ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ПРОЕЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРИРОВАННОЙ КАРТИНЫ ОСВЕЩЕНИЯ НА СЦЕНУ
LASER DEVICE FOR PROJECTING STRUCTURED LIGHT PATTERN ONTO SCENE

ОБЛАСТЬ И ПРЕДПОСЫЛКИ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к лазерному прибору для проецирования структурированной картины освещения на сцену с использованием нескольких матриц полупроводниковых лазеров, в частности, лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL). Структурированные картины освещения, проецируемые на сцену и наблюдаемые с использованием камеры, обеспечивают возможность извлечения трехмерной информации при обработке изображения. Такой способ применяется, например, в игровой консоли Microsoft Kinect™, и с недавнего времени обсуждается для промышленных применений, особенно в области автомобилестроения. В этой области новый стандарт безопасности EU-NCAP обязывает измерять расстояние, на котором возможно детектировать пешеходов, и предусматривает разрешение, которое делает возможными автономные измерения, выполняемые автомобильной системой.
Необходимые структурированные картины освещения могут быть сгенерированы специальными микрооптическими системами, подобными матрицам микролинз или дифракционными оптическими элементами (DOE), которые освещаются лазером, например, матрицей VCSEL. В публикации патентной заявки США 2012/051588 Al показан пример, который раскрывает лазерный прибор для проецирования структурированной картины освещения на сцену с использованием по меньшей мере одной матрицы VCSEL. Свет от матрицы VCSEL фокусируется через коллимирующую матрицу микролинз, которая направляет лучи от матрицы VCSEL к DOE. DOE формирует лучи во множество картин освещения, которые затем обеспечивают требуемое формирование трехмерного изображения.
Эти известные оптические системы страдают от потери яркости и оптической эффективности, главным образом, вследствие двух причин. Они освещены со средней яркостью, всегда более низкой, чем максимальная яркость лазерного источника, и их коэффициент заполнения ограничен, поскольку для случайной картины необходима неплотная компоновка. Кроме того, максимальная контрастность между яркими и темными областями является низкой.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является предоставление лазерного прибора для проецирования структурированной картины освещения, которая не имеет вышеуказанных недостатков и может быть использована в применениях для извлечения трехмерной информации из сцены, на которую проецируют структурированную картину освещения.
Эту задачу решают с помощью лазерного прибора по п. 1 формулы изобретения.
Преимущественные варианты осуществления прибора являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения или могут быть выведены из последующих частей описания и предпочтительных вариантов осуществления.
Предлагаемый лазерный прибор сформирован из нескольких матриц полупроводниковых лазеров, причем каждая матрица имеет предпочтительно разное нерегулярное распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров. Это распределение отклоняется от регулярного расположения излучающих областей, например, в сетчатой или гексагональной структуре, предпочтительно, рандомизированным образом. Одно или несколько оптических устройств расположены перед матрицами полупроводниковых лазеров для формирования изображения упомянутых матриц в пространстве формирования изображения и для наложения изображений упомянутых матриц в пространстве формирования изображения, формируя посредством этого упомянутую картину. Картина освещения, которая может быть спроецирована на сцену или плоскость формирования изображения в пространстве формирования изображения, составляется из множества пятен лучей, исходящих из полупроводниковых лазеров каждой матрицы.
С помощью предлагаемого лазерного прибора изображение полупроводниковых лазеров каждой матрицы формируется непосредственно в пространстве изображений. Это пространство изображений соответствует области захвата системы формирования трехмерного изображения или системы для извлечения трехмерной информации из сцены, расположенной в этом пространстве изображений. Вследствие прямого формирования изображения достигается высокая эффективность лазерного прибора и максимальный контраст между яркими и темными областями структурированной картины освещения. Кроме того, коэффициент заполнения увеличивается по сравнению с известными решениями, поскольку изображения нескольких матриц полупроводниковых лазеров накладываются в пространстве изображений, что приводит к увеличенной плотности пятен лучей вследствие наложения. Распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров каждой матрицы может быть полностью случайным при условии, что сохранены необходимые расстояния между излучающими областями, благодаря технологии изготовления и конструкции лазеров. Распределение излучающих областей каждой матрицы также может быть выбрано таким, чтобы отклонение положения этих областей от регулярной структуры было рандомизировано, но ограниченным в максимальной расстоянии отклонения, например, ограничено максимальным расстоянием, равным одному или двум диаметрам излучающей области в соответствующем направлении отклонения. В последнем случае предпочтительно, чтобы распределение излучающих областей в каждой матрице и наложение изображений этих матриц в пространстве изображений выбирались такими, чтобы не все, но большинство из пятен лучей не перекрывались в пространстве изображений, предпочтительно, более чем на 80%.
Достаточное разрешение сцены требует примерно 300 рандомизированных пятен лучей в горизонтальном направлении (x-направлении) и примерно 40 пятен лучей в вертикальном направлении (y-направлении) для соответствия системным требованиям, предусмотренным EU-NCAP. При использовании матриц VCSEL в качестве источников света минимальный шаг в такой матрице в соответствии с конструкторскими нормативами, включающими в себя допуски на обработку, наклоны травления и минимальные толщины оксидов, может быть, например, примерно 33 мкм для малой активной области VCSEL, например, при активном диаметре 3 мкм. Активный диаметр соответствует излучающей области VCSEL. Большие активные диаметры требуют большего шага, например, активная область 10 мкм требует шага 40 мкм. Нерегулярное распределение или рандомизация распределения VCSEL согласно настоящему изобретению означает свободу для перемещения положения мезаструктуры VCSEL независимо от положения соседних VCSEL. Значительная рандомизация или распределение требует смещения активных областей VCSEL (относительно расположения в регулярной структуре) на по меньшей мере активный диаметр во всех направлениях. Это смещение должно быть добавлено к шагу в регулярной структуре, т.е., шаг=30 мкм+3*d, причем d представляет собой активный диаметр. Следовательно, минимальный шаг составляет, например, от 40 до 60 мкм для соответствующих активных диаметров VCSEL между 3 мкм и 10 мкм. При умножении на 300 необходимых пятен лучей это привело бы к размеру кристалла от 12 до 18 мм в горизонтальном размере при использовании только одной матрицы VCSEL в качестве источника света. Такой размер кристалла слишком велик для пайки твердым припоем вследствие несовпадения CTE (CTE: коэффициент термического расширения) материалов в корпусе кристалла. Кроме того, такой большой кристалл требует очень большой площади пластины VCSEL, свободной от дефектов, или, другими словами, выход такой продукции был бы критически низким. Простое разделение матриц на несколько частей привело бы к проблемам со стыками, т.е., мертвыми зонами, которых следует избегать. Учитывая изложенные выше соображения, авторы настоящего изобретения обнаружили, что этих проблем можно избежать посредством наложения изображений нескольких меньших полупроводниковых матриц или матриц VCSEL в пространстве изображений. Это наложение имеет дополнительное преимущество в том, что поврежденные структуры единичной матрицы VCSEL, которые показывают образование кластеров дефектных мезаструктур, не приводят к образованию мертвых зон.
Нерегулярное или рандомизированное распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров согласно одному варианту осуществления по настоящему изобретению характеризуется случайным смещением отдельных излучателей в каждой матрице посредством размещения в двух направлениях на поверхности относительно расположения в регулярной структуре. Это смещение покрывает расстояние из по меньшей мере активного диаметра полупроводникового лазера, т.е., некоторые лазеры из каждой матрицы смещаются на по меньшей мере на это расстояние. В другом варианте осуществления распределение излучающих областей или лазеров в каждой матрице полностью рандомизировано. Термин рандомизация означает, что смещение положения относительно регулярной структуры каждого отдельного излучателя или рандомизированное распределение может быть сгенерировано посредством алгоритма рандомизации. Термины «случайный» или «рандомизация» в этом контексте, однако, не ограничены генерацией посредством алгоритма рандомизации, но, также, покрывают нерегулярные распределения, в которых смещения выбраны только для предотвращения любой периодичности или регулярности в распределении.
В одном из вариантов осуществления предлагаемого лазерного прибора оптическое устройство формирования изображения выполнено и расположено так, чтобы большинство из пятен лучей на плоскости изображения или сцене в пространстве изображений содержали по меньшей мере одно соседнее пятно луча, которое исходит от другой матрицы. Это значительно уменьшает проблемы мертвых зон, вызванных поврежденными структурами в полупроводниковых матрицах.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого лазерного прибора полупроводниковые лазеры являются VCSEL. Поскольку для малых активных диаметров шаг матриц VCSEL является значительно большим, чем активный диаметр VCSEL, существует достаточно пространства для чередования пятен лучей от нескольких матриц в пространстве изображений. Это работает лучше всего для VCSEL, имеющих малые активные диаметры, составляющие ≤10 мкм, например, активный диаметр 4 мкм и шаг 40 мкм. Используя три матрицы VCSEL в предлагаемом лазерном приборе, чередующееся наложение приводит к эффективному активному соотношению (яркого к темному), которое в три раза выше, чем с единственной матрицей. Желательно высокое эффективное соотношение апертур, поскольку, с одной стороны, яркое пятно должно покрывать несколько пикселей камеры, используемой для извлечения трехмерной информации из сцены, на которую проецируют картину освещения (определение центра тяжести является более точным, чем в случае единственного пикселя). С другой стороны, максимальное число пикселей недорогой камеры ограничено.
В дополнительном варианте осуществления лазерного прибора с матрицами VCSEL также изменяется форма излучающей области VCSEL, например, излучающая апертура активной области VCSEL. С помощью такого изменения формы VCSEL легче разрешаются неопределенности формы в записанном изображении для извлечения трехмерной информации. Вследствие этого число пятен может быть уменьшено, и необходимо менее чем 300 горизонтальных пятен в упомянутом выше применении для выполнения стандарта безопасности EU-NCAP. Необходимость в большем числе пятен лучей отчасти основана на необходимости разрешения неопределенностей и не только для углового разрешения. Использование двух разных форм VCSEL уже уменьшает неопределенности. Предпочтительно использовать по меньшей мере три разные формы VCSEL, например, окружность, горизонтальный прямоугольник и вертикальный прямоугольник. Такие формы могут быть различены камерой, наблюдающей сцену, на которую спроецирована структурированная картина освещения, поскольку разрешение камеры значительно выше, чем разрешение матрицы. Разные формы VCSEL могут быть предусмотрены на каждой матрице, либо только на одной из матриц, либо разные матрицы могут обеспечить разные формы VCSEL. Если разные формы VCSEL предусмотрены на одной матрице, то разные формы предпочтительно выбирают такими, чтобы все эти формы имели сходный пороговый ток, что означает, что излучающие области разных форм практически одинаковы. Это дает возможность обеспечивать разные формы на одном единичном кристалле VCSEL. Если формы на кристалле выбраны идентичными, и предусмотрено несколько кристаллов с разными формами, то упомянутая выше необходимость сходного порогового тока пропадает.
В дополнительном варианте осуществления обеспечен блок управления для приведения в действие полупроводниковых матриц, который обеспечивает возможность последовательного включения и выключения отдельных матриц или кристаллов. Результирующее изображение в пространстве изображений затем изменяется во времени, и эта информация может быть использована для дополнительного разрешения неопределенностей. Этот способ вполне возможен, поскольку свет необходим только в течение небольшого процента от общего времени, например, 1% для вышеуказанного применения в области автомобилестроения. Последовательное переключение также уменьшает максимальную выходную мощность, что является предпочтительным ввиду лазерной безопасности и требования по максимальной мощности, например, расположение водителя и EMI (электромагнитная помеха).
Предлагаемый лазерный прибор может быть реализован в системах формирования трехмерного изображения или системах трехмерного измерения. Такая система содержит камеру, которая формируют изображение сцены, на которую проецируют структурированную картину освещения, интерфейс синхронизации между камерой и лазерным прибором и вычислительный блок, извлекающий трехмерную информацию из изображения камеры. Интерфейс синхронизации обеспечивает то, что изображения сцены получаются только во время освещения с использованием структурированной картины освещения. Такая система также включает в себя по меньшей мере один блок питания для лазерного прибора. Также могут быть использованы несколько блоков питания, один для каждой матрицы или кристалла. Для последовательного функционирования по меньшей мере часть схем может быть использована совместно.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны из вариантов осуществления, описанных ниже, и будут объяснены со ссылкой ни них.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предлагаемый лазерный прибор описан далее посредством примеров, связанных с сопутствующими чертежами для дополнительных подробностей. Эти фигуры показывают:
Фиг. 1 представляет собой пример проекции одной из матриц VCSEL предлагаемого прибора на плоскость изображения,
Фиг. 2 представляет собой пример рандомизированного распределения VCSEL в матрице VCSEL предлагаемого лазерного прибора;
Фиг. 3 – схематичный вид, иллюстрирующий наложение разных матриц VCSEL предлагаемого лазерного прибора в пространстве изображений; и
Фиг. 4 представляет собой схематичный вид, показывающий систему формирования трехмерного изображения, включающую в себя предлагаемый лазерный прибор.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Предлагаемый лазерный прибор содержит несколько полупроводниковых матриц с соответствующими оптическими устройствами для формирования изображения излучающих областей полупроводниковых лазеров в пространстве изображений. Фиг. 1 показывает пример для базовой компоновки одного модуля предлагаемого лазерного прибора. Каждый модуль содержит одну из матриц VCSEL, используемых в этом примере. Матрица VCSEL предусмотрена в корпусе, обеспечивающем электрические контакты и теплоотвод. Фиг. 1 показывает соответствующий кристалл 1 VCSEL, несущий матрицу VCSEL с несколькими VCSEL 2. Кристалл 1 VCSEL установлен на радиатор 3 для теплоотвода. Формирующий изображение объектив 4 расположен перед кристаллом 1 VCSEL для формирования изображения излучающих областей отдельных VCSEL 2 матрицы на плоскости изображения в требуемом пространстве изображений. Пространство изображений является областью с глубиной, также называемой областью захвата в случае системы формирования трехмерного изображения, в которой формируют изображение матрицы VCSEL посредством объектива 4. Условия формирования изображения для формирования изображения, например, VCSEL 2, имеющего диаметр активной области 4 мкм, в пространстве изображений являются очень похожими на условия для формирования изображения сцены в пространстве изображений на кристалле камеры с равным размером пикселей, поскольку это соответствует только обратному пути света. Следовательно, может быть использован недорогой и похожий объектив 4 в предлагаемом лазерном приборе. С помощью этого формирующего изображение объектива 4 лазерные лучи 5, излучаемые VCSEL 2, фокусируют в пятна лучей 6 в пространстве изображений. Форма этих пятен лучей на плоскости изображения 7 соответствует форме излучающих областей VCSEL 2 кристалла 1 VCSEL.
Для формирования изображения от нескольких кристаллов 1 VCSEL этот модуль должен быть повторен. Если несколько модулей помещены рядом друг с другом на одной плоскости установки, то перекрытие изображений матриц VCSEL в дальней зоне, например, в пространстве изображений, уже является хорошим без дополнительной юстировки. При необходимости формирующие изображение объективы 4 каждого из модулей могут быть незначительно юстированы так, чтобы пятна лучей VCSEL 2 разных кристаллов 1 VCSEL не перекрывались в пространстве изображений. Для улучшения юстировки объективов могут быть обеспечены юстировочные метки в конкретных специальных излучающих областях, на каждой матрице, которые должны быть наложены в плоскости изображений для оптимальной юстировки. Если юстировка невозможна, то электронная калибровка изображения камеры, полученного из тестовой сцены, может учитывать незначительные неточности в изготовлении, чтобы узнать точное распределение пятен лучей в пространстве изображений, которое необходимо для трехмерного распознавания сцен. При необходимости может быть обеспечена механическая юстировка, например, положения формирующего изображение объектива 4 относительно кристалла 1 VCSEL. Это могло бы, например, обеспечить возможность регулировки распределения интервалов пятен лучей в пространстве изображений между вертикальным и горизонтальным направлением.
Кристаллы 1 VCSEL предлагаемого лазерного прибора изготавливают так, чтобы положение отдельных VCSEL 2 на кристалле, в частности, излучающих областей VCSEL 2, отклонялось от регулярной структуры рандомизированным образом или полностью распределялось рандомизированным образом. Фиг. 2 показывает схематичный вид примера такого распределения излучающих областей 2а VCSEL 2 на кристалле 1. Контактная площадка 8 для электрического контакта VCSEL 2 также показана в этой компоновке матрицы. Как можно увидеть на фиг. 2, излучающие области 2а VCSEL 2 расположены в рандомизированном распределении без какой-либо периодичности или регулярности.
2
Далее дан численный пример компоновки кристалла для кристалла 1 VCSEL предлагаемого лазерного прибора. Активный диаметр излучающих областей 2а единичного кристалла VCSEL 2 может быть около 4 мкм. Этот диаметр является достаточным для мощности 3 мВт при работе в импульсном режиме, например, 100 мкс. Соответствующий шаг в регулярной структуре таких излучающих областей или VCSEL на кристалле может быть 42 мкм при оставлении места для рандомизации +/- 4 мкм. Этот шаг вычисляют по формуле: шаг =30 мкм+3*d, где d представляет собой активный диаметр. В данном примере три матрицы VCSEL или кристалла 1 VCSEL использованы в лазерном приборе. Каждый кристалл содержит 100 VCSEL в горизонтальном (x-) направлении и 40 VCSELs в вертикальном (y-) направлении, что приводит к размеру кристалла 4,2 мм x 1,68 мм. Общая площадь кристалла (все три кристалла) составляет 21,2 мм. Наложение соответствующих оптических устройств формирования изображения выполняют, главным образом, в горизонтальном направлении, что означает, что среднее расстояние между пятнами лучей по горизонтали в три раза меньшей, чем по вертикали в плоскости формирования изображения.
Благодаря использованию соответствующих оптических устройств формирования изображения дополнительно возможно сжатие в вертикальном направлении, если требуется. Это обеспечивает возможность более равномерных интервалов между пятнами лучей в горизонтальном и вертикальном направлении в изложенном выше случае, в котором наложение выполняют, главным образом, в горизонтальном направлении. При необходимости, форма излучающих областей VCSEL может быть предусмотрена для такого сжатия, т.е. вертикальный размер (y-размер) активных областей VCSEL может быть выбран большим, чем горизонтальный размер (x-размер), таким образом, чтобы упомянутое выше сжатие привело к обеспечению приблизительно равных горизонтального и вертикального размеров.
Оптическое устройство формирования изображения может быть также выполнено таким, чтобы изображения разных матриц незначительно смещались в вертикальном направлении, чтобы иметь одинаковые интервалы между пятнами лучей в обоих направлениях, вместо выравнивания вдоль горизонтальных линий с темными областями между ними.
VCSEL разных матриц могут быть выбраны имеющими разные формы активной области. Фиг. 3 показывает три разные компоновки матрицы, имеющие прямоугольную форму в вертикальном направлении, круглую форму и прямоугольную форму в горизонтальном направлении. Изображения трех кристаллов 1 VCSEL формируется с помощью соответствующих формирующих изображение объективов 4 на плоскости изображения 7, как схематично показано на фигуре. Результирующая картина 9 освещения показана на верхнем участке фиг. 3. Как можно увидеть из этой картины 9 освещения, изображения пятен лучей 6, исходящих из каждого кристалла 1 VCSEL, сформированы в интервалах между пятнами лучей 6 остальных кристаллов VCSEL, соответственно. Это приводит к картине 9 освещения, на которой разные формы VCSEL разных кристаллов 1 VCSEL смешаны в плоскости изображения 7.
2
2
Использование упомянутых выше трех разных форм VCSEL может уменьшить необходимое количество пятен лучей для систем формирования трехмерного изображения по меньшей мере в два раза. Предполагая, что равный участок каждой формы является наиболее эффективными для предотвращения неопределенностей, количества 2000 VCSEL каждой формы было бы достаточно для замены 12000 пятен лучей согласно упомянутым выше требованиям стандарта безопасности EU-NCAP. При разделении этого числа VCSEL на три матрицы каждая матрица может иметь размеры, например, 2,75 мм x 2,2 мм. Этот размер вычислен с использованием предположения, что круглая область = прямоугольной области (4×8 мкм)=32 мкм, т.е., диаметр окружности =6,4 мкм, и с шагом для матрицы окружностей минимум 50 мкм, предпочтительно до 55 мкм, чтобы иметь равные условия с матрицами прямоугольников с максимальным размером 8 мкм.
В примере из фиг. 3 разные формы VCSEL обеспечены на разных матрицах. Также возможно смешение разных форм на единственных матрицах. В таком варианте осуществления области разных форм должны быть выбраны так, чтобы VCSEL имели похожий пороговый ток.
Фиг. 4 показывает схематичный вид примера системы трехмерного измерения, включающей в себя предлагаемый лазерный прибор 10. Эта система также включает в себя камеру 11, получающую изображения структурированной картины освещения, спроецированной на сцену 15. Камера 11 соединена через блок 12 синхронизации с лазерным прибором 10 для ее синхронизации с импульсным освещением сцены. Блоки питания лазерного прибора 10 могут быть соединены с блоком 13 управления для последовательного функционирования разных кристаллов VCSEL прибора 10. Вычислительный блок 14 может быть предусмотрен для извлечения требуемой трехмерной информации из изображения или изображений, захваченных камерой 11. Такая система может быть использована в применениях, уже описанных во вводной части описания, в частности, в применениях в области автомобилестроения для захвата сцены перед автомобилем.
В то время как данное изобретение показано и описано в подробностях на чертежах и в предшествующем описании, такие иллюстрация и описание, как предполагается, являются иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; данное изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при реализации заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия, и приложенной формулы изобретения. Матрицы предлагаемого лазерного прибора могут быть расположены в любой конфигурации, например, в линию или треугольником. Также, только две матрицы или более чем три матрицы могут быть предусмотрены для достижения необходимого наложения. Кроме того, число полупроводниковых лазеров каждой матрицы может отличаться от приведенного выше примера в зависимости от требуемого разрешения системы. Вместо VCSEL могут быть использованы другие типы полупроводниковых лазеров, например, торцевые излучатели. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль не исключает множества. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды. Признаки всех пунктов формулы изобретения упомянутого прибора могут быть скомбинированы свободным образом. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничения объема данного изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 – кристалл VCSEL
2 - VCSEL
2а - излучающая область VCSEL
3 – радиатор
4 – формирующий изображение объектив
5 – лазерный луч
6 – лазерное пятно
7 - плоскость изображения
8 – контактная площадка
9 - картина освещения
10 – лазерный прибор
11 - камера
12 – блок синхронизации
13 - блок управления
14 - вычислительный блок
15 - сцена