CN107003391A - 飞行时间系统的多图案照明光学器件 - Google Patents

飞行时间系统的多图案照明光学器件 Download PDF

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Abstract

各种方法、系统、装置和计算机程序产品被提供用于为飞行时间(TOF)相机系统创建多个泛光照明图案。光被生成，并且被投射到图像环境中的照明光由经生成的光形成。照明光通过发散经生成的光以形成发散光(其通过在以发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕第一区域的第二区域中强度更小的光分布来表征)并将该发散光转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案来被形成。每个照明光图案均被投射到照明环境的对应区域。

Description

飞行时间系统的多图案照明光学器件
背景
在飞行时间(TOF)深度相机中，光从光源被投射到图像环境中，以照亮图像环境中的一个或多个对象。漫射器可被用来把光散布遍及整个图像环境。从图像环境反射的光被聚焦到图像传感器上。接收到的光的定时被确定，并且该定时被用来确定到环境中各个点的距离。
概述
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
各种方法、系统、装置和计算机程序产品被提供用于为飞行时间(TOF)相机系统创建多个泛光照明图案。光被生成，并且被投射到图像环境中的照明光由经生成的光形成。照明光通过发散经生成的光以形成发散光(其特征在于在远离发散光的光轴的第一区域中比在以光轴为中心的第二区域中更强的光分布)并将该发散光转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案来被形成。每个照明光图案都被同时投射到照明环境的对应区域。
下面参考附图详细描述本公开的各种实施例的进一步特征和优点，以及本公开的各种实施例的结构和操作。值得注意的是，本发明不仅限于本文所描述的特定实施例。本文呈现这些实施例仅用于说明性的用途。基于本文包含的示教，附加的实施例对相关领域的技术人员将是显而易见的。
附图说明
合并到本文并构成说明书的一部分的附图例示了本申请的各实施例，并且与说明书一起进一步用于解释各实施例的原理并允许相关领域技术人员实施和使用这些实施例。
图1示意性地示出根据一示例性实施例的示例使用环境中的示例飞行时间(TOF)深度相机。
图2示意性地示出用于示例飞行时间深度相机的示例照明器，根据本公开的一实施例该示例照明器被描绘成改变光包络的形状。
图3示意性地示出根据本公开的一实施例的另一示例照明器。
图4示意性地示出根据本公开的一实施例的示例照明器的光整形级的示例。
图5示意性地示出根据本公开的一实施例的光整形级的另一示例。
图6示意性地示出根据本公开的一实施例的示例光整形级中包括的示例透镜元件的透视图。
图7示出根据本公开的一实施例的在照明光的非相干辐照和光轴之间例示了示例照明配置的示例关系的曲线图。
图8示意性地示出根据一实施例的散布光线的衍射元件的示例。
图9示意性地示出根据一实施例的生成并散布多条光线以生成多光配置照明光的照明器的示例。
图10示出根据一实施例的在表面上具有重复的棱镜图案的衍射元件的截面图。
图11示出根据一实施例的在表面上具有角锥状棱镜的重复图案的衍射元件的截面图。
图12示出根据一实施例的在表面上具有阶梯形棱镜的重复图案的衍射元件的截面图。
图13示出根据一实施例的在表面上具有角锥状阶梯形棱镜的重复图案的衍射元件的截面图。
图14示出根据一示例实施例的被投射在照明环境的中央远场区域上的第一照明图案的图像。
图15示出根据一示例实施例的被投射在照明环境的第一外围近场区域上的第二照明图案的图像。
图16示出根据一示例实施例的被投射在照明环境的第二外围近场区域上的第三照明图案的图像。
图17示出根据本公开的一实施例的作为三个照明图案的组合的示例照明配置。
图18示出根据一示例实施例的提供将照明光投射到图像环境中的过程的流程图。
图19示出根据一示例实施例的提供形成包括来自发散光的多个照明光图案的照明光的过程的流程图。
现在将参考附图描述本申请的主题。在附图中，相同的附图标记指示相同或功能上相似的元素。附加地，附图标记的最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。
详细描述
I.介绍
以下详细描述公开了众多示例实施例。本专利申请的范围不限于所公开的各实施例，而且包括所公开的各实施例的各种组合以及对所公开的各实施例的各种修改。
说明书中对“一个实施例”、“一实施例”、“一示例实施例”等等的引用表示所描述的实施例可包括特定特征、结构或者特性，但是，每一个实施例可不必包括该特定特征、结构或者特征。此外，这些短语不一定指相同的实施例。此外，当关于某一实施例描述特定特征、结构或特性时，不管是否被明确描述，关于其他实施例来实现该特征、结构或特性被认为是在本领域技术人员的知识范围内。
以下描述多个示例性实施例。应当注意，在此提供的任何章节/子章节标题不旨在限制。本文档中描述了各实施例，并且任何类型的实施例可被包括在任何章节/子章节下。此外，在任何章节/子章节中公开的各实施例可与在相同章节/子章节和/或不同章节/子章节中描述的任何其他实施例以任何方式组合。
II.用多个同时的照明图案照亮图像环境的示例实施例
如上所述，TOF深度相机利用从TOF深度相机投射在图像环境中的光脉冲(例如，红外光和/或可见光)。照明光脉冲从图像环境中的各个对象的不同表面反射出并被图像传感器接收。TOF深度相机通过量化依赖于时间的返回光信息来生成距离数据。换言之，由于与从较远离感光表面的对象特征处被反射出时相比，当光从较接近于感光表面的特征处被反射出时被更快检测到，因此TOF深度相机可确定关于该对象的特征的距离信息。
可能难以使图像环境充满照明光，因为图像环境可具有相当大的体积，并可具有可能难以用单个光强度分布实现的截面形状(例如，矩形)。例如，成像环境可具有与光源所发射的光不同的截面形状。成像环境还可能相对较大，以捕捉潜在的多个用户的潜在的较大范围的移动。
与TOF深度相机一起使用的照明源可以以圆形图案或呈圆形的发射包络来发射光。因此，以实现跨整个非圆形的图像环境的相对均匀的照明强度的方式将呈圆形的发射图案盖在非圆形的图像环境上可导致该环境的不被用于进行深度分析的各部分的照明。这可能会浪费光源功率，并且还可涉及对更强大且更昂贵的光源的使用。
此外，以期望的方式来不同地照亮图像环境的不同区域可能是困难的。例如，可能合乎需要的是，在图像环境的周边附近的区域中被投射的光的强度相比在成像环境的中心处更大，因为从那些区域反射的光可能由于在成像光学器件上的入射角而在图像传感器上具有更低的强度。在环境中待照亮的每个距离通常需要其自己的照度分布，从而导致多个照度分布被使用。通常，这是通过使用多个、经不同地设计的漫射器来实现的。
更进一步，可能期望同时照亮成像环境中不同距离处的不同区域。通常，这是通过使用由不同漫射器设计提供的不同照度分布来执行的。
因此，本文中提供了用于用照明光来照亮图像环境的TOF深度相机及方法的各实施例以重新整形被发射的光并调整经重新整形的光的投射包络和照明截面。此外，各实施例使得由多个照度分布限定的光能够被投射到成像环境中以同时照亮成像环境的不同区域。在一个示例中，提供了一种TOF深度相机，该TOF深度相机包括被配置成生成相干光的光源。该示例TOF深度相机还包括第一光学级(例如，被周期性地布置的透镜元件的阵列)，该第一光学级被定位成接收相干光的至少一部分并且被适配成使相干光发散以形成发散光。该示例TOF深度相机还可任选地包括第二光学级，该第二光学级被定位成接收发散光的至少一部分，并且被适配成降低来自发散光的一个或多个衍射伪像的强度以形成照明光。此外，TOF深度相机包括被定位成接收照明光的至少一部分的衍射元件(或“衍射表面”)。衍射元件被配置成将接收到的光转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案。多个照明光图案中的每一个被投射到照明环境的对应的区域，从而同时照亮照明环境的多个区域。该示例TOF深度相机还包括图像传感器，该图像传感器被配置成检测从照明环境反射的返回照明光的至少一部分。
图1示意性地示出TOF深度相机100的实施例。在图1所示的实施例中，TOF深度相机100包括被配置成用多光分布照明光108来照亮被定位在图像环境106中的第一和第二对象104A和104B的至少一部分的照明器102，并且可包括被配置成检测返回光112的图像传感器110。例如，第一对象104A可被定位在图像环境106的第一区域中(例如，在远场位置处，或者相对远离相机100)，而第二对象104可被定位在图像环境106的第二区域中(例如，在近场位置处，或者相对靠近相机100)。撞击对象104A的一部分的多光分布照明光108A的第一光线被反射为返回光112A，而撞击对象104B的一部分的多光分布照明光108B的第二光线被反射为返回光112B。来自返回光112的光子可被收集并被用来生成对象104A和104B的深度信息，如以下详细解释的。
尽管图1所示的示例描绘了被包括在TOF深度相机100中的单个照明器102，但将领会，多个照明器102可被包括在TOF深度相机100中以照亮图像环境。
TOF深度相机100还包括图像传感器110，该图像传感器110被配置成检测从图像环境106反射的返回照明光112的至少一部分。图像传感器110包括检测器114，该检测器114用于收集返回照明光112以用于生成该场景的深度信息(诸如，深度图)。
在图1所示的实施例中，照明器102包括光源118以及光学组件120，光源118被配置成生成相干光，光学组件120被配置成对相干光进行整形并引导其朝向图像环境106。光源118可以以任何合适的(多个)波长(包括但不限于红外波长和可见波长)发射相干光。
在一些实施例中，光源118可包括被布置在光群集中的一个或多个单独的光产生元件。如本文中所使用的，光群集指的是被配置成发射相干光的多个光发射器的布置或分组。在一些实施例中，多个光发射器可以被包括在公共外壳中。这样的光群集可具有任何合适的形状，并可包括任何合适数目的光发射器。在一实施例中，光源118可包括呈直线的光条，该光条具有多个平行布置的光发射器。例如，在一个特定示例中，光条可被配置成从十一个平行光发射器发射平行光束。
出于讨论的目的，光图像环境106可被分解成照明深度区域和照明包络区域。照明深度区域指的是被投射的光的焦距。在图1所示的实施例中，多光分布照明光108被投射到由近边缘124和远边缘126界定的照明深度区域122。照明深度区域122可具有任何合适的范围。在一个非限制性示例中，照明深度区域122可以为约3.5m深。
照明包络区域指的是用多光分布照明光108照亮的截面区域。在图1所示的实施例中，呈矩形的照明包络区域128是用水平维度130和用垂直维度132来表示的。然而，将领会，呈任何合适形状的照明包络区域128(例如，椭圆形状、多边形形状或其他封闭形状)可被形成，而不背离本公开的范围。
光学组件120可被配置成将光源118所发射的光的发射包络变换成呈不同形状的照明包络形状。图2示意性地示出其中光源118具有圆形发射形状202的照明器102的一实施例。在图2所示的示例中，光学组件120将该圆形形状变换成被投射在照明包络区域128中的矩形形状204。将理解，所描绘的发散是出于说明的目的而被呈现的，并且在各实施例中可以不表示光的实际发散。
图3示意性地示出照明器102的一实施例，并解说光学组件120的一示例实施例。在图3所示的实施例中，光学组件120包括被配置成将相干光306整形并散布成发散光308的光整形级302、被配置成将来自发散光308的一个或多个衍射伪像的强度削减以生成照明光312的任选的衍射伪像削减级304，以及被配置成将发散光308转换成作为多光分布照明光108的多个照度分布的衍射元件310，如下面更详细地解释的。
在一些实施例中，光整形级302可包括周期性透镜元件阵列，诸如周期性微透镜阵列。例如，图4示意性地示出了包括由框架404保留的多个透镜元件402的光整形级302的一实施例的正视图。如图4所示，每个透镜元件402均是参考不同于短轴透镜元件间距408的长轴透镜元件间距406来定义的，以使得每个透镜元件402均具有长方形的形状。在图4所示的实施例中，间距是参考每一单元的中心来定义的，每一单元的中心可对应于每个透镜表面的顶点。在其他实施例中可以使用其他合适的间距定义，而不背离本公开的范围。
透镜元件402的间距可被用来选择照明包络区域128的形状。例如，圆形模式的透镜元件402将生成对应的圆形照明包络区域，而六边形模式的透镜元件402将生成六边形照明包络区域。图4所示的实施例描绘了长方形的透镜元件402，使得长方形的照明包络区域将在远场中被生成。此外，由短轴透镜元件间距408和长轴透镜元件间距406展示的间距宽高比可影响照明包络区域128的宽高比。在包括长方形透镜元件402的一些实施例中，光整形级302中的长轴透镜元件间距406与短轴透镜元件间距408的比率可以为1.1:1或更多。例如，在给定大约1.18:1的间距宽高比的情况下，每个透镜元件402可具有190μm的水平尺寸和160μm的垂直尺寸，其各自在可接受的容忍度内。进而，在该示例中，具有约70°乘60°的水平乘垂直的照明视场的照明包络区域128可在远场中被形成。
图5示出与衍射伪像削减级304一起被集成在单个部件中的示例光整形级302的一实施例的截面图，但是在一些实施例中，衍射伪像削减级304和光整形级302可以是分开的结构。在图5所示的实施例中，相干光306的被单独的透镜元件402A接收到的射线被该元件散布，并且随后被衍射伪像削减级304漫射成照明光310。光整形级302中所包括的透镜元件402中的每一个均被配置成(在角度空间中)为光学组件120创建期望的照明视场。换言之，光整形级302中的每个透镜元件402均被配置成将所选的角度发散赋予传入光。如本文中所使用的，发散光指的是从较准直的光束散布成较不准直的光束的相干光。发散光308可具有任何合适的照明强度截面(如以下更详细地解释的)，并且可由在发散光308的光轴和极端射线之间测得的任何合适的发散角来散布。
通过散布传入光，光整形级302将光传送到照明包络区域128内的所有区域。在一些实施例中，光整形级302可被适配成将相干光306变换成具有大于30度的发散角的发散光308。这样变换后，光可以照明图像环境106内的大照明视场，从而潜在地为图像传感器110的潜在图像捕捉提供大照明包络。在一个非限制性示例中，120度的垂直照明场乘140度的水平照明场可从相对于照明光312的光轴为60度的垂直发散角和70度的水平发散角中获得。图6示意性地示出单独的透镜元件402的一实施例的视角。凸透镜表面602被定位成朝向光源118(图6中未示出)以接收入射的相干光306。相对于其中透镜表面602避开光源118的示例而言，将透镜表面602定位成面向光源118可在光经历透镜元件内的总内部反射之前导致相对较高的入射角。进而，照明视场以及由此而来的照明包络区域在透镜表面602面向光源118时可更大。此外，将透镜表面602定位成面向光源118可减少或消除一些表面涂层(例如，诸如MgF2之类的抗反射涂层)，不然这些表面涂层在透镜表面602面向另一方向的情况下可被应用。
透镜表面602部分地依据透镜元件402的间距尺寸来整形。进而，该单元的间距尺寸可影响透镜表面602的非球面性质。因此，透镜元件402的发散能力至少部分地依据间距尺寸来建立。在图6所示的其中透镜元件402被描绘为具有长方形的单元形状的实施例中，凸透镜表面602将具有限定在光轴606和极端射线608之间的第一发散角604，该第一发散角将不同于限定在光轴606和极端射线612之间的第二发散角610。当被投射到图像环境106中时，按根据这些发散角的相应方向散布的照明光将建立照明包络区域128的边界。
在一些实施例中，可由透镜元件402实现的发散的程度可受到形成这些透镜的材料的折射率的影响。当透镜曲率增加时，光逼近总内部反射限制。然而，通过增加折射率，所选的发散角可用相比较而言较小的光弯曲(light bending)来实现。例如，在一些实施例中，透镜元件402可由具有约1.49的折射率的光学级聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)制成。在其他实施例中，透镜元件402可由具有约1.6的折射率的光学级聚碳酸酯(PC)制成。与由PMMA制成的元件相比，由PC制成的透镜元件402可具有用于获得相同发散角的更少的曲率。将领会，任何合适的光学级材料均可被用来制造透镜元件402，包括以上描述的聚合物、光学级玻璃等。
在每个透镜元件402处散布相干光并重新组合发散光308的聚集效果是要把截面光的强度/辐照分布从与入射相干光306相关联的高斯分布整形成呈不同形状的照度分布。例如，在一些实施例中，少至六个透镜元件402可能足以形成所期望的照度分布。然而，增加单个透明元件内的透镜元件402的数目可改善光整形级302形成所期望的照度分布的能力。
将领会，光整形级302可将相干光306整形成具有任何合适的截面光分布的发散光208，而不背离本公开的范围。在一些实施例中，发散光308可具有有平顶的、类似平顶山的截面强度分布。在这样的实施例中，发散光308的辐照在邻近光轴的区域中可具有在可接受的容忍度内的相对恒定的强度。随后，在处于所期望的图像环境外部的较远离光轴的区域(例如，对应于该平顶山的侧壁的区域)中，该辐照可在强度方面相对急剧地下降。
在一些其他实施例中，发散光308可由在较远离光轴处比在较接近于发散光的光轴处更强的截面光分布来表征。图7示出了示例图绘700，其示出了发散光的示例光分布702内的非相干辐照和截面位置之间的关系。在图7所示的示例中，光分布702在较远离光轴704的第二区域708中的位置处展现出比在光轴704上及周围的第一区域706中的位置处更大的辐照强度。如图7所示，第二区域708位于以光轴704为中心的第一区域706的任一侧。图7示出了光分布702的截面图，并且光分布702呈现出有些类似于关于光轴704对称的大写字母“M”的截面辐照分布。在一实施例中，从正视图的视角看(例如，向下俯视图7中的光轴704)，光分布702表现为以光轴704为中心的矩形形状的分布，其中第二区域708围绕第一区域706形成矩形环。
不受理论束缚，生成照明光的呈“M”形的分布可抵消在图像传感器110处接收到的并由图像环境中的对象赋予返回光的呈“W”形的分布。换言之，向图像环境106供应具有呈“M”形的分布的光的净效果可以是图像传感器110检测具有相对平坦的截面强度分布的返回光，其可有助于提供跨所获取的图像的相对一致的对比度和亮度。
光分布和/或照明视场的改变可通过适当地调整光整形级302的间距比来实现。例如，将水平比上垂直的透镜元件间距比朝向数字一进行调整可导致向类似平顶山的光分布发展，而更高的宽高比可导致呈“M”形的分布。在一些实施例中，光整形级302可具有1.1:1或更高的水平比上垂直的透镜元件间距比，该水平比上垂直的透镜元件间距比对呈“M”形的光分布的生成有贡献。在一个非限制示例中，约190μm乘160μm的水平比上垂直的间距比可导致呈“M”形的强度分布。
不管赋予发散光208的光分布的特定形状如何，提供该光分布形状和照明视场的透镜元件402的周期性布置还可导致干涉效应。不受理论束缚，将来自各个个体透镜元件402的相干光重新组合成发散光208可在光束内引入衍射图案斑点。如果存在的话，这些衍射图案斑点可促使照明光不完全地照亮对象104，从而潜在地导致图像传感器110处的图像捕捉误差以及生成该场景的深度信息的困难。
因此，各种方法可被用来降低这样的衍射伪像的强度。例如，在一些实施例中，发散光308的准直程度可被调整以抵消由光整形级302引入的衍射伪像。附加地或替代地，在一些实施例中，相干光306的准直程度可在该光进入光整形级302之前被调整。进而，相对于未经调整的相干光而言，在离开光整形级302的发散光308中可能存在相比较而言更低强度和/或数目的衍射伪像。
此外，在一些实施例中，光学组件120可包括前述衍射伪像削减级304以降低来自发散光308的一个或多个衍射伪像的强度。在一些实施例中，衍射伪像削减级304可被配置成通过漫射发散光308来移除或降低这样的伪像的强度。由此，衍射伪像削减级304可包括光漫射表面，该光漫射表面被适配成通过光散射来调整发散光308的准直程度。
散射发散光308可加扰由光整形级302内的透镜元件402的周期性布置所引入的衍射图案。不受理论束缚，由通过各个个体透镜元件402的镜面反射光线引入的Moiré图案可由衍射伪像削减级304衍射以生成围绕该镜面反射光束的光环。该光环可随后填充相邻透镜元件402处引入的较低强度(例如，衍射伪像)的区域。在该聚集中，这些补偿效果可使光分布平滑，从而降低系统内的衍射干涉的强度。
在一些实施例中，光漫射表面可展现出被精选成适当地散射发散光而不会将光分布改变成超过可接受的容忍度的表面粗糙度。在一个非限制示例中，光漫射表面可具有在100–200nm的范围内的表面粗糙度(RMS)。可以任何合适方式来形成这样的漫射表面。例如，在一些实施例中，漫射表面可使用电火花加工(EDM)来生成。
将领会到，可采用其他技术来减轻照明光310内的潜在衍射斑点。被定位成接收来自(例如，如图3和图5所示的)光整形级302的光的衍射伪像削减级304在概念上可表示后整形滤光器。附加地或替代地，一些实施例可采用预整形滤光器，该预整形滤光器被配置成在光进入光整形级302之前调整准直程度。例如，在一些实施例中，准直器可被定位在光源118与光整形级302之间的光路中。
如图3所示，衍射元件310接收来自衍射伪像削减级304的照明光312(或者当级304不存在时，直接从光整形级302接收发散光308)。衍射元件310被配置成将照明光312或发散光308转换成多个照度分布以生成多光分布照明光108。例如，参考图1，衍射元件310可生成多光分布照明光108以根据第一照度分布来照亮对象104A所在的第一区域(例如，集中位于多光分布照明光108的光轴上或其附近的远场区域)，并且可根据第二照度分布来照亮对象104b所在的第二区域(例如，位于外围的近场区域)。这可使得能够使用相机100关于对象104A和104B进行更准确的深度感测。
例如，图8示出根据一实施例的可被包括在光学组件120中的示例衍射元件310的截面图。如图8所示，衍射元件310包括具有相对的第一和第二表面804和806的矩形主体802。虽然在图8中单独示出了衍射元件310，但是衍射元件310可被耦合到(例如，接触、粘附到，等等)衍射伪像级304(当存在时)或者光整形级302。例如，关于图5，在一个实施例中，图8的衍射元件310的第一表面804可被耦合到衍射伪像削减级304的暴露的表面(例如，图5右侧的级304的表面)。替代地，衍射元件310可与衍射伪像级304和/或光整形级302间隔开。
如图8所示，照明光312在衍射元件310的第一表面804处被接收到。在图8的示例中，为了便于说明，照明光312包括单条光线814。如图8所示，光线814被转换为三个光线分量，即零分量808、负分量810以及正分量812。零分量808通常直接通过衍射元件310而不改变输入光线814的方向。负分量810由衍射元件310相对于输入光线814在负方向上(在图9中向上)被进一步重定向。正分量812由衍射元件310相对于输入光线814在正方向上(在图9中向下)被进一步重定向。
因此，衍射元件310从输入光线中创建多个输出光分量，并按散布图案重定向输出光分量。当光源的多条光线被纳入考虑时，多条光线被散布以形成总体光照度分布，其可包括叠加在彼此上的多个光照度分布。
例如，图9示意性地示出了根据一实施例的生成并散布多条输入光线以生成多光分布照明光的照明器102的示例。如图9所示，光源118可被配置成生成相干光306，其可被认为包括多条光线，其中一些被示出。光整形级302被配置成将相干光306整形并散布成发散光308(图3)，并且任选的衍射伪像削减级304被配置成削减来自发散光308的一个或多个衍射伪像的强度以生成照明光312。衍射元件310接收并将照明光312转换成多光分布照明光108。多光分布照明光108包括被散布成跨较宽的照明范围的多个分量的照明光312的光线。此外，由衍射元件310造成的散布图案可被定制以创建任何期望的照明效果，包括根据需要使衍射元件310能够生成多个分开的光照明图案或分布。这是通过衍射元件310被配置成将输出光线按预定图案聚集在成像环境的预定目标区域中来被执行的，每个预定图案和目标区域限定对应的光照度分布。
衍射元件310可通过使用光波干涉技术来执行多个同时的光照明图案或分布的这类生成。例如，在一实施例中，衍射元件310可以是包括在一实施例中的多个孔或开口的光栅。开口接收照明光312，并且充当通过的光波的点光源。通过开口的光波相互干涉，以创建限定总体输出光照明图案的干涉图案。在另一实施例中，衍射元件310的第一表面804和/或第二表面806可用一系列重复的表面特征进行图案化，每一个重复的表面特征各自为通过它们的光生成波阵面。表面特征可以像在光栅中一样接近开口，并且每个均可以在高度、宽度和/或形状上进行定制，以便各自生成具有预定相位的输出光波。在第二表面806处从衍射元件310辐射的输出光波彼此干涉以生成期望的输出光照度分布。
衍射元件310可由任何合适的透明材料制成，包括上述用于透镜元件402的材料(例如，光学级聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、光学级聚碳酸酯(PC)、其他聚合物、光学级玻璃等)或其他合适的材料。
衍射元件310的第一和第二表面804和/或806可以用任何期望的表面特征的重复图案进行图案化，该表面特征被用来生成和定制供光通过的期望的干涉图案，以便生成期望的输出光照度分布。例如，图10-13示出了根据各实施例的用于衍射元件310的表面特征的一些示例实施例。尽管图10-13的各示例示出了在衍射元件310的第二表面806(例如，在光输出侧)上形成的表面特征，但是在其他实施例中，表面特征可被形成在第一表面804上(例如，光输入侧)。
在第一示例中，根据一实施例，图10示出了在表面806上具有重复的棱镜图案1002的衍射元件310的截面图。具体而言，在图10的示例中，衍射元件310的第一表面804基本上是平坦的，并且第二表面806包括作为棱镜形表面特征(例如锯齿图案)的重复图案的重复的棱镜图案1002。为了说明的目的，在图10中指示了重复的棱镜图案1002的第一棱镜1004a。第一棱镜1004a具有直角三角形的截面形状(在一实施例中，棱镜形状在Y方向上是连续的，例如图示)。如图10所示，输出光的两个分量由通过第一棱镜1004a的输入光形成。具体而言，光线814被转换成零分量808和负分量810。零分量808通常直接通过衍射元件310而不改变输入光线814的方向。负分量810由衍射元件310相对于输入光线814在负方向上(在图10中向上)进一步被重定向。
第一棱镜1004a的大小和形状以及其他棱镜的重复棱镜图案1002可被定制以根据需要来引导光的零分量和负分量。例如，第一棱镜1004a(在Z方向上的)的高度和/或第一棱镜1004a(在X方向上的)的宽度可被增加或减小，以改变零分量和负分量808及810的相位和/或强度以及它们的方向。离开重复棱镜的光波相互干涉，以创建限定总体输出光照明图案的干涉图案。由于零分量和负分量是分开的，所以多个光照明图案可被形成(例如，对应于零分量的光的聚集的第一光照明图案，以及对应于负分量的光的聚集的第二光照明图案)。因此，通过图10的衍射元件310的照明光312(图9)可被转换成多个期望的输出光照度分布。
在接下来的示例中，根据一实施例，图11示出了在表面806上具有重复的角锥状棱镜图案1102的衍射元件310的截面图。具体而言，在图11的示例中，衍射元件310的第一表面804基本上是平坦的，并且第二表面806包括作为呈角锥形的表面特征(也被称为三角波图案)的重复图案的重复的角锥状棱镜图案1102。为了说明的目的，在图11中指示了重复的角锥状棱镜图案1102的第一角锥状棱镜1104a。第一角锥状棱镜1104a具有角锥形(或三角形)的截面形状。如图11所示，输出光的三个分量由通过第一角锥状棱镜1104a的输入光形成。具体而言，光线814被转换成零分量808、负分量810以及正分量812。零分量808通常直接通过衍射元件310而不改变输入光线814的方向。负分量810由衍射元件310相对于输入光线814在负方向上(在图11中向上)进一步被重定向。正分量812由衍射元件310相对于输入光线814在正方向上(在图11中向下)进一步被重定向。
第一角锥状棱镜1104a的大小和形状以及其他棱镜的重复的角锥状棱镜图案1102可被定制以根据需要来引导光的零分量、负分量和正分量。例如，第一角锥状棱镜1104a(在Z方向上的)的高度和/或第一角锥状棱镜1104a(在X方向上的)的宽度可被增加或减小，以改变零分量、负分量和/或正分量808、810及812的相位和/或强度以及它们的方向。离开重复棱镜的光波相互干涉，以创建限定总体输出光照明图案的干涉图案。由于零分量、负分量和正分量是分开的，所以多个光照明图案可被形成(例如，对应于零分量的光的聚集的第一光照明图案、对应于负分量的光的聚集的第二光照明图案，以及对应于正分量的光的聚集的第三光照明图案)。因此，通过图11的衍射元件310的照明光312(图9)可被转换成多个期望的输出光照度分布。
在接下来的示例中，根据一实施例，图12示出了在表面806上具有重复的阶梯形棱镜图案1202的衍射元件310的截面图。具体而言，在图12的示例中，衍射元件310的第一表面804基本上是平坦的，并且第二表面806包括作为阶梯形表面特征(其中每个阶梯形表面特征是一组向上发展梯极的矩形)的重复图案的重复的阶梯形棱镜图案1202。为了说明的目的，在图12中指示了重复的阶梯形棱镜图案1202的第一阶梯形棱镜1204a。第一阶梯形棱镜1204a具有阶梯的截面形状。如图12所示，输出光的两个分量由通过第一阶梯形棱镜1204a的输入光形成。具体而言，光线814被转换成零分量808和负分量810。零分量808通常直接通过衍射元件310而不改变输入光线814的方向。负分量810由衍射元件310相对于输入光线814在负方向上(在图12中向上)进一步被重定向。
第一阶梯形棱镜1204a的大小和形状以及其他棱镜的重复的阶梯形棱镜图案1202可被定制以根据需要来引导光的零分量和负分量。例如，第一阶梯形棱镜1204a(在Z方向上的)的每个梯极的高度和/或第一阶梯形棱镜1204a(在X方向上的)的每个梯级的宽度和/或第一阶梯形棱镜1204a中的梯级的数量可被增加或减小，以改变零分量和负分量808及810的相位和/或强度以及它们的方向。离开重复棱镜的光波相互干涉，以创建限定总体输出光照明图案的干涉图案。具体而言，每个阶梯形棱镜的每个梯级创建其自身的具有特定相位的光波，其干扰其他阶梯形棱镜的梯级的光波。由于零分量和负分量是分开的，所以多个光照明图案可被形成(例如，对应于零分量的光的聚集的第一光照明图案，以及对应于负分量的光的聚集的第二光照明图案)。因此，通过图12的衍射元件310的照明光312(图9)可被转换成多个期望的输出光照度分布。
在接下来的示例中，根据一实施例，图13示出了在表面806上具有重复的角锥状阶梯形棱镜图案1302的衍射元件310的截面图。具体而言，在图13的示例中，衍射元件310的第一表面804基本上是平坦的，并且第二表面806包括作为角锥状阶梯形表面特征(也被称为上升和下降阶梯波图案)的重复图案的重复的角锥状阶梯形棱镜图案1302。为了说明的目的，在图13中指示了重复的角锥状阶梯形棱镜图案1302的第一角锥状阶梯形棱镜1304a。第一角锥状阶梯棱镜1304a具有角锥状阶梯的截面形状。如图13所示，输出光的三个分量由通过第一角锥状阶梯棱镜1304a的输入光形成。具体而言，光线814被转换成零分量808、负分量810以及正分量812。零分量808通常直接通过衍射元件310而不改变输入光线814的方向。负分量810由衍射元件310相对于输入光线814在负方向上(在图13中向上)进一步被重定向。正分量812由衍射元件310相对于输入光线814在正方向上(在图13中向下)进一步被重定向。
第一角锥状阶梯棱镜1304a的大小和形状以及其他棱镜的重复的角锥状阶梯形棱镜图案1302可被定制以根据需要来引导光的零分量、负分量和正分量。例如，第一角锥状阶梯棱镜1304a(在Z方向上的)的高度、第一角锥状阶梯棱镜1304a(在X方向上的)的宽度和/或第一角锥状阶梯棱镜1304a中的梯级的数量可被增加或减小，以改变零分量、负分量和/或正分量808、810及812的相位和/或强度以及它们的方向。离开重复棱镜的光波相互干涉，以创建限定总体输出光照明图案的干涉图案。具体而言，每个角锥状阶梯形棱镜的每个梯级创建其自身的具有特定相位的光波，其干扰其他阶梯形棱镜的梯级的光波。由于零分量、负分量和正分量是分开的，所以多个光照明图案可被形成(例如，对应于零分量的光的聚集的第一光照明图案、对应于负分量的光的聚集的第二光照明图案，以及对应于正分量的光的聚集的第三光照明图案)。因此，通过图13的衍射元件310的照明光312(图9)可被转换成多个期望的输出光照度分布。
为了说明的目的，用于衍射元件310的图10-13中所示的表面特征的示例类型和形状被提供，然而在其他实施例中，表面特征的其他类型和形状可被使用，根据本文的示教，这对于各相关领域技术人员而言将是显而易见的。各实施例被引导至衍射元件310的任何配置，其允许多个泛光照明图案(光锥，每个具有特定的圆形或椭圆形分布)从照明光312的输入泛光照明图案中被生成。换句话说，衍射元件310被配置成将在照明光312中接收到的泛光照明图案分成对应于为衍射元件310配置的衍射级的多个泛光照明图案。在图10和图12中，衍射元件310配置有两个衍射级(光路)，并因此照明光312被分成以三个衍射级的角度为中心的两个泛光照明图案。在图8、图9、图11和图13中，衍射元件310配置有三个衍射级，并因此照明光312被分成以三个衍射级的经配置的角度为中心的三个泛光照明图案。在进一步的实施例中，衍射元件310可配置有附加的衍射级，以创建相比三个而言更大数量的泛光照明图案。
具体而言，衍射元件310的表面804和/或表面806被图案化，诸如上面关于图10-13所描述的或者以其他方式被配置成在照明光312上施加相位函数。相位函数在对应于多个衍射级的多条路径上从衍射元件310发送照明光312。这是由于表面804和/或表面806不是平坦的，而是被图案化的。由此，不同的光线在不同距离上通过衍射元件310，从而促使光线被赋予不同的相位。线性相位函数将线性相移赋予通过衍射元件310的光，其创建在衍射级的角度处的光的“倾斜”或重定向。离开衍射元件310的光线根据相位函数被组合。传入的中心照明图案的能量被散布在传出的多个照明图案上。相位函数促使离开衍射元件312的多光分布照明光108包括了在衍射级的多个期望的方向之间散布的光，从而创建多个泛光照明图案。
衍射级的角度可具有特定应用所需的任何合适的值。在一个示例实施例中，第一光照明图案(例如，零分量或“直通”泛光照明图案)可以沿着零度Z轴居中，第二光照明图案(例如，负分量)可以沿着在与Z轴成-15至-30度的范围内的角度居中，而第三光照明图案(例如，正分量)可以沿着在与Z轴成+15度至+30度的范围内的角度居中。在其他实施例中，其他角度可被使用。
因此，如上所述，各实施例使多个照度分布能够同时被投射到成像环境中以不同地照亮成像环境的不同区域。每个照明图案或分布可根据特定应用的需要而具有任何合适的配置。
例如，图14-16示出了根据各实施例的可使用单个衍射元件来被同时投射到照明环境中的第一—第三照明图案(例如，“泛光照明图案”)。
例如，图14示出了根据一示例实施例的被透射在照明环境的中央远场区域上的第一照明图案1402的图像1400。图像1400示出了第一照明图案1402的正视图(例如，指离图14的页面)。第一照明图案1402中的中央黑色矩形指示相对高强度的光。中央黑色矩形周围的矩形环相对较浅，并且指示中等强度的光。第一照明图案1402中的比中央矩形和相对较浅的矩形环更深的较大的矩形环指示低强度的光。图14中的第一照明图案1402的正视图大致对应于上文描述的图7中的光分布702的截面图(尽管第一照明图案1402在其中心具有较平坦的光分布—在图14中“M”形状的中心几乎没有下降)。第一照明图案1402可由输入光线的零分量(相对直地行进通过衍射元件310的光)形成，并因此具有与图7所示的光分布702类似的分布(尽管具有较小的强度)。
在一实施例中，第一照明图案1402可被生成并被投射在图1的图像环境106中，以照亮中央远场区域。例如，TOF相机100可位于房屋中的房间内，并且对象104A(第一人)可位于TOF相机100的中央光轴上或附近的房间的后部或附近。第一照明图案1402可被生成并被投射，从而以相对窄的角度范围(例如，50度宽)照亮中央轴附近的房间的后部。
图15示出了根据一示例实施例的被投射在照明环境的第一外围近场区域上的第二照明图案1502的图像1500。图像1500示出了第二照明图案1502的正视图(例如，指离图15的页面)。第二照明图案1502的中央光轴在图像1500的中心点处(指离图15的页面)，并因此位于图15中第二照明图案1502的右侧。第二照明图案1502中的中央细长垂直暗区指示相对高强度的光。环绕中央暗区的相对较浅的区域，在图15中向左散布，指示中等强度的光。第二照明图案1502中剩余的暗区指示相对低强度的光。当第二照明图案1502与第一照明图案1402被同时投射时，第二照明图案1502照亮图像环境的左侧。这是因为，在一实施例中，第二照明图案1502可由输入光线的负分量(通常由衍射元件310不同程度地向左弯曲的光)形成。
图16示出了根据一示例实施例的被投射在照明环境的第二外围近场区域上的第三照明图案1602的图像1600。图像1600示出了第三照明图案1602的正视图(例如，指离图16的页面)。第三照明图案1602的中央光轴在图像1600的中心点处(指离图16的页面)，并因此位于图16中第三照明图案1602的左侧。第三照明图案1602中的中央细长垂直暗区指示相对高强度的光。环绕中央暗区的相对较浅的区域，在图16中向右散布，指示中等强度的光。第三照明图案1602中剩余的暗区指示相对低强度的光。当第三照明图案1602与第一照明图案1402被同时投射时，第三照明图案1602照亮图像环境的右侧。这是因为，在一实施例中，第三照明图案1602可由输入光线的正分量(通常由衍射元件310不同程度地向右弯曲的光)形成。
在一实施例中，除了照亮中央远场区域的第一照明图案1402之外，第二照明图案1502可被生成并被投射在图1的图像环境106中，以照亮左侧外围近场区域，并且第三照明图案1602可被生成并被投射在图像环境106中，以照亮右侧外围近场区域。例如，继续上述示例，TOF相机100可位于房屋中房间内，并且对象104B(第二人)可被定位成相对靠近房间内的相机100，但是偏离至TOF相机100的中央光轴的左侧或右侧。第二和第三照明图案1502和1602可(与第一照明图案1402一起)被生成并被投射，从而以相对较宽的角度范围(例如，110度宽)照亮房间的近左侧和右侧。
以这种方式，第一照明图案1402用光覆盖房间的中央后部，并且第二和第三照明图案1502和1602用光覆盖更靠近相机的房间的外围部分，从而使得房间中各种深度处的对象的图像能够被捕获并被分析。
图17示出了根据本公开的一实施例的作为图14-16的三个照明图案的组合的照度分布1702的示例截面图的曲线图1700。如图17所示，中央照度分布1704对应于第一照明图案1402(图14)，左侧照度分布1706A对应于第二照明图案1502(图15)，而右侧照度分布1706B对应于第三照明图案1602(图16)。第一—第三照度分布1704、1706A及1706B组合以形成由第一—第三照度分布1704、1706A及1706B限定的总体照度分布1702，其中第一—第三照度分布1704、1706A及1706B在它们重叠的地方被相加(例如，第一和第二照度分布1704和1706A重叠并相加以形成分布部分1708A，并且第一和第三照度分布1704和1706B重叠并相加以形成分布部分1708B)。
因此，照度分布1702作为被同时生成的三个分开的照度分布1704、1706A及1706B的组合被形成。例如，照度分布1702可通过并入将光衍射成三个分量的衍射元件310来被生成，该三个分量对应于三个照度分布1704、1706A和1706B。照度分布1702相比图7所示的不包括衍射元件的照度分布702而言覆盖图像环境的更宽的区域。在其他实施例中，照度分布1702可取决于照度分布1704、1706A和1706B的经生成的形状和/或另外或更少数量的照度分布及它们的各自形状而具有其他形状。
因此，各实施例可以以各种方式操作以将照明光投射到图像环境中。例如，图18示出了根据示例一实施例的提供将照明光投射到图像环境中的处理的流程图1800。图1-6和图8-13的系统和装置可根据流程图1800进行操作。基于以下有关流程图1800的讨论，其他结构及操作的实施例对于相关领域的技术人员将是显而易见的。
流程图1800开始于步骤1802。在步骤1802，光被生成。例如，如图1和图3所示，光源118可生成相干光306。相干光306是具有任何合适波长的相干光，包括但不限于红外和可见光波长。
在步骤1804，照明光由被投射到图像环境中的经生成的光形成。例如，如图1和图3所示，光学组件120接收相干光306，并且生成被投射到图像环境106中的多光分布照明光108。多光分布照明光108照亮图像环境106中的对象(诸如对象104A和104B)，并且来自被照亮对象的反射光可被用来感测对象的深度，并且被用来确定对象的其他特征(例如，形状、大小等)。光学组件120对相干光306进行处理以生成包括多个照度分布的多光分布照明光108。多个照度分布使得图像环境106的多个区域和/或深度同时接收泛光照明，以至少被用于深度感测等。
在各实施例中，步骤1804可以以各种方式被执行。例如，图19示出了根据一示例实施例的提供形成包括来自发散光的多个照明光图案的照明光的处理的流程图1900。在一实施例中，流程图1900可由图1和图3的光学组件120来执行。基于以下有关流程图1900的讨论，其他结构及操作上的实施例对于相关领域的技术人员而言将是显而易见的。
流程图1900开始于步骤1902。在步骤1802，经生成的光的至少一部分被发散以形成发散光，该发散光可由在较远离该发散光的光轴的第一区域中比在以该光轴为中心的第二区域中更强的光分布来表征。例如，如图3所示，光整形级302接收相干光306。如上所述，光整形级302被配置成将相干光306整形并散布成发散光308。例如，光整形级302可包括周期性微透镜阵列，该周期性微透镜阵列包括被用来形成照明光分布的非方形微透镜/单元。可被包括在光整形级302中以将光整形并散布的结构的其他示例包括经粗糙化的表面、全息漫射器或其他光整形器和散布器。在一些实施例中，光整形级302可被用来创建呈“M”形的照明光分布。例如，在一实施例中，发散光308可被形成以具有在较远离光轴处比在较接近于发散光的光轴处更强的截面光分布。在其他实施例中，光整形级302可被配置成将相干光306整形并散布成其他配置以形成发散光308。
注意到，衍射伪像削减级304任选地存在，并且被配置成削减来自发散光308的一个或多个衍射伪像的强度以生成照明光312。
在步骤1904，发散光的至少一部分被转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案，多个照明光图案中的每一个被投射到照明环境的对应区域。例如，如上所述，衍射元件310可被配置成将照明光312或发散光308转换成多个照度分布作为多光分布照明光108。例如，图17示出作为可由衍射元件310生成的多光分布照明光108的示例的照度分布1702。如图17的示例所示，多光分布照明光108是三个照度分布1704、1706A和1706B的组合。在其他实施例中，衍射元件310可被配置成将照明光312或发散光308转换成多光分布照明光108中的多个照度分布的其他配置。如图1所示，多光分布照明光108被投射到图像环境106中以照亮对象。
在一些实施例中，上文所描述的方法和过程可以与一个或多个计算设备的计算系统关联。具体而言，这样的方法和过程可被实现为计算机应用程序或服务、应用编程接口(API)、库和/或其他计算机程序产品。
例如，图1中示出的TOF深度相机100的实施例描绘了可执行以上描述的方法和过程中的一个或多个的计算系统的非限制实施例的示例。例如，在图1所示的实施例中，光生成模块150可包括用于操作照明器102的合适代码或指令，且深度信息模块152可包括用于操作图像传感器110并解释检测器114所检测到的图像信息的合适代码或指令。尽管图1所示的各模块结构被例示成TOF深度相机100内的不同的、独立的实体，但将领会，由这样的模块结构执行的功能可被集成和/或分布在整个TOF深度相机100和/或与TOF深度相机100连接的计算设备上，而不背离本公开的范围。
以简化形式示出了计算系统。应该理解，可以使用实际上任何计算机架构，而不偏离本发明的范围。在不同的实施例中，计算系统可以采取大型计算机、服务器计算机、台式机、膝上型计算机、平板计算机、可穿戴计算设备、家庭娱乐计算机、网络计算设备、游戏设备、移动计算设备、移动通信设备(例如，智能电话)、移动车辆(例如，汽车、摩托车、船等)等的形式。
TOF深度相机100包括逻辑子系统160和存储子系统162。TOF深度相机100可以任选地包括显示子系统164、输入/输出设备子系统166和/或图1中未示出的其他组件。
逻辑子系统160包括被配置成执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑子系统160可被配置成执行作为一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其他逻辑构造的一部分的指令。可以实现这样的指令为执行任务、实现数据类型、变换一个或多个组件的状态或以其他方式达到期望的结果。
逻辑子系统160可包括被配置成执行软件指令的一个或多个处理器。附加地或可替代地，逻辑子系统160可以包括被配置为执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机器。逻辑子系统160的处理器可以是单核或多核的，而其上执行的程序可以被配置为进行串行、并行或分布式处理。逻辑子系统160可以任选地包括分布在两个或更多设备之间的独立组件，这些独立组件可以位于远程和/或被配置用于进行协调处理。逻辑子系统的各方面可以由云计算配置中配置的可远程访问的联网计算设备来虚拟化和执行。
存储子系统162包括一个或多个物理、非瞬时设备，该一个或多个物理、非瞬时设备被配置为保持逻辑子系统160可执行来实现本文中描述的方法和过程的数据和/或指令。在实现此类方法和过程时，存储子系统162的状态可以被变换——例如，以保持不同的数据。
存储子系统162可包括可移动介质和/或内置设备。存储子系统162可包括光学存储设备(例如，CD、DVD、HD－DVD、蓝光盘等)、半导体存储器设备(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)和/或磁性存储设备(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等)等其他物理硬件存储设备。存储子系统162可包括易失性、非易失性、动态、静态、读/写、只读、随机存取、顺序存取、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址物理硬件设备。在某些实施例中，可将逻辑子系统160和存储子系统162集成到一个或多个单一物理设备中，诸如应用程序专用的集成电路(ASIC)或片上系统。
术语“模块”或“程序”可用于描述被实现为执行特定功能的计算系统的一方面。在某些情况下，可以通过执行由存储子系统162所保持的指令的逻辑子系统160来实例化模块或程序。将领会，可以从同一应用、服务、代码块、对象、库、例程、API、函数等实例化不同的模块和/或程序。同样，可以由不同的应用程序、服务、代码块、对象、例程、API、函数等实例化同一模块和/或程序。术语“模块”和“程序”可涵盖单个或成组的可执行文件、数据文件、库、驱动程序、脚本、数据库记录等。
当被包括时，显示子系统164可被用来呈现由存储子系统162保持的数据的视觉表示。此视觉表示可采取图形用户界面(GUI)的形式。由于本文所描述的方法和过程改变了由存储子系统保持的数据，并由此变换了存储子系统的状态，因此同样可以转变显示子系统164的状态以视觉地表示底层数据的改变。显示子系统164可包括使用实质上任何类型的技术的一个或多个显示设备。可以将此类显示设备与逻辑子系统160和/或存储子系统162一起组合在共享封装中，或者此类显示设备可以是外围显示设备。
当被包括在内时，输出/输出设备子系统166可被配置成将计算系统与一个或多个其他计算设备可通信地耦合。输入/输出设备子系统166可包括与一个或多个不同的通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，输入/输出设备子系统166可被配置成用于经由无线电话网络或者有线或无线局域网或广域网来进行通信。在一些实施例中，输入/输出设备子系统166可允许计算系统经由网络(比如互联网)向其他设备发送消息和/或从其他设备接收消息。输入/输出设备子系统166还可以任选地包括一个或多个用户输入设备(诸如举例来说键盘、鼠标、游戏控制器、相机、话筒和/或触摸屏)或与其对接。
将会理解，本文描述的配置和/或方式本质是示例性的，这些具体实施例或本文示例不应被视为限制性的，因为许多变体是可能的。本文描述的具体例程或方法可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个。如此，所示和/或所述的各种动作可以以所示和/或所述顺序、以其他顺序、并行地执行，或者被省略。同样，上述过程的次序可以改变。
本公开的主题包括本文公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、动作和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及其任何和所有等同物。
IV.示例实施例
在一个实施例中，飞行时间深度相机包括：被配置成生成相干光的光源；被定位成接收所述相干光的至少一部分的第一光学级，所述第一光学级被配置成将所述相干光的至少一部分发散以形成发散光，所述发散光通过在以所述发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕所述第一区域的第二区域中强度更小的光分布来表征；被定位成接收所述发散光的至少一部分的衍射元件，所述衍射元件被配置成将所述发散光的至少一部分转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案，所述多个照明光图案中的每一个被投射到所述照明环境的对应区域；以及图像传感器，所述图像传感器被配置成检测从所述照明环境反射的返回照明光的至少一部分。
在一实施例中，所述第一光学级包括微透镜阵列(MLA)，所述微透镜阵列包括相对的第一和第二表面，所述第一表面包括非球面透镜阵列。
在一实施例中，所述多个照明图案包括待投射到所述照明环境的中央远场区域的第一照明图案、待投射到所述照明环境的第一外围近场区域的第二照明图案，以及待投射到所述照明环境的第二外围近场区域的第三照明图案。
在一实施例中，所述衍射元件包括：具有相对的第一和第二表面的主体；以及在主体的第一表面处的重复的棱镜图案。
在一实施例中，所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均具有角锥状截面形状。
在一实施例中，所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为阶梯图案。
在一实施例中，所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为角锥状阶梯图案。
在另一实施例中，一种光学组件包括：被定位成接收来自光源的相干光的第一光学级，所述第一光学级被配置成将所述相干光发散以形成发散光，所述发散光通过在以所述发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕所述第一区域的第二区域中强度更小的光分布来表征；被定位成接收所述发散光的至少一部分的衍射元件，所述衍射元件被配置成将所述发散光的至少一部分转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案，所述多个照明光图案中的每一个被投射到所述照明环境的对应区域。
在一实施例中，所述第一光学级包括微透镜阵列(MLA)，所述微透镜阵列包括相对的第一和第二表面，所述第一表面包括非球面透镜阵列。
在一实施例中，所述多个照明图案包括待投射到所述照明环境的中央远场区域的第一照明图案、待投射到所述照明环境的第一外围近场区域的第二照明图案，以及待投射到所述照明环境的第二外围近场区域的第三照明图案。
在一实施例中，所述衍射元件包括：具有相对的第一和第二表面的主体；以及在主体的第一表面处的重复的棱镜图案。
在一实施例中，所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均具有角锥状截面形状。
在一实施例中，所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为阶梯图案。
在一实施例中，所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为角锥状阶梯图案。
在另一实施例中，提供了一种将照明光投射到图像环境中的方法。所述方法包括：生成光；以及从所述经生成的光中形成待投射到图像环境中的照明光，所述照明光通过以下步骤形成：将所述经生成的光的至少一部分发散以形成发散光，所述发散光的特征在于在以所述发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕所述第一区域的第二区域中的强度更小的光分布，以及将所述发散光的至少一部分转换成待投射到所述照明环境中的多个照明光图案，所述多个照明光图案中的每一个被投射到所述照明环境的对应区域。
在一实施例中，所述多个照明图案包括待投射到所述照明环境的中央远场区域的第一照明图案、待投射到所述照明环境的第一外围近场区域的第二照明图案，以及待投射到所述照明环境的第二外围近场区域的第三照明图案。
在一实施例中，所述转换包括：将所述发散光的至少一部分引导通过主体，所述主体具有在所述主体的表面处的重复的棱镜图案。
在一实施例中，所述引导包括：将所述发散光的至少一部分引导通过所述主体，所述主体具有多个重复的角锥状截面形状作为所述主体表面处的重复的棱镜图案。
在一实施例中，所述引导包括：将所述发散光的至少一部分引导通过所述主体，所述主体具有多个重复的阶梯形状作为所述主体表面处的重复的棱镜图案。
在一实施例中，所述引导包括：将所述发散光的至少一部分引导通过所述主体，所述主体具有多个重复的角锥状阶梯形状作为所述主体表面处的重复的棱镜图案。
V.结语
尽管上文描述了本公开的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。那些精通有关技术的人员将理解，在不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，本发明的范围不应该受到上述示例性实施例的任一个的限制，而只应根据下面的权利要求和它们的等效内容进行定义。

Claims (15)

1.一种飞行时间深度相机，包括：
被配置成生成相干光的光源；
被定位成接收所述相干光的至少一部分的第一光学级，所述第一光学级被配置成将所述相干光的至少一部分发散以形成发散光，所述发散光的通过在以所述发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕所述第一区域的第二区域中强度更小的光分布来表征；
被定位成接收所述发散光的至少一部分的衍射元件，所述衍射元件被配置成将所述发散光的至少一部分转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案，所述多个照明光图案中的每一个被投射到所述照明环境的对应区域；以及
图像传感器，所述图像传感器被配置成检测从所述照明环境反射的返回照明光的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的飞行时间深度相机，其特征在于，其中所述第一光学级包括微透镜阵列(MLA)，所述微透镜阵列包括相对的第一和第二表面，所述第一表面包括非球面透镜阵列。
3.根据权利要求1所述的飞行时间深度相机，其特征在于，其中所述多个照明图案包括待投射到所述照明环境的中央远场区域的第一照明图案、待投射到所述照明环境的第一外围近场区域的第二照明图案、以及待投射到所述照明环境的第二外围近场区域的第三照明图案。
4.根据权利要求1所述的飞行时间深度相机，其特征在于，其中所述衍射元件包括：
具有相对的第一和第二表面的主体；以及
在所述主体的第一表面处的重复的棱镜图案。
5.根据权利要求4所述的飞行时间深度相机，其特征在于，其中所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均具有角锥状截面形状。
6.根据权利要求4所述的飞行时间深度相机，其特征在于，其中所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为阶梯图案。
7.根据权利要求4所述的飞行时间深度相机，其特征在于，其中所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为角锥状阶梯图案。
8.如权利要求1所述的飞行时间深度相机，其特征在于，还包括：
被定位在所述第一光学级与所述衍射元件之间以接收所述发散光的至少一部分的第二光学级，所述第二光学级被适配成削减所述发散光中的一个或多个衍射伪像的强度。
9.一种光学组件，包括：
被定位成接收来自光源的相干光的第一光学级，所述第一光学级被配置成将所述相干光发散以形成发散光，所述发散光通过在以所述发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕所述第一区域的第二区域中强度更小的光分布来表征；
被定位成接收所述发散光的至少一部分的衍射元件，所述衍射元件被配置成将所述发散光的至少一部分转换成待投射到照明环境中的多个照明光图案，所述多个照明光图案中的每一个被投射到所述照明环境的对应区域。
10.根据权利要求9所述的光学组件，其特征在于，其中所述第一光学级包括微透镜阵列(MLA)，所述微透镜阵列包括相对的第一和第二表面，所述第一表面包括非球面透镜阵列。
11.根据权利要求9所述的光学组件，其特征在于，其中所述多个照明图案包括待投射到所述照明环境的中央远场区域的第一照明图案、待投射到所述照明环境的第一外围近场区域的第二照明图案、以及待投射到所述照明环境的第二外围近场区域的第三照明图案。
12.根据权利要求9所述的光学组件，其特征在于，其中所述衍射元件包括：
具有相对的第一和第二表面的主体；以及
在所述主体的第一表面处的重复的棱镜图案。
13.根据权利要求12所述的光学组件，其特征在于，其中所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均具有角锥状截面形状。
14.根据权利要求12所述的光学组件，其特征在于，其中所述重复的棱镜图案中的每个棱镜图案均为角锥状阶梯图案。
15.一种将照明光投射到图像环境中的方法，所述方法包括：
生成光；以及
从所述经生成的光中形成待投射到图像环境中的照明光，所述照明光通过以下步骤形成：
将所述经生成的光的至少一部分发散以形成发散光，所述发散光的特征在于在以所述发散光的光轴为中心的第一区域中比在至少部分地环绕所述第一区域的第二区域中的强度更小的光分布，以及
将所述发散光的至少一部分转换成待投射到所述照明环境中的多个照明光图案，所述多个照明光图案中的每一个被投射到所述照明环境的对应区域。
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