一种片上生成随机涡旋光束阵列的激光芯片

本发明涉及光学器件，特别涉及一种片上生成随机涡旋光束阵列的激光芯片。

背景技术：

1、结构光三维成像和激光雷达系统通常需要向目标空间投射具有确定空间分布的光点、点阵或点云图案，再由接收端相机或探测器获取图案在物体表面产生的位移和畸变，从而获得物体的深度信息。而在相关技术中结构光生成通常采用垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel）阵列、衍射光学元件、透镜组或空间光调制器产生点阵或随机点云图案，虽然能够实现结构光三维成像，但多数光点为普通亮斑，其光场信息维度有限。

技术实现思路

1、本发明提供了一种片上生成随机涡旋光束阵列的激光芯片，可携带多维度信息，兼具结构光随机点云的三维感知能力和完美涡旋光束的多维光场调控能力，技术方案如下。

2、第一方面，提供了一种片上生成随机涡旋光束阵列的激光芯片，芯片包括：

3、垂直腔面发射激光器vcsel阵列，vcsel阵列中的每个vcsel的出光端面设置有超构表面层，超构表面层由亚波长纳米结构单元组成，亚波长纳米结构单元按照预设随机涡旋光束阵列的相位分布设置几何尺寸和/或面内旋转角；

4、驱动结构，驱动结构与vcsel阵列电连接，用于驱动vcsel阵列发出光束，并经过超构表面层形成随机涡旋光束阵列，随机涡旋光束阵列由预设随机坐标集合确定，预设随机坐标集合中的每个预设随机坐标对应随机涡旋光束阵列中的一束完美涡旋光束，完美涡旋光束具有环形光强分布和中心暗核。

5、进一步的，超构表面层加载有准直相位，准直相位用于在vcsel阵列发出的光束经过超构表面层完成准直、随机分束和完美涡旋光束的转换。

6、进一步的，预设随机涡旋光束阵列的相位分布是根据所有随机目标点对应的目标复电场和准直相位得到的；目标复电场是根据随机目标阵列构建的，随机目标阵列是根据在目标投影范围内设置多个随机坐标点中每一个随机坐标点被分配一组光束参数确定的；一组光束参数至少包括空间偏转角、拓扑荷数、环半径、环宽和权重系数；目标投影范围为随机涡旋光束阵列的投影范围。

7、进一步的，相位分布中的相位是通过迭代傅里叶相位优化得到的。

8、进一步的，随机涡旋光束阵列为随机涡旋点云，随机涡旋点云中的每个点具有中心暗核、环形轮廓和可调整的拓扑荷数。

9、进一步的，随机涡旋光束阵列包括第一区域和第二区域，第一区域采用第一密度的随机涡旋点云，第二区域采用第二密度的随机涡旋点云，第一密度大于第二密度。

10、进一步的，随机涡旋光束阵列为一维随机阵列、二维随机阵列、局部随机全局均匀阵列、分区随机阵列或具有预设稀疏度的随机点云阵列。

11、进一步的，随机涡旋光束阵列用于结构光三维成像或激光雷达发射端；在随机涡旋光束阵列投射至目标物体表面后形成随机涡旋点云图案，随机涡旋点云图案可由接收端识别。

12、进一步的，随机涡旋点云图案中的每个光点均为环形完美涡旋光斑，环形完美涡旋光斑的随机空间位置和环形轮廓特征均用于供接收端进行光点匹配。

13、进一步的，超构表面层包括传输相位型超构表面层、几何相位型超构表面层或复合相位型超构表面层。

14、本发明提供的一种片上生成随机涡旋光束阵列的激光芯片至少存在以下技术效果：

15、通过vcsel阵列的出光端面设置有超构表面层，超构表面层由亚波长纳米结构单元组成，亚波长纳米结构单元按照预设随机涡旋光束阵列的相位分布设置几何尺寸和/或面内旋转角；由vcsel阵列发出的光束经过超构表面层形成随机涡旋光束阵列，随机涡旋光束阵列由预设随机坐标集合确定，每个预设随机坐标对应一束完美涡旋光束。可见，由于完美涡旋光束还具有环形光强分布、中心暗核以及环半径与拓扑荷数基本解耦的特点，适合在多通道阵列中保持各光束尺寸一致，并可利用拓扑荷数作为附加信息维度。而随机涡旋光束阵列对应的随机点云图像中的每一个光点均为一个完美涡旋光束，则可在结构光投影中同时引入空间随机编码、环形强度特征和轨道角动量维度等多维度信息，兼具结构光随机点云的三维感知能力和完美涡旋光束的多维光场调控能力。

1.一种片上生成随机涡旋光束阵列的激光芯片，其特征在于，所述芯片包括：

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述超构表面层加载有准直相位，所述准直相位用于在所述vcsel阵列发出的光束经过所述超构表面层完成准直、随机分束和完美涡旋光束的转换。

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述预设随机涡旋光束阵列的相位分布是根据所有随机目标点对应的目标复电场和所述准直相位得到的；所述目标复电场是根据随机目标阵列构建的，所述随机目标阵列是根据在目标投影范围内设置多个随机坐标点中每一个随机坐标点被分配一组光束参数确定的；所述一组光束参数至少包括空间偏转角、拓扑荷数、环半径、环宽和权重系数；所述目标投影范围为所述随机涡旋光束阵列的投影范围。

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述相位分布中的相位是通过迭代傅里叶相位优化得到的。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述随机涡旋光束阵列为随机涡旋点云，所述随机涡旋点云中的每个点具有中心暗核、环形轮廓和可调整的拓扑荷数。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述随机涡旋光束阵列包括第一区域和第二区域，所述第一区域采用第一密度的随机涡旋点云，所述第二区域采用第二密度的随机涡旋点云，所述第一密度大于所述第二密度。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述随机涡旋光束阵列为一维随机阵列、二维随机阵列、局部随机全局均匀阵列、分区随机阵列或具有预设稀疏度的随机点云阵列。

8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述随机涡旋光束阵列用于结构光三维成像或激光雷达发射端；在所述随机涡旋光束阵列投射至目标物体表面后形成随机涡旋点云图案，所述随机涡旋点云图案可由接收端识别。

9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述随机涡旋点云图案中的每个光点均为环形完美涡旋光斑，所述环形完美涡旋光斑的随机空间位置和环形轮廓特征均用于供所述接收端进行光点匹配。

10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，超构表面层包括传输相位型超构表面层、几何相位型超构表面层或复合相位型超构表面层。