CN110045507A - 一种直下式光学投射系统及光学投射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直下式光学投射系统，其包括：光源模组，其被设置为发射准直光束；复眼透镜，其被设置为：准直光束从复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光；远心投射镜组，从复眼透镜射出的光线射入并穿过远心投射镜组，从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。此外，本发明还公开了一种光学投射方法，其包括步骤：发射准直光束；使准直光束自复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光；使从复眼透镜射出的光线射入并穿过远心投射镜组，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。

Description

一种直下式光学投射系统及光学投射方法

技术领域

本发明涉及一种光学设备及使用方法，尤其涉及一种光学投射系统及光学投射方法。

背景技术

3D深度视觉作为一个崭新的技术，已经出现在手机、体感游戏、支付等消费级产品中，并且逐步渗透到安防、自动驾驶等新的领域。随着硬件端技术的不断进步，算法与软件层面的不断优化，3D深度视觉的精度和实用性得到大幅提升。

在现有技术中，3D深度视觉主要使用的方案有双目立体视觉、3D结构光和TOF方案。其中，双目立体视觉一般采用双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。3D结构光的原理是发射衍射光斑到物体上，传感器接收发生形变的光斑，从而根据光斑形变的量来判断深度信息。3D结构光具有较高的精度，适用于近距离的信息采集，如人脸识别、人脸支付等功能。TOF方案则是通过向被测目标连续发送光信号，然后传感器接收返回的光信号，再通过计算一系列光信号的飞行时间来得到被测目标的距离。

在上述3D深度视觉采用的方案中，双目立体视觉虽然不需要发射端，但其存在不适用于暗环境的缺点。而3D结构光与TOF方案则都需要发射端来向被测物体上投射光线。

现有技术中的投射装置多采用基于垂直腔半导体激光器(以下简称VCSEL)提供准直光源，然后通过衍射光学元件(以下简称DOE)来实现光斑投射。然而，这种投射装置存在以下缺点：

(1)VCSEL+DOE的投射系统投射的光斑不稳定。VCSEL热阻较大，在高功率驱动时，主波长随温度变化漂移幅度较大，同时DOE的光学设计又与波长紧密相关，因此波长的大幅度漂移，容易导致匹配问题影响投射光斑的稳定性。

(2)VCSEL+DOE的投射系统无法满足更高探测精度对点阵数量的需求。由于VCSEL的准直度以及DOE的元件工艺精度限制，目前只能实现数万个点的投射，这就无法适应对更高的探测精度对点阵数量的需求。

(3)VCSEL+DOE的投射系统容易发生光生物安全问题。VCSEL+DOE投射系统采用直下式光路，依靠DOE器件表面的纹理直接形成散斑。而在实际应用中，DOE表面受潮时，纹理可能被水汽填平失效，导致激光直射逸出，从而会灼伤人眼。

基于此，期望获得一种新的光学投射系统，其可以作为3D深度视觉的发射端，采用该光学投射系统时，探测精度高，稳定性佳，可以很好地克服现有技术所存在的不足。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种直下式光学投射系统，该直下式光学投射系统可以稳定地将光斑或面阵投射到物体上，从而可以更精确、稳定地反映出物体表面的三维轮廓，并且这种直下式光学投射系统具有更好的使用安全性。该直下式光学投射系统配合光学采样仪器(例如摄像头)或TOF芯片进行处理后，可以利用算法精确计算出物体的表面形状，因此具有极好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提出了一种直下式光学投射系统，其包括：

光源模组，用于发射准直光束；

复眼透镜，包括第一表面和第二表面，其被设置为：能够使得所述准直光束能够从所述第一表面射入，从所述第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在所述焦平面上形成点阵光；

远心投射镜组，设置为使得所述点阵光射入并穿过远心投射镜组，以使从所述远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。

需要说明的是，虽然本发明所述的直下式光学投射系统采用的是直下式光路，但与VCSEL+DOE的投射系统不同的是，DOE器件通过表面纹理的衍射直接形成散斑，DOE表面受潮时，可能会发生因其表面纹理被水汽填平失效，从而导致激光直射逸出，灼伤人眼的危险，而本案中的复眼透镜的光学曲面在受到水汽影响而失效时，其投射出来的光斑为一个照度均匀的光斑，强度低于正常工作时的点阵，因而不会灼伤人眼，从而克服了现有技术中的安全缺陷问题。

此外，本发明所述的直下式光学投射系统采用结构灵活，组合多样，可以根据各实施方式的具体情况进行调整设置。例如可以设置不同功率的光源模组来实现不同功率的准直光束的输出，或是根据需要设置不同的复眼透镜从而投射出不同的光斑，也可以通过设置和调节远心投射镜组的视场角(FOV)来调节投射的散斑的角度分布。

在某些实施方式中，光源模组、复眼透镜、远心投射镜组可以被设置在一个模块中，从而便于将该直下式光学投射系统整体安装在需要的装置内。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，光源模组包括：

光源，用于发射出光束；

凹透镜组，其设于所述光束的传播路径上，所述凹透镜组被设置为：使得射入凹透镜组的光束在穿过凹透镜组后，所述光束的光线角度被扩展；

准直镜组，其位于凹透镜组的输出侧，所述准直镜组的焦点与凹透镜组的虚焦点重合，所述准直镜组被设置为：能够使得光线角度被扩展的光束射入准直镜组后射出所述准直光束。

在该优选的方案中，凹透镜组设于光束的传播路径上，其可以将光源发出的光线角度扩展，使光线均匀地填充满准直镜组。而准直镜组位于凹透镜组的输出侧，并与凹透镜组和光源同轴设置，准直镜组可以被设计为：使得进入准直镜组的光线平行于光轴而输出。

需要说明的是，本发明所述的光学投射系统的凹透镜组以及准直镜组可以通过采用单片透镜而实现，也可以采用多片透镜组合而实现。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，所述光源包括EEL激光器或LED光源。

在本发明所述的技术方案中，优选地可以采用EEL激光器或LED作为光源。这是因为采用EEL激光器或LED作为光源器件比采用VCSEL更为成熟稳定，而且还可以克服现有技术的不足，尤其是现有技术中采用VCSEL时，由于VCSEL激光器的波长热温漂效应，导致系统在大功率驱动下不稳定的问题。基于此，本案的技术方案还可以实现更大的输出功率，有利于实现更远的投射距离。

如上文所述的，在某些实施方式下，在本发明所述的直下式光学投射系统中，所述凹透镜组可以至少包括一凹透镜，所述凹透镜靠近光源一侧的入射面为凹曲面，所述凹透镜远离光源一侧的出射面为凹曲面或平面或曲率半径比入射面大的凸曲面。

在某些实施方式下，在本发明所述的直下式光学投射系统中，所述凹透镜组可以由一个凹透镜构成，此时凹透镜靠近光源一侧的入射面为凹曲面，凹透镜远离光源一侧的出射面则可以为凹曲面或平面或曲率半径比入射面大的凸曲面。

在一种实施方式中，在本发明所述的直下式光学投射系统中，光源模组、复眼透镜和远心投射镜组被设置为：光源模组发射出的准直光束在经过复眼透镜、远心投射镜组并且从远心投射镜组射出的过程中，其光轴在一条直线上。

在另一种实施方式中，在本发明所述的直下式光学投射系统中，还包括反射镜斜面，其被设置为：改变光源模组发射出的准直光束在经过复眼透镜、远心投射镜组并且从远心投射镜组射出的过程中光轴的方向，从而实现光路的折叠。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，光源模组、复眼透镜、远心投射镜组和反射镜斜面被布置为下述各项结构的任意一种：

(i)光源模组的光轴与复眼透镜的光轴相互垂直，复眼透镜的光轴与远心投射镜组的光轴共线设置，光源模组的光轴与远心投射镜组的光轴相互平行且非共线设置，光源模组与复眼透镜之间设有第一反射镜斜面，其中光源模组沿第一方向发射准直光束，沿第一方向传播的准直光束被第一反射镜斜面反射后沿着第二方向射入复眼透镜，第一方向与第二方向相互垂直；

(ii)光源模组的光轴与复眼透镜的光轴相互平行且非共线设置，复眼透镜的光轴与远心投射镜组的光轴共线设置，光源模组的光轴与远心投射镜组的光轴相互平行且非共线设置，光源模组与复眼透镜之间设有第一反射镜斜面和第二反射镜斜面，其中光源模组沿第一方向发射准直光束，沿第一方向传播的准直光束被第一反射镜斜面反射后沿着第二方向照射到第二反射镜斜面上，然后被第二反射镜斜面反射后沿着第三方向射入复眼透镜，第一方向和第三方向均与第二方向垂直，第三方向与第一方向相反；

(iii)光源模组的光轴与复眼透镜的光轴相互垂直，复眼透镜的光轴与远心投射镜组的光轴相互垂直，光源模组的光轴与远心投射镜组的光轴相互平行且非共线设置，光源模组与复眼透镜之间设有第一反射镜斜面，复眼透镜与远心投射镜组之间设有第二反射镜斜面，其中光源模组沿第一方向发射准直光束，沿第一方向传播的准直光束被第一反射镜斜面反射后沿着第二方向射入复眼透镜，从复眼透镜射出的光线照射到第二反射镜斜面上，被第二反射镜斜面反射后沿着第三方向射入远心投射镜组，第一方向和第三方向均与第二方向垂直，第三方向与第一方向相反。

相对于光轴在一条直线上的实施方式，利用反射镜折叠光路的实施方式可以使得整个直下式光学投射系统占用的空间更小，特别是当本发明所述的直下式光学投射系统被模块化设计或者被集成在一个模块(例如发射端模块上)时，可以以较小的尺寸安装在其他装置，例如手机上。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，反射镜斜面可以被构造在棱镜上。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，复眼透镜包括若干个微单元，微单元被构造为光滑曲面凸透镜、二元光学衍射浮雕凸透镜和相位光栅透镜的至少其中之一。

在本发明所述的技术方案中，若干个微单元可以将准直光束在复眼透镜输出侧的焦平面处聚焦成点阵。需要说明的是，复眼透镜中每一个微单元的形状可以是规则的矩形或六边形，也可以是其他规则的或不规则的形状。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，远心投射镜组被设置为其物方焦平面与复眼透镜的焦平面重合，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑。

在某些实施方式中，在本发明所述的直下式光学投射系统中，光源模组被设置为发射准直光束，准直光束从复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且光束会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光，当远心投射镜组的物方焦平面与复眼透镜会聚光束所形成的焦平面重合时，由复眼透镜生成的点阵光斑就能够通过远心投射镜组成像，从而在被测物体表面呈现出散斑。

需要说明的是，通过调整或选择复眼透镜的微单元的形状、数量和排布方式，可以根据实际需要形成所需的点阵的排布方式和点阵的数量，进而形成所需的散斑。此外，形成的散斑的强度可以通过改变或选择光源模组投射准直光束时的输出功率和/或改变和选择点阵的数量来实现。同时，散斑的角度分布可以通过调节远心投射镜组的镜头的视场角(FOV)来实现。

进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，在复眼透镜的焦平面处还设有对散斑进行调制的掩模板，掩模板具有透光部分和不透光部分。

更进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，掩模板的透光部分和不透光部分是固定不动的，或者掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的。

更进一步地，在本发明所述的直下式光学投射系统中，当掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的时，掩模板被构造为液晶板。

也就是说，可以通过调整液晶板内液晶的分子取向来使得掩模板的某特定部分呈现透光状态，或者某特定部分呈现不透光的状态，从而实现对散斑的调制。

在本发明的另外一些实施例中，在本发明所述的直下式光学投射系统中，远心投射镜组被设置为其物方焦平面位于复眼透镜的第二表面处，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成面阵。

也就是说，本发明的直下式光学投射系统不仅可以投射出上文所述的散斑，还可以通过将远心投射镜组的物方焦平面设置于复眼透镜的第二表面处，而实现对复眼透镜表面的均匀光场成像，从而使得所投射的光斑从散斑变换为面阵。面阵可以作为TOF方案的投射光源。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种光学投射方法，该光学反射方法同样具有本说明书所记载的有益效果。

为了实现上述目的，本发明提出了一种光学投射方法，其包括步骤：

发射准直光束；

使准直光束自复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光；

使从复眼透镜射出的光线射入并穿过远心投射镜组，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。

进一步地，在本发明所述的光学投射方法中，远心投射镜组被设置为其物方焦平面与复眼透镜的焦平面重合，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑。

进一步地，在本发明所述的光学投射方法中，可以在复眼透镜的焦平面处设置掩模板，以对散斑进行调制的，掩模板具有透光部分和不透光部分。

进一步地，在本发明所述的光学投射方法中，掩模板的透光部分和不透光部分是固定不动的，或者掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的。

更进一步地，在本发明所述的光学投射方法中，当掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的时，掩模板被构造为液晶板。

进一步地，在本发明所述的光学投射方法中，远心投射镜组被设置为其物方焦平面位于复眼透镜的第二表面处，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成面阵。

相较于现有技术，本发明所述的直下式光学投射系统及光学投射方法具有如下所述的优点以及有益效果：

首先，本发明所述的直下式光学投射系统及光学投射方法还可以通过调整远心投射镜组的焦距，实现投射散斑与投射面阵之间的切换。

其次，本发明所述的直下式光学投射系统及光学投射方法由于采用了复眼透镜，使得当复眼透镜的微光学曲面在受到水汽影响而失效时，其投射出来的光斑为照度均匀的光斑，其强度低于正常工作时的点阵，因而，不会发生灼伤人眼的情况，从而克服了现有技术中的安全缺陷问题。

再者，本发明所述的直下式光学投射系统可以采用模块化设计，从而便于以模块化的形式安装在各自装置上。

另外，本发明所述的直下式光学投射系统可以根据实际需要对各个组件进行调整和选择，例如可以设置不同功率的光源模组来实现不同功率的准直光束的输出；或是通过设置复眼透镜微单元的形状、数量和排布方式而投射出不同散斑；还可以通过设置远心投射镜组的视场角(FOV)来调节散斑的角度分布。

此外，在本发明优选的技术方案中，其采用EEL激光器或LED作为光源器件，这就使得本发明所述的直下式光学投射系统比采用VCSEL的系统更成熟稳定，能够克服VCSEL激光器波长热温漂效应所导致的系统在大功率驱动下不稳定的缺点，从而能够实现更大的输出功率，有利于实现更远的投射距离。

另外，由于本发明所述的直下式光学投射系统及光学投射方法采用了复眼透镜，而复眼透镜的尺寸和排列方式可以根据需求进行调整和选择。光源模组的出光面尺寸也可根据复眼透镜的尺寸进行调整和选择。因此理论上散斑的点阵规模就可以按需求尽可能地扩展，这能够适应未来更高精度的3D深度视觉系统对点阵数量的增长需求，克服了现有技术中DOE元件受VCSEL尺寸限制而只能实现数万个的点的局限性的缺点。

附图说明

图1为本发明所述的直下式光学投射系统在某些实施方式下的结构示意图。

图2示意性的显示了本发明所述的直下式光学投射系统可以在成像面上形成散斑。

图3示意性的显示了本发明所述的直下式光学投射系统可以在成像面上形成面阵。

图4示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第一实施方式下的布置方式。

图5示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第二实施方式下的布置方式。

图6示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第三实施方式下的布置方式。

图7示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第四实施方式下的布置方式。

图8显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的光源模组在某些实施方式下的结构示意图。

图9示意性地显示了图8所示的光源模组的光学原理。

图10示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的构成凹透镜组的单片透镜在一种实施方式下的结构。

图11示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的构成凹透镜组的单片透镜在另一种实施方式下的结构。

图12示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的构成凹透镜组的单片透镜在又一种实施方式下的结构。

图13显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜在某些实施方式下的结构示意图。

图14显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的原理示意图。

图15示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的微单元在某些实施方式下的结构。

图16示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的微单元在另一些实施方式下的结构。

图17示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的微单元在又一些实施方式下的结构。

图18为本发明所述的直下式光学投射系统在另一些实施方式下的结构示意图。

图19示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的远心投射镜组在某些实施方式下的工作原理。

图20示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统的成像效果。

具体实施方式

以下将根据本发明的具体实施例以及说明书附图对本发明所述的直下式光学投射系统及光学投射方法作进一步的说明，但是该说明并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明所述的直下式光学投射系统的结构示意图。

如图1所示，本发明所述的直下式光学投射系统包括：光源模组1、复眼透镜2以及远心投射镜组3，其中，光源模组1被设置为发射辐照度均匀的准直光束，准直光束从复眼透镜2的第一表面(即入射表面)射入，从复眼透镜2的第二表面(即出射表面)射出，并会聚在复眼透镜2的焦平面以在焦平面上形成点阵光，从复眼透镜2射出的光线射入并穿过远心投射镜组3，从远心投射镜组3射出的光线可以在成像面上形成散斑或面阵。

图2示意性的显示了本发明所述的直下式光学投射系统可以在成像面上形成散斑。

如图2所示，在某些实施方式中，光源模组1发射准直光束，准直光束从复眼透镜2的第一表面射入，从复眼透镜2的第二表面射出，并且光束会聚在复眼透镜2的焦平面上以在焦平面上形成点阵光，当远心投射镜组3的物方焦平面与复眼透镜2会聚光束所形成的焦平面重合时，由复眼透镜2生成的点阵光斑就能够通过远心投射镜组3成像，从而在被测物体或成像物体O表面呈现出散斑。

图3示意性的显示了本发明所述的直下式光学投射系统可以在成像面上形成面阵。

如图3所示，在另外一些实施方式中，还可以通过将远心投射镜组3的物方焦平面设置于复眼透镜2的第二表面处，以实现对复眼透镜2第二表面的均匀光场成像，从而使得投射于被测物体或成像物体O上的光从散斑变换为面阵。面阵可以作为TOF方案的投射光源。

另外，本发明所述的直下式光学投射系统可以需要设置各种排布方式：例如，在某些实施方式中，光源模组1、复眼透镜2和远心投射镜组3可以被设置为：光源模组1发射出的准直光束在经过复眼透镜2、远心投射镜组3并且从远心投射镜组3射出的过程中，其传播路径保持不变(如图4所示的情况)。又例如，在另外一些实施方式中，还通过设置反射镜斜面来改变光源模组1发射出的准直光束在经过复眼透镜2、远心投射镜组3并且从远心投射镜组3射出的过程中光线的传播路径(如图5、图6和图7所示的情况)。

以下将通过图4-图7对各种排布方式进行详细介绍。

图4示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第一实施方式下的布置方式。

如图4所示，在本发明的第一实施方式中，光源模组1、复眼透镜2和远心投射镜组3的光轴位于同一条直线上，这就使得光源模组1发射出的准直光束在经过复眼透镜2、远心投射镜组3并且从远心投射镜组3射出的过程中，其光轴在一条直线上。

图5示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第二实施方式下的布置方式。

如图5所示，在本发明的第二实施方式中，直下式光学投射系统不仅包括光源模组1、复眼透镜2、远心投射镜组3，还包括反射镜斜面4。并且光源模组1的光轴与复眼透镜2的光轴相互垂直，复眼透镜2的光轴与远心投射镜组3的光轴共线设置，光源模组1的光轴与远心投射镜组3的光轴相互垂直，反射镜斜面4设置在光源模组1与复眼透镜2之间。这就使光源模组1沿第一方向S1发射的准直光束被反射镜斜面4反射后沿着与第一方向S1垂直的第二方向S2射入复眼透镜2。也就是说，在图5所示的实施方式中，光源模组1、复眼透镜2、远心投射镜组3以及反射镜斜面4基本上呈L型排布，这种L型的排布方式较之图4所示的一字型排布要更节省空间。

图6示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第三实施方式下的布置方式。

如图6所示，在第三实施方式中，光源模组1的光轴与复眼透镜2的光轴相互平行且非共线设置，复眼透镜2的光轴与远心投射镜组3的光轴共线设置，光源模组1的光轴与远心投射镜组3的光轴相互平行且非共线设置，光源模组1与复眼透镜2之间设有第一反射镜斜面41和第二反射镜斜面42。这就使得光源模组1沿第一方向S1发射的准直光束被第一反射镜斜面41反射后沿着与第一方向S1垂直的第二方向S2照射到第二反射镜斜面42上，然后再次被第二反射镜斜面42反射后沿着与第一方向S1相反且平行的第三方向S3射入复眼透镜2。也就是说，在图6所示的实施方式中，光源模组1、复眼透镜2、远心投射镜组3以及第一反射镜斜面41和第二反射镜斜面42基本上呈U型排布，这种U型的排布方式较之图4所示的一字型排布和图5所示的L型排布方式要更进一步的节省空间。

图7示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在第四实施方式下的布置方式。如图7所示，在第四实施方式中，光源模组1的光轴与复眼透镜2的光轴相互垂直，复眼透镜2的光轴与远心投射镜组3的光轴相互垂直，光源模组1的光轴与远心投射镜组3的光轴相互平行且非共线设置，光源模组1与复眼透镜2之间设有第一反射镜斜面41，复眼透镜2与远心投射镜组3之间设有第二反射镜斜面42。这就使得光源模组1沿第一方向S1发射的准直光束被第一反射镜斜面41反射后沿着与第一方向S1垂直的第二方向S2射入复眼透镜2，从复眼透镜2射出的光线照射到第二反射镜斜面42上，再次被第二反射镜斜面42反射后沿着与第一方向S1平行且相反的第三方向S3射入远心投射镜组3。

需要说明的是，除了上述四种实施方式，本领域内技术人员也可以采用其他方式对本技术方案所涉及的光学元件进行排布以获得期望的光学传播路径。此外，还需要说明的是，在某些实施方式中，反射镜斜面4、第一反射镜斜面41与第二反射镜斜面42均可以采用棱镜来实现。

图8显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的光源模组在某些实施方式下的结构示意图。

图9示意性地显示了图8所示的光源模组的光学原理。

如图8和图9所示，在本发明的一些实施例中，光源模组1可以包括：发射出光束的光源11(在图9中表征为S)、凹透镜组12以及准直镜组13。其中，凹透镜组12设于光束的传播路径上并且被设置为：射入凹透镜组12的光束在穿过凹透镜组12后，其光线角度被扩展；准直镜组13，其位于凹透镜组12的输出侧，准直镜组13的焦点与凹透镜组12的虚焦点S’重合，由此可以使得凹透镜组12扩展的光束射入准直镜组13后，能够被准直镜组13折射成准直光束而从准直镜组13射出。

需要说明的是，在本技术方案中，光源11优选地可以为EEL激光器或LED光源。

此外还需要说明的是，本发明所述的光学投射系统中的凹透镜组12以及准直镜组13可以通过采用单片透镜而实现，也可以采用多片透镜组合而实现。图10-图12就示意性地显示了当凹透镜组12由单片透镜构成时，若干种实施方式下的单片透镜的结构。

图10示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的构成凹透镜组的单片透镜在一种实施方式下的结构。

如图10所示，在本发明的一种实施方式下，凹透镜组12由一个凹透镜构成，该凹透镜靠近光源一侧的入射面被构造为凹曲面，该凹透镜远离光源一侧的出射面也被构造为凹曲面。

图11示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的构成凹透镜组的单片透镜在另一种实施方式下的结构。

如图11所示，在本发明的另一种实施方式下，凹透镜组12仍然由一个凹透镜构成，但是与图10所示的凹透镜不同的是，该凹透镜远离光源一侧的出射面被构造为平面。

图12示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的构成凹透镜组的单片透镜在又一种实施方式下的结构。

如图12所示，在本发明的又一种实施方式下，凹透镜组12仍然由一个凹透镜构成，但是与图10和图11所示的凹透镜不同的是，该凹透镜远离光源一侧的出射面为凸曲面，但是该凸曲面的曲率半径比入射面的曲率半径大。

图13显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜在某些实施方式下的结构示意图。

图14显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的原理示意图。

如图13所示，在本技术方案中，复眼透镜2可以包括若干个微单元21。如图14所示，微单元21的凸面朝向光束射入的一侧(图14中I所示侧)，从而使得微单元21所形成的阵列能够将准直光束在复眼透镜的输出光束的一侧(图14中II所示侧)聚焦成点阵。

需要说明的是，复眼透镜2中每一个微单元的形状可以是规则的矩形(例如，如图13所示的)或六边形，也可以是其他规则的或不规则的形状。通过调整或选择复眼透镜2的微单元的形状、数量和排布方式，可以根据实际需要而形成所需的点阵的排布方式和点阵的数量，进而形成所需的散斑。

图15示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜2的微单元在某些实施方式下的结构。

如图15所示，在某些实施方式下，复眼透镜2的微单元可以为平滑曲面的凸透镜，其光束射入的方向可以是平面侧或者是带有微透镜的一侧。

图16示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的微单元在另一些实施方式下的结构。

如图16所示，在另外一些实施方式中，复眼透镜2的微单元可以为二元光学衍射浮雕凸透镜，其光束射入的一侧整体呈凸面，但是该凸面的曲线不是平滑的，而是呈台阶状。

图17示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的复眼透镜的微单元在又一些实施方式下的结构。

如图17所示，在又一些实施方式中，复眼透镜2的微单元可以为折射率周期性变化的相位光栅透镜。

图18示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统在另一些实施方式下的结构示意图。

如图18所示，与图1所示的实施方式相同的是，该直下式光学投射系统包括：光源模组1、复眼透镜2以及远心投射镜组3，其中，光源模组1被设置为发射准直光束，准直光束从复眼透镜2的第一表面射入，从复眼透镜2的第二表面射出，并会聚在复眼透镜2的焦平面以在焦平面上形成点阵光，远心投射镜组3则被设置为：远心投射镜组3的物方焦平面与复眼透镜2的焦平面重合，以使复眼透镜2生成的点阵光斑能够通过远心投射镜组3，从而在被测物体表面呈现出散斑。

与图1所示的实施方式不同的是，在图18所示的实施方式中，在复眼透镜2的焦平面处还设有对散斑进行调制的掩模板5，该掩模板5具有透光部分和不透光部分。其中，掩模板5的透光部分不改变复眼透镜2聚焦的图案光路，而不透光部分则可以遮挡对应位置的聚焦光线。

在某些实施方式下，掩模板5的透光部分和不透光部分是固定不动的，可就是说，掩模板5是不可以调节的，例如可以采用具有固定镂空图案的薄片作为掩模板。

然而，在另外一些实施方式下，掩模板5的透光部分和不透光部分是可调节的。例如，掩模板5可以被构造为液晶板。也就是说，可以通过调整液晶板内液晶的分子取向来使得掩模板的某特定部分呈现透光状态，或者某特定部分呈现不透光的状态，从而实现对散斑的调制。

图19示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统中的远心投射镜组3在某些实施方式下的工作原理。

如图19所示，远心投射镜组3内包括有若干个透镜，复眼透镜2所形成的聚焦光束进入远心投射镜组3后，光路会发生交叉，然后聚焦成对应的光锥投射出去。由于远心投射镜组3是现有技术中已知的装置，因此本文在此对其具体结构和工作原理不再进行详细介绍。

图20示意性地显示了本发明所述的直下式光学投射系统的成像效果。

如图20所示，由于本技术方案中采用的远心投射镜组3是远心光路，因此远心投射镜组3所投射的光束中的每一个光锥都具有很小的锥角，接近平行光线，因此，可以具有很大的景深范围。由此可以看出，采用本发明所述的直下式光学投射系统作为3D深度视觉系统的投射端非常有利于增加3D成像的有效距离范围。

需要指出的是，本发明所要保护的技术方案并不限于上述几种实施方式。此外，

需要说明的是，本发明所述的各种特征和过程可相互独立地使用，或以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均在本发明的范围内。此外，在一些实施应用中可省略某些方法或过程块。此外，本发明描述的方法和过程并不限于任何特定顺序，与之相关的步骤可采用其他合适的顺序进行实施。例如，可采用不同于特定公开的顺序进行实施。上述各种实施方式或实施例中的各技术特征，在不发生相互矛盾或抵触的情况下，可以相互组合。例如，图8所示的光源模组可以与图15-图18所示的复眼透镜2相结合，图8所示的光源模组以及图15-图18所示的复眼透镜2既可以用于图1所示的实施方式中，也可以用于图18所示的实施方式中。

在本说明书中，在示例性配置中显示为独立组件的结构和功能可以作为组合结构或组件来实施应用。类似地，显示为单个组件的结构和功能可以作为单独组件来实施应用。这些和其他变型、修改、增加和改善均落入到本技术方案的范围内。

虽然本技术方案已经参照具体实施例进行了综述，但仍可以在不偏离本技术方案实施例广义范围的情况下，对这些实施例进行各种修改和变更。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。本技术方案的这些实施例可以单独地或共同地通过术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，而并不是意味着，在实际公开了多个方案的情况下，将本申请的范围主动地限制于任何单个公开方案或概念。

本文对实施例进行了足够详细的描述说明，以使本领域内技术人员可以实施这些公开的方案。此外，还可以使得本领域内技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下进行结构的和逻辑的替换和更改。因此，本发明所描述的内容并不应被视为具有限制意义，且各实施例的范围仅通过附属权利要求以及这些权利要求所赋予的等同概念的全部范围来进行限定。

除非另有说明，条件性语词，例如尤其是“可以”、“可能”、“可能会”或“可”或本文中采用的其他作此理解的词语，通常旨在表达某些实施例包括某些特征、元件和/或步骤。因此，此类条件性语词并不表示特征、元件和/或步骤必须要以任何方式用于一个或多个实施例，或一个或多个实施例必须要包括决定这些特征、元件和/或步骤。

Claims (20)

1.一种直下式光学投射系统，其特征在于，包括：

光源模组，用于发射准直光束；

复眼透镜，包括第一表面和第二表面，其被设置为：能够使得所述准直光束能够从所述第一表面射入，从所述第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在所述焦平面上形成点阵光；

远心投射镜组，设置为使得所述点阵光射入并穿过远心投射镜组，以使从所述远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。

2.如权利要求1所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述光源模组包括：

光源，用于发射出光束；

凹透镜组，其设于所述光束的传播路径上，所述凹透镜组被设置为：使得射入凹透镜组的光束在穿过凹透镜组后，所述光束的光线角度被扩展；

准直镜组，其位于凹透镜组的输出侧，所述准直镜组的焦点与凹透镜组的虚焦点重合，所述准直镜组被设置为：能够使得光线角度被扩展的光束射入准直镜组后射出所述准直光束。

3.如权利要求2所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述光源包括EEL激光器或LED光源。

4.如权利要求2所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述凹透镜组至少包括一凹透镜，所述凹透镜靠近光源一侧的入射面为凹曲面，所述凹透镜远离光源一侧的出射面为凹曲面或平面或曲率半径比入射面大的凸曲面。

5.如权利要求1所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述光源模组、复眼透镜和远心投射镜组被设置为：光源模组发射出的准直光束在经过复眼透镜、远心投射镜组并且从远心投射镜组射出的过程中，所述准直光束的光轴在一条直线上。

6.如权利要求1所述的直下式光学投射系统，其特征在于，还包括反射镜斜面，其被设置为：用于改变光源模组发射出的准直光束在经过复眼透镜、远心投射镜组并且从远心投射镜组射出的过程中光轴的方向，从而实现光路的折叠。

7.如权利要求6所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述光源模组、复眼透镜、远心投射镜组和反射镜斜面被布置为下述各项结构的任意一种：

(i)所述光源模组的光轴与复眼透镜的光轴相互垂直，所述复眼透镜的光轴与远心投射镜组的光轴共线设置，所述光源模组的光轴与远心投射镜组的光轴相互垂直，所述光源模组与复眼透镜之间设有第一反射镜斜面，其中所述光源模组沿第一方向发射准直光束，沿第一方向传播的准直光束被第一反射镜斜面反射后沿着第二方向射入复眼透镜，所述第一方向与第二方向相互垂直；

(ii)所述光源模组的光轴与复眼透镜的光轴相互平行且非共线设置，所述复眼透镜的光轴与远心投射镜组的光轴共线设置，所述光源模组的光轴与远心投射镜组的光轴相互平行且非共线设置，所述光源模组与复眼透镜之间设有第一反射镜斜面和第二反射镜斜面，其中所述光源模组沿第一方向发射准直光束，沿第一方向传播的准直光束被第一反射镜斜面反射后沿着第二方向照射到第二反射镜斜面上，然后被第二反射镜斜面反射后沿着第三方向射入复眼透镜，所述第一方向和第三方向均与第二方向垂直，所述第三方向与第一方向相反；

(iii)所述光源模组的光轴与复眼透镜的光轴相互垂直，所述复眼透镜的光轴与远心投射镜组的光轴相互垂直，所述光源模组的光轴与远心投射镜组的光轴相互平行且非共线设置，所述光源模组与复眼透镜之间设有第一反射镜斜面，所述复眼透镜与远心投射镜组之间设有第二反射镜斜面，其中所述光源模组沿第一方向发射准直光束，沿第一方向传播的准直光束被第一反射镜斜面反射后沿着第二方向射入复眼透镜，从复眼透镜射出的光线照射到第二反射镜斜面上，被第二反射镜斜面反射后沿着第三方向射入远心投射镜组，所述第一方向和第三方向均与第二方向垂直，所述第三方向与第一方向相反。

8.如权利要求6所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述反射镜斜面被构造在棱镜上。

9.如权利要求1所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述复眼透镜包括若干个微单元，所述微单元被构造为光滑曲面凸透镜、二元光学衍射浮雕凸透镜和相位光栅透镜的至少其中之一。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述远心投射镜组被设置为其物方焦平面与复眼透镜的焦平面重合，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑。

11.如权利要求10所述的直下式光学投射系统，其特征在于，在所述复眼透镜的焦平面处还设有对散斑进行调制的掩模板，所述掩模板具有透光部分和不透光部分。

12.如权利要求11所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述掩模板的透光部分和不透光部分是固定不动的，或者所述掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的。

13.如权利要求12所述的直下式光学投射系统，其特征在于，当所述掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的时，所述掩模板被构造为液晶板。

14.如权利要求1-9中任意一项所述的直下式光学投射系统，其特征在于，所述远心投射镜组被设置为其物方焦平面位于复眼透镜的第二表面处，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成面阵。

15.一种光学投射方法，其特征在于，包括步骤：

发射准直光束；

使准直光束自复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光；

使所述点阵光射入并穿过远心投射镜组，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。

16.如权利要求15所述的光学投射方法，其特征在于，所述远心投射镜组被设置为其物方焦平面与复眼透镜的焦平面重合，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑。

17.如权利要求16所述的光学投射方法，其特征在于，在所述复眼透镜的焦平面处设置掩模板，以对散斑进行调制的，所述掩模板具有透光部分和不透光部分。

18.如权利要求17所述的光学投射方法，其特征在于，所述掩模板的透光部分和不透光部分是固定不动的，或者所述掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的。

19.如权利要求18所述的光学投射方法，其特征在于，当所述掩模板的透光部分和不透光部分是可调节的时，所述掩模板被构造为液晶板。

20.如权利要求15所述的光学投射方法，其特征在于，所述远心投射镜组被设置为其物方焦平面位于复眼透镜的第二表面处，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成面阵。