[发明专利]用于激光散斑减少的超表面

说明书

一种装置，当用相干光照射物体时，该装置依赖于图案化超表面来减少散斑。超表面用于增加从由相干源照射而产生的角分集和波长分集中的一个或更多个。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月2日提交的标题为“Metasurfaces for Laser SpeckleReduction”的美国临时申请号62/693,065的利益，该临时申请的内容通过引用被全部并入本文。

发明领域

本发明涉及照明，且特别是涉及用激光器照明。

背景

许多应用依赖于用结构光、泛光照明或者经设计的照明图案对场景进行照明。当反射光以某种方式例如在三维感测中被处理时或者当对二维图像执行另外的处理步骤时，这样的照明是有用的。

在机器视觉系统中，正确的照明是特别重要的。在这样的系统中，被照射的结构的精确结构、纹理和对比度的知识在由机器视觉系统检查的物品的后续处理中是重要的。

由于它的低成本、窄输出光束、窄带宽和高照明水平，用于这样的照明的常用设备是垂直腔表面发射激光器或“VCSEL”。

像大多数激光器一样，VCSEL输出相干光。这在照射粗糙表面时造成困难。这样的表面引起可能干扰照射光束的反射。这导致在小区域上的具有信号强度的大变化的随机图案。这样的图案通常被称为“散斑(speckle)”。

散斑消极地影响处理代表图像的数据的任何算法的准确性。

概述

可以通过促进照明的分集(diversity)来抑制散斑。示例包括增加入射角(光以该入射角照射场景)的数量，增加用于照射场景的波长的数量，增加用于照射场景的不同偏振的数量，以及在照明和随后的记录或成像的过程期间改变光的图案。这些形式的分集在本文被称为角分集、波长分集、偏振分集和时间分集。

本文所述的装置和方法至少部分地依赖于与使用一种或更多种前面提到的技术抑制散斑的形成相关的超表面(metasurface)。

在一个方面中，本发明特征在于启用超表面的照明器，该启用超表面的照明器经由光条穿过照明孔复制照明源。该实施例通过减小空间相干性来增加角分集。

在另一方面中，本发明特征在于启用超表面的设计，该启用超表面的设计使在单个VCSEL阵列中的VCSEL的输出波长单独地多样化(diversify)，从而增加波长分集。

在又一方面中，本发明特征在于在另一光学元件上扩展VCSEL阵列的图像以增加空间不相干性和角分集的光学元件。

用于起超表面的作用的合适的光学元件包括对放置和组装误差都是鲁棒的并且形成总体超表面的扩散元件。典型的超表面包括嵌在介质中的纳米结构，纳米结构具有与介质的折射率不同的折射率，以便起衍射中心的作用。

在一个方面中，本发明特征在于用于照射物体的照明系统。这样的系统包括照明源、耦合器、光条和图案化超表面。耦合器将来自照明源的光耦合到光条中。在经历了光条内的全内反射之后并且在与图案化超表面相互作用之后，光离开光条并朝着物体传播。

在一些实施例中，超表面在光条的表面上被图案化。实施例包括超表面在顶表面上被图案化的实施例和超表面在底表面上被图案的实施例。顶表面和底表面分别离被照射的物体最近和最远。

实施例包括其中图案化超表面包括具有均匀高度的纳米结构的实施例。这些纳米结构嵌在介质中。在所使用的波长处，纳米结构具有比它们嵌入的介质更高的折射率。在这些实施例之中有纳米结构在该波长处的折射率大于二的实施例、介质是空气的实施例以及介质在该波长处的折射率小于二的实施例。