CN111856506A - 动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法 - Google Patents

动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法。动态扫描光源模组包括：Vcsel光源，Vcsel光源包括多个发光区，各发光区可以独立发光；扩散器，扩散器包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个透光区，多个透光区与多个发光区一一对应设置，且对应设置的透光区与发光区的形状相同。本发明解决了现有技术中的TOF模组存在功耗高的问题。

Description

动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法
技术领域
本发明涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法。
背景技术
目前行业内实现3D成像的方式主要有双目、结构光和TOF，其中双目精度较低，结构光结构复杂成本高，而TOF有足够的精度且成本稍低，已有流行推广的趋势。TOF通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个vcsel光源和一个光扩散器组成。现有TOF模组发射端的照明方式主要为：所有发光点同时点亮照射在整个光扩散器的微透镜阵列，经过折射扩散出去后照射在目标面，使得整个接收端镜头FOV范围内有合理的照明。如此一来，就需要所有vcsel发光点全部点亮，因此功耗高。
也就是说，现有技术中的TOF模组存在功耗高的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法，以解决现有技术中的TOF模组存在功耗高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种动态扫描光源模组，包括：Vcsel光源，Vcsel光源包括多个发光区，各发光区可以独立发光；扩散器，扩散器包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个透光区，多个透光区与多个发光区一一对应设置，且对应设置的透光区与发光区的形状相同。
进一步地，微透镜阵列包括多个微透镜，相邻的两个微透镜连接且光滑过渡，所有微透镜的表面连接形成扩散面。
进一步地，微透镜的表面为自由曲面。
进一步地，扩散面为自由曲面。
进一步地，扩散面的长度大于等于1微米且小于等于1000微米，扩散面与微透镜上位于扩散面相对一侧的表面之间的距离大于等于1微米且小于等于1000微米。
进一步地，各透光区中至少对应有多个微透镜，且同一个透光区中的各个微透镜的形状和尺寸均相同。
进一步地，微透镜的长度大于等于1.5微米且小于等于150微米；微透镜的宽度大于等于1.5微米且小于等于150微米；微透镜的厚度大于等于2微米且小于等于200微米。
进一步地，微透镜阵列为长方形。
进一步地，扩散器还包括基板，微透镜阵列设置在基板上。
根据本发明的另一方面，提供了一种分区扫描动态照明方法，采用上述的动态扫描光源模组照明，分区扫描动态照明方法包括：步骤S1：驱动电路控制动态扫描光源模组的一个Vcsel光源的发光区发出光束；步骤S2：Vcsel光源发出的光束经动态扫描光源模组的扩散器发生折射，并照射在探测面上，形成局部照明；步骤S3：光束被探测面反射形成反射光，反射光射向Vcsel光源的探测器，探测器根据发光时间和接光时间计算动态扫描光源模组到探测面的距离，形成一个发光区的3D点云；步骤S4：驱动电路控制Vcsel光源的另一个发光区发出光束；步骤S5：重复步骤S2至步骤S4，得到各个发光区的3D点云，并将各个发光区的3D点云拼接成一个Vcsel光源的完整3D点云。
应用本发明的技术方案，动态扫描光源模组包括：Vcsel光源和扩散器，Vcsel光源包括多个发光区，各发光区可以独立发光；扩散器包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个透光区，多个透光区与多个发光区一一对应设置，且对应设置的透光区与发光区的形状相同。
通过设置Vcsel光源包括多个发光区，各发光区可以独立发光，使得对Vcsel光源的发光区进行了规划，实现分区域照明，可根据实际情况选择发光区进行点亮，这样在保证Vcsel光源发光效果的同时降低了Vcsel光源的功耗，有效延长了Vcsel光源的待机时间。同时，保证Vcsel光源工作时能够有效散热，延长了Vcsel光源的使用寿命。另外，因为发光区可以独立发光，大大增加了Vcsel光源的发光功率，因此对应的探测面获得的照明能量增加，可以实现远距离的探测。多个透光区与多个发光区一一对应设置，这样设置使得多个发光区发射的光线能够稳定射入到多个透光区内，光线经过扩散器后传输到具有多个光斑分区的探测面上，实现对探测面上的不同光斑分区的分别测距，最终结合拼接算法实现3D成像，保证了动态扫描光源模组的高分辨率同时保证了动态扫描光源模组的成像品质。对应设置的透光区与发光区的形状相同，这样设置使得发光区发射的光线能够大部分射入到透光区内，用于Vcsel光源对探测面的识别，保证了Vcsel光源的发光效率进而保证动态扫描光源模组能够完整成像。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的实施例一的动态扫描光源模组的结构示意图；
图2示出了图1中Vcsel光源的多个发光区的结构示意图；
图3示出了图1中扩散器的结构示意图；
图4示出了图1中点亮不同透过区时的光线折射效果图和光斑图；
图5示出了图1中同时点亮全部透过区时的光线折射效果图；
图6示出了图1中同时点亮全部透过区时的光斑图；
图7示出了图1中扩散器的俯视图；
图8示出了图7中单个微透镜的结构示意图；
图9示出了图8中单个微透镜的表面的示意图；
图10示出了本发明的实施例二的动态扫描光源模组的扩散器结构示意图；
图11示出了图10中微透镜排布的示意图；
图12示出了图11中单个微透镜的结构示意图；
图13示出了本发明实施例三的微透镜阵列的分区示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、Vcsel光源；11、发光区；20、扩散器；21、微透镜阵列；211、微透镜；212、扩散面；22、基板。
具体实施方式
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发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中TOF模组存在功耗高的问题，本发明提供了一种动态扫描光源模组和分区扫描动态照明方法。
如图1至图13所示，一种动态扫描光源模组包括Vcsel光源10和扩散器20，Vcsel光源10包括多个发光区11，各发光区11可以独立发光；扩散器20包括微透镜阵列21，微透镜阵列21包括多个透光区，多个透光区与多个发光区11一一对应设置，且对应设置的透光区与发光区11的形状相同。
通过将Vcsel光源10设置多个发光区11，各发光区11可以独立发光，使得对Vcsel光源10的发光区11进行了规划，实现分区域照明，可根据实际情况选择发光区11进行点亮，这样在保证Vcsel光源10发光效果的同时降低了Vcsel光源10的功耗，有效延长了Vcsel光源10的待机时间。同时，保证Vcsel光源10工作时能够有效散热，延长了Vcsel光源10的使用寿命。另外，因为发光区11可以独立发光，大大增加了Vcsel光源10的发光功率，因此对应的探测面获得的照明能量增加，可以实现远距离的探测。多个透光区与多个发光区11一一对应设置，这样设置使得多个发光区11发射的光线能够稳定射入到多个透光区内，光线经过扩散器20后传输到具有多个光斑分区的探测面上，实现对探测面上的不同光斑分区的分别测距，最终结合拼接算法实现3D成像，保证了动态扫描光源模组的高分辨率的同时保证了动态扫描光源模组的成像品质。对应设置的透光区与发光区11的形状相同，这样设置使得发光区11发射的光线能够大部分射入透光区内，用于Vcsel光源10对探测面的识别，保证了Vcsel光源10的发光效率进而保证动态扫描光源模组能够完整成像。对应设置的透光区与发光区11的形状相同，可以保证发光区11发出的光束仅经过对应的透光区透过，以保证成像的准确性。
实施例一
如图1至图9所示的具体实施例中，微透镜阵列21包括多个微透镜211，相邻的两个微透镜211连接且光滑过渡，所有微透镜211的表面连接形成扩散面212。相邻的两个微透镜211连接且光滑过渡，所有微透镜211的表面连接形成扩散面212，这样设置使得相邻的两个微透镜211之间是无缝连接的，防止相邻的两个微透镜211之间存在缝隙导致漏光，影响探测面上光斑的能量分布，进而影响系统的成像质量。
需要说明的是，上述微透镜阵列21是为周期排布或随机排布的。周期排布为一种具有一定规律且重复的排布方式，结构设计简单，使得形成方形光斑的边界分布均匀，可以到达较好的成像效果。随机排列为一种自由组合的排布方式，结构设计难度大，同时会导致形成的光斑较圆，使得成像效果较差。优选地，微透镜阵列21为周期排布。
具体的，微透镜211的表面为自由曲面。微透镜211的表面为自由曲面，也就是说微透镜211的表面可以为凸面或者凹面，这样设置使得Vcsel光源10发射的光线射入微透镜211在第一个自由曲面上发生折射，然后折射光线射入第二个自由曲面再次发生折射，这样使微透镜211的表面通过几何折射光学可以实现光线的重新分布，大大满足了探测光照的需求，保证了动态扫描光源模组的成像效果。
优选地，微透镜211的表面为凸面。
需要说明的是，上述微透镜211的排布方式为微透镜211的表面法线朝内汇聚的排布方式。
当然，扩散面212为自由曲面。扩散面212为自由曲面，也就是说扩散面212的表面可以为凸面或者凹面，这样设置使得通过几何折射光学可以实现光线的重新分布，大大满足了探测光照的需求，保证了动态扫描光源模组的成像效果。
具体的，上述自由曲面的表达式为：
Figure BDA0002656291800000041
具体的，扩散面212的长度大于等于1微米且小于等于1000微米。若扩散面212的长度小于1微米，使得扩散面212的面积过小，导致扩散面212难以对光线进行二次折射，难以实现对光线的重新分布，不能满足探测光照需求，影响动态扫描光源模组的成像效果。若扩散面212的长度大于1000微米，使得扩散面212的面积过大，不利于扩散器20的小型化。将扩散面212的长度限制在1微米至1000微米的范围内，保证了动态扫描光源模组的成像效果的同时保证了同时扩散器20的小型化。
具体的，扩散面212与微透镜211上位于扩散面212相对一侧的表面之间的距离大于等于1微米且小于等于1000微米。若扩散面212与微透镜211上位于扩散面212相对一侧的表面之间的距离小于1微米，使得扩散面212难以实现对光线的重新分布，不能满足探测光照需求，影响动态扫描光源模组的成像效果。若扩散面212与微透镜211上位于扩散面212相对一侧的表面之间的距离大于1000微米，不利于扩散器20的小型化。将扩散面212与微透镜211上位于扩散面212相对一侧的表面之间的距离限制在1微米到1000微米的范围内，保证了动态扫描光源模组的成像效果的同时保证了同时扩散器20的小型化。
需要说明的是，微透镜211上位于扩散面212相对一侧的表面是平面。
优选的，扩散面212的长度为30微米，扩散面212与微透镜211上位于扩散面212相对一侧的表面之间的距离为20微米。
当然，各透光区中至少对应有多个微透镜211，且同一个透光区中的各个微透镜211的形状和尺寸均相同。同一个透光区中的各个微透镜211的形状和尺寸均相同，这样设置保证了同一个透光区中的微透镜211的一致性。
需要说明的是，上述同一个透光区的微透镜211排布可采用周期阵列或随机阵列，若采用周期阵列，各个微透镜211大小、面型完全相同。若采用随机阵列，各个微透镜211的面型相同，大小因间距不同而不同。另外，可根据实际光斑照射的要求，设置不同透光区之间的微透镜211相同或不相同。
如图8至图9所示，微透镜211的长度大于等于1.5微米且小于等于150微米。若微透镜211的长度小于1.5微米，使得微透镜211的长度过小，造成微透镜211不易制作。若微透镜211的长度大于150微米，使得微透镜211的长度过长，不利于微透镜211的小型化。将微透镜211的长度限制在1.5微米至150微米的范围内，有利于保证微透镜211的小型化。
具体的，微透镜211的宽度大于等于1.5微米且小于等于150微米。若微透镜211的宽度小于1.5微米，使得微透镜211的宽度过小，造成微透镜211不易制作。若微透镜211的宽度大于150微米，不利于微透镜211的小型化。将微透镜211的宽度限制在1.5微米到150微米的范围内，有利于保证微透镜211的小型化。
具体的，微透镜211的厚度大于等于2微米且小于等于200微米。若微透镜211的厚度小于2微米，使得微透镜211和厚度过小，造成微透镜211不易制作。若微透镜211的厚度大于200微米，使得微透镜211的厚度过大，不利于微透镜211的小型化，同时影响光线在微透镜211内的传输效果，进而影响成像质量。将微透镜211的厚度限制在2微米至200微米的范围内，保证了微透镜211的小型化的同时保证了微透镜211的成像质量。
需要说明的是，本实施例中的微透镜211长度为30微米，宽度为30微米，厚度为20微米。
如图7所示，微透镜阵列21为长方形。微透镜阵列21为长方形，这样设置使得微透镜阵列21方便设计，方便微透镜阵列21内的分区拼接，保证了扩散器20能够稳定工作。
优选地，微透镜阵列21为正方形。
另外，扩散器20还包括基板22，微透镜阵列21设置在基板22上。通过微透镜阵列21设置在基板22上，使得基板22对微透镜阵列21起到承载与保护的作用，保证了扩散器20的结构强度，在工艺上也可以方便微透镜211的压印成型。微透镜211的压印成型也可以采用一体式压印，即不需要另外的基板22，只需使用一种微透镜211的材料压印成一体，这样设置防止扩散器20在使用过程中微透镜211与基板22脱离，增强了扩散器20的结构强度。
需要说明的是，基材的材料可为透明玻璃或塑料，也可以与微透镜211材料相同。
根据本发明的另一方面，提供了一种分区扫描动态照明方法，采用上述的动态扫描光源模组照明，分区扫描动态照明方法包括：步骤S1：驱动电路控制动态扫描光源模组的一个Vcsel光源10的发光区11发出光束；步骤S2：Vcsel光源10发出的光束经动态扫描光源模组的扩散器20发生折射，并照射在探测面上，形成局部照明；步骤S3：光束被探测面反射形成反射光，反射光射向Vcsel光源10的探测器，探测器根据发光时间和接光时间计算动态扫描光源模组到探测面的距离，形成一个发光区11的3D点云；步骤S4：驱动电路控制Vcsel光源10的另一个发光区11发出光束；步骤S5：重复步骤S2至步骤S4，得到各个发光区11的3D点云，并将各个发光区11的3D点云拼接成一个Vcsel光源10的完整3D点云。
如图4所示，为本实施例点亮不同透光区时的光线折射效果图和光斑图。从图中可知，不同透光区对应的不同探测面上的光斑大小、亮度分布均匀，成像效果良好。
如图5所示，为本实施例同时点亮全部透光区时的光线折射效果图。
如图6所示，为本实施例同时点亮全部透光区时的光斑图。从图中可知，当全部透光区被同时点亮时，对应的探测面上的光斑亮度边界分布均匀，成像效果良好。
实施例二
与实施例一的区别是，微透镜211的排布方式不同。具体的，
如图10至图12所示的具体实施例中，微透镜211的排布为微透镜211的表面法线朝外发散的排布方式。
实施例三
与实施例一的区别是，微透镜阵列的分区方式不同。
如图13所示，微透镜阵列分为多个透光区，且多个透光区的位置形状、大小可以相同，也可以不同。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态扫描光源模组，其特征在于，包括：
Vcsel光源(10)，所述Vcsel光源(10)包括多个发光区(11)，各所述发光区(11)可以独立发光；
扩散器(20)，所述扩散器(20)包括微透镜阵列(21)，所述微透镜阵列(21)包括多个透光区，多个所述透光区与多个所述发光区(11)一一对应设置，且对应设置的所述透光区与所述发光区(11)的形状相同。
2.根据权利要求1所述的动态扫描光源模组，其特征在于，所述微透镜阵列(21)包括多个微透镜(211)，相邻的两个所述微透镜(211)连接且光滑过渡，所有所述微透镜(211)的表面连接形成扩散面(212)。
3.根据权利要求2所述的动态扫描光源模组，其特征在于，所述微透镜(211)的表面为自由曲面。
4.根据权利要求2所述的动态扫描光源模组，其特征在于，所述扩散面(212)为自由曲面。
5.根据权利要求2所述的动态扫描光源模组，其特征在于，所述扩散面(212)的长度大于等于1微米且小于等于1000微米，所述扩散面(212)与所述微透镜(211)上位于所述扩散面(212)相对一侧的表面之间的距离大于等于1微米且小于等于1000微米。
6.根据权利要求2所述的动态扫描光源模组，其特征在于，各所述透光区中至少对应有多个所述微透镜(211)，且同一个所述透光区中的各个所述微透镜(211)的形状和尺寸均相同。
7.根据权利要求2所述的动态扫描光源模组，其特征在于，
所述微透镜(211)的长度大于等于1.5微米且小于等于150微米；
所述微透镜(211)的宽度大于等于1.5微米且小于等于150微米；
所述微透镜(211)的厚度大于等于2微米且小于等于200微米。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的动态扫描光源模组，其特征在于，所述微透镜阵列(21)为长方形。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的动态扫描光源模组，其特征在于，所述扩散器(20)还包括基板(22)，所述微透镜阵列(21)设置在所述基板(22)上。
10.一种分区扫描动态照明方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的动态扫描光源模组照明，所述分区扫描动态照明方法包括：
步骤S1：驱动电路控制所述动态扫描光源模组的一个Vcsel光源(10)的发光区(11)发出光束；
步骤S2：所述Vcsel光源(10)发出的所述光束经所述动态扫描光源模组的扩散器(20)发生折射，并照射在探测面上，形成局部照明；
步骤S3：所述光束被所述探测面反射形成反射光，所述反射光射向所述Vcsel光源(10)的探测器，所述探测器根据发光时间和接光时间计算所述动态扫描光源模组到所述探测面的距离，形成一个所述发光区(11)的3D点云；
步骤S4：所述驱动电路控制所述Vcsel光源(10)的另一个所述发光区(11)发出光束；
步骤S5：重复所述步骤S2至所述步骤S4，得到各个所述发光区(11)的所述3D点云，并将各个所述发光区(11)的所述3D点云拼接成一个所述Vcsel光源(10)的完整3D点云。
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