本發(fā)明一般涉及光學(xué)投影，并且尤其涉及集成光學(xué)投影儀。

背景技術(shù)：
微型光學(xué)投影儀在各種應(yīng)用中使用。例如，為了3D映射(也稱為深度映射)，這種投影儀可以用來將編碼或結(jié)構(gòu)化的光圖案投射到物體上。在這一點上，美國專利8,150,142，其公開內(nèi)容在此包含作為參考，描述了一種用于映射物體的裝置。該裝置包括照明組件，其包括包含固定點圖案的單個透明片(transparency)。光源使用光學(xué)輻射透照該單個透明片以便將圖案投影到物體上。圖像捕捉組件捕捉投影到物體上的圖案的圖像，并且處理器處理圖像以便重建物體的三維(3D)映像。PCT國際公開WO2008/120217，其公開內(nèi)容在此包含作為參考，描述了在上述美國專利8,150,142中示出的多種種類的照明組件的更多方面。在一種實施方案中，透明片包括以非均勻圖案排列的微透鏡陣列。微透鏡產(chǎn)生被投影到物體上的相應(yīng)焦點圖案。美國專利8,749,796，其公開內(nèi)容在此包含作為參考，描述了集成圖案發(fā)生器，其中激光二極管(例如VCSEL)以并不是規(guī)則格子的圖案排列。光學(xué)器件可以結(jié)合以將由激光二極管陣列的元件發(fā)出的光圖案投影到空間中作為相應(yīng)點的圖案，其中每個點包含由陣列中相應(yīng)的激光二極管發(fā)出的光。在一些實施方案中，衍射光學(xué)元件(DOE)產(chǎn)生在擴展的角度范圍上扇形展開的圖案的多個復(fù)本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
在這里描述的本發(fā)明的實施方案提供一種光電器件，包括：半導(dǎo)體襯底，以二維圖案在襯底上排列的光學(xué)發(fā)射器陣列，投影透鏡以及衍射光學(xué)元件(DOE)。所述投影透鏡安裝在半導(dǎo)體襯底上并且被配置以收集并聚焦由光學(xué)發(fā)射器發(fā)出的光，以便在襯底上投影包含與光學(xué)發(fā)射器的二維圖案相對應(yīng)的光圖案的光束。所述衍射光學(xué)元件安裝在襯底上并且被配置以產(chǎn)生并投影圖案的多個重疊復(fù)本。在一些實施方案中，所述圖案具有給定間距，并且所述多個重疊復(fù)本具有比給定間距更精細的組合間距。在一種實施方案中，所述光學(xué)發(fā)射器包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)器件。在公開的實施方案中，所述衍射光學(xué)元件被配置以產(chǎn)生所述多個復(fù)本以便在一維上重疊。在可供選擇的實施方案中，所述衍射光學(xué)元件被配置以產(chǎn)生所述多個復(fù)本以便在二維上重疊。在一種實施方案中，所述發(fā)光元件的二維圖案不位于規(guī)則格子上。在另一種實施方案中，所述發(fā)光元件的二維圖案是不相關(guān)圖案。在又一種實施方案中，所述發(fā)光元件的二維圖案是規(guī)則網(wǎng)格圖案。在再一種實施方案中，所述投影透鏡和所述衍射光學(xué)元件形成在單個光學(xué)襯底上。在一些實施方案中，所述發(fā)光元件的二維圖案被分成可單獨尋址的兩個或更多個子集，并且所述光電器件包括控制電路，所述控制電路被配置以尋址所述子集的一個或多個的組合以便控制重疊復(fù)本用于產(chǎn)生多個不同的圖案密度。在一些實施方案中，所述衍射光學(xué)元件被配置以在投影光束的相鄰列中的復(fù)制之間產(chǎn)生橫向偏移，以便減少基于測量投影光束中沿著列的橫向位移的深度估計的模糊度。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案，另外提供一種用于生產(chǎn)光電器件的方法。該方法包括：提供半導(dǎo)體襯底，以及在襯底上以二維圖案形成光學(xué)發(fā)射器陣列。將投影透鏡安裝在半導(dǎo)體襯底上以便收集并聚焦由光學(xué)發(fā)射器發(fā)出的光，從而在襯底上投影包含與光學(xué)發(fā)射器的二維圖案相對應(yīng)的光圖案的光束。將衍射光學(xué)元件(DOE)安裝在襯底上以便產(chǎn)生并投影圖案的多個重疊復(fù)本。附圖說明本發(fā)明將從與附圖一起進行的下面其實施方案的詳述中更充分地理解，其中：圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案的集成光學(xué)投影儀的原理圖；圖2-5是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的圖解例示投影的重疊圖案的圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案的例示投影圖案密度的動態(tài)控制的圖；以及圖7和8是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的例示具有減少模糊度的扇出級圖案的圖。具體實施方式概述在下文描述的本發(fā)明的實施方案提供具有改進圖案密度的光學(xué)投影儀以及相關(guān)方法。在一些實施方案中，光學(xué)投影儀包括光學(xué)發(fā)射器，例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的陣列，以及投影透鏡。光學(xué)發(fā)射器與透鏡結(jié)合產(chǎn)生具有一定間距或密度的光點圖案。該間距受陣列中發(fā)射器之間的物理距離，以及投影透鏡的焦距所限制。發(fā)射器之間的物理距離因?qū)崿F(xiàn)原因而不能減小到某個最小距離之下。另一方面，增加透鏡的焦距將增加投影儀的高度并減小它的景深。在這里描述的實施方案中，通過產(chǎn)生彼此重疊的圖案的多個復(fù)本，投影儀能夠?qū)崿F(xiàn)更精細的間距，也就是高圖案密度。在一些實施方案中，投影儀進一步包括圖案復(fù)制元件，例如由衍射光學(xué)元件(DOE)產(chǎn)生的扇出分束器。分束器產(chǎn)生并投影由VCSEL陣列和透鏡產(chǎn)生的圖案的多個復(fù)本。多個復(fù)本彼此重疊，使得作為結(jié)果的分離光點的組合圖案具有比由光學(xué)發(fā)射器陣列和透鏡單獨獲得的密度更大的密度。幾個這種實現(xiàn)在這里描述。在一些實施方案中，投影圖案的密度由陣列中發(fā)射器的批量的可尋址操作動態(tài)地控制。其他公開的實施方案減輕深度估計的可能模糊度，其可能由復(fù)本的圖案相似性引起。公開的技術(shù)對于產(chǎn)生具有高角密度的光點圖案非常有效。點之間的角距不再受陣列中發(fā)射器之間的物理距離與投影透鏡的焦距的比例所約束。系統(tǒng)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案，集成光學(xué)投影儀30的原理圖。在典型的應(yīng)用中，投影儀30產(chǎn)生并投影光點圖案到物體或景物上，以便使得成像和處理系統(tǒng)(沒有顯示)能夠分析投影的圖案并估計物體或景物的三維(3-D)映像。3-D映像，也稱作深度映像，可以用于各種目的，例如作為人機界面(MMI)的一部分用于用戶手勢識別。投影儀30可以集成到各種宿主系統(tǒng)，例如移動通信或計算設(shè)備中。在圖1的示例中，投影儀30包括半導(dǎo)體壓模120，具有置于其上的光學(xué)發(fā)射器陣列。在這里描述的實施方案中，發(fā)射器包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。但是，在可供選擇的實施方案中，可以使用任何其他適當(dāng)類型的激光二極管或其他光學(xué)發(fā)射器。VCSEL以某種幾何布局，例如規(guī)則網(wǎng)格或不相關(guān)(例如準(zhǔn)隨機)布局構(gòu)造在壓模120上。這種幾何圖案的幾個示例在下面進一步討論。在圖1的實施方案中，壓模120安裝在次安裝襯底132上，并且使用絲焊138電連接到襯底132。外部互連端子，例如陽極觸點134和陰極觸點136，形成在襯底132的相對表面上。投影透鏡146安裝在墊層142上，典型地使得壓模120位于透鏡的焦平面上。扇出衍射光學(xué)元件(FO-DOE)144使用薄的墊層148安裝在投影透鏡146上面。投影透鏡146收集并瞄準(zhǔn)由壓模120上的各個VCSEL發(fā)射的光。VCSEL和投影透鏡的組合根據(jù)壓模120上VCSEL的幾何布局產(chǎn)生光點圖案(例如網(wǎng)格或準(zhǔn)隨機)。特別是，投影圖案的間距或密度，也就是光點之間的角距，由壓模120上VCSEL之間的物理距離和投影透鏡146的焦距確定。光點的該圖案在這里稱作基線圖案。DOE144用作分束器，其產(chǎn)生并投影基線圖案的多個復(fù)本到物體或景物上。多個復(fù)本相對于彼此有角度地偏移并且彼此重疊。作為結(jié)果的光點圖案，其包括基線圖案的多個復(fù)本的疊加，在這里稱作合成圖案。因為多個復(fù)本之間的重疊，合成圖案的間距或密度比基線圖案的高。而且，合成圖案的間距或密度不再受VCSEL之間的物理距離以及受投影透鏡的焦距所限制。圖1的頂部顯示基線圖案的三個復(fù)本的示例，它們之間具有50％的重疊，表示為152，154和156。如圖中可以看到的，合成圖案的間距是基線圖案的間距(單個復(fù)本的間距)的兩倍精細。圖1的示例為了清晰而高度簡化。幾個實際生活的示例在下面的附圖中描述。例如，圖1顯示一維的圖案復(fù)本。在可供選擇的實施方案中，DOE144可以產(chǎn)生在二維上有角度地偏移并重疊的復(fù)本。圖1中投影儀30的結(jié)構(gòu)是示例結(jié)構(gòu)，其被選擇僅僅為了概念清晰。在可供選擇的實施方案中，可以使用任何其他適當(dāng)?shù)耐队皟x結(jié)構(gòu)。FODOE144可以包括例如達曼光柵或類似元件，如美國專利申請公開2009/0185274中描述的，其公開內(nèi)容在此包含作為參考。在一些實施方案中，投影透鏡146和DOE144可以制造成單個一體化元件。進一步作為選擇，透鏡可以由一堆透鏡構(gòu)造，與照相機鏡頭類似。在本專利申請的上下文中以及在權(quán)利要求書中，透鏡146和DOE144共同地稱作“光學(xué)器件”，其投影發(fā)射器陣列的2-D布局并產(chǎn)生基線圖案的多個重疊復(fù)本。在可供選擇的實施方案中，光學(xué)器件可以任何其他適當(dāng)?shù)姆绞綄崿F(xiàn)。投影重疊圖案示例圖2-5是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的圖解例示重疊圖案結(jié)構(gòu)的圖。在每個圖中，左手邊顯示投影圖案的單個復(fù)本158，光點顯示為圓圈，透鏡的中心使用十字標(biāo)記，并且圖案的周期(如果復(fù)制且沒有重疊)由長方形框架標(biāo)記。該布局也與基線圖案相對應(yīng)，其隨后由FODOE144復(fù)制。每個圖的中間顯示由FODOE144執(zhí)行的復(fù)制方案160，每個副本的中心位置由“x”標(biāo)記。每個圖的右手邊顯示從DOE144投影的相對應(yīng)的合成圖案164。在圖案164中，光點使用圓圈標(biāo)記，每個副本的中心位置使用“x”標(biāo)記，并且透鏡中心使用十字標(biāo)記。為了便于比較，每個圖中合成圖案164的中心(對應(yīng)于DOE144的零級)使用長方形標(biāo)記。如圖中可以清楚看到的，復(fù)本重疊的圖案164的區(qū)域中圓圈的密度(也就是，合成圖案的密度)高于基線圖案158中圓圈的密度。在圖2的示例中，VCSEL陣列120具有不相關(guān)的準(zhǔn)隨機布局。陣列被設(shè)計成具有陣列的物理最小距離限制，但是也考慮y軸上50％的重疊將仍然保留點之間的最小距離。FODOE144執(zhí)行3×5復(fù)制，也就是沿著一個軸復(fù)制基線圖案三次(根據(jù)圖的方向任意地稱作水平的)，以及沿著正交的軸(稱作垂直的)復(fù)制五次。在水平軸上，F(xiàn)O周期(結(jié)構(gòu)160中標(biāo)記“x”之間的距離)與基線圖案158的寬度相同。在垂直軸上，F(xiàn)O周期是基線圖案尺寸的一半。在該示例中，可以看到，投影圖案164的2/3包括密集圖案，而在兩個垂直端，圖案是稀疏的，因為它沒有重疊。在該簡化示例中，稀疏圖案占據(jù)相對大的圖案部分，因為示例具有少數(shù)復(fù)本。在實際生活的投影儀中，復(fù)本的數(shù)量更大，因此總視野(FOV)中稀疏圖案的部分更小。使用準(zhǔn)隨機布局，難以證明重疊效果以及增加密度相對于擴大重疊的潛能，因為這與圖案設(shè)計非常相關(guān)。因此，下面的示例參考使用網(wǎng)格圖案。在圖3的示例中，從VCSEL網(wǎng)格陣列中產(chǎn)生的圖案158具有最小距離為d的45°規(guī)則網(wǎng)格。FODOE144執(zhí)行3×5復(fù)制，具有如圖2中相同的水平和垂直周期。在作為結(jié)果的合成圖案164的中間，每單位面積的點數(shù)加倍，并且點之間的距離是在圖2和3中，相鄰復(fù)本之間的重疊比是50％。但是，公開的技術(shù)并不局限于50％重疊，并且可以任何其他適當(dāng)?shù)?典型地更大的)重疊比使用。在圖4中，從VCSEL陣列中產(chǎn)生的圖案158具有最小可用距離為d的六邊形網(wǎng)格布局。FODOE144執(zhí)行3×9復(fù)制，水平FO周期與基線圖案的寬度相同且垂直FO周期等于圖案高度的1/3。在該星座圖中，重疊比是66.67％。結(jié)果，作為結(jié)果的合成圖案164的中心具有每單位面積多三倍的點，并且點之間的距離是在上面圖2-4的示例中，F(xiàn)ODOE產(chǎn)生僅在一維(垂直維度)上重疊的復(fù)本。圖5例示根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案，在兩個維度上引入重疊的可能性。在圖5的示例中，基線圖案158具有最小距離d的方格布局。FODOE144執(zhí)行5×5復(fù)制，水平FO周期和垂直FO周期都等于幾何圖案角度的一半。在該結(jié)構(gòu)中，重疊比沿著每個軸都是50％。作為結(jié)果的合成圖案是每單位面積四倍多點且距離為d/2的方格。圖2-4的方案僅僅作為示例描述。在可供選擇的實施方案中，投影儀30可以使用任何其他適當(dāng)?shù)腣CSEL陣列布局，以及任何其他適當(dāng)?shù)腇O結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。合成圖案密度的動態(tài)控制在一些場景下，期望對于合成圖案中點的密度具有動態(tài)控制。在一些實施方案中，投影儀30能夠通過將VCSEL陣列分成段，并且選擇性地激活或禁止每個段來增加和減小點密度。圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案的例示投影圖案密度的動態(tài)控制的圖。圖的左手邊顯示產(chǎn)生上面圖2的圖案的VCSEL陣列120。但是，在該示例中，VCSEL陣列被分成兩個段，表示為A和B。兩個段由陣列中間的水平凹槽彼此隔離。投影儀30包括控制電路(圖中沒有顯示)，用于例如通過單獨地應(yīng)用或切斷到每個段的電源供給，來單獨地驅(qū)動每個段的VCSEL。這樣，控制電路可以僅驅(qū)動段A(在該情況下，段A的VCSEL發(fā)光而段B的VCSEL是暗的)，僅驅(qū)動段B(在該情況下，段B的VCSEL發(fā)光而段A的VCSEL是暗的)，或者驅(qū)動兩個段(也就是，兩個段的VCSEL都發(fā)光)。圖6的右手邊顯示如對于圖2所描述的，使用FODOE通過復(fù)制產(chǎn)生的作為結(jié)果的圖案(僅顯示中心圖案的區(qū)域)。因為FO周期是圖案寬度的一半，它與通過僅操作陣列的一半而產(chǎn)生的圖案的寬度相同。因此，復(fù)制匹配陣列的一半(圖塊之間沒有間隙也沒有重疊)。顯示分別對應(yīng)于上述三種模式(表示為“A”，“B”和“A+B”)的三個圖案170A…170C。如圖中可以看到的，點密度從一種模式到另一種模式而有所不同。因為VCSEL陣列的每個部分(A或B)的2-D圖案配置具有不同的密度，圖170A、170B、170C中所示的投影圖案分別是稀疏的、中等的和密集的。圖6中所示VCSEL到段的劃分是示例劃分，其僅僅為了概念清晰而描述。在作為選擇的實施方案中，VCSEL可以任何期望的方式被分成任何適當(dāng)數(shù)量的段。例如，在兩個軸上為50％重疊設(shè)計的陣列可以被分成四個象限。不同的段不需要一定包括相同數(shù)量的VCSEL或具有類似的形狀。當(dāng)使用重疊點圖案復(fù)本時減少深度估計的模糊度如上所述，在一些實施方案中，由投影儀30投影的合成圖案用于計算圖案被投影于其上的景物或物體的3-D映像(“深度映像”)。深度可以從投影圖案的捕捉圖像來估計，通過在捕捉圖像的每個點相對于已知的參考，測量圖案的局部橫向位移。每個點的深度坐標(biāo)可以基于圖案的局部橫向位移由三角測量計算。橫向位移典型地沿著某個核線估計。但是，在上述實施方案中，合成圖案由某個基線圖案的多個位移復(fù)本構(gòu)成。結(jié)果，“圖塊”圖案以與FO周期相同的圖塊周期跨越FOV而復(fù)制。雖然合成圖塊圖案自身內(nèi)部設(shè)計為不相關(guān)，但是整個圖塊將與相鄰圖塊高度相關(guān)。結(jié)果，橫向位移不再是單一的，并且模糊度將在解中產(chǎn)生。在這種情況下，作為結(jié)果的深度估計將是錯誤的。如果必需的掃描范圍在照相機與投影儀之間的核線方向上引起與合成圖案中相鄰復(fù)本之間的偏移相同數(shù)量級或大于它的橫向位移，這種模糊度可能發(fā)生。假設(shè)，不失一般性，核線(橫向位移在其上測量)是圖的水平軸。當(dāng)僅使用垂直重疊時(例如圖2-4中)，模糊距離(ambiguityrange)由與基線圖案寬度相同的FO水平周期定義。當(dāng)垂直和水平重疊都使用時(例如圖5中)，模糊距離是基線圖案寬度的一半。通過擴大VCSEL陣列減小該模糊原則上是可能的，因為清晰的角度由VCSEL陣列120的尺寸和透鏡146的焦距定義。但是，這種解決方案對于VCSEL陣列代價很高，增加光學(xué)器件的復(fù)雜度，且不總是可行的。在一些實施方案中，設(shè)計FODOE144解決上述模糊度。代替具有FO衍射級Nx，Ny，DOE144可以被設(shè)計成具有FO衍射級Nx，k·Ny，其中k＝2，3，…。該FO具有交錯設(shè)計：每列仍然包括僅Ny級，但是它相對于相鄰列橫向偏移一級。這種設(shè)計產(chǎn)生平鋪的合成圖案，其中圖塊的每列相對于復(fù)本的相鄰列以等于圖塊高度(垂直軸)的一小部分的偏移量橫向偏移(沿著垂直軸)。作為復(fù)本之間該偏移的結(jié)果，清晰的深度測量的范圍有效地增加了k因子。圖7和8是根據(jù)本發(fā)明的實施方案，顯示具有減少模糊度的FO設(shè)計的示例的圖。在兩個圖中，十字標(biāo)記活動FO級的位置。FO都配置為9×9級(同時剩余級為零)，用于產(chǎn)生基線圖案的9×9復(fù)制。十字也代表基線圖案的復(fù)本的中心。在圖7中，k＝2，意味著兩個級代表圖塊沿著垂直軸的角度尺寸(50％重疊的基線圖案是FO周期的四倍)。該示例中相鄰復(fù)本之間的橫向偏移量是一個FO級，其是圖塊間垂直偏移量的一半。如圖中可以看到的，水平軸上的重復(fù)周期現(xiàn)在是兩個水平FO級。在圖8中，k＝3，意味著三個級代表圖塊沿著垂直軸的角度尺寸(50％重疊的基線圖案是FO周期的六倍)。在該示例中，相鄰復(fù)本之間的橫向偏移量是一個FO級，其是圖塊之間垂直偏移量的1/3。如圖中可以看到的，水平軸上的重復(fù)周期現(xiàn)在是三個水平FO級。圖7和8中顯示的交錯FO設(shè)計是通過設(shè)計將不需要的FO級抑制為零的設(shè)計示例。這些示例僅僅為了概念清晰而描述。在作為選擇的實施方案中，F(xiàn)O可以包括以任何期望的方式具有任何交錯數(shù)量的任何級數(shù)。因此應(yīng)當(dāng)理解，上述實施方案作為示例而引用，并且本發(fā)明并不局限于在上文特別顯示和描述的內(nèi)容。當(dāng)然，本發(fā)明的范圍包括在上文描述的各種特征的組合和子組合，以及當(dāng)閱讀前述描述時本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的并且在當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域中沒有公開的變化和修改。本專利申請中包含作為參考的文獻將認(rèn)為是申請的完整部分，除了任何術(shù)語以與本說明書中明確或含蓄進行的定義沖突的方式在這些包含的文獻中定義的程度之外，應(yīng)當(dāng)僅考慮本說明書中的定義。