点云投影装置及包含其的测量模组的制作方法

1.本技术涉及三维测量的技术领域，具体地，本技术涉及点云投影装置及包含其的测量模组。


背景技术：

2.三维测量中通常利用点云投影装置将点云投射到测量对象的表面以获得测量对象的三维形貌等信息。
3.现有技术中的点云投影装置包括光源阵列、准直元件和光学衍射元件(doe，diffractive optical element)。其中，准直元件包括多片折射透镜。光源阵列发出的光线经准直元件准直之后，再经过doe的衍射在远场形成点云。
4.现有技术中的准直元件采用多片折射透镜，导致准直元件的厚度大，从而造成点云投影装置的体积大、重量沉，不利于点云投影装置的小型化。这也阻碍了三维测量模组的小型化。
5.因此，亟需一种小型化的点云投影装置。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中的点云投影装置存在因准直元件采用折射透镜，造成小型化困难的问题，本技术实施例提供了一种点云投影装置及包含其的测量模组。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种点云投影装置，包括点云生成元件、点云复制元件和光源；并且，
8.所述点云生成元件和所述点云复制元件沿所述光源的出射光路依次排列；
9.其中，所述点云生成元件被配置为，将所述光源发出的第一光束转换为第二光束，以使所述第二光束能够直接投影形成点云单元；
10.所述点云复制元件被配置为，将所述第二光束分束形成第三光束，所述第三光束直接投影到远场形成阵列排布的所述点云单元。
11.可选地，所述点云生成元件为透射式超透镜。
12.可选地，所述点云生成元件为反射式超透镜。
13.可选地，所述点云复制元件包括衍射分束器或第二超透镜。
14.可选地，所述点云生成元件和所述点云复制元件级联。
15.可选地，所述透射式超透镜和所述第二超透镜共用基底；
16.其中，所述第一超透镜和所述第二超透镜位于基底两侧；或者，
17.所述第一超透镜和所述第二超透镜被设置于基底同一侧。
18.可选地，所述光源包括多个阵列排布的基于垂直腔面发射激光器的面阵光源或多个阵列排布的基于边缘发射激光器的面阵光源；任一垂直腔面发射激光器的面阵光源或任一基于边缘发射激光器的面阵光源包括多个阵列排布的点光源。。
19.可选地，所述光源为单个垂直腔面发射激光器的面阵光源或单个垂直腔面发射激
光器的面阵光源。
20.可选地，所述点云单元的样式与所述光源中点光源的阵列为相似图形。
21.可选地，所述光源位于所述点云生成元件的物方焦平面。
22.可选地，所述光源与所述点云生成元件之间还设置有至少一个反射镜或棱镜，用于折叠光路。
23.第二方面，本技术实施例还提供了一种测量模组，包括上述任一实施例提供的点云投影装置。
24.上述的技术方案至少取得了如下有益效果：
25.本技术实施例提供的点云投影装置通过点云生成元件将光源发射的第一光束调制为第二光束，使第二光束能够形成点云单元；通过点云复制元件将第二光束分束形成第三光束，第三光束形成阵列排布的点云单元。该点云投影装置避免了准直元件的使用，从而避免了准直元件对点云投影装置小型化的阻碍。
附图说明
26.所包括的附图用于提供本技术的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本技术的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本技术的原理。
27.图1示出了本技术实施例提供的点云投影装置的一种可选的结构示意图；
28.图2示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
29.图3示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
30.图4示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
31.图5示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
32.图6示出了本技术实施例提供的点云投影装置的一种可选的结构示意图；
33.图7示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
34.图8示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
35.图9示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图；
36.图10示出了本技术实施例提供的点云生成元件的物像关系的一种可选的示意图；
37.图11示出了本技术实施例提供的点云复制元件的一种可选的原理示意图；
38.图12示出了本技术实施例提供的点云复制元件的又一种可选的原理示意图；
39.图13示出了本技术实施例提供的超透镜的一种可选的结构示意图；
40.图14示出了本技术实施例提供的纳米结构的一种可选的结构示意图；
41.图15示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的结构示意图；
42.图16示出了本技术实施例提供的纳米结构的一种可选的排布方式；
43.图17示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布方式；
44.图18示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布方式；
45.图19示出了本技术实施例提供的点云投影装置的又一种可选的结构示意图。
46.图中附图标记分别表示：
47.10-点云生成元件；20-点云复制元件；30-光源；40-中继装置；
48.101-基底；102-纳米结构；103-超结构单元。
具体实施方式
49.现将在下文中参照附图更全面地描述本技术，在附图中示出了各实施方式。然而，本技术可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本技术将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本技术的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
50.本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
51.除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
[0052]“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
[0053]
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
[0054]
在下文中，将参照附图描述根据本技术的示例性实施方式。
[0055]
参见图1至图9，本技术实施例提供了一种点云投影装置，包括点云生成元件10、点云复制元件20以及光源30。通常光源30可以是多个阵列排布的基于垂直腔面发射激光器(vcsel，vertical-cavity surface-emitting laser)的面阵光源，也可以是多个阵列排布的基于边缘发射激光器(eel，edge emitting laser)的面阵光源。需要说明的是，单个基于vcsel的面阵光源和单个基于eel的面阵光源经过点云生成元件调制后直接投影生成的点云单元中，点云的数量不足，且阵列稀疏，难以提供足够的测量精度。而多个阵列排布的面阵光源包括多个基于vcsel的面阵光源或多个基于eel的面阵光源，虽然可以提供足够数量的点云，但是面阵光源的成本高、能耗大，不利于小型化和大规模工业化应用。
[0056]
如图1所示，光源30发出的第一光束经过点云生成元件10的调制后，形成第二光束。若将第二光束直接投影到光屏，可以在光屏上形成点云单元。图1中的左图示出了点云生成元件10和光源30的组合体。参考图1中的中间图示出了光源30为单个面阵光源，光源30包括多个阵列的点光源。光源30发出的第一光束经点云生成元件10直接投影后形成第二光束，图1中的右图示出了第二光束形成的点云单元的一种可选的示意图。示例性地，点云单元的样式和光源30中点光源的阵列为相似图形。可选地，点云生成元件10为第一超透镜，第一超透镜可以是透射式，也可以是反射式。超透镜是超表面技术的一种具体应用，通过设置
在基底上的纳米结构对入射光线的振幅、相位以及偏振等特性进行调制。
[0057]
可选地，当点云生成元件10为第一超透镜时，点云生成元件10的相位至少满足以下任意一个公式：
[0058][0059][0060][0061][0062][0063]
其中，ai为相位系数，λ为波长，r为第一超透镜的中心到第一超透镜上任一纳米结构中心的距离，x，y为第一超透镜的坐标，f
ml
为第一超透镜的焦距。
[0064]
进一步地，为了增加点云投影装置透射的点云数量以增加测量精度，该点云投影装置通过点云复制元件20对上述第二光束进行分束。第二光束经分束后产生点云阵列，该点云阵列包括多个阵列排布的点云单元。如图2所示，可选地，点云复制元件20为衍射分束器。如图3所示，可选地，点云复制元件20为第二超透镜。
[0065]
根据本技术的实施方式，如图1至图5所示，点云生成元件10为透射式超透镜。参见图2中的左图，光源30被设置于点云生成元件10的物方焦平面上，点云复制元件20为衍射分束器。图2的中间图示出了光源30中的点光源阵列。图2中的右图示出了经点云复制元件20分束后形成的第三光束生成的点云阵列。该点云阵列中包括阵列排布的点云单元。
[0066]
根据本技术的实施方式，图3示出了点云复制元件20为第二超透镜。图3中的左中右图分别示出了点云投影装置的一种可选的结构示意图、光源30中点光源的阵列示意图以及该装置产生的第三光束的点云阵列。该点云阵列中包括多个阵列的点云单元。如图2和图3所示，本技术实施例提供的点云生成元件10和点云复制元件20级联。
[0067]
根据本技术的实施方式，可选地，如图4和图5所示，点云生成元件10和点云复制元件20为共用基底的超透镜。图4中示出了点云生成元件10与点云复制元件20分别位于同一基底的两侧，这种结构的点云投影装置体积更小。其中，点云生成元件10为透射式超透镜，其位于靠近光源30的一侧；点云复制元件20位于远离光源30的一侧。
[0068]
更进一步，图5示出了点云生成元件10与点云复制元件20位于同一基底的一侧形成复合超透镜，这种结构加工成本更低。图5中，通过超透镜的相位叠加，将用于投影产生点云单元的相位与将用于分束的分束相位叠加得到叠加相位。叠加相位除以2π取余，可以获得复合超透镜的光相位。该复合超透镜的光相位满足：
[0069][0070]
其中，为点云生成元件光相位、为点云复制元件光相位。不论第一超透镜为透射式超透镜还是反射式超透镜，第一超透镜的相位和第二超透镜的相位都可以叠加。
[0071]
在又一些可选的实施例中，如图6至图9所示，本技术实施例提供的点云投影装置中点云生成元件10为反射式超透镜。图6中，左图为点云生成元件10和光源30的组合体的可选示意图，中间图为光源30中点光源的阵列样式的可选的示意图，右图为第二光束形成的点云单元的可选的示意图。图7至图9中，左图均为点云投影装置的可选的结构示意图，中间图均为光源30中点光源的阵列样式，右图均为第三光束的点云阵列的示意图。图9中，左图示出了点云投影装置中第一超透镜为反射式超透镜，且第一超透镜与第二超透镜相位叠加形成复合超透镜的结构示意图。
[0072]
根据本技术的实施方式，上述任一实施例提供的点云生成元件10的一种可选的物像关系如图10所示。点云生成元件10的物像关系至少满足：
[0073][0074]
其中，u是点云生成元件10的物距，v是点云生成元件10的像距，f是点云生成元件10的焦距。可选地，为了缩小本技术实施例提供的点云投影装置的尺寸，点云生成元件10的焦距较小。优选地，点云生成元件10的焦距满足1mm≤f≤3mm。一般地，点云生成元件10的像距大于10厘米。因此，上述物像关系公式可得，u≈f，即光源30位于点云生成元件10的物方焦平面上。
[0075]
根据本技术的实施方式，图11示出了本技术实施例中点云复制元件20为第二超透镜时的一种可选的原理示意图。图11中，点云复制元件20为第二超透镜。当第二光束经过任意一个第二超透镜时，其中的任一条光线会被衍射到预设的衍射方向向量θ
su
上，从而在待检测的目标表面不同区域形成点阵。即任一光线经过第二超透镜后，均被衍射到对应的多个方向，并形成包括多个点云单元的点云阵列。
[0076]
不受任何理论的束缚，相比传统的doe，由于本技术实施例提供的第二超透镜通过阵列排布的纳米结构施加用于分束的光相位，将入射光衍射到不同方向，不受高阶衍射产生的杂散干扰，其衍射效率可达90％以上。
[0077]
根据本技术的实施方式，可选地，本技术实施例提供点云复制元件20的相位由对应的目标点云阵列中点云单元的排列方式在迭代傅里叶算法(ifta，iterative fourier transform algorithm)或者gs算法的计算得到。gs算法是指gerchberg
–
saxton(gs)algorithm及其改进算法。可选地，前述计算包括频率域(k-space)等间距计算或空间域(x,y-space)等间距计算。
[0078]
图11示出了本技术实施例提供的点云复制元件20采用空间域等间距计算的示意图。可选地，采用标量衍射法计算点阵在放大复制器像面的光场分布，如下述公式所示：
[0079][0080][0081][0082]
其中，fft为傅里叶变化，λ为工作波长，u1(u,v)为观察面上的光场分布，α、β、γ分别为角方向坐标。如图11所示，不同于二维光栅的频率域等间距，本技术实施例提供的点云复制元件20，可选地，采用的空间域等间距算法，消除了衍射点阵的枕形畸变。
[0083]
根据本技术的实施方式，可选地，如图12所示，点云复制元件20的不同衍射级次对应的衍射角度θd与点云复制元件20的衍射角度θ
su
相同。为了确保第三光束形成的点云阵列中的点云单元既无重叠也无间隔，则第二光束中任一光线与光轴的夹角、衍射级次需满足如图12所示的关系。其中，第二光束中任一光线可看作斜入射到点云复制元件20被衍射至不同级次。如图12所示，点云生成元件10上边缘的0阶衍射与点云生成元件10下边缘的1阶衍射重合；点云生成元件10上边缘的1阶衍射与点云生成元件10下边缘的2阶衍射重合。依次类推，点云生成元件10上边缘的k阶衍射与点云生成元件10下边缘的k 1阶衍射重合。为满足如上关系，光线射入放大复制器阵列的角度θ与第二超透镜中纳米结构的排列周期p
su
需满足如下公式：
[0084][0085]
式中，λ为工作波长，p
su
为第二超透镜中纳米结构的排列周期。
[0086]
接下来，结合图13至图18对本技术实施例提供的超透镜进行详细描述。
[0087]
如图13所示，本技术实施例提供的第一超透镜和第二超透镜均包括基底101和阵列排布在基底101至少一侧的纳米结构102。可选地，各纳米结构之间可填充空气或其他在该点云投影装置的工作波段透明或半透明的填充物。根据本技术的实施方式，填充物的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。
[0088]
纳米结构可以是偏振敏感结构，如图14所示，此类结构对入射光施加一个几何相位。例如，椭圆柱形、中空椭圆柱形、椭圆孔形、中空椭圆孔形、长方柱形、长方孔形、中空长方柱形和中空长方孔等结构。纳米结构可以是偏振不敏感结构，如图15所示，此类结构对入射光施加一个传播相位。例如，圆柱形、中空圆柱形、圆孔形、中空圆孔形、正方柱形、正方孔形、中空正方柱形和中空正方孔等结构。
[0089]
可选地，纳米结构的排列周期大于或等于0.3λc，并且小于或等于2λc；其中，λc为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λc为最短波长工作波段的中心波长。可选地，纳米结构的高度大于或等于0.3λc，并且小于或等于5λc；其中，λc为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λc为最短波长工作波段的中心波长。可选地，超透镜上不同位置的纳米结构的排列周期相同。可选地，纳米结构的深宽比小于或等于20，以使超透镜的光能利用率大于或等于75％。
[0090]
可选地，超透镜(包括第一超透镜和第二超透镜)上不同位置的纳米结构的排列周期至少部分相同。例如，纳米结构的排列可以是靠近基底中心区域较为密集，靠近基底边缘较为稀疏。
[0091]
对于本技术实施例提供的超透镜的可选的工作波段(波长450nm至1550nm)，例如近红外波段和可见光波段，纳米结构为对应的亚波长结构。因此，可选地，对于近红外波段，纳米结构的排列周期小于或等于1500nm；可选地，对于蓝光可见光波段，纳米结构的排列周期小于或等于450nm。需要注意的是，若纳米结构的排列周期太小，例如小于或等于波长的二分之一，会引起相邻的纳米结构之间耦合产生谐振，从而导致超透镜的透过率下降。
[0092]
根据本技术的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。纳米结构的材质为在该点云投影装置工作波段高透过率的材料。可选地，纳米结构的材质对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、
蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。示例性地，纳米结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。
[0093]
在一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质相同。在又一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质不同。基底的材质为本技术实施例提供的点云投影装置工作波段高透过率的材料。可选地，基底对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，基底的材料可以是熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。示例性地，基底的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。可选地，基底的厚度大于或等于0.1毫米且小于或等于2毫米。例如，基底的厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等等。
[0094]
根据本技术的实施方式，参见图16至图18，该点云投影装置的第一超透镜和第二超透镜的纳米结构以超结构单元103的形式阵列排布，超结构单元的形状为可密堆积图形。纳米结构被设置于密堆积图形的顶点位置和/或中心位置。如图16所示，根据本技术的实施方式，上述密堆积图形可以为扇形。如图17所示，根据本技术的实施方式，上述密堆积图形也可以为正六边形。此外，如图18所示，根据本技术的实施方式，上述密堆积图形还可以为正方形。本领域技术人员应认识到，如图1至图9所示的点云投影装置中，超透镜的纳米结构还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本技术的范围内。
[0095]
对于相同的超透镜，超结构单元的形状会影响超透镜上纳米结构的排布密度，或单位面积的基底上可放置的纳米结构的数量。优选地，本技术实施例提供的超透镜采用正六边形的超结构单元比采用正四边形的超结构单元节约13％的纳米结构，有利于降低超透镜的生产成本和工艺难度。并且，当纳米结构采用正六边形周期性排列时，任一纳米结构与其周围相邻的六个纳米结构的距离相等；而当纳米结构采用正四边形周期性排列时，任一纳米结构与其周围相邻的八个纳米结构之间具有两种不同的距离，即纳米结构间距不统一，这导致纳米结构排列的周期性较差。
[0096]
在一些可选的实施例中，本技术实施例提供的超透镜还包括增透膜。增透膜被设置于基底远离纳米结构的一侧，或者，纳米结构与空气相邻的一侧。该增透膜用于减少超透镜对入射光线的吸收和反射。
[0097]
此外，该点云投影装置中的第一和第二超透镜兼容半导体工艺，且可以和光源进行晶圆级封装，增加了点云投影装置的装配精度以及装置的鲁棒性，进一步减小了点云投影装置的整体体积。
[0098]
根据本技术的实施方式，如图19所示，上述任一实施例提供的点云投影装置还包括中继装置40，用以折叠光路减少该点云投影装置的体积。中继装置40包括至少一个反射镜或至少一个棱镜。上述中继装置40在光路上被设置于光源30与点云生成元件10之间。可选地，反射镜可以是超透镜。采用中继装置40有利于将长焦的点云生成元件10应用于该点云投影装置中，有利于提高该点云投影装置的探测距离。
[0099]
另一方面，本技术实施例还提供了一种测量模组，该测量模组包括上述任一实施例提供的点云投影装置。
[0100]
综上所述，本技术实施例提供的点云投影装置制元件对光源产生的第一光束先投影后分束。其中，点云生成元件以折射或反射的方式产生第二光束，使第二光束能够形成点云单元，再利用点云复制元件，将第二光束分束形成第三光束，使第三光束形成阵列排布的
点云单元。该装置省略了准直元件，实现了点云投影装置的小型化的同时，还实现了用少量甚至单个光源提高点云阵列中点云的数量，提高了测量精度，降低了生产成本及投影装置的能耗。
[0101]
以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。