CN111929703A - 光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器 - Google Patents

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Abstract

一种光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器。该光处理组件适于一发射光源，其中该发射光源用于发射一探测光至一目标视场，其中该发射光源包括多个光源单元，并且各该光源单元被按照预定的时序点亮。该光处理组件包括：至少一光整形器，其中该至少一光整形器被配置，用于对该发射光源的各个该光源单元发射的探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将各个该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和一匀光器，其中该匀光器被配置，用于匀化各个该光源单元发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中该匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在该目标视场内形成连续均匀的照明区域。

Description

光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器
技术领域
本发明涉及三维传感技术领域，尤其涉及一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器。
背景技术
目前，在三维传感技术的主流方案中，ToF（Time of flight，飞行时间）依靠体积小、误差低、直接输出深度数据与抗干扰性强等优势受到诸如智能手机等行业的广泛关注和应用。从技术实现方式来分，ToF有两种，一是直接测距dToF，即通过发射、接收光并测量光子飞行时间从而确定距离；二是市面上很成熟的非直接测距iToF，即通过测量发射波形和接收波形间的相位差换算飞行时间从而确定距离。其中，dToF通过对光进行高频调制之后再进行发射，脉冲重频非常高，脉宽能达到ns~ps量级，能够在极短的时间内获得很高的单脉冲能量，在保持电源低功耗的同时还能够增加信噪比，能够实现较远的探测距离，减少环境光对测距精度的影响，降低了对检测器件的灵敏度和信噪比的要求。同时dToF高频率，窄脉宽的特性使其平均能量很小，能够保证人眼安全。另外，dToF直接通过测量光子飞行时间确定距离，无需换算，能进一步节省算力，快速响应。
由于ToF的感测能力和特有优势还可以支持各种功能，在计算机、家用电器和工业自动化、服务机器人、无人机、物联网等领域，都有广阔的应用前景。ToF技术除了应用在手机上之外，也在VR/AR手势交互、汽车电子ADAS、安防监控以及新零售等多个领域都开始大显身手，应用前景十分广阔。与此同时，智能终端的信息需求也对ToF装置的信息获取能力提高了要求，而现有的ToF装置在能耗、探测范围、探测深度等方面还存在较大的缺陷。
现有技术的ToF装置的发射装置的光能利用率较低，导致ToF装置能够获取的真实有效的数据较少，从而使得ToF装置存在数据准确性不高，探测范围小等问题。
发明内容
本发明的一个主要优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中所述ToF发射装置划分目标区域为多个分区，并周期性地探测各分区的深度信息，有利于提高所述ToF发射装置的探测性能。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述ToF发射装置通过分区检测的方式探测各分区的深度信息，有利于扩大所述ToF发射装置的探测范围和/或探测深度。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述光处理组件中匀光器的匀光角能够调整探测光的照射范围，以在目标视场内形成连续均匀的照明区域，有助于提高所述ToF深度信息探测器的探测精度和探测质量。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述ToF发射装置能够在较低功耗的情况下实现较远距离的探测。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器可被应用在智能手机中，以满足日趋多样化的应用对后置和前置三维深度信息探测的需求。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器可被应用在VR/AR中，以满足不断提升的对动作捕捉和识别，以及对环境感知和建模的需求。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器的感测能力和特有优势支持各种功能，包括各种创新用户界面的手势感测或接近检测，在计算机、家用电器和工业自动化、服务机器人、无人机、物联网等领域，都有广阔的应用前景。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述TOF发射装置包括一光整形器，其中所述光整形器收窄发射光源各分区在指定方向的发散角度，并将该分区光束的中心传播方向导向分区预设中心角度，有利于提高光能利用率。
本发明的另一个优势在于提供一光处理组件、ToF发射装置以及ToF深度信息探测器，其中，在本发明的一实施例中，所述TOF发射装置的光整形器和匀光器为一体式结构，有利于缩小所述TOF发射装置的体积，降低装调难度。
本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。
依本发明的一个方面，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明的一光处理组件，适于一发射光源，其中所述发射光源用于发射一探测光至一目标视场，其中所述发射光源包括多个光源单元，并且各所述光源单元被按照预定的时序点亮，其中所述光处理组件包括：
至少一光整形器，其中所述至少一光整形器被配置，用于对所述发射光源的各个所述光源单元发射的探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将各个该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和
一匀光器，其中所述匀光器被配置，用于匀化各个所述光源单元发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中所述匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域。
根据本发明的一实施例，所述匀光器包括多个匀光单元，其中各所述匀光单元用于匀化对应的所述光源单元所发射的该探测光。
根据本发明的一实施例，所述匀光器的所述匀光单元的匀光角等于第一角度与第二角度之差，其中所述第一角度为相邻的所述光源单元发出的探测光在经过所述光处理组件处理后形成的相邻照明区域之间不产生间隙所需的最小照明角度；其中所述第二角度为所述光源单元发出的探测光仅经过所述光整形器的整形后形成的照明角度。
根据本发明的一实施例，所述匀光器的所述匀光单元的匀光角满足以下关系：
Figure 139965DEST_PATH_IMAGE001
Figure 3884DEST_PATH_IMAGE002
其中，θH和θV分别表示所述匀光器的各个匀光单元在第一方向和第二方向上的匀光角；Nx和Ny分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的数量；W和H分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的尺寸；x和y分别为相邻的所述光源单元在第一方向和第二方向上的间隔距离；FOVH和FOVV分别为在第一方向和第二方向上的总视场角；i和j分别为所述光源单元在第一方向和第二方向上的分区序号。
根据本发明的一实施例，所述光整形器的焦距满足以下关系：
Figure 910661DEST_PATH_IMAGE003
Figure 65698DEST_PATH_IMAGE004
其中，Nx和Ny分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的数量；W和H分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的尺寸；x和y分别为相邻的所述光源单元在第一方向和第二方向上的间隔距离；FOVH和FOVV分别为在第一方向和第二方向上的总视场角。
根据本发明的一实施例，所述匀光器包括一整片匀光片，以用于匀化所述发射光源所发射的所有探测光。
根据本发明的一实施例，所述光整形器适于被设置于所述匀光器和所述发射光源之间，用于使所述发射光源发射的该探测光在被所述光整形器预整形后投射至所述匀光器。
根据本发明的一实施例，所述匀光器适于被设置于所述发射光源和所述光整形器之间，用于使所述发射光源发射的该探测光在被所述匀光器匀化后投射至所述光整形器。
根据本发明的一实施例，所述光整形器和所述匀光器是两个独立的部件或形成一个整体的部件。
根据本发明的一实施例，所述光整形器具有一光入射面和一光出射面，其中所述匀光器的各所述匀光单元被设置于所述光整形器的所述光出射面。
根据本发明的一实施例，所述匀光器的所述匀光单元通过压印的方式被设置于所述光整形器的所述光出射面。
根据本发明的一实施例，所述匀光器为基于光折射的匀光片。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一ToF发射装置，供发射一探测光至一目标视场，包括：
一发射光源，其中所述发射光源用于按照一定次序以分区发射的方式周期性地发射该探测光，以点亮该目标视场；和
一光处理组件，其中所述光处理组件包括：
至少一光整形器，其中所述至少一光整形器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于对所述发射光源发射的该探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和
一匀光器，其中所述匀光器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于匀化所述发射光源发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中所述匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域。
根据本发明的一实施例，所述发射光源包括多个光源单元，其中各所述光源单元可被按照预定的时序点亮，使得所述光源单元发射的该探测光经由所述匀光器向外投射形成该目标视场。
根据本发明的一实施例，所述匀光器包括多个匀光单元，其中各所述匀光单元用于对应地匀化所述光源单元所发射的该探测光，或者所述匀光器包括一整片匀光片，用于匀化所述发射光源所发射的所有探测光。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一ToF深度信息探测器，包括：
一ToF发射装置，其中所述ToF发射装置被配置，用于发射一探测光至一目标视场，其中所述ToF发射装置包括：
一发射光源，其中所述发射光源用于按照一定次序以分区发射的方式周期性地发射该探测光，以点亮该目标视场；和
一光处理组件，其中所述光处理组件包括：
至少一光整形器，其中所述至少一光整形器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于对所述发射光源发射的该探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和
一匀光器，其中所述匀光器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于匀化所述发射光源发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中所述匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域；和
一接收装置，其中所述接收装置接收所述目标视场内所述探测光的反射光，以获取所述目标视场的深度信息。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1是根据本发明的一较佳实施例的一ToF深度信息探测器的示意图。
图2A和图2B是根据本发明的上述较佳实施例的所述ToF深度信息探测器的一ToF发射装置的示意图。
图2C是根据本发明的上述较佳实施例的所述ToF发射装置的另一可选实施方式的示意图。
图3A是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置的一发射光源的分区示意图。
图3B是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置的一匀光器结构示意图。
图4A至图4G是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置分区的光路图和一个周期的光路图。
图5A和图5B是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置的照明区域的示意图。
图6A和图6B分别示出了根据本发明的上述较佳实施例的所述匀光器中匀光单元在第一方向和第二方向上的匀光角的示意图。
图7A和7B分别示出了根据本发明的上述较佳实施例的所述发射光源中光源单元和对应的照明区域的分布示意图。
图8是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置的另一可选实施方式的示意图。
图9是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置的一光处理组件的另一可选实施方式的示意图。
图10是根据本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置的一光处理组件的另一可选实施方式的示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、 “横向”、 “上”、“下”、 “前”、 “后”、 “左”、 “右”、 “竖直”、 “水平”、 “顶”、 “底”、 “内”、 “外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参照本发明说明书附图之图1至图5B所示，依照本发明一较佳实施例的一ToF深度信息探测器在接下来的描述中被阐明。所述ToF深度信息探测器包括一ToF发射装置100和一接收装置200，所述ToF发射装置100与所述接收装置200被通信地连接，其中所述ToF发射装置100被配置为发射探测光至一目标视场110，所述目标视场110中被探测物的反射光被所述接收装置200接收，以得到所述被探测物的深度探测信息。
参照本发明说明书附图之图2A至图5B所示，所述ToF发射装置100适于一ToF深度信息探测器，其中所述ToF发射装置100以分区发射的方式发射一探测光至一目标视场110，所述ToF发射装置100将所述目标视场110划分成特定的分区排布，并按照预定的时序照明各分区。换言之，所述ToF深度信息探测器在不同时刻探测所述目标视场110的不同分区，在一个周期内完成对所述目标视场的探测。
如图2 A至图3B所示，所述ToF发射装置100包括一发射光源10和一光处理组件20，其中所述发射光源10被配置为以分区发射的方式按照预定的时序发射所述探测光，所述光处理组件20被设置于所述发射光源10光照射方向，所述发射光源10发射的所述探测光经由所述光处理组件20向外投射，形成所述目标视场110。所述光处理组件20调制所述发射光源10向外发射的所述探测光，在所需的视场角范围内形成均匀的光场对所述目标视场110进行照明。
优选地，在本发明的该优选实施例中，所述ToF发射装置100的所述发射光源10被实施为一分区的VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直共振腔面射型激光）光源。所述发射光源10包括多个光源单元11，其中各所述光源单元11可被按照预定的时序点亮，单一的所述光源单元11发射的所述探测光经由所述光处理组件20向外投射形成一目标视场区间101。在一个周期内，所述发射光源10的各所述光源单元11按照预定的时序发射所述探测光，并且所述探测光经过所述光处理组件20形成的所述目标视场区间101组合成所述目标视场110。
本领域技术人员可以理解的是，所述发射光源10发射所述探测光时，所述发射光源10的一个所述光源单元11被点亮，而所述发射光源10的其它光源单元11未被点亮。在一个探测周期内，每次点亮操作只点亮所述发射光源10的一个或多个所述光源单元11，如每次只点亮一个所述光源单元11，能够大幅地减少所述发射光源10探测时的能耗。所述发射光源10的各所述光源单元11通过所述光处理组件20形成的所述目标视场区间101组合形成所述目标视场110，使得所述ToF发射装置100在低功耗的情况下能够提升探测距离，扩大所述ToF发射装置100的探测视场范围。
可以理解的是，在本发明的该优选实施例中，所述发射光源10的所述光源单元11被集成于一光源芯片。可选地，在本发明的其他可选实施例中，所述发射光源10被以分区的方式形成各所述光源单元11，并且所述发射光源10具有多种分区方式，可以是均匀分区，即通过分区形成的各所述光源单元11的形状大小都相同；或者非均匀分区，即通过分区形成的各所述光源单元11的形状大小不尽相同。
示例性地，所述发射光源10被均匀地分区为2*2、4*4、2*6、1*12个光源单元11，其中每所述光源单元11对应于所述光处理组件20的不同区域。如图3A示出了所述发射光源10的一种实施方式。
所述光处理组件20进一步包括一匀光器21和至少一光整形器22，其中所述匀光器21被设置于所述发射光源10的光照射方向，所述匀光器21被配置为在预设角度范围内匀化所述发射光源10发射的所述探测光，并向外投射所述探测光形成一目标视场。所述光处理组件20的所述光整形器22位于所述匀光器21的光入射方向，其中所述光整形器22被配置为收窄所述发射光源10各分区发射的探测光的发散角度。可以理解的是，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22被实施为一预整形元件，其中所述光整形器22被设置于所述匀光器21的光入射方向，借以所述光整形器22收窄所述发射光源10的各分区在竖直方向的发散角度，并将所述光源10的各分区光束的中心传播方向导向分区预设的中心角度。
与所述发射光源10的分区相对应，所述匀光器21也具有相应的分区结构，所述匀光器21的各分区结构具有不同的设计和微结构，并且所述匀光器21的分区结构分别对所述发射光源10的各所述光源单元11发出的光束进行调制，将所述光源单元11发射的光束在指定范围内进行匀化。
所述匀光器21包括多个匀光单元211，其中各所述匀光单元211对应于所述发射光源10的所述光源单元11，所述匀光单元211调制所述发射光源10的至少一所述光源单元11所发射的探测光，并且各所述匀光单元211在特定的范围内匀化所述光源单元11所发射的所述探测光。优选地，在本发明的该优选实施例中，所述发射光源10的所述光源单元11的数量与所述匀光器21的所述匀光单元211的数量相同，并且各所述匀光单元211与所述光源单元11一一对应。本领域技术人员可以理解的是，所述匀光器21的所述匀光单元211的分区数与所述光源单元11的数量不同，例如，两个所述光源单元11对应于同一个所述的匀光单元211。
如图2A和图2B所示，所述发射光源10被均匀地分区为2*2个所述光源单元11（11a、11b、11c、11d），所述匀光器21被均匀地分区为2*2个所述匀光单元211（211a、211b、211c、211d），其中所述发射光源10的各所述光源单元11以一定时序周期性地被点亮，其中所述光源单元11a发射的探测光经由所述光整形器22被投射至所述匀光单元211c，其对应形成所述目标视场区间101c；所述光源单元11b发射的探测光经由所述光整形器22被投射至所述匀光单元211d，其对应形成所述目标视场区间101d；所述光源单元11c发射的探测光经由所述光整形器22被投射至所述匀光单元211a，其对应形成所述目标视场区间101a；所述光源单元11d发射的探测光经由所述光整形器22被投射至所述匀光单元211b其对应形成所述目标视场区间101b。需要指出的是，这里的光源单元11、匀光单元211与目标视场区间101的对应关系仅为一个示例，不做具体限制。
参照本发明说明书附图之图2C所示，依照本发明的另一方面，示出了所述ToF发射装置100的所述匀光器21的另一可选实施方式，其中所述ToF发射装置100的所述匀光器21与上述分区结构不同的是，所述匀光器21为一体式且不分区的结构。可以理解的是，不分区的所述匀光器21结构相较于分区式的所述匀光器21更加简单，其中所述匀光器21与分区式的所述匀光器21的功能相同，并且在本发明的该优选实施例中，所述匀光器21在与所述发射光源10的所述光源单元11安装时无需所述匀光器21和所述发射光源10对位地安装，简化了所述匀光器21和所述发射光源10的安装过程。所述匀光器21具有一匀光器入射面201和一匀光器出射面202，其中所述光源单元11发射的所述探测光经由所述匀光器入射面201入射到所述匀光器21的各所述匀光单元211，调制后的所述探测光经由所述匀光器出射面202以特定的角度向外出射。
如图4A至图4G所示，所述发射光源10的各分区的所述光源单元11在一个周期内按照特定的次序被点亮，所述光源单元11发射的探测光经由所述光整形器22投射至所述匀光器21，其中所述匀光器21的各分区的所述匀光单元211调制对应分区的所述光源单元11发射的所述探测光，从而完成整个所述目标视场110的探测照明。示例性地，所述ToF发射装置100总的FOV在（30°~150°）*（30°~150°），特别地在本发明的该优选实施例中，所述ToF发射装置100的FOV为72°*60°。
值得一提的是，所述光处理组件20的具体实施方式不受限制，例如但不限于所述光处理组件20的所述匀光器21可以采用基于衍射的方法对所述探测光进行调制，即所述光处理组件20的所述匀光器21可以为DOE匀光片。
当然，传统的基于散射原理的匀光片也能够被应用于对所述探测光的调制，其主要是在匀光片基材中加入化学颗粒作为散射粒子，使得光线在经过匀光层时不断地在两个折射率相异的介质中发生折射、反射和散射，以此产生光学匀光的效果。然而，这种基于散射原理的匀光片将不可避免地存在散射粒子对光的吸收，造成光能利用率低，并且光场不可控，很难灵活地按照指定要求形成指定的光场分布，还容易出现光场不均匀和存在“热点”的现象。
优选地，根据本发明的上述实施例，如图2B所示，所述光处理组件20的所述匀光器21可以被实施为基于光折射原理的匀光片，并且所述匀光器21可以被划分为多个所述匀光单元211，所述匀光器21的所述匀光单元211的数量和所述发射光源10的所述光源单元11的数量相同，一个所述匀光单元211对应一个所述光源单元11。可以理解的是，基于光折射原理的匀光片可以是基于微透镜阵列进行匀光，即通过微透镜阵列表面的微凹凸结构使光线经过时发生不同方向的折射，实现对光的匀化。由于此类型的匀光完全是基于自身表面的微结构对光的折射作用，不存在散射型匀光片中散射粒子对光的吸收，因此光能利用率高，并且通过改变微透镜阵列的形状和排布就可以调整匀光角度、光场的空间和能量分布，具有极大的灵活性。
更优选地，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22沿所述发射光源10的光发射方向被设置于所述发射光源10和所述匀光器21之间，借以所述光整形器22对所述发射光源10投射至所述匀光器21的探测光进行光场预整形。所述匀光器21调制所述发射光源10向外发射的所述探测光，在所需的视场角范围内形成均匀的光场对所述目标视场110进行照明。
可以理解的是，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22被实施为一预整形元件，其中所述光整形器22被设置于所述匀光器21的光入射方向，借以所述光整形器22收窄所述发射光源10的各分区探测光在竖直方向的发散角度，并将所述发射光源10的各分区光束的中心传播方向导向分区预设的中心角度。
示例性地，如图3A所示，所述发射光源10沿竖直方向被分区成12个所述光源单元11，其中各光源单元11以特定的次序周期性地被点亮，所述发射光源10的具体参数如下表所示。
分区 1*12
波长 940nm±6nm
单点出光孔径 15um
单点大小 30um
光形 donut
发散角 25度
分区尺寸 2*0.08mm
总尺寸 2*1.5mm
所述匀光器21包括多个匀光单元211，其中各所述匀光单元211对应于所述发射光源10的所述光源单元11，所述匀光单元211调制所述发射光源10的至少一所述光源单元11所发射的探测光，并且各所述匀光单元211在特定的范围内匀化所述光源单元11所发射的所述探测光。所述匀光器21各分区的所述匀光单元211被用于匀化由所述光整形器22整形后的所述探测光，以使所述发射光源10发射的所述探测光能够均匀地照明各所述目标视场区间101，以保证所述ToF深度信息探测器的光能利用率。
如图3B所示，所述匀光器21具有一匀光器入射面201和一匀光器出射面202，其中所述光源单元11发射的所述探测光经由所述匀光器入射面201入射到所述匀光器21的各所述匀光单元211，调制后的所述探测光经由所述匀光器出射面202向外出射。
优选地，在本发明的该优选实施例中，所述匀光器21采用规则或随机微透镜阵列，当所述匀光器21采用随机微透镜阵列时，各所述匀光单元211的微透镜结构各不相同。在本发明的该优选实施例中，所述匀光器21的各所述匀光单元211的微透镜的面型，可以表示为：
Figure 538268DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 120559DEST_PATH_IMAGE006
为基础非球面项，其中c是曲率，k是圆锥系数；
Figure 471556DEST_PATH_IMAGE007
为扩展多项式，其中N是多项式的个数，Ai是第i个扩展多项式
项的系数。多项式Ei(x,y)是x和y的幂级数。 第一项是x，然后是y，然后是x*x，x*y，y*y，……，等等。在本发明的该优选实施例中，所述匀光器21的所述匀光器出射面202为平面。
本领域技术人员可以理解的是，所述匀光器21的各所述匀光单元211采用不同的面型参数，所述发射光源10的各所述光源单元11发射的探测光经由不同分区的各所述匀光单元211的调制，相应的所述光源单元11发射的所述探测光均匀地照明对应的所述目标视场区间101。
所述光整形器22对所述发射光源10的各所述光源单元11发出的所述探测光进行整形，其中所述光整形器以特定方向偏折所述探测光并压缩所述探测光的发散角度，并将整形后的所述探测光投射至各所述光源单元11所对应的所述匀光器21的各所述匀光单元211，借以各所述匀光单元211向外投射形成所述目标视场110。所述光整形器22被配置为收窄所述发射光源10各分区的所述光源单元11所发射的探测光在竖直方向的发散角度，并将该分区的所述光源单元11光束的中心传播方向导向分区预设中心角度。
值得一提的是，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22可以为但不限于球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜、DOE光束整形器等。本领域技术人员可以理解的是，所述光整形器22的具体类型和种类在此仅仅作为示例，而非限制，因此，在本发明的其他可选实施方式中，所述光整形器22还可被实施为其他类型的准直透镜。值得一提的是，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22被配置为以特定的方向导引所述探测光并压缩所述探测光的发散角，并将由所述光整形器22整形后的所述探测光投射至所述匀光器21。
如下表所示，作为示例地，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22采用一非球面透镜，其中所述光整形器的参数如下：
Figure 164705DEST_PATH_IMAGE008
如图4A至图4F示出了所述发射光源10的第1、3、5、7、9、11分区的所述光源单元11发射的所述探测光形成的光路图。如图4G示出了所述发射光源10的各分区的所述光源单元11按照特定的次序在一个探测周期形成的光路图。本领域技术人员可以理解的是，所述发射光源10的所述光源单元11发射的探测光经由所述光整形器22和所述匀光器21后形成一个长边沿水平方向的长方形的所述目标视场区间101。如图5A和图5B示出了所述发射光源10的一个所述光源单元11形成的单个的所述目标视场区间101，和由多个所述光源单元11形成的所述目标视场区间101组合成的所述目标视场110。示例性地，12个分区的整体照明区域如图5B，所述ToF发射装置的FOV在（30°~150°）*（30°~150°），特别地在本发明的该优选实施例中，所述ToF发射装置100的FOV为72°*60°。
所述光整形器22具有一光入射面221和一光出射面222，其中所述发射光源10发射的探测光经由所述光入射面221入射至所述光整形器22，其中所述光整形器22将整形后的探测光经所述光出射面222出射至所述匀光器21。所述光整形器22为非球面透镜（或球面透镜），其中所述光整形器22所述光入射面221为非球面（或球面），所述光整形器22的所述光出射面222为平面或曲面。
值得一提的是，在本发明的上述实施例中，所述光处理组件20的所述匀光器21在匀化所述发射光源10发射的探测光，并向外投射该探测光以形成所述目标视场的同时，所述匀光器21的匀光角可以用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域，有助于提高所述ToF深度信息探测器的探测精度和探测质量。换言之，所述匀光器21能够在指定的目标范围内形成连续均匀的照明区域，并且所述匀光器21的所述匀光角是指经所述匀光器21向外投射的探测光的发散角相较于照射到所述匀光器21的入射光的发散角的扩展角度，即通过所述匀光器21的匀光角能够调整照明的范围，使得相邻的所述照明区域之间不存在间隙。
优选地，所述匀光器21的所述匀光单元211可以用于调整经由对应的所述光源单元11发射的该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的完整照明区域，有助于提高所述ToF深度信息探测器的探测精度和探测质量。
更优选地，所述匀光器21的所述匀光单元211的匀光角等于第一角度与第二角度之差，其中所述第一角度为相邻的所述光源单元11发出的探测光在经过所述光处理组件20处理后形成的相邻照明区域之间不产生间隙所需的最小照明角度；其中所述第二角度为所述光源单元11发出的探测光仅经过所述光整形器22的整形后形成的照明角度。
示例性地，附图6A和6B分别示出了所述光处理组件20的所述匀光器21中匀光单元211在第一方向和第二方向上的匀光角的示意图，其中θH和θV分别表示所述匀光器的所述匀光单元在第一方向和第二方向上的匀光角；θ1H和θ1V分别表示在第一方向和第二方向上的所述第一角度（即照射至所述匀光器21的入射光的发散角）；θ2H和θ2V分别表示在第一方向和第二方向上的所述第二角度（即经所述匀光器21匀化后的探测光的发散角）。因此，所述匀光器21的所述匀光单元211的所述匀光角与所述第一角度和所述第二角度之间的关系如下：
Figure 960623DEST_PATH_IMAGE009
；
更进一步地，举例地，附图7A示出了所述发射光源10的所述光源单元11的分布示意图，其中所述发射光源10共有Nx*Ny个所述光源单元11，即Nx和Ny分别为所述发射光源10的所述光源单元11在第一方向（如水平方向）和第二方向（如竖直方向）上的数量；并且每个所述光源单元11在第一方向和第二方向上的尺寸分别为W和H，相邻的所述光源单元11在第一方向和第二方向上的间隔距离分别为x和y。对应地，附图7B示出了所述目标视场中对应的照明区域的分布示意图，其中所述目标视场在第一方向和第二方向上的总视场角分别为FOVH和FOVV；并且所述照明区域在第一方向和第二方向上的数量分别为Nx和Ny。
值得注意的是，为了能够保证所述目标视场内的照明均匀性，并且所述目标视场内相邻的照明区域是连续的、不存在间隙，使得整个所述目标视场内的照度都是平滑连续的。与此同时，为了避免出现照明盲区，降低漏测、误测概率，提升探测精度，增大探测距离，降低装调公差的敏感性，提高系统的鲁棒性，本发明的所述光处理组件20的所述匀光器21的所述匀光单元211的匀光角优选地满足以下关系：
Figure 244974DEST_PATH_IMAGE010
Figure 375610DEST_PATH_IMAGE011
其中，θH和θV分别表示所述匀光器的各个匀光单元在第一方向和第二方向上的匀光角；Nx和Ny分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的数量；W和H分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的尺寸；x和y分别为相邻的所述光源单元在第一方向和第二方向上的间隔距离；FOVH和FOVV分别为在第一方向和第二方向上的总视场角；i和j分别为所述光源单元在第一方向和第二方向上的分区序号。
可以理解的是，所述匀光器21各个所述匀光单元211的匀光角可以保持一致（相同），也可以存在差别，本发明对此不再赘述。
更优选地，所述光处理组件20的所述光整形器22的焦距可以满足以下关系：
Figure 75712DEST_PATH_IMAGE012
Figure 991716DEST_PATH_IMAGE013
其中，Nx和Ny分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的数量；W和H分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的尺寸；x和y分别为相邻的所述光源单元在第一方向和第二方向上的间隔距离；FOVH和FOVV分别为在第一方向和第二方向上的总视场角。
参照本发明说明书附图之图8所示，依照本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置100A的另一可选实施方式在接下来的描述中被阐明。所述ToF发射装置100A包括一发射光源10A和一光处理组件20A，其中所述光处理组件20A进一步包括一匀光器21A和至少一光整形器22A，其中所述发射光源10A被配置为以分区发射的方式按照预定的时序发射所述探测光。所述ToF发射装置100A被配置为发射探测光至一目标视场110A，所述目标视场110A中被探测物的反射光被接收，以得到所述被探测物的深度探测信息。
与上述较佳实施例不同的是，所述光整形器22A被设置于所述匀光器21A的光出射方向，即所述匀光器21A被设置于所述发射光源10A和所述光整形器22A之间。换言之，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22A被实施为一后整形元件，其中所述光整形器22A收窄所述发射光源10A的各分区探测光通过所述匀光器21A在竖直方向的发散角度，并将所述光源10A的各分区光束的中心传播方向导向分区预设的中心角度。
所述匀光器21A具有一匀光器入射面201A和一匀光器出射面202A，其中所述光源单元11A发射的所述探测光经由所述匀光器入射面201A入射到所述匀光器21A的各所述匀光单元211A，调制后的所述探测光经由所述匀光器出射面202A以特定的角度向外出射。
所述匀光器21A被设置于所述发射光源10A光照射方向，所述发射光源10A发射的所述探测光经由所述匀光器21A投射至所述光整形器22A。值得一提的是，在本发明的该优选实施例中，所述发射光源10A、所述匀光器21A以及所述光整形器22A的结构和功能与上述第一较佳实施例的所述发射光源10、所述匀光器21以及所述光整形器22相同，不同点在于所述发射光源10A发射的探测光先经由所述匀光器21A，由所述匀光器21A匀化所述发射光源10A发射的所述探测光，其中所述匀光器21A出射所述探测光至所述光整形器22A，借以所述光整形器22A将所述发射光源10A各分区光束导向对应的角度范围。
所述光整形器22A具有一光入射面221A和一光出射面222A，其中所述发射光源10A发射的探测光经由所述匀光器21A到达所述光整形器22A的所述光入射面221A，其中所述光整形器22A将整形后的探测光经所述光出射面222A向外出射。所述光整形器22A为非球面透镜（或球面透镜），其中所述光整形器22A所述光入射面221A为非球面（或球面），所述光整形器22A的所述光出射面222A为平面或曲面结构。优选地，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22A被实施为一准直镜或准直镜组。
值得一提的是，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22A可以采用但不限于球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜、DOE光束整形器等。
参照本发明说明书附图之图9所示，依照本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置100的一光处理组件20B的另一可选实施方式在接下来的描述中被阐明。所述光处理组件20B包括一匀光器21B和设置于所述匀光器21B的至少一光整形器22B，其中所述光处理组件20B的所述匀光器21B和所述光整形器22B被做成一体式结构。所述匀光器21B被设置于所述发射光源10B的光照射方向，所述匀光器21B被配置为在预设范围内匀化所述发射光源10B发射的所述探测光，并向外投射所述探测光形成一目标视场。所述光处理组件20B的所述光整形器22B位于所述匀光器21B的光入射方向，其中所述光整形器22B被配置为收窄所述发射光源10B各分区发射的探测光的发散角度。可以理解的是，在本发明的该优选实施例中，所述光整形器22B被实施为一预整形元件，其中所述光整形器22B被设置于所述匀光器21B的光入射方向，借以所述光整形器22B收窄所述发射光源10B的各分区发射的探测光在竖直方向的发散角度，并将所述光源10B的各分区光束的中心传播方向导向分区预设的中心角度。
优选地，在本发明的该优选实施例中，所述光处理组件20B的所述匀光器21B通过压印的方式被设置于所述光整形器22B的所述光出射面222B。与所述发射光源10B的分区相对应，所述匀光器21B也具有相应的分区结构，所述匀光器21B的各分区结构具有不同的设计和微结构，并且所述匀光器21B的分区结构分别对所述发射光源10B的各所述光源单元11B发出的光束进行调制，在指定范围内进行匀化。
本领域技术人员可以理解的是，所述匀光器21B的结构在此仅仅作为示例性的，而非限制。因此，在本发明的其他可选实施方式中，所述匀光器21B也可被实施为不分区的结构，即所述匀光器21B为一体式结构。
所述匀光器21B包括多个匀光单元211B，其中各所述匀光单元211B对应于所述发射光源10B的所述光源单元11B，所述匀光单元211B调制所述发射光源10B的至少一所述光源单元11B所发射的探测光，并且各所述匀光单元211B在特定的范围内匀化所述光源单元11B所发射的所述探测光。优选地，在本发明的该优选实施例中，所述发射光源10B的所述光源单元11B的数量与所述匀光器21B的所述匀光单元211B的数量相同，并且各所述匀光单元211B正对于所述光源单元11B光投射的方向。本领域技术人员可以理解的是，所述匀光器21B的所述匀光单元211B的分区数与所述光源单元11B的数量不同，例如，两个所述光源单元11B对应于同一个所述的匀光单元211B。
所述匀光器21B具有一匀光器入射面201B和一匀光器出射面202B，其中所述光源单元11B发射的所述探测光经由所述匀光器入射面201B入射到所述匀光器21B的各所述匀光单元211B，调制后的所述探测光经由所述匀光器出射面202B以特定的角度向外出射。值得一提的是，在本发明的该优选实施例中，所述匀光器21B的结构和功能与上述第一较佳实施例相同。
值得一提的是，在本发明的该优选实施例中，所述匀光器21B和所述光整形器22B为一体式结构，可减小所述ToF发射装置100B的系统总长，缩小了所述深度信息探测器的体积，降低了装调难度。所述光整形器22B为非球面透镜（或球面透镜），其中所述光整形器22B的所述光入射面221B为非球面（或球面），所述光整形器22B的所述光出射面222B为平面或曲面结构。
本领域技术人员可以理解的是，所述光处理组件20B的所述匀光器21B被设置于所述光整形器22B的所述光出射面222B，即所述匀光器21B和所述光整形器22B被对位地固定，防止在使用过程中所述匀光器21B和所述光整形器22B发生相对位移。因此，可进一步地提高所述ToF发射装置100B在工作时的稳定性。
参照本发明说明书附图之图10所示，依照本发明上述较佳实施例的所述ToF发射装置100的一光处理组件20C的另一可选实施方式在接下来的描述中被阐明。所述光处理组件20C包括一匀光器21C和设置于所述匀光器21C的至少一光整形器22C，其中所述发射光源10C被配置为以分区发射的方式按照预定的时序发射所述探测光。与上述较佳实施例不同的是，所述ToF发射装置100C的所述光整形器22C被实施为一菲涅尔预整形器或者DOE预整形器。本领域技术人员可以理解的是，所述匀光器21C被设置于所述光整形器22C，由于所述光整形器22C为一菲涅尔预整形器或者DOE预整形器，所述ToF发射装置100C能够进一步地缩小体积。更值得一提的是，所述ToF发射装置100C的所述匀光器21C和所述光整形器22C可采用双面压印的方式制作，有利于节省制造成本，降低制造难度，提高产品的良率。
优选地，在本发明的该优选实施例中，所述ToF深度信息探测器被实施为一ToF摄像模组，即所述ToF发射装置100为所述ToF摄像模组的发射端，所述接收装置200为所述ToF摄像模组的接收端。可以理解的是，在本发明的该优选实施例中，所述ToF深度信息探测装置的具体实施方式在此仅仅作为示例性的，而非限制。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (16)

1.一光处理组件，适于一发射光源，其中所述发射光源用于发射一探测光至一目标视场，其特征在于，其中所述发射光源包括多个光源单元，并且各所述光源单元被按照预定的时序点亮，其中所述光处理组件包括：
至少一光整形器，其中所述至少一光整形器被配置，用于对所述发射光源的各个所述光源单元发射的探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将各个该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和
一匀光器，其中所述匀光器被配置，用于匀化各个所述光源单元发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中所述匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域。
2.如权利要求1所述的光处理组件，其中，所述匀光器包括多个匀光单元，其中各所述匀光单元用于匀化对应的所述光源单元所发射的该探测光。
3.如权利要求2所述的光处理组件，其中，所述匀光器的所述匀光单元的匀光角等于第一角度与第二角度之差，其中所述第一角度为相邻的所述光源单元发出的探测光在经过所述光处理组件处理后形成的相邻照明区域之间不产生间隙所需的最小照明角度；其中所述第二角度为所述光源单元发出的探测光仅经过所述光整形器的整形后形成的照明角度。
4.如权利要求3所述的光处理组件，其中，所述匀光器的所述匀光单元的匀光角满足以下关系：
Figure 414135DEST_PATH_IMAGE001
Figure 107154DEST_PATH_IMAGE002
其中，θH和θV分别表示所述匀光器的各个匀光单元在第一方向和第二方向上的匀光角；Nx和Ny分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的数量；W和H分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的尺寸；x和y分别为相邻的所述光源单元在第一方向和第二方向上的间隔距离；FOVH和FOVV分别为在第一方向和第二方向上的总视场角；i和j分别为所述光源单元在第一方向和第二方向上的分区序号。
5.如权利要求1所述的光处理组件，其中，所述光整形器的焦距满足以下关系：
Figure 526634DEST_PATH_IMAGE003
Figure 877981DEST_PATH_IMAGE004
其中，Nx和Ny分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的数量；W和H分别为所述发射光源的所述光源单元在第一方向和第二方向上的尺寸；x和y分别为相邻的所述光源单元在第一方向和第二方向上的间隔距离；FOVH和FOVV分别为在第一方向和第二方向上的总视场角。
6.如权利要求1所述的光处理组件，其中，所述匀光器包括一整片匀光片，以用于匀化所述发射光源所发射的所有探测光。
7.如权利要求1至6中任一所述的光处理组件，其中，所述光整形器适于被设置于所述匀光器和所述发射光源之间，用于使所述发射光源发射的该探测光在被所述光整形器预整形后投射至所述匀光器。
8.如权利要求1至6中任一所述的光处理组件，其中，所述匀光器适于被设置于所述发射光源和所述光整形器之间，用于使所述发射光源发射的该探测光在被所述匀光器匀化后投射至所述光整形器。
9.如权利要求1至6中任一所述的光处理组件，其中，所述光整形器和所述匀光器是两个独立的部件或形成一个整体的部件。
10.如权利要求2至4中任一所述的光处理组件，其中，所述光整形器具有一光入射面和一光出射面，其中所述匀光器的各所述匀光单元被设置于所述光整形器的所述光出射面。
11.如权利要求10所述的光处理组件，其中，所述匀光器的所述匀光单元通过压印的方式被设置于所述光整形器的所述光出射面。
12.根据权利要求1至6中任一所述的光处理组件，其中，所述匀光器为基于光折射的匀光片。
13.一ToF发射装置，供发射一探测光至一目标视场，其特征在于，包括：
一发射光源，其中所述发射光源用于按照一定次序以分区发射的方式周期性地发射该探测光，以点亮该目标视场；和
一光处理组件，其中所述光处理组件包括：
至少一光整形器，其中所述至少一光整形器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于对所述发射光源发射的该探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和
一匀光器，其中所述匀光器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于匀化所述发射光源发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中所述匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域。
14.根据权利要求13所述的ToF发射装置，其中，所述发射光源包括多个光源单元，其中各所述光源单元可被按照预定的时序点亮，使得所述光源单元发射的该探测光经由所述匀光器向外投射形成该目标视场。
15.根据权利要求14所述的ToF发射装置，其中，所述匀光器包括多个匀光单元，其中各所述匀光单元用于对应地匀化所述光源单元所发射的该探测光，或者所述匀光器包括一整片匀光片，用于匀化所述发射光源所发射的所有探测光。
16.一ToF深度信息探测器，其特征在于，包括：
一ToF发射装置，其中所述ToF发射装置被配置，用于发射一探测光至一目标视场，其中所述ToF发射装置包括：
一发射光源，其中所述发射光源用于按照一定次序以分区发射的方式周期性地发射该探测光，以点亮该目标视场；和
一光处理组件，其中所述光处理组件包括：
至少一光整形器，其中所述至少一光整形器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于对所述发射光源发射的该探测光进行光束整形，以收窄该探测光的发散角度，并将该探测光的中心传播方向导向分区预设的中心角度；和
一匀光器，其中所述匀光器被设置于所述发射光源的光照射方向，用于匀化所述发射光源发射的该探测光，并向外投射该探测光形成一目标视场区间，其中所述匀光器的匀光角用于调整该探测光的照射范围，以在所述目标视场内形成连续均匀的照明区域；和
一接收装置，其中所述接收装置接收所述目标视场内所述探测光的反射光，以获取所述目标视场的深度信息。
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