基于面发射激光的投射装置及其制作方法
技术领域
本申请涉及光学元件、衍射光学、三维感测、激光投影等技术领域，特别地，本申请涉及基于面发射激光的投射装置及其制作方法。
背景技术
随着光学科技的迅猛发展，尤其是光学元件和衍射光学等技术分支的高速发展，三维感测(3D感测)装置已日渐成熟，近几年来市场上已出现了越来越多的搭载三维感测装置的消费电子终端产品。例如，苹果手机用于人脸识别的3D摄像头模组(有时也称为3D摄像模组)就是一种典型的三维感测装置。该3D摄像头模组使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)，垂直腔面发射激光器发射的数百束激光经过准直后，再经过衍射光学元件复制，得到数万个点(即通常所说的结构光)，投射到物体(比如人脸)后，通过探测物体上的结构光，就可以获取物体的三维信息。
3D摄像头模组除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置及尺寸信息。有的3D摄像头模组可以实时地进行三维信息采集，从而为消费电子终端(例如智能手机)加上了物体感知功能。这种物体感知功能有望解决消费电子终端的不同应用场景中的多个痛点，从而在人脸识别、增强现实(AR)、人机交互、三维建模、安防和辅助驾驶等多个领域引爆新的革命。具体来说，3D摄像头实时获取环境物体深度信息、三维尺寸以及空间信息，为动作捕捉、三维建模、VR/AR、室内导航与定位等“痛点型”应用场景提供了基础的技术支持，因而具有广泛的消费级和工业级应用需求。从应用角度来看，目前3D摄像头能够大显身手的场景主要包括消费电子领域的动作捕捉识别、人脸识别，自动驾驶领域的三维建模、巡航与障碍避开，工业自动化的零件扫描检测分拣，安防领域的监控、人数统计等等。基于上述分析，可以看出，3D摄像头模组与其它类似的3D感测装置的市场空间有望在未来数年呈现爆发式增长，具有广阔的应用前景。
目前，3D摄像头主要有三条主流技术路线：结构光(structure light)、光飞时间(TOF，time of flight)和多角成像(也称双目立体视觉技术，multi-camera)。从当前技术发展和产品应用来看，结构光与TOF使用便捷、成本较低，最具前景。
结构光技术的基本原理是：在激光器外放置一个光栅，激光通过光栅进行投射成像时会发生折射，从而使得激光最终在物体表面上的落点产生位移。当物体距离激光投射器比较近的时候，折射而产生的位移就较小；当物体距离较远时，折射而产生的位移也就会相应的变大。这时使用一个摄像头来检测采集投射到物体表面上的图样，通过图样的位移变化，就能用算法计算出物体的位置和深度信息，进而复原整个三维空间。结构光技术一次成像即可读取深度信息，然而解析度受光栅宽度与光源波长限制、对衍射光学器件(DOE)要求也较高。
TOF技术(即光飞时间技术)是通过主动发射调制过后的连续光脉冲信号至目标面上，然后利用传感器接收反射光，利用它们之间的相位差进行运算和转换得到距离/景深数据。TOF可以做到对逐个像素点的深度进行计算。目前的主流的TOF技术大多采用SPAD(single-photonavalanche diode，单光子雪崩二极管)阵列来精确检测并记录光子的时间和空间信息，继而通过三维重构算法进行场景的三维重构。SPAD是一类高灵敏度的半导体光电检测器，被广泛应用于弱光信号检测领域。
总的来说，结构光和TOF技术均具有各自的优势和适合的应用场景，有望在今后一定时间内并行发展。从目前已经上市的产品技术运用来看，结构光和TOF技术原理上殊途同归。下面以结构光技术为例介绍现有的一种典型的3D摄像头的主要结构。该典型的3D摄像头通常作为智能手机的前置摄像头使用，有时也被称为结构光模组。
结构光模组通常包括结构光投射模组(发射端)和接收模组(接收端)。接收模组可以是普通的2D摄像模组。目前，结构光投射模组通常工作于红外波段，而为提高摄像模组的成像品质(主要指2D相片或2D影片的成像品质)，往往会在2D摄像模组的光学系统中加入专用的红外滤色片，因此结构光模组有时还包括专用的红外接收器，通过该红外接收器(例如红外相机)来接收结构光投射模组投射在工作面或被摄物体表面上的散斑图案。此时，2D摄像模组可以是可见光2D摄像模组。可见光2D摄像模组可以专用于拍摄高品质的2D图片，即对被摄物体进行高品质地2D成像。进一步地，基于一定算法将高品质的2D图片与基于红外接收器所采集的散斑图案而获得的深度信息进行合成，可获得3D图片。
结构光模组中，结构光投射模组是与本申请最相关的部分，下面重点介绍结构光投射模组。结构光投射模组主要包括垂直腔表面发射激光器(即VCSEL，其全称为Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)、准直透镜和衍射光学元件(即DOE，全称为DiffractiveOptical Elements，衍射光学元件有时也被称为衍射光栅)。其中，VCSEL作为面光源使用。准直透镜用于将VCSEL发出的激光转换成平行光束。在结构光模组中，准直透镜通常用来对发散的激光光源进行准直处理，达到平行、均匀光斑的作用。DOE用于接收平行光束并将其转换成激光散斑，即结构光。在结构光模组中，DOE可以接收平行的多束光源，均匀打出呈倍数的激光束，从而形成工作所需的散斑图案，进而增加结构光模组的测量的精度与信息量。需注意，有时激光散斑也可以用条纹式的图案代替。下面分别对VCSEL(为便于理解，本文中有时将其称为VCSEL激光器)、准直透镜和DOE(为便于理解，本文中有时将其称为DOE器件)做进一步地介绍。
VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。按照发射方向，可以将半导体激光器分为边发射激光器和面发射激光器，VCSEL是目前一种主流的面发射激光器。由于VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底，因此VCSEL能够实现二维阵列散斑的投射，特别适合用于结构光模组。
在一个示例中，VCSEL的基本结构可以由上下两个DBR反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成，作为VCSEL的核心部分，决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。高反射率的DBR由多层介质薄膜组组成，实现对光的反馈。为得到较小的阈值电流，DBR反射镜的反射率一般在99.5％以上。VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。发光原理方面，VCSEL与其它半导体激光发光原理一样，首先要实现是能量激发，通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带，当电子由导带返回价带时，将能量以光能的型式释放出来。然后依靠上下两个DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大，谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR反射镜之间反射，不停地通过发光区吸收光能，使受激光多次能量反馈而形成激光。VCSEL兼具低制造成本、优异性能和易集成等优点，经过在电信、数据通信等领域多年发展，目前VCSEL已经具备耦合效率高、功耗低、传输速率快、制造成本低等优良特点。
现有的结构光投射模组中，准直透镜的结构通常较为简单，一般为简单的透镜系统，即由多个或单个镜片组成的光学系统。当该透镜系统由多个透镜组成时，准直透镜也可以被称为准直镜头。将准直镜头可以对发散的激光光源进行准直处理，达到平行、均匀光斑的作用。
DOE器件通常是指通过在基片上刻蚀产生浮雕结构而获得的一类光学元件。具体来说，利用计算机辅助设计，并通过半导体芯片制造工艺，在基片上(该基片可以做广义理解，例如涵盖传统光学器件的表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构，可以形成同轴再现、且具有极高衍射效率的光学元件，这类光学元件就是DOE。DOE主要特性包括轻薄体积小、衍射效率高、热稳定性良好等优良特性，目前已经成为诸多光学仪器的重要元件。DOE的基本原理是利用衍射原理在元件表面制备一定深度的浮雕结构，光束通过时产生不同的光程差。通过不同表面设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌，以便形成特定的图案。VCSEL激光器直接生成的散斑数量往往有限，而结构光模组往往需要较大数量(例如一万以上)的散斑。利用DOE器件，则可以基于“衍射复制”原理将源自VCSEL激光器的散斑图案进行复制，得到更大的散斑图案，从而扩大投射角度。这样，结构光模组中的红外传感器捕捉散斑信息，通过一定算法(例如位移量算法)可以计算出环境物体的深度信息，进而实现3D感测。
另一方面，近年来随着消费电子终端产业链的蓬勃发展，智能手机正在向着轻薄化、全屏屏等方向快速发展，智能手机内部能够为摄像模组、3D感测模组预留的空间越来越小。换句话说，当前智能终端行业的轻薄化、全面屏等发展趋势对3D感测模组的小型化提出了极高的要求。人们期待既能够保证3D感测性能(例如成像品质)，又能实现小型化封装的解决方案。
为实现3D感测装置的小型化，首先要实现结构光投射模组的小型化。其中，一种思路是尽可能地将各个部件做小。如前文所述，结构光投射模组主要包括VCSEL激光器、准直透镜和DOE器件。如果能减小这些器件本身的体积，将有助于实现结构光投射模组的小型化。例如，准直透镜设计成多镜片构成的光学体系，可能有助于减小准直元件的体积。在当前的手机摄像模组领域，高端镜头往往采用五片甚至更多的透镜。这种通过多个较小的透镜来代替单个较大透镜的设计思路，可以有效地减小镜头的体积，同时可以保证成像品质，例如高像素、高解像力等方面的成像品质。而在结构光投射模组中，如果将单个的准直透镜用多个较小的透镜所组成的透镜组来代替，可能也能够帮助减小装置的整体尺寸。再例如，准直透镜还可使用晶圆级光学(WLO)技术来制造。基于先进的WLO工艺，可以大幅降低准直元件的体积。类似地，VCSEL激光器和DOE器件的小型化也可以通过改进它们各自本身的生产工艺来实现。然而，器件生产工艺的改进和研发难度极大、成本高昂，在短期内难以实现根本性地提高。
对于实现结构光投射模组的小型化，另一种思路是改进结构光投射模组的封装技术。结构光投射模组是一种精密的光学系统，通常需要用结构件(例如镜筒)将VCSEL激光器、准直透镜和DOE器件等器件组立在一起。而结构件本身的体积也会对结构光投射模组的小型化构成影响。然而，减小结构件本身的体积也并非易事。例如减小结构件的体积可能会导致模组结构强度不足，影响模组的稳定性和可靠性。例如，如果使用较薄的镜筒，有可能导致镜筒不能稳定支撑准直透镜和DOE器件，外界的扰动可能会导致二者的相对位置错位。而结构光投射模组往往需要投射上万个甚至更多的散斑，极其微小的位置扰动也可能会导致投射图案的明显变化，进而导致投射图案质量下降或者不达标。投射图案质量下降将严重影响3D感测的精度。投射图案质量不达标则导致产品报废。因此，改进结构光投射模组的封装技术这一思路在当前也面临巨大的技术障碍。
最后，如前文所述，TOF技术与结构光技术在结构上是类似的。换句话说，TOF投射模组与结构光投射模组有着类似的硬件结构。TOF投射模组通常也包括VCSEL激光器、准直透镜和DOE器件等几个主要器件，并且也面临着模组小型化的难题。
综上所述，对于结构光或TOF投射模组的小型化，无论是减小VCSEL激光器、准直透镜和DOE器件等器件本身的体积，还是改进投射模组的封装技术，目前都存在较大的难度，市场上迫切期待一种全新的能够实现结构光或TOF投射模组的小型化的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种能够克服现有技术的至少一个缺陷的解决方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于面发射激光的投射装置，其包括：面发射激光器，其具有发光表面，所述发光表面分布多个点状发光源，所述多个点状发光源构成所需的平面图案；以及集成衍射光学元件，其布置于所述面发射激光器前端，所述集成衍射光学元件的表面具有浮雕状微结构，所述浮雕状微结构的形状由融合的相位变换函数所确定，所述融合的相位变换函数通过将虚拟准直透镜的透镜函数和原始衍射光学元件的相位变换函数进行融合而得到，其中所述原始衍射光学元件是适于接收具有所述平面图案的平行光束并基于衍射原理对所述平面图案进行复制以得到视场角扩大的出射图案的衍射光学元件，所述虚拟准直透镜是适于对所述点状发光源所发出的光束进行准直的透镜。
其中，所述面发射激光器为VECSL激光器。
其中，所述面发射激光器的出射激光直接入射所述集成衍射光学元件。
其中，所述虚拟准直透镜的焦距由所述面发射激光器的发光面尺寸和所述平行光束的视场角确定。
其中，所述集成衍射光学元件通过结构件与所述面发射激光器固定在一起，且所述面发射激光器到所述集成衍射光学元件具有特定的轴向距离，其中所述轴向是垂直于所述发光表面的方向，所述集成衍射光学元件具有多个出射子光束和多个入射子光束，根据所述焦距和所述多个出射子光束的束腰位置得出所对应的所述多个入射子光束的束腰位置，进而得到所述面发射激光器到所述集成衍射光学元件的所述特定的轴向距离。
其中，所述特定的轴向距离根据所述多个点状发光源的出射光束的发散角和束腰直径、以及所述多个入射子光束的束腰位置来确定。
其中，所述投射装置为结构光投射装置。
其中，所述集成衍射光学元件具有多个出射子光束，其中通过对所述浮雕状微结构的形状的设计，使得所述多个出射子光束投射在工作面的光斑互相分离以形成散斑。
其中，所述投射装置为光飞时间投射装置，其中所述集成衍射光学元件具有多个出射子光束，通过对所述浮雕状微结构的形状的设计，使得所述多个出射子光束投射在工作面位置的光斑互相粘连以产生漫射扩散或匀化效果。
其中，所述浮雕状微结构在剖面图中具有多级台阶，其中所述剖面图的剖面垂直于所述发光表面。
其中，所述多级台阶为至少四级台阶。
其中，所述原始衍射光学元件适于对所接收的平行光束的所述平面图案进行相同权重的复制。
其中，所述原始衍射光学元件适于对所接收的平行光束的所述平面图案进行不同权重的复制。
其中，所述原始衍射光学元件适于对所接收的平行光束的所述平面图案进行不同权重的复制，以产生中间暗且周围亮的出射图案。
根据本申请的另一方面，还提供了一种基于面发射激光的投射装置的制作方法，包括：准备面发射激光器，其中所述面发射激光器具有发光表面，所述发光表面分布多个点状发光源，所述多个点状发光源构成所需的平面图案；通过将虚拟准直透镜的透镜函数和原始衍射光学元件的相位变换函数进行融合，得到集成衍射光学元件的融合的相位变换函数，进而确定所述集成衍射光学元件的浮雕状微结构的形状；其中所述原始衍射光学元件是适于接收具有所述平面图案的平行光束并基于衍射原理对所述平面图案进行复制以得到视场角扩大的出射图案的衍射光学元件，所述虚拟准直透镜是适于对所述点状发光源所发出的光束进行准直的透镜；根据所确定的所述浮雕状微结构的形状制作所述集成衍射光学元件；以及将所述面发射激光器和所述集成衍射光学元件组装在一起，得到所述投射装置。
与现有技术相比，本申请具有下列至少一个技术效果：
1、本申请提供的投射装置可以省去实体准直透镜(一个或多个透镜)，从而减小投射装置的体积和重量。
2、本申请提供的投射装置可以省去实体准直透镜，从而降低装配难度，有助于提高生产效率以及装配精度。
3、本申请提供的投射装置特别适合用于智能手机等智能终端产品。
4、本申请提供的投射装置特别有助于降低投射装置的光轴方向(可理解为垂直于发光面的方向)上的尺寸，以满足智能手机等智能终端产品对产品厚度的要求。
5、本申请提供的投射装置特别适合作为结构光模组的投射端。
6、本申请提供的投射装置可以作为TOF模组的投射端。
7、本申请的投射装置不需要使用反射镜来增加从VCSEL到准直透镜的光程，因此避免了反射镜所占用的体积，从而有助于减小投射装置的尺寸。需注意，在现有技术中，为减小手机的厚度，一些用于智能手机的结构光模组中，有时会使用两块反射镜来增加从VCSEL到准直透镜的光程。而本申请中，由于准直透镜被直接集成到DOE器件中，因此即便在终端设备厚度很小的情况下，也可以避免使用上述反射镜。
8、本申请的投射装置制作方法可以仅组装DOE器件和VCSEL激光器这两个光学元件，相对于具有准直透镜的投射装置的组装，本申请的投射装置的组装具有光学元件少的优势，从而减小组装过程所引入的积累公差，进而更好地保障投射图案的品质。
附图说明
在参考附图中示出示例性实施例。本文中公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。
图1示出了本申请的一个实施例的用于结构光模组的基于面发射激光的投射装置的示意图；
图2示出了本申请一个实施例中显微设备观察到的衍射光学元件的表面的浮雕状微结构的一个示例；图2为显微设备输出的实际图片，该图中右下角标出了5微米的比例尺，图2中的其余文字和数字与本文的主旨无关，换句话说，除了5微米的比例尺外，图2底部的黑边中的文字和数字对本发明不具解释和限定作用；
图3示出了一种现有的结构光模组的示意图；
图4示出了一种散斑形式的结构光图案的示例；
图5示出了一种漫射扩散或匀化效果的投射图案示例；
图6示出了由公式(9)和公式(11)计算得到的出射激光的光斑直径随工作面位置的变化曲线；
图7示出了一个连续结构的透镜和原始衍射光学元件集成并离散分层为四台阶衍射光学元件的过程；
图8示出了本申请一个实施例的基于面发射激光的投射装置的制作方法的流程图；
图9示出了本申请一个实施例中的步骤20的具体实现流程。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一主体也可被称作第二主体。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了本申请的一个实施例的用于结构光模组的基于面发射激光的投射装置的示意图。参考图1，所述基于面发射激光的投射装置包括：面发射激光器和集成衍射光学元件。面发射激光器具有发光表面，所述发光表面分布多个点状发光源，所述多个点状发光源构成所需的平面图案。集成衍射光学元件布置于所述面发射激光器前端，所述集成衍射光学元件的表面具有浮雕状微结构，所述浮雕状微结构的形状由融合的相位变换函数所确定。其中，所述融合的相位变换函数通过将虚拟准直透镜的透镜函数和原始衍射光学元件的相位变换函数进行融合而得到，其中所述原始衍射光学元件是适于接收具有所述平面图案的平行光束并基于衍射原理对所述平面图案进行复制以得到视场角扩大的出射图案的衍射光学元件。其中，“视场角扩大”是指出射图案(指从衍射光学元件出射的光束的图案)相对于入射图案(指从面发射激光器出射的光束的图案)具有更大的视场角。本实施例中，所述虚拟准直透镜是适于对所述点状发光源所发出的光束进行准直的透镜。下文中，还会结合具体实施例对融合的相位变换函数、虚拟准直透镜的透镜函数和原始衍射光学元件的相位变换函数等内容做进一步的描述。为行文简洁，此处对这些内容暂时略过。
需注意，上述实施例中，面发射激光器可以为VECSL激光器。衍射光学元件就是通常所说的DOE器件。在集成衍射光学元件(即集成DOE器件)这一术语中，“集成”的含义是将准直透镜集成到原始DOE器件中。其中，DOE器件前加入“原始”这一限定，以与集成DOE器件相区别，原始DOE器件可以理解为传统的用于结构光模组的投射装置的DOE器件。图3示出了一种现有的结构光模组的示意图。众所周知，现有的结构光模组中，需要专用的准直透镜来对VECSL激光器发出的光束进行准直处理，然后再由DOE器件对经过准直处理的光束进行衍射复制，从而获得所需的结构光图案。因此，原始衍射光学元件(或称为原始DOE器件)可以理解为对平行光束具有衍射复制功能的DOE器件，也就是现有的常见的用于结构光模组的DOE器件，有时也可以将这种DOE器件称为分束衍射元件。当然，现有的用于结构光模组的DOE器件可能并不限于衍射复制功能，换句话说，现有的常见的用于结构光模组的DOE器件中，DOE器件除了衍射复制功能外，还可以具有其它的光学功能。本文中，准直透镜不限于单个透镜，它也可以是由多个透镜所构成的透镜组。也就是说，准直透镜可以做广义理解。当准直透镜由多个透镜组成时，也可以称为准直镜头。
进一步地，需注意，本申请中的集成DOE器件并非将一个实体的原始DOE器件(或称为传统DOE器件)与一个实体的准直透镜简单组合在一起(例如将二者贴附在一起)，而是通过改变原始DOE器件表面的浮雕状微结构的形状，来将准直透镜的功能集成到DOE器件中，从而可以省去结构光投射模组中实体的准直透镜，从而帮助实现结构光投射模组的小型化。需注意，浮雕状微结构的形状通常难以用肉眼观察到，但可以通过例如显微镜等显微设备观察到。也就是说，通过显微设备，可以观察到本发明的DOE器件表面的浮雕状微结构形状相对于传统的DOE器件表面的浮雕状微结构形状的改变。图2示出了本申请一个实施例中显微设备观察到的衍射光学元件的表面的浮雕状微结构的一个示例。图中右下角标出了5微米的比例尺，图2中的其余文字和数字与本文的主旨无关，换句话说，除了5微米的比例尺外，图2底部的黑边中的其余文字和数字对本发明不具解释和限定作用。
另一方面，现有技术中，存在一种DOE器件制作技术，利用该技术可以在已有的镜片表面刻蚀浮雕状微结构。需特别指出，基于这种技术，直接在准直透镜的表面光刻或刻蚀原始DOE器件的浮雕状微结构，来得到位于准直透镜表面的DOE器件的尝试，不应理解为本发明所述的“集成”，而应理解为将一个实体的原始DOE器件与一个实体的准直透镜简单组合。即，在已有的实体准直透镜的镜片表面刻蚀浮雕状微结构，所得到的复合光学元件不属于前述实施例所限定的集成DOE器件。需注意，前述实施例所限定的集成DOE器件是通过改变原始DOE器件表面的浮雕状微结构的形状，来将准直透镜的功能集成到DOE器件中，实体的准直透镜可以被完全取消。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置中，所述面发射激光器的出射激光直接入射所述集成衍射光学元件。本实施例中，面发射激光器与集成衍射光学元件之间没有其它光学元件，从而帮助缩小投射模组的体积。需注意，本发明并不限于此，在本发明的其它实施例中，可以在面发射激光器与集成衍射光学元件之间设置准直透镜以外的光学元件，例如激光整形衍射光学元件。比如在一个实施例中，可以在面发射激光器与集成衍射光学元件之间插入一个变成飞机形状的激光整形衍射光学元件，该激光整形衍射光学元件可以将面发射激光器的每个像素点的出射出射光整形成飞机形状。激光整形衍射光学元件的出射光再经过本申请提出的集成衍射光学元件，就可以得到大量的飞机组成的出射激光图案。再例如，在另一个实施例中，可以在面发射激光器与集成衍射光学元件之间插入一个可以将点激光(指发光面的每个像素点的激光)变成小网格的激光整形衍射光学元件，这样，本申请提出的集成衍射光学元件的出射光可以是具有超大量(例如数万个)小网格的出射激光。在面发射激光器与集成衍射光学元件之间设置准直透镜以外的光学元件的情形下，集成衍射光学元件仍然可以通过改变原始DOE器件表面的浮雕状微结构的形状来集成准直透镜的功能，从而取消实体的准直透镜，因此同样具有帮助缩小投射模组的体积的技术效果。
进一步地，在一个实施例中，所述基于面发射激光的投射装置采用了集成衍射光学元件，实体的准直透镜被完全取消，因此所节省的空间可用于增加其他功能元件。例如，所述基于面发射激光的投射装置中，可以在面发射激光器与集成衍射光学元件之间插入一个远场光束整形元件，该远场光束整形元件可以是远场平顶光束整形元件、远场马鞍型光束整形元件、或远场输出功率密度为其他分布的远场光束整形元件。其中，远场平顶光束整形元件的各项技术细节可以参考文献：J.S.Liu and M.R.Taghizadeh.Iterativealgorithm for the design of diffractive phase elements for laser beamshaping.Opt.Lett.,27:1463–1465,2002；远场马鞍型光束整形元件的各项技术细节可以参考文献：J.S.Liu,A.J.Caley,M.R.Taghizadeh Symmetrical iterative Fourier-transform algorithm using both phase and amplitude freedoms.OpticsCommunications,267:347–355,2006；本文中不再赘述。插入远场光束整形元件可以使投射光斑的每个复制块内部获得对应的功率密度分布，即平顶功率密度、马鞍型功率密度分布，或其他对应的功率密度分布。这样，本实施例可以在不增加模组体积(或体积大致相同)的前提下，为结构光投射模组(或者光飞时间模组)增加光束整形功能，从而提升投射光的品质。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置中，所述虚拟准直透镜的焦距由所述面发射激光器的发光面尺寸和所述平行光束的视场角确定。所述集成衍射光学元件通过结构件(例如镜筒)与所述面发射激光器固定在一起，且所述面发射激光器到所述集成衍射光学元件具有特定的轴向距离，其中所述轴向是垂直于所述发光表面的方向，所述集成衍射光学元件具有多个出射子光束和多个入射子光束，根据所述焦距和所述多个出射子光束的束腰位置得出所对应的所述多个入射子光束的束腰位置，进而得到所述面发射激光器到所述集成衍射光学元件的所述特定的轴向距离。所述特定的轴向距离可以根据所述多个点状发光源的出射光束的发散角和束腰直径、以及所述多个入射子光束的束腰位置来确定。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置为结构光投射装置。所述集成衍射光学元件具有多个出射子光束，其中通过对所述浮雕状微结构的形状的设计，使得所述多个出射子光束投射在工作面的光斑互相分离以形成散斑。图4示出了一种散斑形式的结构光图案的示例。需注意，图4中黑色部分表示激光图案中的光斑(即黑色部分表示照亮部分)。另外，需注意，在本申请的其它实施例中，所述多个出射子光束投射在工作面的光斑也可以是条纹或网格等形式的结构光。其中条纹形式的结构光可以是简单的直线型条纹，也可以是光强呈正弦或余弦变化的条纹。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置为光飞时间投射装置，其中所述集成衍射光学元件具有多个出射子光束，通过对所述浮雕状微结构的形状的设计，使得所述多个出射子光束投射在工作面位置的光斑互相粘连以产生漫射扩散或匀化效果。图5示出了一种漫射扩散或匀化效果的投射图案示例。图5所示的投射图案可用于光飞时间(TOF)投射模组。需注意，图5中黑色部分表示激光图案的照亮部分。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置中，所述浮雕状微结构在剖面图中具有多级台阶，其中所述剖面图的剖面垂直于所述发光表面。当所述多级台阶为四级台阶时，从集成衍射光学元件出射的光束可投射至工作面并在工作面获得品质优良的结构光图案(可达到结构光模组的验收标准)。在接收端，利用这种结构光图案可以恢复处被拍摄物的深度信息，从而获得3D图像。除了四级台阶外，多级台阶也可以采用二级台阶、三级台阶、八级台阶等。通常来说，四级台阶兼具既可以保证优异的3D成像品质，又具有相对较低的成本以及较高的生产效率。需注意，如果采用紫外胶压印、热压印或其他纳米压印的方法，那么八台阶的制造成本也可以降低，同时提高生产效率。换句说，四级台阶的成本和效率优势主要体现在通过光刻和刻蚀(或类似工艺)来制作浮雕状微结构的阶段，在浮雕状微结构的复制阶段，四级台阶与八级台阶的成本和效率基本是一致的。随着工艺水平的提高，更多数目的台阶也可以被应用到上述浮雕状微结构的制作工艺中。需注意，本文中所述的刻蚀工艺包括第一步的基于掩模版或无掩模版的光刻工艺，和对基于光刻工艺得到的晶圆级光学元件或非晶圆级光学元件进行的蚀刻。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置中，所述原始衍射光学元件适于对所接收的平行光束的所述平面图案进行相同权重的复制。
进一步地，根据本申请的一个实施例，所述基于面发射激光的投射装置中，所述原始衍射光学元件适于对所接收的平行光束的所述平面图案进行不同权重的复制，以产生中间暗而周围亮的出射图案。基于上述原始衍射光学元件获得的融合的相位转换函数来制作(例如刻蚀)DOE器件的表面浮雕状微结构，可以获得相应的结构光投射模组，所投射出的结构光图案将呈现出中间暗而周围亮的状态。
进一步地，图8示出了本申请一个实施例的基于面发射激光的投射装置的制作方法的流程图，参考图8，本实施例中，基于面发射激光的投射装置的制作方法包括如下步骤：
步骤S10，准备面发射激光器，其中所述面发射激光器具有发光表面，所述发光表面分布多个点状发光源，所述多个点状发光源构成所需的平面图案。这里准备可以理解为制作，也可以是从市场上购买面发射激光器成品。VECSL激光器是一种典型的面发射激光器。本实施例中，面发射激光器可以是VECSL激光器。
步骤S20，通过将虚拟准直透镜的透镜函数和原始衍射光学元件的相位变换函数进行融合，得到集成衍射光学元件的融合的相位变换函数，进而确定所述集成衍射光学元件的浮雕状微结构的形状；其中所述原始衍射光学元件是适于接收具有所述平面图案的平行光束并基于衍射原理对所述平面图案进行复制以得到视场角扩大的出射图案的衍射光学元件，所述虚拟准直透镜是适于对所述点状发光源所发出的光束进行准直的透镜。
步骤S30，根据所确定的所述浮雕状微结构的形状制作所述集成衍射光学元件。所述浮雕状微结构可以通过刻蚀工艺得到。需注意，本文中所述的刻蚀工艺包括第一步的基于掩模版或无掩模版的光刻工艺，和对基于光刻工艺得到的晶圆级光学元件或非晶圆级光学元件进行的蚀刻。另外，本发明中制作浮雕状微结构的工艺并不限于刻蚀工艺，在其它实施例中，也可以通过激光束直写、电子束直写或聚焦离子束直写等工艺来制作浮雕状微结构。进一步地，在大批量生产中，可以在获得浮雕状微结构后，通过紫外胶压印、热压印、注塑等工艺进行大批量复制，即利用上述工艺来大批量地复制这种浮雕状微结构。刻蚀工艺可以包括光刻和蚀刻。光刻一般是指在光刻胶上得到浮雕结构，蚀刻一般是指将光刻胶上的浮雕结构转移到基底上(对光学元件而言基底一般是石英、玻璃或其他光学材料)。光刻胶上的浮雕结构一般难以永久保存，所以在一个优选实施例中，可以先在光刻胶上通过光刻制作浮雕结构，然后再利用蚀刻工艺将浮雕结构转移到基底上。在量产阶段，可以将基于基底制作的浮雕结构通过紫外胶压印、热压印、注塑等工艺进行大批量复制。另外，基于当前的技术，电子束直写一般只能在光刻胶上得到浮雕结构，不能在石英玻璃上得到浮雕结构。但是，激光直写和聚焦离子束直写可以直接在石英玻璃上得到浮雕结构。
步骤S40，将所述面发射激光器和所述集成衍射光学元件组装在一起，得到所述投射装置。
为使本申请所提出的方案更加清楚，下面结合实施例对前文中所提及的融合的相位变换函数、虚拟准直透镜的透镜函数和原始衍射光学元件的相位变换函数等内容做进一步的描述。
其中，图9示出了本申请一个实施例中的步骤20的具体实现流程。参考图9，根据本申请的一个实施例，在所述步骤S20中，按下述子步骤进行光学图案设计，以确定所述集成衍射光学元件的浮雕状微结构的形状。
步骤S21，确定待集成透镜的焦距f和入射光束束腰到衍射光学元件之间的距离z。
对于VCSEL等面发射激光，待集成透镜(即前文中的虚拟准直透镜)的焦距f由VCSEL的发光面尺寸(水平和垂直方向)和VCSEL发光面经过集成有透镜功能的衍射光学元件之后未经复制的单块区域在水平和垂直方向的视场角(field of view,FOV)决定。焦距f与距离FOV之间的关系可以用式(1)表示。
式中li为VCSEL发光面在平面直角坐标系的x、y方向的发光尺寸。式(1)中，当i＝1时，表示x方向，当i＝2时，表示y方向。为描述方便，下文中有时用f来代表fi。
确定待集成透镜的焦距f之后，就可以根据激光经过集成有透镜功能的衍射光学元件后各子激光的束腰位置z'(z'为从集成有透镜功能的衍射光学元件的出射激光光束束腰到衍射光学元件之间的距离)，基于式(2)，计算入射激光束(指入射到集成有透镜功能的衍射光学元件的光束，下同)的束腰到衍射光学元件之间的距离z。这里集成有透镜功能的衍射光学元件的光束就是前文中所述的集成衍射光学元件。
分析公式(2)，可以看出，如果希望激光经过集成有透镜功能的衍射光学元件后得到多束准直的子光束，则入射激光束的束腰到衍射光学元件之间的距离z应等于透镜的焦距f，即满足下述公式(3)。
z＝f (3)
如果希望激光经过集成有透镜功能的衍射光学元件后各子激光的束腰在某一个特定位置z'(z'为从集成有透镜功能的衍射光学元件的出来的出射光束束腰到衍射光学元件之间的距离)，则满足下述公式(4)。
根据公式(4)即可计算出入射激光束束腰到衍射光学元件之间的距离z。
在实际的三维相机应用中，通常来说z'>>z，所以一般z仅略大于f，即满足公式(5)
z≈f(5)
以手机为例，一般工作距离为250毫米到500毫米之间，即z'＝250～500,假设f＝4毫米，则z为4.03到4.06毫米之间。
但在其他一些应用中，z'可能很小。实际上，当z＝0，只要f>0，像方腰斑总是小于物方腰斑，但是这种应用好像很少见。
另一方面，需要注意，由于在实际生产时存在各种公差，公式(3)和公式(4)中的等号并不是绝对的，实际的投射模组中，满足基本相等即可。公式(3)或公式(4)中的等号成立时，VCSEL的发光面的相邻发光点投射在工作面上的对应光斑最小，如果等号不成立，则VCSEL的发光面的相邻发光点投射在工作面上的对应光斑会增大。
步骤S22，计算VCSEL激光器的各发光点(即发光面上的各个点状发光源)在工作平面的光斑大小。
对于面发光激光(多发光点激光)，待集成透镜函数焦距的选取还必须考虑各发光点在工作平面是否粘连。VCSEL供应商一般给出发光点的束腰直径和发散角。根据发散角，可以计算出VCSEL各发光点落在DOE器件上的光斑大小，参考公式(6)。
式中θ0为入射激光束的发散全角，d1表示光斑直径。
假设VCSEL各发光点经过集成有透镜功能的DOE器件后束腰半径(即出射光束的束腰半径)为ω0'，ω0'可通过下述公式(7)得出。其中2ω0'表示出射光束的束腰直径。
式中ω0为入射激光束的束腰半径，M2为VCSEL各发光点的光束质量因子。M2可通过下述公式(8)得出。
VCSEL各发光点经过集成有透镜功能的DOE器件后，在任意位置的光斑直径2ω(z′)可用下述公式(9)得出。
VCSEL各发光点经过集成有透镜功能的DOE器件后，在任意位置的光斑大小也可以通过计算出射激光的发散角来得到。该出射激光的发散角θ′可通过下述公式(10)得出。
基于公式(10)，出射激光在任意位置的光斑直径2ω(z′)可用下述公式(11)得出。
图6示出了由公式(9)和公式(11)计算得到的出射激光的光斑直径随工作面位置的变化曲线。具体地，图6中的实线表示公式(11)计算得到的出射激光在任意位置的光斑直径，虚线表示公式(9)计算得到的出射激光在任意位置的光斑直径。
可以看出，由公式(9)和公式(11)计算得到的出射激光的光斑直径基本相等。
步骤S23，计算VCSEL相邻发光点在工作平面上成像后之间的距离。VCSEL发光面经过集成有透镜功能的衍射光学元件之后未经复制的单块区域的尺寸Li可以由公式(12)得到。
其中下标i代表直角坐标系中的两个方向，即x方向或y方向。当i＝1时，表示x方向，当i＝2时，表示y方向。
工作平面上VCSEL相邻发光点之间的距离S1可通过公式(13)得到。
式中s1为VCSEL发光面上相邻发光点之间的距离。
步骤S24，确定VCSEL各发光点在工作平面分离还是粘连。
当S1满足式(14)时，
S1>2ω(z′) (14)
VCSEL相邻发光点在工作平面上的光斑分离，产生结构光，此时集成有透镜功能的衍射光学元件用于基于结构光的三维传感。
特别地，当S1满足式(15)时，
S1>4ω(z′) (15)
VCSEL相邻发光点在工作平面上的光斑分离效果更佳，产生的结构光对比度更高，此时集成有透镜功能的衍射光学元件用于基于结构光的三维传感效果更好。
当S1满足式(16)时，
S1≤2ω(z′) (16)
VCSEL相邻发光点在工作平面上的光斑粘连，产生漫射扩散或匀化效果(diffusing，homogenizing),此时集成有透镜功能的衍射光学元件可用于飞行时间(TOF)的三维传感，元件可实现工程漫射体或匀化元件的功能(engineering diffuser，homogenizer)。
特别地，当S1满足式(17)时，
S1≤ω(z′) (17)
VCSEL相邻发光点在工作平面上的光斑粘连更多，产生漫射扩散或匀化效果(diffusing，homogenizing)更好,此时集成有透镜功能的衍射光学元件用于飞行时间(TOF)的三维传感效果也更好。
步骤S25，设计常规的衍射分束元件(本实施例中，常规的衍射分束元件是前文所述的原始衍射光学元件的一个示例)。本实施例中，将透镜功能集成到一个常规的分束衍射元件。常规的分束衍射元件的设计是一个被本领域技术人员所熟知的技术。当n×m分束衍射元件的n×m个点的功率密度相等时，产生的结构光或漫射扩散光(或匀化光)被以相同的权重复制。
步骤S26，产生具有中间暗、周围亮效果的结构光或漫射扩散光(或匀化光)。在很多应用场合，需要产生的结构光或漫射扩散光(或匀化光)呈中间暗周围亮的状态。此时可以将透镜集成到一个衍射元件，该衍射元件产生一个不同权重(中间暗，周围亮)的分束效果。
步骤S27，设计虚拟准直透镜的透镜函数。透镜函数可以是球面，抛物面或椭球面等二次函数，也可以球面、抛物面或椭球面等二次函数和更高阶项之和。透镜轮廓一般可以表示为公式(18)。
式中h为透镜轮廓到透镜顶点距离沿z轴方向的分量，r为到光轴的距离，R1和R2透镜中心处的曲率半径，K1和K2为非球面常数。当K<-1是函数为双曲线，当K＝-1时为抛物面，当-1<K<0时函数为长椭球(prolate spheroid)，当K＝0是函数为球面，当K>0时为扁椭球(oblate spheroid)。透镜函数t(x,y)如公式(19)所示。
t(x,y)＝exp[jk(n-1)h(x,y)] (19)
当K＝0时，去掉常数项，经过近似，公式(19)变成本领域技术人员所熟知的简单的二次球面透镜函数，如公式(19)所示。
式中，
n为透镜材料的折射率，λ为激光波长。
步骤S28，将透镜和常规的分束衍射元件集成为一个衍射光学元件。
假设常规的衍射分束元件的相位变换函数可根据公式(21)得出。
则透镜和常规的衍射分束元件集成后的衍射元件的相位变换函数(即集成衍射光学元件的相位变化函数)可根据公式(22)得出。
其中DOEorg表示原始衍射分束元件的相位变换函数，即常规的衍射分束元件的相位变换函数。DOEint表示集成原始衍射分束元件的相位变换函数，即融合的相位变换函数。
步骤S29，将集成衍射光学元件的相位变化函数进行离散化，得到具有多级台阶的图形(即浮雕状微结构的形状)。在一个例子中，集成衍射光学元件的浮雕状微结构可以是二级台阶。在另一个例子中，集成衍射光学元件的浮雕状微结构可以是四级台阶。四级台阶的效果远远优于二级台阶，可以满足绝大多数应用，同时，相对于更多级的台阶，四级台阶具有成本及效率优势。图7示出了一个连续结构的透镜和原始衍射光学元件集成并离散分层为四台阶衍射光学元件的过程。其中(a)部分示出了虚拟准直透镜所对应的剖面形状(仅示出了部分剖面形状)，其由透镜函数确定。(b)部分示出了原始衍射光学元件的所对应的剖面形状(仅示出了部分剖面形状)。(c)部分示出了集成衍射光学元件的所对应的剖面形状(仅示出了部分剖面形状)，其由集成衍射光学元件的相位变化函数确定，透镜函数融合原始衍射光学元件的相位信息，即可得到所述的集成衍射光学元件的相位变化函数。(d)部分所示出的是对应于四级台阶的集成衍射光学元件。上述剖面均是指垂直于VCSEL发光面的剖面。需注意，图7仅仅是为了便于理解本步骤所涉及的“离散化”而给出的示例，实际的浮雕状微结构的形状可能远比图7所示更加复杂。需注意，本申请并不限于四级台阶，在本申请的其它实施例中，也可以采用四级以上的台阶。例如，在一个实施例中，可以用电子束(也可以是激光束或聚焦离子束)直写，来得到256级台阶或者具有更多台阶的浮雕状微结构(更多的台阶可以近似于连续结构)。另一实施例中，可以使用灰度掩模版来获得具有大量台阶的浮雕状微结构。例如，某些灰度掩模版有256级不同的灰度，这样该使用灰度掩模版光刻的产品可以形成256级台阶，256级台阶有时可以视为是连续的。得到一个连续结构的衍射光学元件之后，可以用纳米压印的方法在石英基底上大批量复制刻蚀衍射光学元件。理论上说，连续结构的衍射光学元件比四台阶衍射光学元件的效率要高。
基于本申请的投射装置，申请人进行了实际测试并获得优异的性能指标。使用波长为940nm的VCSEL激光光源，将设计制造的四台阶集成衍射光学元件放置在距离VCSEL发光面大约数毫米的位置上，在VCSEL点亮的情况下调节VCSEL和集成衍射光学元件之间的距离，使出射图案在工作距离范围内达到最清晰的状态，然后使用CCD/CMOS摄像头接受VCSEL激光通过集成衍射光学元件投影在三维物体上的图案。测试项目包括总的衍射效率、入射图案(指从面发射激光器出射的光束的图案)经过DOE后各复制块之间的非均匀度误差，以及每一复制块中信号点和鬼影点的功率比值。
测试结果表明，当衍射角度为70度或70度以上时，总的衍射效率可达到58％～68％。作为对比，在相同衍射角度下，现有技术中传统的具有实体准直透镜的投射装置(例如欧洲同行的产品)的衍射效率约为62％～68％。
非均匀度误差可以定义为：
用于本申请的投射模组的非均匀度误差和每一复制块中信号点和鬼影点的功率比值均可达到优秀水平。目前，如果非均匀度误差小于30％，复制块中信号点和鬼影点的功率比值大于10，可以认为投射模组的性能优秀。
需注意，在测试中，申请人用于制作浮雕状微结构的机器的精度可能低于欧洲同行的机器。换句话说，如果使用具有更高精度的机器，本申请的投射装置衍射效率、非均匀度误差和复制块中信号点和鬼影点的功率比值等性能指标还有机会进一步提升。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
