CN111880317A - 激光投射模组的仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光投射模组的仿真系统及方法，系统包括光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元、光源单元与准直镜单元之间的第一光学模型、准直镜单元与DOE单元之间的第二光学模型、DOE单元与投射屏单元之间的第三光学模型，光源单元，用于模拟发射光束；第一光学模型，用于确定光束经准直镜单元准直后的光束入射到DOE单元的入射角；准直镜单元，用于对光源单元发射的光束进行准直；第二光学模型，用于确定准直后的光束入射到DOE单元产生的衍射类型；DOE单元，用于基于准直的光束投射散斑图；第三光学模型，用于根据入射角和衍射类型，确定出散斑图在投射屏单元所在平面的坐标；投射屏单元，用于基于坐标展示该平面上的散斑图。

Description

激光投射模组的仿真系统及方法

技术领域

本申请涉及3D成像技术领域，具体而言，涉及一种激光投射模组的仿真系统及方法。

背景技术

3D(3-Dimension，三维)成像在消费电子领域中的应用越来越广，例如在3D扫描，人脸支付，场景建模领域的应用。3D成像技术不仅可以对目标物体进行成像，而且还能获取目标物体的深度信息。结构光或者TOF(Time Of Flight，飞行时间)深度相机是目前应用最广的3D成像设备。

深度相机中的核心部件：激光投射模组，可以用于向空间中投射散斑点图案以实现结构光深度的测量。激光投射模组主要包括VCSEL(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，垂直腔面发射激光器)光源，准直镜和衍射光学元件(Diffractive OpticalElement，简称DOE)。VCSEL阵列光源通常是在半导体衬底上集成了上百个甚至更多的子光源，以发射光束；准直镜将对以一定角度入射的VCSEL光源发射的光束进行准直；衍射光学元件将入射的平行光通过光的衍射向目标空间中投射散斑图案。

对于不同的应用场景下，结构光深度信息计算或获取，散斑图案的要求如散斑点数量，视场角大小，随机性都不尽相同。但由于激光投射模组的应用场景众多，为了设计出满足应用场景需求的激光投射模组，通常需要花费大量的时间和精力，导致激光投射模组的设计效率不高。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种激光投射模组的仿真系统及方法，以提高激光投射模组的设计效率。

为了实现上述目的，本申请的实施例通过如下方式实现：

第一方面，本申请实施例提供一种激光投射模组的仿真系统，包括光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元、所述光源单元与所述准直镜单元之间的第一光学模型、所述准直镜单元与所述DOE单元之间的第二光学模型、所述DOE单元与所述投射屏单元之间的第三光学模型，所述光源单元，用于模拟发射光束；所述第一光学模型，用于确定所述光束经所述准直镜单元准直后的光束入射到所述DOE单元的入射角；所述准直镜单元，用于对所述光源单元发射的光束进行准直；所述第二光学模型，用于确定准直后的光束入射到所述DOE单元产生的衍射类型；所述DOE单元，用于基于准直的光束投射散斑图；所述第三光学模型，用于根据所述入射角和所述衍射类型，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标；所述投射屏单元，用于基于所述坐标展示该平面上的散斑图。

在本申请实施例中，通过光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元、第一光学模型、第二光学模型和第三光学模型构建激光投射模组的仿真系统，以实现对激光投射模组的仿真，从而能够通过对仿真系统中单元和/或模型的调整，模拟与应用场景相匹配的各种参数(例如通过DOE单元与投射屏单元之间的不同距离来适应不同应用场景)，从而得到需要的散斑图(不同的应用场景通常对应不同的散斑图案设计)。而散斑图的排布与准直镜和衍射光学元件密切相关，因此，可以通过仿真系统中的参数来指导实际应用场景中激光投射模组的设计。并且，通过仿真系统来实现对激光投射模组的仿真，一方面可以快速改变参数(例如光源单元的点阵排列，DOE单元的点阵排布，准直镜焦距，投影距离等)，使得设计方案易于优化；另一方面，相比于目前在设计出实际产品后才能展示激光投射模组的图案的方式，通过仿真系统可以在设计出产品前展示目标图案，可以在节约大量成本的基础上快速确定出合意的设计方案。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述光源单元采用具有多个子光源的VCSEL光源模型。

在该实现方式中，采用具有多个子光源的VCSEL光源模型作为光源单元，与实际应用中的情况更加贴切，有利于更灵活地设计出更符合实际的激光投射模组。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第一光学模型的原理为小孔成像原理，所述第一光学模型，具体用于：确定出所述光源单元的高度、所述准直镜单元的焦距，以及所述准直镜单元与所述DOE单元之间的投射距离，并根据所述高度、所述焦距和投射距离，确定出所述入射角。

在该实现方式中，第一光学模型采用小孔成像原理建立，可以通过光源单元的高度、准直镜单元的焦距，以及准直镜与DOE单元之间的投射距离，准确地确定出入射角。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第二光学模型，具体用于：根据准直的光束、所述入射角和所述DOE单元中光栅的周期，确定出所述衍射类型。

在该实现方式中，通过准直的光束和DOE单元中光栅的周期，可以准确确定出DOE单元产生的衍射类型。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述DOE单元的点阵为规则排列点阵或不规则排列点阵。

在该实现方式中，设计DOE单元可以为多种类型的点阵，从而保证DOE单元的点阵设计的灵活性，有利于设计出更好的激光投射模组。

结合第一方面，在第一方面的第五种可能的实现方式中，在所述衍射类型为夫琅禾费衍射时，所述第三光学模型，具体用于：确定出所述DOE单元与所述投射屏单元之间的投影距离；根据波矢向量在波矢空间中的关系、所述入射角，以及光栅方程，确定出所述DOE单元的出射波矢在波矢空间中的极角；根据所述极角、所述投影距离和投影原理，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标。

在该实现方式中，第三光学模型根据波矢向量在波矢空间中的关系、光束入射DOE单元的入射角，以及光栅方程，可以准确地确定出出射波矢在波矢空间中的极角，从而进一步根据极角、投影距离和投影原理，准确确定出散斑图在投射屏单元所在平面的坐标，以保证散斑图中每个散斑点的准确性。

结合第一方面，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述激光投射模组的仿真系统，还包括：温度调整模型，用于根据波长与温度之间的关系，对展示的散斑图进行调整。

在该实现方式中，通过在激光投射模组的仿真系统加入温度调整模型，一方面可以提高仿真系统的精准性，另一方面，可以使得基于此设计的激光投射模组在实际应用场景中具有更佳的稳定性。

第二方面，本申请实施例提供一种激光投射模组的仿真方法，应用于第一方面或第一方面的可能的实现方式中任一项所述的激光投射模组的仿真系统，所述方法包括：所述光源单元模拟发射光束；所述第一光学模型确定所述光束经所述准直镜单元准直后的光束入射到所述DOE单元的入射角；所述准直镜单元对所述光源单元发射的光束进行准直；所述第二光学模型确定准直后的光束入射到所述DOE单元产生的衍射类型；所述DOE单元基于准直的光束投射散斑图；所述第三光学模型根据所述入射角，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标；所述投射屏单元基于所述坐标展示该平面上的散斑图。

在本申请实施例中，采用这样的方式，可以准确地对激光投射模组进行仿真，保证仿真的激光投射模组投射的散斑图的准确性，有利于设计准确性和应用性更好的激光投射模组。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述光源单元为VCSEL光源模型，所述光源单元模拟发射光束的方式为：确定出所述VCSEL光源模型的点阵参数，其中，点阵参数表示的每个点指代一个子光源，且所述点阵参数可调节；根据所述点阵参数，模拟发射光束。

在该实现方式中，引入可调节的VCSEL光源模型的点阵参数，有利于通过调整VCSEL光源模型的点阵参数来实现对散斑图的调整，从而有利于提高激光投射模组的设计效率。

结合第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述第一光学模型的原理为小孔成像原理，所述第一光学模型确定所述入射角的方式为：确定出所述光源单元的高度、所述准直镜单元的焦距，以及所述准直镜单元与所述DOE单元之间的投射距离；根据所述高度、所述焦距和所述投射距离，确定出所述入射角。

在该实现方式中，采用小孔成像原理设计的第一光学模型，可以快速准确地确定出准直的光束入射DOE单元时的入射角。

结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述DOE单元具有可调节的点阵排列参数，所述DOE单元基于所述准直的光束投射散斑图的方式为：根据所述点阵排列参数和准直的光束，向目标空间投射散斑图。

在该实现方式中，引入可调节的DOE单元的点阵排列参数，有利于通过调整点阵排列参数来实现对散斑图的调整，从而有利于提高设计激光投射模组的灵活性和效率。

结合第二方面，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述衍射类型为夫琅禾费衍射，所述第三光学模型根据所述入射角，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标的方式为：确定出所述DOE单元与所述投射屏单元之间的投影距离，其中，所述投影距离可调节；根据波矢向量在波矢空间中的关系、所述入射角，以及光栅方程，确定出所述DOE单元的出射波矢在波矢空间中的极角；根据所述极角、所述投影距离和投影原理，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标。

在该实现方式中，通过波矢向量在波矢空间中的关系、入射角，以及光栅方程，可以快速准确地确定出DOE单元的出射波矢在波矢空间中的极角，也可以节省大量的计算量。而通过调节DOE单元与投射屏单元之间的投影距离，来适应不同的应用场景，从而有利于设计出更符合应用场景需求的激光投射模组。

结合第二方面，在第二方面的第五种可能的实现方式中，在所述方法应用于第一方面的第六种可能的实现方式中所述的激光投射模组的仿真系统时，所述方法还包括：确定出预设的温度参数；根据所述温度参数，以及根据波长与温度之间的关系，对展示的散斑图进行调整。

在该实现方式中，引入可调节的温度参数和波长与温度之间的关系，可以使得激光投射模组的仿真更加灵活，且能够更准确地模拟激光投射模组的工作环境，从而有利于设计稳定性更高的激光投射模组。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种激光投射模组的示意图。

图2为本申请实施例提供的一种激光投射模组的仿真系统的示意图。

图3为本申请实施例提供的一种激光投射模组的第一光学模型的示意图。

图4为本申请实施例提供的一种激光投射模组的第二光学模型的示意图。

图5为本申请实施例提供的波矢空间中几何关系的示意图。

图6为本申请实施例提供的一种激光投射模组的仿真方法的流程图。

图7为本申请实施例提供的一种通过DOE单元的点阵排列参数得到散斑图的示意图。

图8为本申请实施例提供的另一种通过DOE单元的点阵排列参数得到散斑图的示意图。

图标：100-激光投射模组；101-光源；102-准直镜；103-衍射光学元件；200-激光投射模组的仿真系统；210-光源单元；220-准直镜单元；230-DOE单元；240-投射屏单元；250-第一光学模型；260-第二光学模型；270-第三光学模型。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

为了便于对方案的理解，此处先对激光投射模组进行介绍。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种激光投射模组100的示意图。

在本实施例中，激光投射模组100可以包括：光源101、准直镜102和衍射光学元件103。

示例性的，光源101可以为VCSEL光源，VCSEL光源包括多个子光源，且多个子光源在半导体载板上可以按照二维图案排列。相比传统的光源，具有体积小，发散角小和能量集中等优点。为了方便描述，此处仅在一维角度上画出了3个子光源，但不应视为对本申请的限定。

准直镜102可以用于接收由VCSEL光源发射的光束，并对具有一定发散角的光束进行准直。

而衍射光学元件103(即DOE)用于接收被准直过后的光束，通过光衍射的方式，可以向目标空间中投射光束。衍射光学元件103投射的光束是通过复制VCSEL光源所形成的，例如VCSEL光源有100个子光源，DOE的复制数为100，那么空间中就会形成10000个散斑点。

在3D成像领域中，激光投射模组的应用范围非常广泛，例如3D深度相机里面的核心部件就包括激光投射模组。对于不同的应用场景下，结构光深度信息计算或获取，对散斑图案的要求(例如散斑点数量、视场角大小、散斑图案中散斑点的随机性等)不尽相同。为了设计出满足应用场景需求的激光投射模组，以及提高激光投射模组的设计效率，本申请实施例提供一种激光投射模组的仿真系统。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种激光投射模组的仿真系统200的示意图。

在本实施例中，激光投射模组的仿真系统200可以包括光源单元210、准直镜单元220、DOE单元230、投射屏单元240、光源单元210与准直镜单元220之间的第一光学模型250、准直镜单元220与DOE单元230之间的第二光学模型260、DOE单元230与投射屏单元240之间的第三光学模型270。其中，光源单元210、准直镜单元220、DOE单元230、投射屏单元240均可以为有形的(即在图2中以结构示出)，而第一光学模型250、第二光学模型260和第三光学模型270为用于进行计算和/或验证的光学模型，此处以虚线框表示，但不应视为对本申请的限定。

光源单元210可以用于模拟发射光束，准直镜单元220可以用于对光源单元210发射的光束进行准直，而第一光学模型250可以确定光束经准直镜单元220准直后的光束入射到DOE单元230的入射角。第二光学模型260可以用于确定准直后的光束入射到DOE单元230时产生的衍射类型，DOE单元230则用于基于准直的光束投射散斑图，而第三光学模型270可以根据入射角和衍射类型，确定出散斑图在投射屏单元240所在平面的坐标，从而使得投射屏单元240能够基于确定出的坐标展示该平面上的散斑图。

示例性的，光源单元210可以以VCSEL光源为参照建立VCSEL光源模型，得到光源单元210。当然，并不限定于此，也可以采用其他形式的光源模拟发射光束。在光源单元210为VCSEL光源模型时，光源单元210可以包括多个子光源，多个子光源可以在同一平面上构成二维图案，由光源单元210对应的阵列参数确定。光源单元210的阵列参数所确定的阵列可以是随机的，也可以是具有一定规律的(例如方阵排列，或者间隔排列等，或者通过一小部分随机的散斑点经平移、旋转、翻转等操作确定出的)，并且阵列参数是可以根据需要进行调整的，以适应不同的应用场景。

由于光源单元210模拟发射的光束具有一定的发散角，因此，可以建立一个准直镜的模型，即准直镜单元220，以对光束进行准直。

由于在实际的应用场景中，VCSEL光源的边长或直径通常在0.5mm(毫米)量级，准直镜的焦距在4mm量级，而实际投射距离通常在1000mm量级。因此，光源单元210与准直镜单元220之间的第一光学模型250可以采用小孔成像原理，从而满足几何光学的基本特性(准直镜的孔径通常在2mm量级，准直镜的孔径即可视为小孔)。基于此，第一光学模型250可以确定出光源单元210的高度、准直镜单元220的焦距，以及准直镜单元220与DOE单元230之间的投射距离，并据此确定出入射角。

请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种激光投射模组的第一光学模型250的示意图。

假设光源的物高为h₁，准直镜焦距为f，投射距离为P，像高为h₂，根据相似三角形原理，则有如下恒等式：

在式(1)中，物高h₁，准直镜焦距f和投射距离P都可以为已知量，因此可通过恒等式求出投射距离处的像高h₂。需要说明的是，物高h₁、准直镜焦距f、投射距离P均可以根据需要进行调节。

而进一步的，第一光学模型250可以进一步确定出准直后的光束入射到DOE单元230的入射角。

继续参阅图3，准直后的光束通过准直镜后入射到DOE单元230的入射角：

由此，第一光学模型250即可简单准确地确定出入射角α。

而第二光学模型260，则可以用于确定准直后的光束入射到DOE单元230时产生的衍射类型。具体的，第二光学模型260可以根据准直的光束、入射角和DOE单元230中光栅的周期，确定出衍射类型。

示例性的，光源单元210模拟发射光束经准直镜单元220准直后，其发散角几乎为0，因此可看作是平行光束，即以平面波的形式入射到DOE单元230上。因此，准直镜单元220与DOE单元230之间的第二光学模型260，符合夫琅禾费衍射模型。

请参阅图4，图4为本申请实施例提供的一种激光投射模组的第二光学模型260的示意图。

假设准直的光束以角度α入射到周期为d的光栅，出射角为β，则二者之间的光程差为AB+BC，根据光栅方程有：

d(sinα+sinβ)＝mλ，·····················(3)

其中，m＝0，±1，±2···，而入射角α可以根据式(2)计算确定出，波长λ、光栅的周期d可以为已知量。因此，可以根据不同的衍射级次算出β值。

需要说明的是，此处给出的式(3)，是为了说明第二光学模型260验证衍射类型属于夫琅禾费衍射，且可以基于入射角α算出出射角β，但并非一定得采用这种方式计算出射角，例如，本申请将对另一种计算出射角的方式进行详细介绍，因此，此处不应视为对本申请的限定。另外，波长λ可调节，可以基于实际情况中采用的光源类型得到波长λ(即可以根据实际需要确定波长λ的值，从而指导实际设计中光源的选用)。

而DOE单元230，可以基于准直的光束投射散斑图。

示例性的，DOE单元230具有可调节的点阵排列参数，点阵排列参数所对应的点阵的排列方式可以根据需要进行设定，从而指导实际应用场景中DOE的设计。例如，DOE单元的点阵可以为规则排列点阵(例如行列整齐的点阵，或呈规则几何形状的点阵，如矩形点阵、圆形点阵等)或不规则排列点阵(例如随机排列的点阵，或交错排列的点阵，或疏密不等的点阵等)。从而，DOE单元230可以根据点阵排列参数和准直的光束，向目标空间投射散斑图。

在DOE单元230向目标空间中投射散斑图时，第三光学模型270可以根据入射角和衍射类型，确定出散斑图在投射屏单元240所在平面的坐标。

示例性的，在衍射类型为夫琅禾费衍射时，第三光学模型270可以确定出DOE单元230与投射屏单元240之间的投影距离，并根据波矢向量在波矢空间中的关系、DOE单元230的入射角，以及光栅方程，确定出DOE单元230的出射波矢在波矢空间中的极角；进一步根据极角、投影距离和投影原理，确定出散斑图在投射屏单元240所在平面的坐标。此处的极角，即为出射角在球坐标系中的表现形式，此处以此种方式计算极角(即出射角)，可以大大地简化计算过程，提升仿真系统的运行效率。

请参阅图5，图5为本申请实施例提供的波矢空间中几何关系的示意图。

假设设波长为λ的平面波以出射角θ_mn(即出射波矢与Z轴之间的夹角)，出射方位角φ_mn(即出射波矢在XOY平面上的投影矢量与X轴之间的夹角)，d_x为光栅横向周期(即光栅在X轴方向的周期)，d_y为光栅横向周期(即光栅在Y轴方向的周期)。为了便于推导，本实施例中将波长λ用波矢的方式表示，转换关系为

在波矢空间中，波矢向量有如下的关系：

其中，k_x为波矢k在X轴的分量，k_y为波矢k在Y轴的分量，k_Z为波矢k在Z轴的分量。对于第(m，n)衍射级，根据光栅方程，有以下恒等式：

其中，k_x0、k_y0为入射波矢，均可以为已知量。联合式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)可以得到(m，n)衍射级的极角θ_mn和φ_mn。

根据晶格衍射原理可知，波矢空间k为球坐标，而实际投射空间为三维笛卡尔坐标系。因此，根据投影原理，在投影距离为P的平面(即与DOE单元230距离P的投射屏单元240所在的平面)上，点坐标(x，y)可表示为：

由此，可以确定出散斑图在投射屏单元240所在平面的坐标。而投射屏单元240可以基于确定出的坐标展示该平面上的散斑图。

在本实施例中，为了提高仿真系统的精准性，以及提高设计的激光投射模组在实际工作中的稳定性，激光投射模组的仿真系统还可以包括温度调整模型，以使温度调整模型根据波长与温度之间的关系，对展示的散斑图进行调整。

具体的，以3D深度相机中激投射模组的VCSEL光源所采用的波长为940nm为例，那么光源与温度之间的关系可表示为：

λ＝0.07*(t-t₀)+λ₀，············(12)

其中λ₀为温度在t₀时对应的波长，准直镜的焦距与温度之间的变化可忽略不计，衍射光学元件的材料通常为玻璃，当温度变化时玻璃材料的热胀冷缩很小，同样可忽略不计。因此，当温度改变时，对激光投射模组的影响主要体现在VCSEL光源的波长变化上。此时任意两个衍射光斑之间的角色散公式可以为：

其中，

表示正交光栅的衍射极角角色散，

表示正交光栅的衍射方位角角色散。

从而可以根据衍射极角角色散和衍射方位角角色散对投射屏单元所在平面的散斑图的坐标进行调整，从而使得确定出的散斑图更加精确。

通过在激光投射模组的仿真系统加入温度调整模型，一方面可以提高仿真系统的精准性，另一方面，可以使得基于此设计的激光投射模组在实际应用场景中具有更佳的稳定性。

需要说明的是，在本实施例中为了方便描述，而将第一光学模型描述为在光源单元与准直镜单元之间，将第二光学模型描述为在准直镜单元与DOE单元之间，将第三光学模型描述为在DOE单元与投射屏单元之间，但这些光学模型的实质，应当为：光源单元与准直镜单元之间的光线传播满足第一光学模型(例如小孔成像模型)，准直镜单元与DOE单元之间的光线传播满足第二光学模型(例如夫琅禾费衍射模型)，DOE单元与投射屏单元之间的光线传播满足第三光学模型。这些光学模型用于在这些单元(例如光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元等)之间进行处理和/或计算。因此，本实施例中描述的方式，不应视为对本申请的限定。

以上，即为本申请实施例提供的激光投射模组的仿真系统200的介绍。通过光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元、第一光学模型、第二光学模型和第三光学模型构建激光投射模组的仿真系统，以实现对激光投射模组的仿真。通过对仿真系统中单元和/或模型(例如光源单元的点阵参数、DOE单元点阵排列参数、准直镜单元的焦距、准直镜单元与DOE单元的投射距离、DOE单元与投射屏单元的投影距离、温度参数等)的调整，模拟与应用场景相匹配的各种参数(例如通过DOE单元与投射屏单元之间的不同距离来适应不同应用场景)，从而得到需要的散斑图(不同的应用场景通常对应不同的散斑图案设计)。而散斑图的排布与准直镜和衍射光学元件密切相关，因此，可以通过仿真系统中的参数来指导实际应用场景中激光投射模组的设计。并且，通过仿真系统来实现对激光投射模组的仿真，一方面可以快速改变参数，使得设计方案易于优化；另一方面，相比于目前在设计出实际产品后才能展示激光投射模组的图案的方式，通过仿真系统可以在设计出产品前展示目标图案，可以在节约大量成本的基础上快速确定出合意的设计方案。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供一种激光投射模组的仿真方法，可以应用于激光投射模组的仿真系统。

请参阅图6，图6为申请实施例中提供的一种激光投射模组的仿真方法的流程图。在本实施例中，激光投射模组的仿真方法可以包括：步骤S10、步骤S20、步骤S30、步骤S40、步骤S50、步骤S60和步骤S70。

在使用激光投射模组的仿真系统进行激光投射模组的设计时，可以执行步骤S10。

步骤S10：光源单元模拟发射光束。

示例性的，光源单元模拟发射光束。例如，光源单元为VCSEL光源模型时，可以确定出VCSEL光源模型的点阵参数，其中，点阵参数表示的每个点指代一个子光源，且所述点阵参数可调节；并根据点阵参数，模拟发射光束。

光源单元模拟发射的光束具有一定的发散角，为了保证在一定程度上的光束的平行(例如光束的发散角在0.5°的误差范围内)，可以对光源单元模拟发射的光束进行准直，此时，涉及到光束在光源单元与准直镜单元之间的传输，可以执行步骤S20。

步骤S20：第一光学模型确定光束经准直镜单元准直后的光束入射到DOE单元的入射角。

示例性的，第一光学模型采用小孔成像原理，因此，在光束传输到准直镜单元时，实现小孔成像。基于此，第一光学模型确定光束经准直镜单元准直后的光束入射到DOE单元的入射角。示例性的，第一光学模型可以确定出光源单元的高度、准直镜单元的焦距，以及准直镜单元与DOE单元之间的投射距离，并根据高度、焦距和投射距离，确定出入射角，具体过程可参阅前文。

那么确定出入射角后，可以执行步骤S30。

步骤S30：准直镜单元对光源单元发射的光束进行准直。

示例性的，准直镜单元可以对光源单元发射的光束进行准直，从而进一步根据第一光学模型确定出的入射角，向DOE单元投射光束。需要说明的是，由于光源单元模拟发射的光束可以包括多种角度的光束，因此，经准直镜单元准直后的光束也可以具有多种角度，对于不同角度的光束，对应不同的入射角，此处不作限定。

涉及到光束在准直镜单元与DOE单元之间的传输时，可以执行步骤S40。

步骤S40：第二光学模型确定准直后的光束入射到DOE单元产生的衍射类型。

示例性的，第二光学模型可以根据准直的光束、入射角和DOE单元中光栅的周期，确定出衍射类型，具体的确定衍射类型的过程可以参阅前文，此处不再赘述。

确定出衍射类型后，可以执行步骤S50。

步骤S50：DOE单元基于准直的光束投射散斑图。

示例性的，DOE单元可以基于准直的光束投射散斑图。例如，在DOE单元具有可调节的点阵排列参数时，DOE单元可以根据点阵排列参数和准直的光束，向目标空间投射散斑图。

而后，可以执行步骤S60。

步骤S60：第三光学模型根据入射角，确定出散斑图在投射屏单元所在平面的坐标。

在本实施例中，第三光学模型可以根据入射角确定出散斑图在投射屏单元所在平面的坐标。示例性的，在衍射类型为夫琅禾费衍射时，第三光学模型可以确定出DOE单元与投射屏单元之间的投影距离，其中，投影距离可调节；根据波矢向量在波矢空间中的关系、入射角，以及光栅方程，确定出DOE单元的出射波矢在波矢空间中的极角；根据极角、投影距离和投影原理，确定出散斑图在投射屏单元所在平面的坐标。具体的过程可以参阅前文，此处不再赘述。

确定出散斑图在投射屏单元所在平面的坐标后，可以执行步骤S70。

步骤S70：投射屏单元基于坐标展示该平面上的散斑图。

在本实施例中，投射屏单元可以基于确定出的坐标展示该平面上的散斑图。

示例性的，为了提高仿真系统的精准性和激光投射模组在实际工作中的稳定性，在激光投射模组的仿真系统包括温度调整模型时，温度调整模型可以确定出预设的温度参数，并根据温度参数，以及根据波长与温度之间的关系，对展示的散斑图进行调整。具体的调整过程可以参阅前文中的介绍，此处不再赘述。

请参阅图7，图7为本申请实施例提供的一种通过DOE单元的点阵排列参数得到散斑图的示意图。

示例性的，点阵参数控制VCSEL光源的点阵形态，点阵参数中包含每个子光源的坐标信息，VCSEL光源以一定的发散角入射到焦距为f的准直镜后被准直，进入DOE(即衍射光学元件)中，而DOE的点阵排列参数控制DOE的点阵排列，此处DOE是3×5排列，且衍射级次之间无错位，最后出射光束以投影的方式向目标空间中投射散斑图案。可看出最终的散斑图案是VCSEL光源被准直镜准直后，以夫琅禾费衍射形式，按照衍射光学元件方式排布的排列的。

请参阅图8，图8为本申请实施例提供的另一种通过DOE单元的点阵排列参数得到散斑图的示意图。

图8与图7的差异在于，DOE的点阵排列不同(即点阵排列参数不同)，可看出DOE的点阵排列在列方向上存在1/4的错位，而行方向则没有。因此，最终得到的散斑图案也有所不同，且受DOE的点阵排列的影响。这样错位设计的好处在于可以增加激光散斑的局部随机性，确保局部区域的散斑具有唯一性，提高匹配精度，从而有利于深度信息的准确计算。

需要说明的是，上述所列举的DOE的点阵排列参数不同而得到不同的散斑图的情况，仅为多种情况中的两种，不应视为对本申请的限定。

综上所述，本申请实施例提供一种激光投射模组的仿真系统及方法，通过光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元、第一光学模型、第二光学模型和第三光学模型构建激光投射模组的仿真系统，以实现对激光投射模组的仿真，从而能够通过对仿真系统中单元和/或模型的调整，模拟与应用场景相匹配的各种参数(例如通过DOE单元与投射屏单元之间的不同距离来适应不同应用场景)，从而得到需要的散斑图(不同的应用场景通常对应不同的散斑图案设计)。而散斑图的排布与准直镜和衍射光学元件密切相关，因此，可以通过仿真系统中的参数来指导实际应用场景中激光投射模组的设计。并且，通过仿真系统来实现对激光投射模组的仿真，一方面可以快速改变参数(例如光源单元的点阵排列，DOE单元的点阵排布，投影距离等)，使得设计方案易于优化；另一方面，相比于目前在设计出实际产品后才能展示激光投射模组的图案的方式，通过仿真系统可以在设计出产品前展示目标图案，可以在节约大量成本的基础上快速确定出合意的设计方案。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种激光投射模组的仿真系统，其特征在于，包括光源单元、准直镜单元、DOE单元、投射屏单元、所述光源单元与所述准直镜单元之间的第一光学模型、所述准直镜单元与所述DOE单元之间的第二光学模型、所述DOE单元与所述投射屏单元之间的第三光学模型，

所述光源单元，用于模拟发射光束；

所述第一光学模型，用于确定所述光束经所述准直镜单元准直后的光束入射到所述DOE单元的入射角；

所述准直镜单元，用于对所述光源单元发射的光束进行准直；

所述第二光学模型，用于确定准直后的光束入射到所述DOE单元产生的衍射类型；

所述DOE单元，用于基于准直的光束投射散斑图；

所述第三光学模型，用于根据所述入射角和所述衍射类型，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标；

所述投射屏单元，用于基于所述坐标展示该平面上的散斑图。

2.根据权利要求1所述的激光投射模组的仿真系统，其特征在于，所述光源单元采用具有多个子光源的VCSEL光源模型。

3.根据权利要求1所述的激光投射模组的仿真系统，其特征在于，所述第一光学模型的原理为小孔成像原理，所述第一光学模型，具体用于：

确定出所述光源单元的高度、所述准直镜单元的焦距，以及所述准直镜单元与所述DOE单元之间的投射距离，并根据所述高度、所述焦距和投射距离，确定出所述入射角。

4.根据权利要求1所述的激光投射模组的仿真系统，其特征在于，所述第二光学模型，具体用于：

根据准直的光束、所述入射角和所述DOE单元中光栅的周期，确定出所述衍射类型。

5.根据权利要求1所述的激光投射模组的仿真系统，其特征在于，所述DOE单元的点阵为规则排列点阵或不规则排列点阵。

6.根据权利要求1所述的激光投射模组的仿真系统，其特征在于，在所述衍射类型为夫琅禾费衍射时，所述第三光学模型，具体用于：

确定出所述DOE单元与所述投射屏单元之间的投影距离；

根据波矢向量在波矢空间中的关系、所述入射角，以及光栅方程，确定出所述DOE单元的出射波矢在波矢空间中的极角；

根据所述极角、所述投影距离和投影原理，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标。

7.根据权利要求1所述的激光投射模组的仿真系统，其特征在于，所述激光投射模组的仿真系统，还包括：

温度调整模型，用于根据波长与温度之间的关系，对展示的散斑图进行调整。

8.一种激光投射模组的仿真方法，其特征在于，应用于权利要求1至7中任一项所述的激光投射模组的仿真系统，所述方法包括：

所述光源单元模拟发射光束；

所述第一光学模型确定所述光束经所述准直镜单元准直后的光束入射到所述DOE单元的入射角；

所述准直镜单元对所述光源单元发射的光束进行准直；

所述第二光学模型确定准直后的光束入射到所述DOE单元产生的衍射类型；

所述DOE单元基于准直的光束投射散斑图；

所述第三光学模型根据所述入射角，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标；

所述投射屏单元基于所述坐标展示该平面上的散斑图。

9.根据权利要求8所述的激光投射模组的仿真方法，其特征在于，所述光源单元为VCSEL光源模型，所述光源单元模拟发射光束的方式为：

确定出所述VCSEL光源模型的点阵参数，其中，点阵参数表示的每个点指代一个子光源，且所述点阵参数可调节；

根据所述点阵参数，模拟发射光束。

10.根据权利要求8所述的激光投射模组的仿真方法，其特征在于，所述第一光学模型的原理为小孔成像原理，所述第一光学模型确定所述入射角的方式为：

确定出所述光源单元的高度、所述准直镜单元的焦距，以及所述准直镜单元与所述DOE单元之间的投射距离；

根据所述高度、所述焦距和所述投射距离，确定出所述入射角。

11.根据权利要求8所述的激光投射模组的仿真方法，其特征在于，所述DOE单元具有可调节的点阵排列参数，所述DOE单元基于所述准直的光束投射散斑图的方式为：

根据所述点阵排列参数和准直的光束，向目标空间投射散斑图。

12.根据权利要求8所述的激光投射模组的仿真方法，其特征在于，所述衍射类型为夫琅禾费衍射，所述第三光学模型根据所述入射角，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标的方式为：

确定出所述DOE单元与所述投射屏单元之间的投影距离，其中，所述投影距离可调节；

根据波矢向量在波矢空间中的关系、所述入射角，以及光栅方程，确定出所述DOE单元的出射波矢在波矢空间中的极角；

根据所述极角、所述投影距离和投影原理，确定出所述散斑图在所述投射屏单元所在平面的坐标。

13.根据权利要求8所述的激光投射模组的仿真方法，其特征在于，在所述方法应用于权利要求7所述的激光投射模组的仿真系统时，所述方法还包括：

确定出预设的温度参数；

根据所述温度参数，以及根据波长与温度之间的关系，对展示的散斑图进行调整。

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