具有准直器功能的衍射光学元件
1.相关申请的交叉引用本技术要求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。
技术领域
2.本发明一般涉及距离测量，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。
背景技术：
3.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。
4.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。
技术实现要素：
5.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。
6.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。
7.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
8.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。
9.图2示出可以由图1的光投射系统形成的光的图案。
10.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。
11.图3b示出图3a的表面的截面图。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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
16.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。
17.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。
18.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。
19.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）。
20.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。
21.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学元件的表面上创建阶梯状衍射图案来实现组合功能。阶梯状图案的示例包括没有倾斜表面的多层二元阶梯衍射图案。所公开的衍射光学元件的所提出的图案化比倾斜衍射光栅更容易制造，并且针对衍射效率、噪声和图案均匀性更好地优化。
22.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100的示意图。换句话说，图1示出了投射可以从中计算距离的光图案的距离传感器的部分，但是省略了距离传感器的其他组件，例如用于捕获光图案的图像并且基于图像计算距离的光接收系统和处理器。
23.如图1所示，示例性距离传感器的光投射系统100通常包括发射器102和衍射光学元件104。在一个示例中，发射器102包括vcsel发射器。vcsel发射器可以更具体地包括各个vcsel发射器106
1-106n（下文中单个地称为“vcsel发射器106”或统称为“vcsel发射器106”）的阵列。每个vcsel发射器106可以包括激光光源，该激光光源能够发射具有人眼不可见但示例性距离传感器的光接收系统可见的波长的光束（例如，红外光）。
24.图1针对vcsel发射器106中的每一个示出了相应的中心发光轴108
1-108n（下文中单个地称为“轴108”或统称为“轴108”）。此外，图1示出了从vcsel发射器1061发射的相干光束110。vcsel发射器1062和106n可以以类似的方式发射相干光束；然而，为了简单起见，在图1中没有示出这样的光束。在一个示例中，微透镜114可以可选地位于发射器102上方。
25.衍射光学元件104位于发射器102和光投射系统100的出射光瞳（未示出）之间，发射的光通过该出射光瞳离开距离传感器。此外，可以采用定位构件116来以高精度保持发射器102与衍射光学元件104之间的严格对准的位置关系。在一个示例中，定位构件116是由塑料或聚合物形成的，例如液晶聚合物，以便于精确模制。
26.在一个示例中，衍射光学元件104包括准直器功能，如以下进一步详细描述的。也就是说，除了将发射器102发射的每个相干光束（例如，类似于光束110）分成多个光束之外，衍射光学元件104还可以使多个光束整形为呈现投射到表面上的任意扩散角θ。衍射光学元
件104也可以执行图1中的角度φ所示的放大功能。在一个示例中，衍射光学元件104的光学功率与凸透镜的光学功率相似。即，衍射光学元件104可以控制由发射器102投射的光束的发散角，并且还可以在发射器102包括vcsel发射器阵列时放大所投射的图案。
27.例如，如图1所示，相干光束110可以由vcsel发射器1061发射。当相干光束110进入衍射光学元件104时，衍射光学元件104将相干光束110分成多个光束112
1-112m（下文中单个地称为“光束112”或统称为“光束112”）。此外，由于衍射光学元件104已经被配置成也执行准直器功能，所以衍射光学元件104将使多个光束112整形以呈现扩散角θ。在一个示例中，通过衍射光学元件104对多个光束112进行整形可以导致一些光束112被定向为基本上彼此平行（即，在某一预限定容差内平行）。例如，如图1所示，光束1121和1122彼此平行；光束1123和1124彼此平行；光束1125和1126彼此平行；光束1127和1128彼此平行；并且光束1129和112m彼此平行。可以以类似的方式分光和整形由vcsel发射器1062和106n发射的相干光束。
28.结果是投射到表面上的光的点的图案，其中，当多个光束中的一个入射到表面上时，形成每个点。例如，图2示出了可以由图1的光投射系统100形成的光的图案200。如图所示，图案200包括多个单独的光点202，其可以通过衍射光学元件104的准直器功能放大。每个光点202可以由从衍射光学元件104离开的多个光束中的一个光束形成。此外，从单个相干光束分光的每组光束（例如，从相干光束110分光的多个光束112）可以形成子图案204，其可以被重复以形成图案200。也就是说，由发射器102发射的每个相干光束一旦被分光就可以创建子图案204的实例；因此，当由发射器102发射的所有相干光束创建子图案204的相应实例（使得子图案204跨空间的多个相应部分206
1-206o重复）时，产生图案200。虽然在每个部分206中重复的子图案204看起来呈现点202的规则或重复布置，但是应当理解，重复的子图案204在其他示例中也可以呈现点202的不规则或任意布置。
29.如上所述，衍射光学元件被设计成不仅将进入衍射光学元件的光束分光，而且准直通过分光产生的光束。图3a示出了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300的一部分的照片。图3b示出了图3a的表面300的截面图。示例性衍射光学元件可以是图1的衍射光学元件104。
30.如图所示，在一个示例中，衍射光学元件的表面300可以被设计为包括二元阶梯的不规则图案。二元阶梯的不规则图案可以蚀刻到例如玻璃基板中。每个阶梯可以包括延伸段（即，平坦的升高表面）和相对于该延伸段以基本九十度角定向的升高部（即，平坦的升高表面的高度）。换句话说，阶梯不包括倾斜表面。例如，图3a和3b表示表面300的多个阶梯之一的延伸段302和升高部304。
31.在一个示例中，如图3a和3b所示，在不同阶梯可以具有不同尺寸和/或形状的延伸段以及不同升高部的意义上，由阶梯创建的图案是不规则的。然而，如图所示，所有阶梯的延伸段基本上彼此平行地定向并且平行于表面300的基部，而所有阶梯的升高部也基本上彼此平行地定向。因此，尽管所有阶梯的延伸段和升高部被定向为彼此平行，但是它们不一定彼此共面（例如，与少于所有其他阶梯共面）。换句话说，衍射光学元件的表面可以包括二元阶梯的多个（即，两个或更多个）阶段级或层306
1-306i。当从上方观察时，衍射光学元件上的图案可以类似于一系列同心圆。
32.图3a和3b中所示的图案能够将相干光束分成多个光束，并且能够准直多个光束以控制扩散角。因此，其表面被设计为呈现图3a和3b所示的图案的衍射光学元件可以执行衍
射光学元件和准直器透镜两者的功能，但是在单个组件中。在一个示例中，图3a和3b中所示的图案形成在表面中，如果衍射光学元件104面向发射器102的话。
33.图4是示出了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400的示意图。与图1类似，图4示出了投射可以从中计算距离的光图案的距离传感器的一部分，但是省略了距离传感器的其他组件，例如用于捕捉光图案的图像并基于图像计算距离的光接收系统和处理器。
34.如图4所示，示例性距离传感器的光投射系统400通常包括发射器402和衍射光学元件404。在一个示例中，发射器402包括vcsel发射器。然而，与包括各个vcsel发射器106的阵列的图1的发射器101不同，发射器402包括单个vcsel发射器406。vcsel发射器406可以包括能够发射对于人眼是不可见的但是对于示例性远距离传感器的光接收系统是可见的波长的光束的激光光源（例如，红外光）。图4还针对vcsel发射器406示出了中心发光轴408。此外，图4示出了从vcsel发射器406发射的相干光束410。
35.衍射光学元件404位于发射器402和光投射系统400的出射光瞳（未示出）之间，发射的光经由该出射光瞳离开距离传感器。此外，定位构件416可被用于保持发射器402和衍射光学元件404之间的严格对准的位置关系。
36.在一个示例中，衍射光学元件404包括如上所述的准直器功能。也就是说，除了将由发射器402发射的相干光束410分成多个光束之外，衍射光学元件404还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。
37.例如，如图4所示，相干光束410可以由vcsel发射器406发射。当相干光束410进入衍射光学元件404时，衍射光学元件404将把相干光束410分成多个光束4121至412m（下文中单个地称为“光束412”或统称为“光束412”）。此外，由于衍射光学元件404已经被配置成也执行准直器功能，所以衍射光学元件404将使多个光束412整形为呈现任意扩散角。在一个示例中，通过衍射光学元件404对多个光束412进行整形可以使一些光束412被定向为基本上彼此平行（即，在某一预限定公差内平行）。例如，如图4所示，光束4121和4122彼此平行；光束4123和4124彼此平行；光束4125和4126彼此平行；光束4127和4128彼此平行；并且光束4129和412m彼此平行。
38.采用包括准直器功能的衍射光学元件的本公开的距离传感器可以用于各种距离感测方案和应用中。例如，由所公开的距离传感器投射的图案可以用于根据使用多点投射的三角测量（例如，其中，距离是根据例如网格的规则点图案、其中点被布置成根据指定规则形成代码的代码图案、或其中点的布置的规则被最小化的伪随机图案的投射来计算的）、使用多点投射的飞行时间（例如，其中，光点被脉冲化）、使用多点投射的立体系统（例如，作为用于特征检测的支持装置）、或三角距离测量（例如，通过投射多个光条而不是光点）来计算距离。这种距离传感器可以结合到包括移动电话、个人计算机和其中期望较小形状因子和较低制造成本的其他设备在内的设备中。
39.这种距离传感器也可以用于包括面部认证、姿势识别和三维识别的应用中。可以通过改变发射器的布置和尺寸（例如，阵列中的各个发射器的数量和布置）来实现用于应用的适当图案。
40.图5是示出了一个示例性距离传感器500的简化示意图，其中，可以采用包括准直器功能的所公开的衍射光学元件的示例。距离传感器500通常包括处理器502、光投射系统
504和光接收系统506。
41.处理器502可以包括硬件处理器元件602，例如中央处理单元（cpu）、微处理器或多核处理器。处理器502可被配置成控制光投射系统504和光接收系统506两者的操作，如下文进一步详细描述。
42.光投射系统可以以类似于图1和4中所示和上面讨论的光投射系统的方式来配置。因此，光投射系统可以包括激光光源（例如，单个发射器或发射器阵列）和衍射光学元件，该衍射光学元件包括准直器功能，该准直器功能被图案化为以下两者：（1）将由激光光源发射的相干光束分成多个光束；以及（2）准直所述多个光束以控制由光投射系统504发射的光的发散角。包括准直器功能的衍射光学元件还可以控制由光投射系统504投射到表面510中的投射图案（即，光点的布置）508的放大。处理器502可以控制光投射系统504来投射图案508（例如，通过发送指示（一个或多个）发射器在指定时间处和/或在指定持续时间内发射光的信号）。尽管图5中所示的示例性图案508呈现规则或重复的点布置，但是应当理解，在其他示例中，图案508也可以呈现任意或不均匀（例如，非重复）的点布置。
43.光接收系统506可以包括图像传感器（例如，相机）和捕获被投射到表面510上的图案508的图像的其他光学器件（例如，滤光器）。如上所述，由于由光投射系统504发射的光的波长，图案508对于人眼可能是不可见的，但是对于光接收系统506的适当配置的图像传感器（例如，光电检测器）可能是可见的。处理器502可以控制光接收系统506捕获图案的图像（例如，通过发送指令光接收系统在指定时间处捕获图像的信号）。由光接收系统506捕获的图像可以被转发到处理器502以用于距离计算。
44.处理器502可以基于由光接收系统506捕获的图像中的图案508的外观来计算到表面510的距离。例如，处理器502可以存储图案508的图像或已知配置，并且可以将所捕获的图像与所存储的图像和/或已知配置进行比较以计算距离，例如使用三角测量、飞行时间或其他技术。例如，可以根据美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何方法来计算距离。
45.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600的流程图。方法600可以例如由包括至少一个处理器（例如图5的距离传感器500的处理器502）的处理系统执行。或者，方法600可以由计算设备（例如图7中所示并且在下面进一步详细描述的计算设备700）的处理系统执行。为了举例，方法600被描述为是由处理系统执行的。
46.方法600可以从步骤602开始。在步骤604，距离传感器的处理系统可以使距离传感器的光投射系统将光的图案投射到对象上，其中，光投射系统包括衍射光学元件，该衍射光学元件包括准直器功能。距离传感器的光投射系统可以包括例如发射具有人眼基本上不可见的波长的一个或多个光束（例如红外光）的激光光源。距离传感器的光投射系统可以另外包括衍射光学元件，其表面如上所述被图案化（例如，包括多层的二进制阶梯图案）以实现如下两者：（1）将由激光光源发射的（一个或多个）光束分成多个附加光束；以及（2）准直多个附加光束以控制光图案的扩散角和放大。
47.因此，光投射系统可以投射多个光束。当多个光束中的每个光束入射到对象上时，光束在对象上创建光点（例如，点或其他形状）。由多个光束创建的多个光点共同在对象上形成光图案。光图案可以包括多个光点的预限定布置。例如，多个光点可以被布置成包括多个行和多个列的网格，或者可以被布置成形成垂直或水平条。
48.在步骤606中，处理系统可以使距离传感器的光接收系统捕获被投射到对象上的光图案的图像。如上所述，距离传感器的光接收系统可以包括例如共同形成相机的一个或多个透镜和成像传感器。成像传感器可以包括光电检测器和可选滤光器的阵列，其能够检测图案的光点。例如，光电检测器可以包括红外光电检测器，并且滤光器可以包括红外带通滤光器。
49.在步骤608中，处理系统可以基于图像中的至少一些光点的外观和对至少一些光点的轨迹的知识来计算多个光点中的至少一些光点的三维坐标集合。光点的三维坐标集合可以包括（x，y，z）坐标，其中，z坐标可以测量该点与距离传感器的距离（或深度）。该点的轨迹可以包括移动范围，在该移动范围内，点的位置可以随着到对象的距离而变化。在执行方法600之前，可以通过距离传感器的校准来学习多个光点中的每个点的轨迹。
50.方法600然后可以在步骤610结束。
51.应当注意，尽管未明确指定，但是上述方法600的一些框、功能或操作可以包括针对特定应用的存储、显示和/或输出。换句话说，取决于特定应用，方法600中所讨论的任何数据、记录、字段和/或中间结果都可以被存储、显示和/或输出到另一设备。此外，图6中的叙述了确定操作或涉及判定的框、功能或操作并没有暗示实践确定操作的两个分支。换句话说，根据确定操作的结果，可以不执行确定操作的分支之一。
52.图7描绘了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700的高级框图。这样，电子设备700可以被实现为电子设备或系统的处理器，例如距离传感器。
53.如图7所示，电子设备700包括硬件处理器元件702，例如中央处理单元（cpu）、微处理器或多核处理器；存储器704，例如随机存取存储器（ram）和/或只读存储器（rom）；用于测量从距离传感器到对象的距离的模块705；以及各种输入/输出设备706，例如存储设备，包括但不限于磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或压缩盘驱动器、接收器、发送器、显示器、输出端口、输入端口以及用户输入设备，例如键盘、小键盘、鼠标、麦克风、相机、激光光源、led光源等。
54.尽管示出了一个处理器元件，但是应当注意，电子设备700可以采用多个处理器元件。此外，尽管在图中示出了一个电子设备700，但是如果对于特定的说明性示例以分布式或并行的方式实现如上所述的（一种或多种）方法，即，跨多个或并行的电子设备实现上述（一种或多种）方法的框或整个（一种或多种）方法，那么该图的电子设备700旨在表示那些多个电子设备中的每一个。
55.应当注意，本公开可以由机器可读指令和/或机器可读指令和硬件的组合来实现，例如使用专用集成电路（asic）、包括现场可编程门阵列（fpga）的可编程逻辑阵列（pla）、或部署在硬件设备、通用计算机或任何其他硬件等同物上的状态机，例如，与上述（一种或多种）方法有关的计算机可读指令可以用于配置硬件处理器以执行上述（一种或多种）方法的框、功能和/或操作。
56.在一个示例中，用于测量从距离传感器到对象的距离的本模块或过程705的指令和数据（例如机器可读指令）可以被加载到存储器704中并且由硬件处理器元件702执行以实现如上文结合方法600所讨论的框、功能或操作。此外，当硬件处理器执行指令以执行“操作”时，这可以包括硬件处理器直接执行操作和/或促进、引导另一硬件设备或组件或与另一硬件设备或组件协作（例如协处理器等）以执行操作。
57.执行与上述（一种或多种）方法相关的机器可读指令的处理器可以被认为是编程处理器或专用处理器。这样，本公开的测量从距离传感器到对象的距离的本模块705可以存储在有形或物理（广义上非暂时性）计算机可读存储设备或介质上，例如易失性存储器、非易失性存储器、rom存储器、ram存储器、磁或光驱动器、设备或磁盘等。更具体地说，计算机可读存储设备可以包括提供存储信息的能力的任何物理设备，所述信息是例如将由处理器或电子设备（例如安全传感器系统的计算机或控制器）访问的数据和/或指令。
58.应当理解，上述公开的变型和其他特征和功能或其替选方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。随后可以做出各种目前未预见或未预期的替代、修改或其中的变化，其也旨在由所附权利要求涵盖。
1.相关申请的交叉引用本技术要求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。
技术领域
2.本发明一般涉及距离测量，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。
背景技术：
3.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。
4.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。
技术实现要素：
5.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。
6.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。
7.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
8.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。
9.图2示出可以由图1的光投射系统形成的光的图案。
10.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。
11.图3b示出图3a的表面的截面图。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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
16.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。
17.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。
18.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。
19.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）。
20.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。
21.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学元件的表面上创建阶梯状衍射图案来实现组合功能。阶梯状图案的示例包括没有倾斜表面的多层二元阶梯衍射图案。所公开的衍射光学元件的所提出的图案化比倾斜衍射光栅更容易制造，并且针对衍射效率、噪声和图案均匀性更好地优化。
22.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100的示意图。换句话说，图1示出了投射可以从中计算距离的光图案的距离传感器的部分，但是省略了距离传感器的其他组件，例如用于捕获光图案的图像并且基于图像计算距离的光接收系统和处理器。
23.如图1所示，示例性距离传感器的光投射系统100通常包括发射器102和衍射光学元件104。在一个示例中，发射器102包括vcsel发射器。vcsel发射器可以更具体地包括各个vcsel发射器106
1-106n（下文中单个地称为“vcsel发射器106”或统称为“vcsel发射器106”）的阵列。每个vcsel发射器106可以包括激光光源，该激光光源能够发射具有人眼不可见但示例性距离传感器的光接收系统可见的波长的光束（例如，红外光）。
24.图1针对vcsel发射器106中的每一个示出了相应的中心发光轴108
1-108n（下文中单个地称为“轴108”或统称为“轴108”）。此外，图1示出了从vcsel发射器1061发射的相干光束110。vcsel发射器1062和106n可以以类似的方式发射相干光束；然而，为了简单起见，在图1中没有示出这样的光束。在一个示例中，微透镜114可以可选地位于发射器102上方。
25.衍射光学元件104位于发射器102和光投射系统100的出射光瞳（未示出）之间，发射的光通过该出射光瞳离开距离传感器。此外，可以采用定位构件116来以高精度保持发射器102与衍射光学元件104之间的严格对准的位置关系。在一个示例中，定位构件116是由塑料或聚合物形成的，例如液晶聚合物，以便于精确模制。
26.在一个示例中，衍射光学元件104包括准直器功能，如以下进一步详细描述的。也就是说，除了将发射器102发射的每个相干光束（例如，类似于光束110）分成多个光束之外，衍射光学元件104还可以使多个光束整形为呈现投射到表面上的任意扩散角θ。衍射光学元
件104也可以执行图1中的角度φ所示的放大功能。在一个示例中，衍射光学元件104的光学功率与凸透镜的光学功率相似。即，衍射光学元件104可以控制由发射器102投射的光束的发散角，并且还可以在发射器102包括vcsel发射器阵列时放大所投射的图案。
27.例如，如图1所示，相干光束110可以由vcsel发射器1061发射。当相干光束110进入衍射光学元件104时，衍射光学元件104将相干光束110分成多个光束112
1-112m（下文中单个地称为“光束112”或统称为“光束112”）。此外，由于衍射光学元件104已经被配置成也执行准直器功能，所以衍射光学元件104将使多个光束112整形以呈现扩散角θ。在一个示例中，通过衍射光学元件104对多个光束112进行整形可以导致一些光束112被定向为基本上彼此平行（即，在某一预限定容差内平行）。例如，如图1所示，光束1121和1122彼此平行；光束1123和1124彼此平行；光束1125和1126彼此平行；光束1127和1128彼此平行；并且光束1129和112m彼此平行。可以以类似的方式分光和整形由vcsel发射器1062和106n发射的相干光束。
28.结果是投射到表面上的光的点的图案，其中，当多个光束中的一个入射到表面上时，形成每个点。例如，图2示出了可以由图1的光投射系统100形成的光的图案200。如图所示，图案200包括多个单独的光点202，其可以通过衍射光学元件104的准直器功能放大。每个光点202可以由从衍射光学元件104离开的多个光束中的一个光束形成。此外，从单个相干光束分光的每组光束（例如，从相干光束110分光的多个光束112）可以形成子图案204，其可以被重复以形成图案200。也就是说，由发射器102发射的每个相干光束一旦被分光就可以创建子图案204的实例；因此，当由发射器102发射的所有相干光束创建子图案204的相应实例（使得子图案204跨空间的多个相应部分206
1-206o重复）时，产生图案200。虽然在每个部分206中重复的子图案204看起来呈现点202的规则或重复布置，但是应当理解，重复的子图案204在其他示例中也可以呈现点202的不规则或任意布置。
29.如上所述，衍射光学元件被设计成不仅将进入衍射光学元件的光束分光，而且准直通过分光产生的光束。图3a示出了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300的一部分的照片。图3b示出了图3a的表面300的截面图。示例性衍射光学元件可以是图1的衍射光学元件104。
30.如图所示，在一个示例中，衍射光学元件的表面300可以被设计为包括二元阶梯的不规则图案。二元阶梯的不规则图案可以蚀刻到例如玻璃基板中。每个阶梯可以包括延伸段（即，平坦的升高表面）和相对于该延伸段以基本九十度角定向的升高部（即，平坦的升高表面的高度）。换句话说，阶梯不包括倾斜表面。例如，图3a和3b表示表面300的多个阶梯之一的延伸段302和升高部304。
31.在一个示例中，如图3a和3b所示，在不同阶梯可以具有不同尺寸和/或形状的延伸段以及不同升高部的意义上，由阶梯创建的图案是不规则的。然而，如图所示，所有阶梯的延伸段基本上彼此平行地定向并且平行于表面300的基部，而所有阶梯的升高部也基本上彼此平行地定向。因此，尽管所有阶梯的延伸段和升高部被定向为彼此平行，但是它们不一定彼此共面（例如，与少于所有其他阶梯共面）。换句话说，衍射光学元件的表面可以包括二元阶梯的多个（即，两个或更多个）阶段级或层306
1-306i。当从上方观察时，衍射光学元件上的图案可以类似于一系列同心圆。
32.图3a和3b中所示的图案能够将相干光束分成多个光束，并且能够准直多个光束以控制扩散角。因此，其表面被设计为呈现图3a和3b所示的图案的衍射光学元件可以执行衍
射光学元件和准直器透镜两者的功能，但是在单个组件中。在一个示例中，图3a和3b中所示的图案形成在表面中，如果衍射光学元件104面向发射器102的话。
33.图4是示出了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400的示意图。与图1类似，图4示出了投射可以从中计算距离的光图案的距离传感器的一部分，但是省略了距离传感器的其他组件，例如用于捕捉光图案的图像并基于图像计算距离的光接收系统和处理器。
34.如图4所示，示例性距离传感器的光投射系统400通常包括发射器402和衍射光学元件404。在一个示例中，发射器402包括vcsel发射器。然而，与包括各个vcsel发射器106的阵列的图1的发射器101不同，发射器402包括单个vcsel发射器406。vcsel发射器406可以包括能够发射对于人眼是不可见的但是对于示例性远距离传感器的光接收系统是可见的波长的光束的激光光源（例如，红外光）。图4还针对vcsel发射器406示出了中心发光轴408。此外，图4示出了从vcsel发射器406发射的相干光束410。
35.衍射光学元件404位于发射器402和光投射系统400的出射光瞳（未示出）之间，发射的光经由该出射光瞳离开距离传感器。此外，定位构件416可被用于保持发射器402和衍射光学元件404之间的严格对准的位置关系。
36.在一个示例中，衍射光学元件404包括如上所述的准直器功能。也就是说，除了将由发射器402发射的相干光束410分成多个光束之外，衍射光学元件404还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。
37.例如，如图4所示，相干光束410可以由vcsel发射器406发射。当相干光束410进入衍射光学元件404时，衍射光学元件404将把相干光束410分成多个光束4121至412m（下文中单个地称为“光束412”或统称为“光束412”）。此外，由于衍射光学元件404已经被配置成也执行准直器功能，所以衍射光学元件404将使多个光束412整形为呈现任意扩散角。在一个示例中，通过衍射光学元件404对多个光束412进行整形可以使一些光束412被定向为基本上彼此平行（即，在某一预限定公差内平行）。例如，如图4所示，光束4121和4122彼此平行；光束4123和4124彼此平行；光束4125和4126彼此平行；光束4127和4128彼此平行；并且光束4129和412m彼此平行。
38.采用包括准直器功能的衍射光学元件的本公开的距离传感器可以用于各种距离感测方案和应用中。例如，由所公开的距离传感器投射的图案可以用于根据使用多点投射的三角测量（例如，其中，距离是根据例如网格的规则点图案、其中点被布置成根据指定规则形成代码的代码图案、或其中点的布置的规则被最小化的伪随机图案的投射来计算的）、使用多点投射的飞行时间（例如，其中，光点被脉冲化）、使用多点投射的立体系统（例如，作为用于特征检测的支持装置）、或三角距离测量（例如，通过投射多个光条而不是光点）来计算距离。这种距离传感器可以结合到包括移动电话、个人计算机和其中期望较小形状因子和较低制造成本的其他设备在内的设备中。
39.这种距离传感器也可以用于包括面部认证、姿势识别和三维识别的应用中。可以通过改变发射器的布置和尺寸（例如，阵列中的各个发射器的数量和布置）来实现用于应用的适当图案。
40.图5是示出了一个示例性距离传感器500的简化示意图，其中，可以采用包括准直器功能的所公开的衍射光学元件的示例。距离传感器500通常包括处理器502、光投射系统
504和光接收系统506。
41.处理器502可以包括硬件处理器元件602，例如中央处理单元（cpu）、微处理器或多核处理器。处理器502可被配置成控制光投射系统504和光接收系统506两者的操作，如下文进一步详细描述。
42.光投射系统可以以类似于图1和4中所示和上面讨论的光投射系统的方式来配置。因此，光投射系统可以包括激光光源（例如，单个发射器或发射器阵列）和衍射光学元件，该衍射光学元件包括准直器功能，该准直器功能被图案化为以下两者：（1）将由激光光源发射的相干光束分成多个光束；以及（2）准直所述多个光束以控制由光投射系统504发射的光的发散角。包括准直器功能的衍射光学元件还可以控制由光投射系统504投射到表面510中的投射图案（即，光点的布置）508的放大。处理器502可以控制光投射系统504来投射图案508（例如，通过发送指示（一个或多个）发射器在指定时间处和/或在指定持续时间内发射光的信号）。尽管图5中所示的示例性图案508呈现规则或重复的点布置，但是应当理解，在其他示例中，图案508也可以呈现任意或不均匀（例如，非重复）的点布置。
43.光接收系统506可以包括图像传感器（例如，相机）和捕获被投射到表面510上的图案508的图像的其他光学器件（例如，滤光器）。如上所述，由于由光投射系统504发射的光的波长，图案508对于人眼可能是不可见的，但是对于光接收系统506的适当配置的图像传感器（例如，光电检测器）可能是可见的。处理器502可以控制光接收系统506捕获图案的图像（例如，通过发送指令光接收系统在指定时间处捕获图像的信号）。由光接收系统506捕获的图像可以被转发到处理器502以用于距离计算。
44.处理器502可以基于由光接收系统506捕获的图像中的图案508的外观来计算到表面510的距离。例如，处理器502可以存储图案508的图像或已知配置，并且可以将所捕获的图像与所存储的图像和/或已知配置进行比较以计算距离，例如使用三角测量、飞行时间或其他技术。例如，可以根据美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何方法来计算距离。
45.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600的流程图。方法600可以例如由包括至少一个处理器（例如图5的距离传感器500的处理器502）的处理系统执行。或者，方法600可以由计算设备（例如图7中所示并且在下面进一步详细描述的计算设备700）的处理系统执行。为了举例，方法600被描述为是由处理系统执行的。
46.方法600可以从步骤602开始。在步骤604，距离传感器的处理系统可以使距离传感器的光投射系统将光的图案投射到对象上，其中，光投射系统包括衍射光学元件，该衍射光学元件包括准直器功能。距离传感器的光投射系统可以包括例如发射具有人眼基本上不可见的波长的一个或多个光束（例如红外光）的激光光源。距离传感器的光投射系统可以另外包括衍射光学元件，其表面如上所述被图案化（例如，包括多层的二进制阶梯图案）以实现如下两者：（1）将由激光光源发射的（一个或多个）光束分成多个附加光束；以及（2）准直多个附加光束以控制光图案的扩散角和放大。
47.因此，光投射系统可以投射多个光束。当多个光束中的每个光束入射到对象上时，光束在对象上创建光点（例如，点或其他形状）。由多个光束创建的多个光点共同在对象上形成光图案。光图案可以包括多个光点的预限定布置。例如，多个光点可以被布置成包括多个行和多个列的网格，或者可以被布置成形成垂直或水平条。
48.在步骤606中，处理系统可以使距离传感器的光接收系统捕获被投射到对象上的光图案的图像。如上所述，距离传感器的光接收系统可以包括例如共同形成相机的一个或多个透镜和成像传感器。成像传感器可以包括光电检测器和可选滤光器的阵列，其能够检测图案的光点。例如，光电检测器可以包括红外光电检测器，并且滤光器可以包括红外带通滤光器。
49.在步骤608中，处理系统可以基于图像中的至少一些光点的外观和对至少一些光点的轨迹的知识来计算多个光点中的至少一些光点的三维坐标集合。光点的三维坐标集合可以包括（x，y，z）坐标，其中，z坐标可以测量该点与距离传感器的距离（或深度）。该点的轨迹可以包括移动范围，在该移动范围内，点的位置可以随着到对象的距离而变化。在执行方法600之前，可以通过距离传感器的校准来学习多个光点中的每个点的轨迹。
50.方法600然后可以在步骤610结束。
51.应当注意，尽管未明确指定，但是上述方法600的一些框、功能或操作可以包括针对特定应用的存储、显示和/或输出。换句话说，取决于特定应用，方法600中所讨论的任何数据、记录、字段和/或中间结果都可以被存储、显示和/或输出到另一设备。此外，图6中的叙述了确定操作或涉及判定的框、功能或操作并没有暗示实践确定操作的两个分支。换句话说，根据确定操作的结果，可以不执行确定操作的分支之一。
52.图7描绘了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700的高级框图。这样，电子设备700可以被实现为电子设备或系统的处理器，例如距离传感器。
53.如图7所示，电子设备700包括硬件处理器元件702，例如中央处理单元（cpu）、微处理器或多核处理器；存储器704，例如随机存取存储器（ram）和/或只读存储器（rom）；用于测量从距离传感器到对象的距离的模块705；以及各种输入/输出设备706，例如存储设备，包括但不限于磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或压缩盘驱动器、接收器、发送器、显示器、输出端口、输入端口以及用户输入设备，例如键盘、小键盘、鼠标、麦克风、相机、激光光源、led光源等。
54.尽管示出了一个处理器元件，但是应当注意，电子设备700可以采用多个处理器元件。此外，尽管在图中示出了一个电子设备700，但是如果对于特定的说明性示例以分布式或并行的方式实现如上所述的（一种或多种）方法，即，跨多个或并行的电子设备实现上述（一种或多种）方法的框或整个（一种或多种）方法，那么该图的电子设备700旨在表示那些多个电子设备中的每一个。
55.应当注意，本公开可以由机器可读指令和/或机器可读指令和硬件的组合来实现，例如使用专用集成电路（asic）、包括现场可编程门阵列（fpga）的可编程逻辑阵列（pla）、或部署在硬件设备、通用计算机或任何其他硬件等同物上的状态机，例如，与上述（一种或多种）方法有关的计算机可读指令可以用于配置硬件处理器以执行上述（一种或多种）方法的框、功能和/或操作。
56.在一个示例中，用于测量从距离传感器到对象的距离的本模块或过程705的指令和数据（例如机器可读指令）可以被加载到存储器704中并且由硬件处理器元件702执行以实现如上文结合方法600所讨论的框、功能或操作。此外，当硬件处理器执行指令以执行“操作”时，这可以包括硬件处理器直接执行操作和/或促进、引导另一硬件设备或组件或与另一硬件设备或组件协作（例如协处理器等）以执行操作。
57.执行与上述（一种或多种）方法相关的机器可读指令的处理器可以被认为是编程处理器或专用处理器。这样，本公开的测量从距离传感器到对象的距离的本模块705可以存储在有形或物理（广义上非暂时性）计算机可读存储设备或介质上，例如易失性存储器、非易失性存储器、rom存储器、ram存储器、磁或光驱动器、设备或磁盘等。更具体地说，计算机可读存储设备可以包括提供存储信息的能力的任何物理设备，所述信息是例如将由处理器或电子设备（例如安全传感器系统的计算机或控制器）访问的数据和/或指令。
58.应当理解，上述公开的变型和其他特征和功能或其替选方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。随后可以做出各种目前未预见或未预期的替代、修改或其中的变化，其也旨在由所附权利要求涵盖。
再多了解一些
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