基于全息波导的散斑结构光投影模组的制作方法

本发明涉及3d形貌测量领域，具体地涉及一种基于全息波导的散斑结构光投影模组。

背景技术：

3d形貌测量技术可采集场景中物体的深度坐标信息，为后端开发提供额外的数据处理自由度。随着移动终端器件与智能交互设备的普及，3d测量技术越来越成为新一代人机交互的核心技术，在工业检测、安防零售、体感游戏、移动支付和生物医学等方面都有着广泛的应用前景。

散斑结构光技术是当前广泛采用的3d数据采集方案。它采用编码后随机、伪随机或规则排布的斑点光线簇作为光学探针，投射至空间场景，通过比对斑点位移量，由三角测量原理得到具体的场景深度信息。投影模组将预设的结构光模式投射至实际场景，是散斑结构光深度相机的硬件基础。通常模组包括激光光源、准直透镜和衍射光学元件(diffractiveopticalelement，doe)。

随着深度感知技术在移动设备方面的应用愈加广泛，因此对于投影模组与深度相机的体积大小要求越来越高。结构紧凑轻薄的投影模组与深度相机成为领域内迫切的研究需求；另外，小型化的投影模组中由于其内的各个元件的安装和排布都较为紧凑，导致其又会面临光源散热的问题，严重制约了散斑投影模组的发展。

综上可知，在散斑结构光3d形貌测量中，如何设计出结构轻薄小型化且又便于进行光源散热的散斑投影模组成为当前亟待解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种基于全息波导的散斑结构光投影模组，使得散斑投影模组在满足结构轻薄小型化设计的同时还能够具有良好的散热特性。

为了实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种基于全息波导的散斑结构光投影模组，包括全息波导单元和用于发射对应第一斑点图案的激光光束的阵列光源，其中所述全息波导单元包括波导基底、第一全息光学元件和第二全息光学元件，所述第一全息光学元件贴合于所述波导基底的第一端，所述第二全息光学元件贴合于所述波导基底的第二端；其中，所述第二全息光学元件用于将所述阵列光源所发射的激光光束耦合接入至所述波导基底，所述激光光束能够在所述波导基底中进行波导传输，并通过所述第一全息光学元件输出。

本发明实施例另一方面提供一种基于全息波导的散斑结构光投影模组，包括全息波导单元和用于发射对应第一斑点图案的激光光束的阵列光源，其中所述全息波导单元包括波导基底和第一全息光学元件，所述第一全息光学元件贴合于所述波导基底的第一端；其中，所述波导基底在所述第二端处的平面被切割成倾斜面，以通过所述倾斜面耦合待执行波导传输的激光光束，以使得所述激光光束能够在所述波导基底中进行波导传输，并通过所述第一全息光学元件输出。

通过上述技术方案，提出了在散斑结构光投影模组中设置全息波导单元和阵列光源，全息波导单元包括波导基底、第一全息光学元件和第二全息光学元件，在位置布置方面，满足由阵列光源发出的激光光束经一端的第二全息光学元件耦入并能够在波导基底中进行波导传输以通过在波导基底另一端的第一全息光学元件输出。由此，通过波导传输可将光源与其他光学调制器件分离较长距离，并还能够允许为光源单独增加散热装置，在实现结构轻薄小型化设计的同时还能够具有非常良好的散热特性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图；

图2是本发明第一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的配置有全息透镜耦出的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图；

图4是本发明第三实施例的配置有复合型hoe耦出的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图；

图5是本发明第四实施例的配置有全息透镜耦入和全息光栅耦出的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图；

图6a是本发明第一实施例的配置有倾斜面耦合输入的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图；

图6b是本发明第二实施例的配置有倾斜面耦合输入的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图；

图6c是本发明第三实施例的配置有倾斜面耦合输入的基于全息波导的散斑结构光投影模组的结构原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，本发明一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组，包括阵列光源11和全息波导单元20，其中该阵列光源11能够发射对应第一斑点图案的激光光束，全息波导单元20包括波导基底13、第一全息光学元件201和第二全息光学元件202，第一全息光学元件201贴合于波导基底13的第一端，第二全息光学元件202贴合于波导基底13的第二端，且阵列光源11设置于波导基底13的第二端的上方，并且由阵列光源11所发出的激光光束能够经由第二全息光学元件202耦合接入波导基底13，激光光束能够在波导基底13中进行波导传输，并通过第一全息光学元件201输出；虽然图1示出了将阵列光源设置于波导基底的第二端的上方的示例，但可以理解的是，将阵列光源设置在其他位置，例如波导基底的下方等位置也是允许的，其可以是根据系统结构的设计而灵活调节。

需说明的是，全息波导(holographicwaveguide,hw)是采用全息光学元件(holographicopticalelement,hoe)作为耦合输入或输出器件，将光线控制在玻璃或其他光学介质中进行波导传输的一种集成光学技术。其中hoe为使用全息干涉方法加工制作而成的光学元器件，其还可根据耦合功能要求制作成全息光栅或全息透镜的形式，贴合在玻璃或其他光学介质的表面。波导传输是光线在介质中以全反射(totalinternalreflection,tir)的方式调制传导光信号的一种方式，使用这种方式能够高效率地将光学系统输入端与输出端的光轴偏移。

另外，由于散斑结构光投影模组需要对阵列光源所输出的对应第一斑点图案图案的光线进行调制，如准直调制和光栅衍射处理等，以能够输出符合期望和需求的散斑。在图1的散斑结构光投影模组中的第一全息光学元件201实现了将光在波导基底中的耦出，以及第二全息光学元件202实现了将光在波导基底中的耦入，以在波导基底中进行波导传输。需说明的是，在图1的散斑结构光投影模组中还可以是额外设置其他的光调制组件，以实现对光束的调制，此时可以优选将光调制组件设置在远离光源的第二端，也就是靠近第一光学元件201的位置，从而实现优秀的散热性能，具体细节也将在下文其他实施方式中展开。在本发明实施例中，通过引入全息波导单元20，利用光轴偏移的特性布置光源及其他光学元件，在实现散热功能的同时也不会增大模块的体积，保障了其结构的轻薄和小型化，能够广泛并较佳地应用于电子设备中。

虽然图1中所示出的第一全息光学元件201所贴合的第一端和第二全息光学元件202所贴合的第二端是设置在波导基底的同侧的，但可以理解的是，还可以是根据设计需要将第一全息光学元件201和第二全息光学元件202设置在波导基底的异侧；另需说明的是，阵列光源一侧也需要有全息光学元件的耦合调制，以形成波导传输，若不用全息光学元件耦合，则可以是将波导基底切割成斜面。可以理解的是，第一全息光学元件201和第二全息光学元件202的选型也可以是多样化的，例如其二者都可以是采用透射式全息光学元件和/或反射式全息光学元件；由此，允许灵活地排布系统元器件，以实现预期的散热效果。

虽然图1给出的是采用透射式hoe设计的投影模组，但可以理解的是，本发明实施例中的模组依然可以采用反射式全息光学元件hoe，并相应地也仅需调整模组的组件位置即可。

为了保障光线在波导基底中良好的波导传输效果，可以是令激光光束在波导基底13中的按照预设的光线传播角度进行传输，以满足全反射条件，即：

其中，为预设的光线传播角度，为全反射角，n为波导基底的光学折射率。

如图2所示，本发明另一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组，其中将部分光调制元件设置在远离光源的波导基体的另一端上，实现了良好的散热性能。具体的，基于全息波导的散斑结构光投影模组包括阵列光源11，它被排布设计成发光点源阵列，用于提供预设的第一斑点图案12形式的照明，其可以是采用垂直腔面激光发射器(verticalcavitysurfaceemittinglasers，vcsel)，并将其设置为二维规则或随机排布的阵列光源，波长为940nm的红外光或者其他传输效率高的波长窗口；13为波导基底，由折射率为n的玻璃或其他光学介质材料制成；142为耦合输出hoe(holographicopticalelement,全息光学元件)，另外，该模组还可以包括耦合输入hoe141，耦合元件hoe仅为一层膜系，因此其体积轻薄便于小型化设计；15为准直透镜，用于将全息波导发出的光束调制为准直光束后射出，其可采用单透镜、组合透镜、微透镜阵列或菲涅尔透镜来实现；16为衍射光学元件doe，用于接收第一斑点图案12，并复制扩展为第二斑点图案，形成大面阵的散斑光线簇，投影至实际待测场景中；17为待测场景物体；18为模组投影出的最终的第二斑点图案，以实现将第二斑点图案投射至待测场景物体。在本实施例中，通过波导传输将光源与其他光学调制器件分离一定距离，能够为光源单独增加散热装置，这非常有利于为系统整体散热。

需说明的是，准直透镜15也可以放在耦合输入hoe141之前，以耦合阵列光源所发射的激光光束，并将光源光束准直后再耦合进行波导传输。另外，可以是根据具体的系统设计方案灵活选择准直透镜15的位置与焦距，使其匹配完成准直功能。

如图3所示，本发明另一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组，其包括阵列光源11，它被排布设计成发光点源阵列，用于提供预设的第一斑点图案12形式的照明；13为波导基底，由折射率为n的玻璃或其他光学介质材料制成；141为耦合输入hoe；143为带有透镜因子的hoe，它既有耦合输出的功能，同时也可以起到准直的作用，能够将激光光束调制为准直光束；16为doe，用于接收第一斑点图案12，并将其复制扩展为第二斑点图案，形成大面阵的散斑光线簇，投影至待测场景中；17为场景物体；18为模组投影出的最终的第二斑点图案。

与图2所示的实施例相比，图3中的耦合输出hoe143为全息透镜式hoe(即全息透镜光学元件)，其可以是通过采用平面波与球面波进行干涉加工而成的。由此，将准直透镜与耦合输出元件合并为一个调制器件，提高了系统的轻薄化程度，便于进行小型化投影模组设计。另外，图3中的准直透镜因子也可以添加在耦合输入hoe中，以上实施方式可以是根据系统设计要求而进行灵活调节。

如图4所示，本发明另一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组，其采用了复合型的hoe元件144。其中，该散斑结构投影模组包括阵列光源11，它被排布设计成发光点源阵列，用于提供预设的第一斑点图案12形式的照明；13为波导基底，由折射率为n的玻璃或其他光学介质材料制成；141为耦合输入hoe；耦合输出hoe144为兼具准直透镜与复制光栅的作用，且还可以作为耦合输出元件使用，其能够用于接收第一斑点图案12，并将其复制扩展为第二斑点图案，形成大面阵的散斑光线簇，投影至实际待测场景中；17为场景物体；18为模组投影出的最终的第二斑点图案。

与图3所示的实施例相比，图4中的耦合输出hoe144为兼具准直透镜与复制光栅的作用的hoe，其既能够将激光光束调制为准直光束，又能够实现散斑图案的调制扩展。由此，将准直透镜、复制光栅与耦合输出元件合并为一个调制器件，提高了系统的轻薄化程度，便于进行小型化投影模组设计。

如图5所示，本发明另一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组，其将准直透镜因子与复制光栅分开添加在耦合输入hoe与耦合输出hoe中。具体的，该基于全息波导的散斑结构光投影模组包括阵列光源11，它被排布设计成发光点源阵列，用于提供预设的第一斑点图案12形式的照明；13为波导基底，由折射率为n的玻璃或其他光学介质材料制成；145为具有准直透镜功能的耦合输入hoe；146为具有复制光栅功能的耦合输出hoe，用于接收第一斑点图案12，并将其复制扩展为第二斑点图案，形成大面阵的散斑光线簇，投影至实际待测场景中；17为场景物体；18为模组投影出的最终斑点图案。由此，能够实现更高的系统轻薄化程度，更加便于进行小型化投影模组设计。

如图6a-6c所示，本发明另一实施例的基于全息波导的散斑结构光投影模组，由此可将玻璃基底切割为倾斜面，波导基底在所述第二端处的平面被切割成倾斜面，以通过所述倾斜面耦合待执行波导传输的激光光束，能够直接使用倾斜面耦合输入的方式代替耦合输入hoe，实现了对系统的能量利用效率的提高，并还节约了模块制造成本。具体的，如图6a所提供的基于全息波导的散斑结构光投影模组中，耦合输出hoe142可以是仅具备耦合输出的功能，而由其一侧的准直透镜15实现准直作用并通过doe16来实现光束的调制复制作用；如图6b所提供的基于全息波导的散斑结构光投影模组中，耦合输出hoe143可以是全息透镜光学元件，并通过doe16来实现光束的调制复制作用；如图6c所提供的基于全息波导的散斑结构光投影模组中，耦合输出hoe143可以是兼具透镜功能和复制光栅功能的元件。更优选的，在该倾斜面上还可以镀有减反膜，由此增加耦合效率。关于图6a-6c所示的基于全息波导的散斑结构光投影模组中的部分组件可以参照上文实施例的相关描述，故在此便不再赘述。

在一些优选实施方式中，耦合输入hoe和/或耦合输出hoe可以是通过激光干涉曝光加工制作而成的。由此，应用由激光干涉曝光加工制作而成的全息光学元件，相比于目前相关技术中应用基于刻蚀工艺的doe设计的散斑结构，使得本实施例中散斑结构光投影模组采用了通过激光干涉曝光加工而成的全息光学元件，无鬼线干扰问题并减少了杂散背景光，并且相比于刻蚀工艺制作能够更加高效且成本更低。

具体的，具有准直透镜功能的全息透镜hoe可以是通过平面波与球面波干涉制备而成的全息透镜。优选地，在加工过程中还可采用波前补偿技术而对干涉加工过程进行像差优化设计，以获得高成像质量的全息透镜。其中，全息透镜hoe的焦距与制备时所使用的球面波的坐标参数有关，因此可通过设定干涉球面波的相关参数控制全息透镜的焦距值，并在系统设计时进行匹配设计，达到高质量的准直效果。

具有光栅复制扩展功能的全息光栅hoe为采用对应波长的平面波经干涉制备而成的。优选地，为了使得投射模块在各个衍射级次所获得的散斑之间都能避免相互交叠，在制备方法中还可以是通过控制以定制光栅周期。具体的，可以是先获取能够令对应全息光学元件的多个衍射级次的散斑之间避免相互交叠的目标光栅周期，例如该目标光栅周期应可以是与阵列光源相匹配的能够令所输入的准直光束，输出在各衍射级次的(第二散斑图案)散斑之间避免相互交叠；然后，基于夹角周期模型和目标光栅周期，确定在激光干涉过程中两束干涉光束之间的夹角，其中该夹角周期模型包括干涉光束的夹角和光栅周期之间的关系。

制备hoe的衍射级次位置由光栅方程决定：

其中，和分别为横向和竖向的衍射角度，m和n分别为横向和竖向的衍射级次，δx与δy分别为hoe在横向和竖向的光栅周期。为了实现在可探测的深度范围内，hoe在各个衍射级次上所复制的vcsel斑点图案间应避免相互交叠，故可以是在hoe的加工中需控制干涉光束的夹角θ。

由此，本发明实施例还提出夹角周期模型可以是满足以下条件：

其中，δ为目标全息光栅周期，λ为激光光束的波长，θ为干涉光束的夹角；由此，可以是通过控制干涉光束之间的夹角θ来控制全息光栅的光栅周期。

另外，复合型hoe同时具有准直透镜和复制光栅的功能，其制备方法可以是通过复合制备技术，也就是可以分为两次曝光记录，以将透镜因子和光栅结构一起加工在同一片hoe上；由此，复合型hoe能够进一步优化模组，达到更加轻薄化设计的目的。

耦入与耦出的两片hoe均为全息光栅，通过激光干涉曝光加工制作，两个干涉波前均为平面波，其干涉形成的光栅光场强度分布为：

i1＝|exp(ik1·r)+exp(ik2·r)|²

＝2+2cos[(k1-k2)r]

式中，i1为干涉光场强度，i为虚数单位，k1和k2分别为两束平行光束的波矢量，r为光束的坐标系。

另一方面，具有全息透镜式全息透镜式hoe可以是通过采用平面波与球面波进行干涉加工，其干涉形成的光场强度为：

式中，i2为干涉光场强度，i为虚数单位，k3和k4分别为平面波与球面波的波矢量，r为光束的坐标系。因此，所制作的准直透镜hoe的焦距与球面波的坐标参数有关，故可通过设定干涉球面波的相关参数控制所制备的准直透镜hoe的焦距值。

在一些实施方式中，全息光学元件hoe(包括耦入hoe和耦出hoe)制备所用的感光材料也还可以是阵列光源所发出的激光光束的波长下敏感的光敏材料，例如都可以是940nm。以及，全息光学元件hoe还可以是采用与阵列光源11所发出的激光光束的波长相对应的光束经干涉曝光加工制备而成的全息光栅；例如，当投影模组所用的光源采用波长940nm的红外激光器时，相应的hoe也需工作在相应的波长940nm条件下，因此hoe制备时干涉光束的波长也应相同。

在本发明实施例中，提出了实现结构轻薄、小型化且又便于进行光源散热的散斑投影模组的多种设计实现方案。其中，第一种设计实现方案包括四个部分：第一部分为阵列光源，优选为vcsel光源，以输出第一斑点图案；第二部分为全息波导单元，由玻璃或其他光学介质基底与作为耦入和耦出器件的两片hoe组成；第三部分为准直透镜，它将光源发出的激光光束调制为准直光束；第四部分为doe，它接收第一斑点图案并将其复制扩展成为不相互重叠且斑点密度分布均匀的第二斑点图案，投射至待测场景物体上。

为进一步提高系统的轻薄小型化程度，可将准直透镜设计成全息透镜式hoe贴合于波导介质基底上，作为耦合输出元件使用。因此第二种设计实现方案包括三个部分：第一部分为阵列光源，优选为vcsel光源，以输出第一斑点图案；第二部分为全息波导单元，由玻璃或其他光学介质基底与作为耦入和耦出器件的两片hoe组成；第三部分为doe，它接收第一斑点图案并将其复制扩展成为不相互重叠且斑点密度分布均匀的第二斑点图案，投射至待测场景物体上。

为更进一步提高系统的轻薄小型化程度，还可将准直透镜与doe均设计成hoe贴合于波导介质基底上，作为耦合输出元件使用，或者将二者分别设计成耦合输入和输出功能的hoe使用。因此第三种设计实现方案包括两个部分：第一部分为vcsel阵列光源，构成第一斑点图案；第二部分为全息波导单元，由玻璃或其他光学介质基底与作为耦入和耦出器件的两片hoe组成，接收第一斑点图案并将其复制扩展成为不相互重叠且斑点密度分布均匀的第二斑点图案，投射至待测场景物体上。

更优选的，耦出hoe既包含准直透镜因子也包含doe调制结构，二者统一被设计成一片复合型的hoe，使得该复合型hoe同时具有准直透镜和复制扩展光栅的功能。关于该复合型hoe的制备，其可以是分为两次曝光记录而完成的，将透镜因子和doe光栅结构一起加工在同一片hoe上，其具体加工可参考上面全新透镜光学元件和全息光栅光学元件的干涉曝光过程。

另外，当耦入hoe为全息透镜式hoe且耦出hoe包含有doe光栅结构时，可以是将耦入hoe和耦出hoe分开制作。

以上三种设计实现方案中：为提高系统的能量利用效率，可将玻璃基底切割为倾斜面，直接使用倾斜面耦和输入的方式代替hoe。若第三种实现方案采用倾斜面耦入的方式，则需将准直透镜与doe设计成一片复合型hoe，贴合在波导基底上作为统一的耦出功能器件使用。为提高系统的成像效果，还可进一步将上述倾斜玻璃基底面设计为自由曲面等面型，以优化系统像差。

由此，在本发明实施例所提供的散斑投影模组中，其不仅具有结构紧凑轻薄、小型化设计程度高的优点，而且通过波导的传输功能可将光源与其他光学元件的光轴分离一定距离，为光源单独增加散热装置，有利于系统的整体散热设计。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。