具有准直器功能的衍射光学元件制造技术

示例性距离传感器包括用于将光的点的图案投射到对象上的光投射系统。光投射系统包括用于投射相干光的激光光源和具有多个层的衍射光学元件，所述多个层被蚀刻以形成二元阶梯图案，其中，所述多个层被配置成将相干光分成多个光束，其中，每个光束形成图案的一个点，并且其中，所述多个层还被配置成控制光束的发散角。示例性距离传感器还包括用于捕获投射到对象上的图案的图像的光接收系统、以及用于基于图像中的图案的外观和光点的轨迹的知识来计算到对象的距离的处理器。算到对象的距离的处理器。算到对象的距离的处理器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有准直器功能的衍射光学元件
[0001]相关申请的交叉引用本申请要求2020年4月21日提交的美国临时专利申请序列号63/013,002的优先权，该专利申请通过引用整体结合到本文中。


[0002]本专利技术一般涉及距离测量，并且更具体地涉及包括具有准直器功能的衍射光学元件的距离传感器。

技术介绍

[0003]包括自主导航、机器人和其他应用的许多技术依赖对周围空间的三维地图的测量来帮助碰撞避免、路线确认和其他任务。例如，三维地图可以指示到周围空间中的各个对象的距离。
[0004]在一些示例中，用于测量距离的传感器可以将光（例如，红外光）的图案投射到正在测量其距离的对象的表面上。光的图案可以包括多个离散的光点，其中，当从距离传感器发射的单个光束入射到对象表面上时，创建每个光点。然后，可以基于图案的外观来计算到对象的距离。在一些示例中，用于创建图案的多个光束是通过使用衍射光学元件将由距离传感器的光投射系统发射的单个相干光束分成多个光束来创建的。

技术实现思路

[0005]示例性距离传感器包括用于将包括多个光点的图案投射到对象上的光投射系统。该光投射系统包括用于投射相干光的激光光源和具有多个层的衍射光学元件，所述多个层被蚀刻以形成二元阶梯图案，其中，所述多个层被配置成将所述相干光分成多个光束，其中，所述多个光束中的每个光束形成所述多个光点中的一个点，并且其中，所述多个层还被配置成控制所述多个光束的发散角。示例性距离传感器还包括用于捕获被投射到对象上的图案的图像的光接收系统以及用于基于图像中图案的外观并且基于多个光点的轨迹的知识来计算到对象的距离的处理器。
[0006]在一个示例中，由包括至少一个处理器的距离传感器的处理系统执行的方法包括：使距离传感器的光投射系统将图案投射到对象上，其中，图案包括多个光点，并且其中，多个光点是由包括准直器功能的光投射系统的衍射光学元件形成的；使距离传感器的光接收系统捕获被投射到对象上的图案的图像；以及，计算用于多个光点中的至少一些点的三维坐标的集合，其中，所述计算是基于图像中的至少一些点的外观和至少一些点的轨迹的知识。
[0007]在另一示例中，非暂时性机器可读存储介质被编码有可由包括至少一个处理器的距离传感器的处理系统执行的指令。当被执行时，所述指令使所述处理系统执行操作，所述操作包括：使所述距离传感器的光投射系统将图案投射到对象上，其中，所述图案包括多个光点，并且其中，所述多个光点是由包括准直器功能的所述光投射系统的衍射光学元件形
成的；使所述距离传感器的光接收系统捕获被投射到所述对象上的图案的图像；以及，计算用于所述多个光点中的至少一些点的三维坐标的集合，其中，所述计算是基于所述图像中的所述至少一些点的外观和所述至少一些点的轨迹的知识。
附图说明
[0008]图1是示出根据本公开的示例的一个示例性距离传感器的光投射系统的示意图。
[0009]图2示出可以由图1的光投射系统形成的光的图案。
[0010]图3A示出根据本公开的包括准直器功能的一个示例性衍射光学元件的表面的一部分的照片。
[0011]图3B示出图3A的表面的截面图。
[0012]图4是示出根据本公开的示例的另一示例性距离传感器的光投射系统的示意图。
[0013]图5是示出一个示例性距离传感器的简化示意图，其中，可以采用所公开的包括准直器功能的衍射光学元件的示例。
[0014]图6是示出用于测量从距离传感器到对象的距离的一个示例性方法的流程图。
[0015]图7描绘用于测量从距离传感器到对象的距离的一个示例性电子设备的高级框图。
具体实施方式
[0016]本公开广泛地描述了一种包括准直器功能的衍射光学元件，其用于距离测量和其他光学应用中。如上所述，用于测量距离的传感器可以将光（例如，红外光）的图案投射到正在测量其距离的对象的表面上。光的图案可以包括多个离散的光点，其中，当从距离传感器发射的单个光束入射到对象的表面上时，创建每个光点。然后，可以基于图案的外观来计算到对象的距离。在一些示例中，用于创建图案的多个光束是通过使用衍射光学元件将由距离传感器的光投射系统发射的单个相干光束分成多个光束来创建的。例如美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429，包括用于分离相干光束的衍射光学元件的距离传感器。
[0017]从半导体激光器的发射器投射的相干光通常将呈现一定程度的光束发散，即，光束直径或半径随着距光源的距离而增加。光束直径或半径的增加可以包括称为“发散角”的角度量度。用于调整发散角的常规技术涉及在光束被衍射光学元件分光之前或之后使用准直器透镜来调整发散角。
[0018]此外，许多传统的距离传感器还利用垂直腔面发射激光器（VCSEL）光源来产生光束。一些设计可以采用单个VCSEL发射器，而其他设计可以采用其中密集地布置多个VCSEL发射器的阵列。在采用VCSEL发射器阵列的情况下，各个发射器的投射方向将彼此平行，并且从每个发射器发射的光束将具有一定的扩散角（即，光束的宽度随着距发射器的距离而增加）。因此，为了根据发射器的布置以限定的尺寸投射由VCSEL阵列发射的光，可能需要以恒定的放大率（扩散角）来投射光。
[0019]例如，在其中准直器透镜位于VCSEL阵列和衍射光学元件之间（即，在光束被分光之前调整相干光束的发散角）的距离传感器配置中，准直器透镜将不仅控制每个光束的发散角，而且同时还将放大和投射由多个光束创建的图案。在使用单个VCSEL发射器（或单边
发射激光器（EEL））的距离传感器配置中，由发射器发射的相干光束可以类似地被整形为在被衍射光学元件分光以形成期望的图案之前通过准直器透镜呈现期望的扩散角（例如，平行光）。
[0020]在其中衍射光学元件位于单个VCSEL发射器与准直器透镜之间的距离传感器配置中，衍射光学元件将VCSEL发射器所发射的相干光束分成多个光束，然后准直器透镜可以对多个光束进行整形以呈现投射到表面上的任意扩散角（例如，平行光）。在这种情况下，由衍射光学元件创建的图案（其可以呈现相应的发散角）可以通过准直器透镜做成彼此平行。在使用VCSEL发射器阵列代替单个VCSEL发射器的情况下，离开衍射光学元件的每个光束的扩散角可以通过准直器透镜的位置和准直器透镜的光学功率（即，准直器透镜会聚光的程度）来整形。同时，VCSEL阵列的放大投射规格也可以由准直器透镜的位置和光学功率来限定。
[0021]本公开的示例采用了包括准直器功能的衍射光学元件，基本上将衍射光学元件和准直器透镜的功能组合到单个组件中。这减少了控制用于距离感测应用的光的图案的投射所需的组件的总数，这继而使装备的尺寸和制造成本降低了。先前将衍射光学元件和准直器透镜的功能组合起来的尝试已经采用了采用倾斜表面（例如菲涅耳斜面）的衍射图案，这些倾斜表面难以制造并且产生在衍射效率、噪声和图案均匀性方面未被优化的相位分布。相反，在一个示例中，通过在与分束图案相同的平面中在衍射光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种距离传感器，包括：光投射系统，用于将包括多个光点的图案投射到对象上，所述光投射系统包括：激光光源，用于投射相干光；以及衍射光学元件，具有被蚀刻以形成二元阶梯图案的多个层，其中，所述多个层被配置成将所述相干光分成多个光束，其中，所述多个光束中的每个光束形成所述多个光点中的一个点，并且其中，所述多个层还被配置成控制所述多个光束的发散角；光接收系统，用于捕获投射到所述对象上的所述图案的图像；以及处理器，用于基于所述图像中的所述图案的外观并且基于对所述多个光点的轨迹的知识来计算到所述对象的距离。2.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述激光光源包括单个垂直腔面发射激光器，所述单个垂直腔面发射激光器朝向所述衍射光学元件发射单个相干光束。3.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述激光光源包括单个边缘发射激光器，所述单个边缘发射激光器朝向所述衍射光学元件发射单个相干光束。4.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述激光光源包括多个垂直腔面发射激光器的阵列，其朝向所述衍射光学元件共同发射多个相干光束。5.根据权利要求4所述的距离传感器，其中，所述多个层还配置成放大所述图案。6.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述二元阶梯图案中的每个二元阶梯图案包括多个阶梯的不规则布置，并且所述多个阶梯中的每个阶梯包括无斜率的延伸段和升高部。7.根据权利要求6所述的距离传感器，其中，所述多个阶梯中的每个阶梯的延伸段与所述多个阶梯中的其他阶梯的延伸段平行，但与少于所有的所述其他阶梯的延伸段共面。8.根据权利要求1所述的距离传感器，还包括定位构件，所述定位构件被定位成保持所述激光光源和所述衍射光学元件之间的对准位置关系。9.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述多个层被限定在面向所述激光光源的所述衍射光学元件的表面中。10.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述相干光包括人眼不可见但所述光接收系统的光电检测器可见的光的波长。11.根据权利要求1所述的距离传感器，其中，所述多个光束形成点图案，所述点图案由通过所述衍射光学元件从所述相干光分光的其他多个光束在所述表面上重复。12.根据权利要求11所述的距离传感器，其中，所述点图案包括规则图案。13.根据权利要求11所述的距离传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：木村昭辉，蔡朝旭，
申请(专利权)人：魔眼公司，
类型：发明
国别省市：