用于激光散斑减少的超表面制造技术

一种装置，当用相干光照射物体时，该装置依赖于图案化超表面来减少散斑。超表面用于增加从由相干源照射而产生的角分集和波长分集中的一个或更多个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光散斑减少的超表面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。专利
本专利技术涉及照明，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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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、补片具有准随机边本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括用于照射物体的照明系统的装置，所述照明系统包括照明源、耦合器、光条和图案化超表面，其中，所述耦合器将来自所述照明源的光耦合到所述光条中，其中，在经历了所述光条内的全内反射之后并且在与所述图案化超表面相互作用之后，所述光离开所述光条并朝着所述物体传播。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180702 US 62/693,0651.一种包括用于照射物体的照明系统的装置，所述照明系统包括照明源、耦合器、光条和图案化超表面，其中，所述耦合器将来自所述照明源的光耦合到所述光条中，其中，在经历了所述光条内的全内反射之后并且在与所述图案化超表面相互作用之后，所述光离开所述光条并朝着所述物体传播。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图案化超表面在所述光条的表面上被图案化。


3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图案化超表面在所述光条的顶表面上被图案化，所述顶表面是最接近所述物体的表面。


4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图案化超表面在所述光条的底表面上被图案化，所述底表面是最远离所述物体的表面。


5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光具有波长，其中，所述图案化超表面包括均匀高度的纳米结构，其中，所述纳米结构嵌在介质中，以及其中，所述纳米结构在所述波长处具有比所述介质更高的折射率。


6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光具有波长，其中，所述图案化超表面包括均匀高度的纳米结构，其中，所述纳米结构嵌在介质中，以及其中，所述纳米结构在所述波长处具有大于二的折射率。


7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述介质是空气。


8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光具有波长，以及其中，所述介质是在所述波长处的折射率小于二的介质。


9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光条被配置为使来自所述照明源的光在沿着所述图案化超表面的多个衍射位置处被复制。


10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光条被配置为使来自所述照明源的光在沿着所述图案化超表面的多个衍射位置处形成复制品，所述复制品被分开的距离大于所述照明源的相干长度。


11.根据权利要求1所述的装置，其中，来自所述照明源的光在沿着所述图案化超表面的多个衍射位置处形成相干复制品。


12.根据权利要求1所述的装置，其中，来自所述照明源的光形成在所述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。


13.根据权利要求1所述的装置，其中，来自所述照明源的光形成在所述光条的底表面上的复制品，其中，由于与所述图案化超表面的相互作用，入射在所述底表面上的光被衍射，其中，由于这样的相互作用，所述光在所述光条内不再被全内反射并因而被重定向到自由空间中。


14.根据权利要求1所述的装置，其中，当光直接照射所述物体时，第一照明角分集产生，其中，当所述光通过所述光条照射所述物体时，第二照明角分集产生，以及其中，所述第二照明角分集超过所述第一照明角分集。


15.根据权利要求1所述的装置，其中，当光直接照射所述物体时，第一散斑产生，其中，当所述光通过所述光条照射所述物体时，第二散斑产生，以及其中，所述第一散斑具有第一对比度，其中，所述第二散斑具有第二对比度，以及其中，所述第一对比度超过所述第二对比度。


16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图案化超表面是部分地反射的，以及其中，所述图案化超表面是部分地透射的。


17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述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。


18.根据权利要求1所述的装置，还包括气隙，其中，所述气隙将所述图案化超表面与所述光条分开。


19.根据权利要求1所述的装置，还包括线性地减小的气隙，其中，所述气隙将所述图案化超表面与所述光条隔开一段距离，所述距离随着沿着所述光条的位置而线性地变化。


20.一种包括用于照射物体的照明系统的装置，所述照...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·拉塔维茨，
申请(专利权)人：梅特兰兹股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US