光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置制造方法及图纸

本申请提供一种光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置。在一个实施方案中，来自单个激光器的光用于照射图案产生光学元件以产生图案。各种实施方案中的所述图案产生光学元件可以是例如全息衍射光学元件(DOE)或微透镜阵列。多光束光栅(MBG)多次复制所述图案，以提供多图案图像。透镜用于将所述多个图案投射到物体上。在一个实施方案中，所述透镜位于所述图案产生光学元件和所述多光束光栅(MBG)之间。

Optical Projector, Method of Optical Projection and Electronic Device

【技术实现步骤摘要】
光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置
本专利技术涉及使用衍射的光学投影，所述光学投影用于诸如用于面部识别或其他目的的三维(3D)表面测量等用途，尤其涉及一种光学投影仪、光学投影的方法以及电子装置。
技术介绍
图案的光学投影用于诸如3D表面测量的应用中。可以确定由投射到平坦表面上的光束引起的点图案的位置。当相同的点图案投射到待测量的3D表面上时，由于3D表面上不同的交点高度，点的位置将偏离其设计位置。可以测量这些偏差并将它们与3D表面的不同距离或深度相关联，从而可以生成3D图像。微型光学投影仪用于进行这种3D映射(也称为深度映射)。公开号为2008/0240502的美国专利申请使用光源(例如，激光二极管或LED)来照射透明体上的图案并将图案投射到物体上。然后，图像检测器捕获投射到物体上的图案的图像。在一个版本中，如国际公布WO2008/120217中所述，微透镜阵列放置在透明体图案后面，以改善所投射的图案的信号对比度。为了将光学投影仪放入智能手机中，光学投影仪需要被非常小型化。所研究的一种方法是使用单个激光束和衍射光学元件(DOE)来产生点图案。但是为了产生具有足够多点的图案，0级光束与衍射光束的比太大。对于测量用户的脸部，由于可能对用户的眼睛造成潜在性损害，因此大的0级光束是不能接受的。PrimeSense意识到，如果他们将激光束分成M个光束并使用M个DOE，则0级光束和衍射光束之间的比可以通过M系数最小化。这种方法在公开号为2009/0185274的美国专利申请中被描述，并且使用两个衍射光学元件(DOE)。在一个实施方案中，第一DOE用作将所发射的光束分成多个光束的分束器，第二DOE用作在每个光束上形成衍射图案的图案发生器。一个设计问题是需要用于分离M个光束的空间，以便M个光束可以照亮M个DOE。这限制了光学投影仪可以被小型化的程度。为了提供进一步的小型化，PrimeSense的公开号为20140376092的美国专利申请使用另一种方法，使用VCSEL激光发射器阵列而不是使用单个激光器产生图案。透镜将非准直图案投射至用于产生图案的多个复制品的单个DOE。图1示出了用于深度测量的小型光学投影仪的示例性应用。智能手机10包括显示器12、相机14和内部处理器以及其他电子装置。显示器12可用于向用户呈现信息，并且还用作用于输入信息的触摸屏。配置有光学投影仪/检测器模块16。光学投影仪/检测器模块16投射如箭头18所示发散的IR图像。IR图像作为一系列点22投射到用户的面部20上。然后，光学投影仪/检测器模块16中的检测器检测点22，并且可以从这些点的相对位置确定用户的面部20的各个部分的深度。通过将其与传统的二维面部识别相结合，可以非常准确地检测用户的面部。图2示出了现有技术中已知的衍射光栅如何提供可形成图案例如一系列点的多个光束。激光束101入射到衍射光栅102上。光束101被衍射成一系列光束，例如从光栅102出射的光束103、光束104、光束105、光束106和光束107。衍射光束由衍射级描述，在原始光束的路径上是笔直的0级光束(光束105)、然后在一维光栅的每一侧上的第1级光束、然后第2级光束等。除了图2所示，通常会存在额外的衍射级。但是，前几级之外的光束的强度通常相对较弱。大多数激光能量分布在5个主光束中。由于该特定衍射光栅的目的是将单个激光束分成多个光束，因此有时将该特定衍射光栅称为多光束光栅(MBG)。图3示出了如何使用现有技术的多光束光栅(MBG)的一个示例。物体201放置在透镜202前。透镜202将物体201的图像投射到平面204。多光束光栅203放置在透镜202之后。光栅203在平面204处产生输入物体201的多个图像。如果物体是“K”(205)形式的，则光栅203将复制它以提供如图所示的9个K的图像206的投射。这是上述引用的公开号为2014/0376092的美国专利申请中使用的投射用于3D图案识别的点图案的原理。图4来自公开号为2014/0376092的美国专利申请。垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列20放置在透镜46前。在透镜46的顶部是多光束光栅(MBG)44。该集成模块能够将VCSEL阵列的多个图像投射入空间，以照亮用于3D识别的物体。集成光学投影模块30包含VCSEL阵列20。VCSEL管芯通过适当的电连接34、36、38安装在下底座32上。包括投射透镜46的光学器件40经由合适的间隔件42上安装在管芯之上。透镜46收集并投射VCSEL发射器的输出光束50。由薄间隔件48支撑的多光束光栅(MBG)44创建VCSEL阵列的线图案的多个复制品52、54、56，这些复制品在预定角度范围内扇形展开。因此，需要一个改进的光学投影模块，其既小型又更经济制造。
技术实现思路
在一个实施方案中，来自单个激光器的光用于照射图案产生光学元件以产生图案。各种实施方案中的所述图案产生光学元件可以是例如全息衍射光学元件(DOE)或微透镜阵列。多光束光栅(MBG)多次复制所述图案以提供多图案图像。透镜用于将所述多个图案投射到物体上。在一个实施方案中，所述透镜位于所述图案产生光学元件和分束器DOE之间。在一个实施方案中，图案产生光学元件是使用傅立叶变换全息图创建的全息衍射光学元件以产生点图案。点图案似乎源自激光发射点周围的平面，因此可以说它们是激光发射点的虚拟图像。多光束光栅(MBG)使用衍射方法分割点图案图像，其保持每个复制图案的强度基本相等。特别地，多光束光栅(MBG)是具有例如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲位置调制(PPM)的相位光栅。透镜将复制的图案投射到待测物体例如人的脸部上。在一个实施方案中，光学投影仪模块设置有DOE、透镜和多光束光栅(MBG)。替代实施方案在DOE和透镜之间使用反射镜。又一替代实施方案使用反射DOE。另一个替代实施方案使用微透镜阵列代替DOE。附图说明图1是智能手机中的现有技术光学投影仪的示图。图2是说明现有技术的多光束光栅的图。图3是说明现有技术的多光束光栅如何可以用于将物体的图像成倍增加成图像阵列的图。图4是说明多光束光栅的现有技术用途的图。图5是说明DOE利用透镜和多光束组合创建被成倍增加成图像阵列的虚拟图像的图。图6是说明具有DOE、透镜和分束器的本专利技术的实施方案的图。图7是说明在DOE和透镜之间使用反射镜的替代实施方案的图。图8是说明使用反射DOE的另一替代实施方案的图。图9是说明使用微透镜阵列代替DOE的另一替代实施方案的图。图10示出了可以在本专利技术的一个实施方案中使用的混合激光器和光电检测器模块的实施方案。图11是本专利技术的一个实施方案中具有集成光学投影仪的智能手机的组件的框图。具体实施方式图5是DOE利用透镜和多光束组合创建被成倍增加成图像阵列的虚拟图像的图。在图5中，示出了边缘发射激光器401以照射DOE403。如用户的眼睛404看向激光器401所观察到的，这将在平面402处产生虚拟图像405。点406是当全息图403不能抑制0级光束时由眼睛404看到的激光器401的发射点。尽管图像是多个字母“K”的图案，但是可以使用DOE可以生成的任何其他图像，例如点图案。图6是说明具有DOE、透镜和分束器的本专利技术的实施方案的图。这产生了非常小型的光学投影仪以适用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学投影仪，包括：激光器，配置成产生激光束；图案产生光学元件，安装成拦截所述激光束，并配置成根据所述激光束产生图案；透镜，安装成投射所述图案；和多光束光栅MBG，配置成多次复制所述图案以提供多图案图像。

【技术特征摘要】
2018.01.24 US 15/879,3671.一种光学投影仪，包括：激光器，配置成产生激光束；图案产生光学元件，安装成拦截所述激光束，并配置成根据所述激光束产生图案；透镜，安装成投射所述图案；和多光束光栅MBG，配置成多次复制所述图案以提供多图案图像。2.如权利要求1所述的光学投影仪，还包括安装成改变所述图案的路径方向的成角度的反射镜。3.如权利要求2所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是全息衍射光学元件，所述全息衍射光学元件与所述成角度的反射镜组合，以提供所述成角度的反射镜上的衍射光学元件DOE作为反射DOE。4.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是全息衍射光学元件。5.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是微透镜阵列。6.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述多光束光栅MBG由使用脉冲宽度调制PWM或脉冲位置调制PPM的相位光栅构造而成。7.如权利要求6所述的光学投影仪，其中，所述相位光栅是使用记录材料或光学厚度的折射率的变化来创建的。8.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件是具有轴上0级光束的全息衍射光学元件。9.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述图案产生光学元件产生具有500至1500个点的阵列的图案，并且所述多光束光栅MBG具有产生10至30个图像或图案副本的阵列。10.如权利要求1所述的光学投影仪，其中，所述激光器是垂直腔面发射激光器VCSEL。11.一种用于光学投影的方法，包括：产生单个激光束；拦截所述激光束并根据所述激光束产生图案；用透镜投射所述图案；以及多次复制所述图案以提供多图案图像。12.如权利要求11所述的方法，还包括：改变所述图案...

【专利技术属性】
技术研发人员：李威汉，
申请(专利权)人：光群雷射科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71