33微米的正方形布局的周期性阵列(532个发射器/8um氧化物孔径)。值得注意的是，点光VCSEL 302阵列必须在某些方面与漫射器光学装置匹配。

点光VCSEL 302阵列间距必须是光学装置间距的某个整数倍或整数分数(即，3、2、1、1/2、1/3)。已经发现1x效果很好。另选地，可以使用大得多的光学装置间距和整数分数VCSEL间距，但这会导致点光场中的点数量更多，并降低每个点的峰值强度。较大的光学装置间距和整数分数也可能导致工作距离过长。还应注意，较小的光学装置间距可以与2xVCSEL间距一起使用，但这种布置可能会导致光学装置的制造问题。

转到图8，绘示了根据本发明的示例性实施方案的泛光VCSEL303(在图3中)阵列。泛光VCSEL 303阵列是六边形布局的周期性阵列，其中间距是40微米，旋转24.5度(327个发射器/10um氧化物孔径)。值得注意的是，对于泛光VCSEL 303，导致VCSEL发射器与最近的小透镜602(在图6中)的中心的差值的相对较好分散开的分布的任何布局都将导致足够的性能。在该示例性实施方案中，泛光VCSEL303安装在300um厚的CuW间隔件上以提供所需的散焦。在这种情况下，1.738mm(即，3*33

现在参看图9，绘示各个泛光VCSEL 303发射器与最近的漫射器小透镜602中心之间的X和Y差值的分布，如结合图8所阐释。散点图中的每个点表示单个VCSEL发射器与最接近的扩散器小透镜中心之间的X和Y增量。在图6和图8中绘示的示例中，在该两个维度上，增量的范围是+/-16.5um，因为小透镜602的尺寸是33um。实质上，VCSEL发射器四处分散，因此它们与漫射器小透镜的周期性一点也不匹配。这种布置有助于消除任何剩余的衍射效应。

现在参看图10和图11，分别示出使用结合图6至图9描述的配置产生的点光场和泛光场。使用本文描述的原理和特定布置，使用图11中的泛光场实现约1.5m的射程，而使用图10的点光场实现约6m的射程。

以上对优选实施方案和其他实施方案的描述并不旨在限制或约束申请人所构想的发明概念的范围或适用性。理解了本公开之后将了解，根据所公开主题的任何实施方案或方面的上述特征可以单独地或与任何其他的所述特征相结合来在所公开主题的任何其他实施方案或方面中使用。

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