CN107490869B - 空间结构光发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间结构光发射装置，将扩展光源与衍射光学元件结合在一起，对衍射光学元件结构参数进行了优化设计，形成了一种基于宽角度入射光的空间结构光发射装置，其中，扩展光源发出宽角度入射光，衍射光学元件在传统衍射光学元件设计的基础上，加入了针对入射角变换的设计约束，使得衍射光学元件适用宽角度入射光也能够达到所需结构光的效果需求。相比传统单点光源，本发明扩展光源的发光面积比单点光源的发光面积大得多，结构更加紧凑，大大减小了器件尺寸。相比阵列光源，扩展光源在与衍射光学元件平行的平面没有方向性，能够降低生产的要求，增大容差，且成本更低。

Description

空间结构光发射装置
技术领域
本发明涉及一种结构光投影技术领域，具体是涉及一种新型的空间结构光发射装置。
背景技术
利用衍射光学元件(DOE)进行光束整形，可以高效地产生均匀光或结构光场。在照明或三维重建领域具有重要应用。比如，参见专利文献CN205002744U，衍射光学元件(达曼光栅或类似元件)可作为分束器，用于光学投影仪，其产生并投影基线图案的多个复本到物体或景物上。多个复本相对于彼此有角度地偏移并且彼此重叠。作为结果的光点图案，其包括基线图案的多个复本的叠加，在这里称作合成图案。多个复本之间的重叠，合成图案的间距或密度比基线图案的高。而且，合成图案的间距或密度不再受VCSEL之间的物理距离以及受投影透镜的焦距所限制。再比如，在消费电子产品中，利用衍射光学元件产生结构光的方案还可以大大减小模组尺寸。
目前，利用衍射光学元件产生空间结构光的光电器件，通常包括光源和衍射光学元件，根据光源类型的不同，目前光电器件有如下两类：
1)基于单点光源的光电器件，其中光源为单点光源，设计时要求衍射光学元件(DOE，比如达曼光栅)与单点光源的距离要足够远，以保证单点光源在DOE上的照射面积足够大(因为实际应用中这个照射面积是有一定大小要求的，大约几毫米)，这就导致了整体光电器件比较长。
2)基于阵列光源的光电器件，其中光源为点光源组成的阵列，阵列光源到DOE的距离可以很近，一定程度上减小了光电器件尺寸，这是因为，虽然组成陈列的每一个点光源在DOE上的照射面积很小，但是很多点光源的照射面积拼接起来，能够满足照射面积的使用要求。但是，阵列光源中各光源具有一定的排布方向，而DOE比如达曼光栅是一种二维结构，也是有方向性的，因此，这种技术方案中阵列光源与达曼光栅要满足一定的方位角的排布要求，这就增加了生产的难度，加工精度也会降低产品的性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种结构紧凑、成本低廉、安装简单的空间结构光发射装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种空间结构光发射装置，包括扩展光源和衍射光学元件，所述扩展光源发出宽角度入射光，所述衍射光学元件对所述扩展光源发出的宽角度入射光进行变换整形成需要的空间结构光。
进一步的，还包括投影镜头，所述投影镜头设置在所述衍射光学元件与所述扩展光源之间，或所述投影镜头设置在所述衍射光学元件背向所述扩展光源的一侧，或所述投影镜头与所述衍射光学元件结合为一整体结构。
进一步的，所述扩展光源贴装到一基底上，所述基底与所述衍射光学元件之间，所述衍射光学元件与所述投影镜头之间均通过间隔层相连，胶合在一起，所述扩展光源、所述衍射光学元件、所述投影镜头与所述间隔层包围的空间内为真空。
进一步的，所述衍射光学元件为达曼光栅，所述扩展光源为LED面光源或OLED面光源，或主要由点光源与光均匀板构成的组合面光源，或主要由点光源阵列与光均匀板构成的组合面光源，所述光均匀板一面内侧为入射面全反射区，该面外侧具有入射面扩束区，相对的另一面内侧为出射面部分出射区，点光源或点光源阵列的出射光经所述入射面扩束区、所述入射面全反射区及所述出射面部分出射区后射出。
进一步的，所述组合面光源主要由单个VCSEL或单个LED点光源与所述光均匀板构成。
进一步的，所述扩展光源为圆形扩展光源。
本发明的有益效果是：将扩展光源与衍射光学元件结合在一起，对衍射光学元件结构参数进行了优化设计，形成了一种基于宽角度入射光的空间结构光发射装置，其中，扩展光源发出宽角度入射光(真实光源光场)，衍射光学元件对扩展光源发出的宽角度入射光进行变换整形成需要的空间结构光，即衍射光学元件在传统衍射光学元件设计的基础上，加入了针对入射角变换的设计约束，使得衍射光学元件适用宽角度入射光也能够达到所需结构光的效果需求。
相比传统单点光源，本发明扩展光源(也称为面光源)的发光面积比单点光源的发光面积大得多，根据光学经验可知扩展光源的发光角度比点光源大得多，所以，照射同样大小的衍射光学元件时，扩展光源与衍射光学元件之间的间距比单点光源时要小很多，因此，结构更加紧凑，大大减小了器件尺寸。
相比阵列光源，扩展光源在与衍射光学元件平行的平面没有方向性，因此，能够降低生产的要求，增大容差。且与阵列光源相比，扩展光源的成本更低，因为阵列光源的面积比面光源大，成本相对也就高。
附图说明
图1为本发明空间结构光发射装置结构示意图；
图2为本发明中组合面光源结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。
如图1所示，一种空间结构光发射装置，包括扩展光源1和衍射光学元件2，所述扩展光源发出宽角度入射光，所述衍射光学元件对所述扩展光源发出的宽角度入射光进行变换整形成需要的空间结构光。还包括投影镜头3，所述投影镜头设置在所述衍射光学元件与所述扩展光源之间，或所述投影镜头设置所述衍射光学元件背向所述扩展光源的一侧，或所述投影镜头与所述衍射光学元件结合为一整体结构。优选的，所述扩展光源贴装到一基底4上，比如扩展光源采用LED面光源，参见图1，发光面积约为1mmX1mm，通过Fanout技术，封装在Si基底上，所述基底与所述衍射光学元件之间，所述衍射光学元件与所述投影镜头之间均通过间隔层5相连，胶合在一起，优选的，间隔层采用导热性能差的材料。所述扩展光源、所述衍射光学元件、所述投影镜头与所述间隔层包围的空间内为真空。这样，扩展光源发出的宽角度入射光，照射到DOE上，由于DOE不同位置处的光程不同，从不同位置透过DOE的光产生不同的光学延迟，该光学延迟的效果使得当透过DOE的光在无穷远处的光场分布具有一定的空间结构，而投影镜头的作用是使原本在无穷远处的空间结构光成像于有限远的工作区。
优选的，所述衍射光学元件为达曼光栅，所述扩展光源为LED面光源(参见图1，发光面积较大，典型值可采用1mmX1mm)或OLED面光源，或主要由点光源11与光均匀板12构成的组合面光源，或主要由点光源阵列与光均匀板构成的组合面光源，所述光均匀板一面内侧为入射面全反射区121，该面外侧具有入射面扩束区122，相对的另一面内侧为出射面部分出射区123，点光源或点光源阵列的出射光经所述入射面扩束区、所述入射面全反射区及出射面部分出射区后射出，参见图2。即点光源的出射光在光均匀板的入射面扩束区(比如一种光栅结构)被扩散成不同方向的光，该光在入射面全反射区全反射，在出射面部分出射区部分反射，部分出射，从而形成一种面光源。
优选的，所述组合面光源主要由单个VCSEL或单个LED点光源与所述光均匀板构成。单vcsel+光均匀板，点光源阵列+光均匀板
优选的，所述扩展光源为圆形扩展光源。
优选的，所述扩展光源与所述衍射光学元件之间设有准直透镜。准直透镜的作用是，进一步减小光源的入射角，从而降低DOE对入射角变换的设计约束的要求。
本发明将扩展光源与衍射光学元件结合在一起，对衍射光学元件结构参数进行优化设计，形成了一种基于宽角度入射光的空间结构光发射装置，其中，扩展光源发出宽角度入射光(真实光源光场)，衍射光学元件对扩展光源发出的宽角度入射光进行变换整形成需要的空间结构光，即衍射光学元件在传统衍射光学元件设计的基础上，加入针对入射角变换的设计约束，使得本发明衍射光学元件能够对宽角度入射光可用达到所需结构光的效果需求。这与传统结构光投影中对DOE的设计不同，传统DOE默认对同一个入射角设计，如果入射角变换过大，就无法达到设计效果。本发明改变传统设计方法，采用了入射角变换较大(宽角度入射角)的扩展光源，以增大单点的照射面积，为了避免入射角较大对DOE产生结构光的影响，加入了入射角变换的设计约束，形成一种适用于宽角度入射角的新型DOE。
以达曼光栅为例，已有的达曼光栅设计方法是在平面波入射的前提下，对结构光分布场做反傅里叶变化得到DOE结构参数。而本发明宽角度入射角的新型DOE，是模拟实际光源光场，先分布随机设置达曼光栅参数，模拟在当前条件下的结构光分布，然后，计算模拟光场与目标光场的误差评价函数；接着利用竞争算法、神经算法等人工智能算法，利用误差评价结果与当前达曼光栅结构参数，优化出新的DOE(达曼光栅)结构。并不断循环上述工程，直到误差评价结构满足预算条件，确定该达曼光栅结构为最终结果。即达曼光栅结构已经加入了入射角变换的设计约束，形成了一种适用于宽角度入射角的新型DOE。
本发明提出了一种结构紧凑、成本低廉、安装简单的空间结构光发射装置，相比传统单点光源比，本发明扩展光源(也称为单面光源)的发光面积比单点光源的发光面积大得多，根据光学经验可知扩展光源的发光角度比点光源大得多，所以，照射同样大小的衍射光学元件时，扩展光源与衍射光学元件之间的间距比单点光源时要小很多，因此，结构更加紧凑，大大减小了器件尺寸。相比阵列光源，扩展光源在与衍射光学元件平行的平面没有方向性，因此，能够降低生产的要求，增大容差。且与阵列光源相比，扩展光源的成本更低，因为阵列光源的面积比面光源大，成本相对也就高。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间结构光发射装置，其特征在于，包括发出宽角度入射光的扩展光源和对所述扩展光源发出的宽角度入射光进行变换整形成需要的空间结构光的衍射光学元件，所述扩展光源为LED面光源或OLED面光源，或主要由点光源与光均匀板构成的组合面光源，或主要由点光源阵列与光均匀板构成的组合面光源，所述光均匀板一面内侧为入射面全反射区，该面外侧具有入射面扩束区，相对的另一面内侧为出射面部分出射区，点光源或点光源阵列的出射光经所述入射面扩束区、所述入射面全反射区及所述出射面部分出射区后射出；
所述衍射光学元件为达曼光栅，所述衍射光学元件具有对入射角变换的设计约束，具体为：模拟实际光源光场，先分布随机设置达曼光栅参数，模拟在当前条件下的结构光分布，然后，计算模拟光场与目标光场的误差评价函数；接着利用人工智能算法中的竞争算法和神经算法，利用误差评价结果与当前达曼光栅结构参数，优化出新的达曼光栅结构；并不断循环上述工程，直到误差评价结构满足预算条件，确定该达曼光栅结构为最终结果。
2.根据权利要求1所述的空间结构光发射装置，其特征在于，还包括投影镜头，所述投影镜头设置在所述衍射光学元件与所述扩展光源之间，或所述投影镜头设置在所述衍射光学元件背向所述扩展光源的一侧，或所述投影镜头与所述衍射光学元件结合为一整体结构。
3.根据权利要求2所述的空间结构光发射装置，其特征在于，所述扩展光源贴装到一基底上，所述基底与所述衍射光学元件之间，所述衍射光学元件与所述投影镜头之间均通过间隔层相连，胶合在一起，所述扩展光源、所述衍射光学元件、所述投影镜头与所述间隔层包围的空间内为真空。
4.根据权利要求1-3任一项所述的空间结构光发射装置，其特征在于，所述组合面光源主要由单个VCSEL或单个LED点光源与所述光均匀板构成。
5.根据权利要求1所述的空间结构光发射装置，其特征在于，所述扩展光源为圆形扩展光源。
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