CN112394525A - 增维信息获取装置及其匀光元件和应用 - Google Patents

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Abstract

增维信息获取装置及其匀光元件和应用，其中所述增维信息获取模组包括一匀光元件、一光发射单元以及一光接收单元，其中所述光发射单元用于发射光束，其中所述匀光元件具有微透镜阵列，以供所述光束经所述匀光元件的所述微透镜阵列的调制，形成不会产生干涉而形成明暗条纹的光束，在所述光接收单元形成均匀的光场，以供所述增维信息获取装置获取增维信息。根据应用场景的需求，通过对所述匀光元件的型号规格的预设调整，满足对目标场景的光斑的形状或光强分布情况进行调控，以达到目标效果，适应于多样化的应用场景。

Description

增维信息获取装置及其匀光元件和应用
技术领域
本发明涉及摄像领域，进一步涉及一增维信息获取装置及其匀光元件和应用。
背景技术
随着数字成像技术的发展，增维信息获取装置作为一种图像传感器被广泛应用。例如，一种基于TOF(time of flight)时间飞行技术的TOF深度相机，用于获取目标场景的深度信息，以提供3D深度视觉效果，已逐渐应用于诸如手机、VR/AR手势交互、汽车、安防监控设备、智能家居、无人机以及智能机器人等领域。
简单来说，TOF深度相机通过发射出一整面的激光光束照射至一定视场角内的目标场景，光束经目标场景中的物体表面反射，并由TOF深度相机的接收器接收反射光，基于发射光与反射光之间的时间差或者相位差，获得深度信息。
可以理解的是，为了确保深度信息的完整性和可靠性，TOF深度相机发射的激光光束应按一定的光场分布照射至视场范围内，然后通过接收单元，在接收端形成均匀的光场。即，所述深度相机的发射端和接收端相配合后最终在一定视场角范围内形成均匀的光场，以获得一定视场角内的目标场景的待测量的每个点位的深度信息，减少或者避免出现盲点、坏点或缺失点等。由此可见，如何能够使TOF深度相机在一定视场角内形成均匀的光场，以供得到目标场景的待测量的位置的更为完整、可靠的深度信息，提高摄像质量，是目前亟需解决的问题之一。
发明内容
本发明的一个优势在于提供一增维信息获取装置及其匀光元件和应用，其中所述匀光元件用于使增维信息获取装置在一定视场角范围内形成均匀的光场，以供获取目标场景的更为完整、可靠的数据，以提高所述增维信息获取装置的摄像质量。
本发明的另一个优势在于提供一增维信息获取装置及其匀光元件和应用，其中所述匀光元件用于对所述增维信息获取装置发出的光束进行调制，在所需的视场角范围内形成均匀的光场。
本发明的另一个优势在于提供一增维信息获取装置及其匀光元件和应用，其中所述匀光元件采用随机规则化微透镜阵列实现匀光效果，其中所述微透镜阵列不具有周期性规则排布的方式，即不同于传统的规则排布的微透镜阵列，有效地避免了光束经传统的规则地微透镜阵列发生干涉而形成明暗条纹的问题，大大地提高了匀光效果，有利于提高所述增维信息获取装置的摄像质量。
本发明的另一个优势在于提供一增维信息获取装置及其匀光元件和应用，根据应用场景的需求，通过对所述匀光元件的型号规格的预设调整，满足对目标场景的光斑的形状或光强分布情况进行调控，以达到目标效果，适应于多样化的应用场景。
本发明的另一个优势在于提供一增维信息获取装置及其匀光元件和应用，其中所述增维信息获取装置适用于活体检测、手机、人脸识别、虹膜识别、AR/VR技术、机器人识别和机器人避险、智能家居、自动驾驶车辆或者无人机技术等应用终端，有利于提高所述应用终端处理信息的准确度和可靠性，且适应于不同的应用场景，实现智能化。
本发明的另一个优势在于提供一增维信息获取装置及其匀光元件和应用，其结构简单，成本低，适用范围广泛，可批量生产。
依本发明的一个方面，本发明进一步提供一匀光元件，用于一增维信息获取装置，其中所述增维信息获取装置包括：
所述匀光元件；
一光发射单元；以及
一光接收单元，其中所述光发射单元用于发射光束，其中所述匀光元件具有微透镜阵列，以供所述光束经所述匀光元件的所述微透镜阵列的调制，形成不会产生干涉而形成明暗条纹的光束，在所述光接收单元形成均匀的光场，以供所述增维信息获取装置获取增维信息。
在一些实施例中，其中所述微透镜阵列由一组微透镜单元排布组成，其中各所述微透镜单元分别具有各不相同地非球面面型，且随机规则化排布，以防止光束在空间传播中产生干涉，以提高匀光效果。
在一些实施例中，其中各所述微透镜单元的参数分别在一定范围内随机规则化被预设，其中所述参数选自一组：曲率半径、圆锥常数、非球面系数、所述微透镜单元的有效通光孔径的形状和尺寸即所述微透镜单元在X-Y平面上的截面轮廓、所述微透镜单元的空间排布以及所述微透镜单元沿Z轴方向的表面曲型中的其中一种或多组组合。
在一些实施例中，其中所述匀光元件包括一基板，其中所述微透镜阵列被形成于所述基板的表面。
在一些实施例中，其中所述视场角的取值范围为在水平和竖直方向1至150度以内。
在一些实施例中，其中所述增维信息获取装置的水平和竖直方向的输出光强度分布由输出光强度和角度关系表示为cos^(-n)，其中n的取值被预设为在0至20范围内。
在一些实施例中，其中所述匀光元件的透过率大于等于80％。
在一些实施例中，其中所述视场角内的光功率在透过所述匀光元件的总光功率中的占比为60％以上。
在一些实施例中，其中所述匀光元件的工作波长范围被预设为在所述光发射单元发射的所述光束的波长基础上设定±20nm的公差。
在一些实施例中，其中所述匀光元件的工作波长范围进一步地被预设为在所述光发射单元发射的所述光束的波长基础上设定±10nm的公差。
在一些实施例中，其中所述匀光元件与所述光发射单元之间的间距被预设在0.1mm至20mm之间。
在一些实施例中，其中所述间距被预设为在0.5mm以下，以满足小型化需求。
在一些实施例中，其中所述匀光元件的总厚度被预设为在0.1mm至10mm范围以内，其中所述微透镜阵列的厚度被预设为在5um至300um之间。
在一些实施例中，其中所述匀光元件的总尺寸范围被预设为0.1mm至300mm之间，其中所述微透镜阵列的有效区域的边长尺寸范围被预设为0.05mm至300mm之间。
在一些实施例中，其中所述光接收单元基于TOF技术获取深度图像信息。
依本发明的另一方面，进一步提供了一增维信息获取装置的一匀光元件的制造方法，包括步骤：形成随机规则化微透镜阵列于一基板的表面，其中所述微透镜阵列由一组微透镜单元排布组成，其中各所述微透镜单元分别具有各不相同的非球面面型，且随机规则化排布，以供所述增维信息获取装置的一光发射单元发出的光束经所述匀光元件的所述微透镜阵列的调制，形成不会产生干涉而形成明暗条纹的光束，最终在所需的视场角范围内形成均匀的光场。
在一些实施例中，进一步包括所述匀光元件的所述微透镜阵列的设计方法，包括步骤：
a、在所述基板的表面划分各所述微透镜单元所在的区域，其中各所述微透镜单元所在的区域的截面形状或者尺寸各不相同；
b、对整个所述微透镜阵列建立全局坐标系(X，Y，Z)，对每个单独的所述微透镜单元分别建立本地坐标系(xi，yi，zi)，且所述本地坐标系的中心坐标为(x0，y0，z0)；以及
c、对于每个所述微透镜单元，其沿Z轴方向的表面曲型用一曲面函数f表示：
Figure BDA0002244805370000041
其中，ρ2＝(xi-x0)2+(yi-y0)2；
其中，R是所述微透镜单元的曲率半径，K是圆锥常数，Aj是非球面系数，ZOffset是每个所述微透镜单元所对应的沿Z轴方向的偏移量。
在一些实施例中，其中所述步骤c中，在对所述微透镜单元的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj等参数在预定范围内进行随机规则化处理的基础上，将每个所述微透镜单元的坐标从所述本地坐标系(xi，yi，zi)转换到所述全局坐标系(X，Y，Z)中，并对每个所述微透镜单元所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset在一定范围内进行随机规则化处理，以使每个所述微透镜单元在Z轴方向的表面曲型均是随机规则化的。
在一些实施例中，进一步包括所述匀光元件的所述微透镜阵列的设计方法，包括步骤：
A、在所述基板的表面划分各所述微透镜单元所在的区域，其中各所述微透镜单元所在的区域的截面形状或尺寸基本一致；
B、对整个所述微透镜阵列建立全局坐标系(X，Y，Z)，对每个单独的所述微透镜单元分别建立本地坐标系(xi，yi，zi)，且相对应的所述区域的中心坐标为(x0，y0，z0)，其中所述区域的中心坐标代表对应的所述微透镜单元的初始中心位置；
C、设置每个所述微透镜单元的真实中心位置为在所述区域的中心坐标在X轴、Y轴方向分别添加一个随机偏移量XOffset、YOffset；以及
D、对于每个所述微透镜单元，其沿Z轴方向的表面曲型用一曲面函数f表示：
Figure BDA0002244805370000051
其中，ρ2＝(xi-x0-XOffset)2+(yi-y0-YOffset)2。
其中，R是所述微透镜单元的曲率半径，K是圆锥常数，Aj是非球面系数，ZOffset是每个所述微透镜单元所对应的沿Z轴方向的偏移量。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的应用于一应用终端的一多维摄像装置的结构框图。
图2是根据本发明的上述优选实施例的应用于所述应用终端的所述增维信息获取装置的一匀光元件的结构示意图。
图3是根据本发明的上述优选实施例的应用于所述应用终端的所述增维信息获取装置的满足参数表所示规格的所述匀光元件的水平方向输出光强度的坐标示意图。
图4是根据本发明的上述优选实施例的应用于所述应用终端的所述增维信息获取装置的满足参数表所示规格的所述匀光元件的垂直方向输出光强度的坐标示意图。
图5是根据本发明的上述优选实施例的应用于所述应用终端的所述增维信息获取装置的满足参数表所示规格的所述匀光元件的在1m处的输出光照度的坐标示意图。
图6是根据本发明的上述优选实施例的应用于所述应用终端的所述增维信息获取装置的摄像模组主体的结构框图。
图7是根据本发明的上述优选实施例的第一种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的基板的坐标示意图。
图8是根据本发明的上述优选实施例的第一种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的矩形的微透镜阵列的平面示意图。
图9是根据本发明的上述优选实施例的第一种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的圆形的微透镜阵列的平面示意图。
图10是根据本发明的上述优选实施例的第一种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的三角形的微透镜阵列的平面示意图。
图11是根据本发明的上述优选实施例的第一种实施方式的适用于应用终端的所述增维信息获取装置的匀光元件的微透镜阵列的结构示意图。
图12是根据本发明的上述优选实施例的第一种实施方式的适用于应用终端的所述增维信息获取装置的匀光元件的光强分布曲线。
图13是根据本发明的上述优选实施例的第二种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的基板的坐标示意图。
图14是根据本发明的上述优选实施例的第二种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的方形的微透镜阵列的平面示意图。
图15是根据本发明的上述优选实施例的第二种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的三角形的微透镜阵列的平面示意图。
图16是根据本发明的上述优选实施例的第二种实施方式的所述增维信息获取装置的匀光元件的设计方法中的梯形的微透镜阵列的平面示意图。
图17是根据本发明的上述优选实施例的第二种实施方式的适用于应用终端的所述增维信息获取装置的匀光元件的微透镜阵列的结构示意图。
图18是根据本发明的上述优选实施例的第二种实施方式的适用于应用终端的所述增维信息获取装置的匀光元件的光强分布曲线。
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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1至图18所示为本发明的一个优选实施例的一增维信息获取装置100，其中所述增维信息获取装置100用于拍摄获取目标场景的图像信息。优选地，所述增维信息获取装置100能够获取目标场景的深度信息。进一步地，所述增维信息获取装置100基于TOF时间飞行技术获取目标场景的深度信息。也就是说，本发明的所述增维信息获取装置100搭配其他摄像模组，为其他摄像模组拍摄的图像信息提供增维信息，所述增维信息指的是，所述增维信息获取装置100能够获取的目标场景的深度信息。
根据不同的应用场景，所述增维信息获取装置100被应用于不同的应用终端800，其中所述增维信息获取装置100获取目标场景的所述图像信息被发送至所述应用终端800，由所述应用终端800处理并给出相应的动作或结果等。所述应用终端800包括但不限于活体检测、手机、人脸识别、虹膜识别、AR/VR技术、机器人识别和机器人避险、智能家居、自动驾驶车辆或者无人机技术等应用终端，应用范围广泛，适合于多样化应用场景。
如图1所示，在本实施例中，所述增维信息获取装置100包括一匀光元件10、一光发射单元20以及一光接收单元30，其中所述光发射单元20用于发射光束101，其中所述光束101按一定的光场分布照射在预设视场范围内，其中所述匀光元件10被设置于所述光束101的光路路径中，其中所述匀光元件10用于将所述光发射单元20发射的光束进行调制，即所述光束101穿过所述匀光元件10并照射至目标场景，其中所述光接收单元30用于接收目标场景反射的反射光束，并形成均匀的光场。也就是说，经所述匀光元件10对所述光束101的调制作用，所述光发射单元20和所述光接收单元30相配合地在所需的视场角范围内形成更加均匀的光场，以供所述增维信息获取装置100获取更加完整可靠的数据，如深度信息等。
如图2所示，进一步地，所述匀光元件10被设置于所述光发射单元20的发出所述光束101的前端，且所述匀光元件10与所述光发射单元20的发光面之间保持一间距D1。在拍摄时，所述光发射单元20发射的所述光束101经所述匀光元件10的匀光作用形成一匀光光束102，其中所述匀光光束102以一定视场角地照射至目标场景，其中所述匀光光束102不会发生干涉而形成明暗条纹，即形成具有连续的特定光强分布的所述匀光光束102，以供所述增维信息获取装置100最终形成均匀的光场。换句话说，所述光束101经所述匀光元件10处理后形成不会发生干涉而形成明暗条纹的所述匀光光束102，使得所述光接收单元30形成均匀的光场，以供所述增维信息获取装置100测得目标场景的每个点位的深度信息，减少或者避免出现盲点、坏点或缺失点等，使得所述图像信息更加完整、可靠，从而提高所述增维信息获取装置100的摄像质量。
优选地，所述光发射单元20被实施为激光发射单元，用于发出激光光束101，所述光束101如红外光。或者，所述光发射单元20可以被实施为激光发射阵列，或者垂直腔面激光发射器。所述光发射单元20能够被预设朝向一定的角度或者方向发射所述光束101，其中所述光束101应按一定的光场分布照射至所需的视场角范围内。所述光发射单元20发射的所述光束101具备一定的波长，其中所述光发射单元20发射的所述光束101的波长范围大致为800nm至1100nm以内。根据不同的摄像需求，所述光发射单元20发射的所述光束101的波长一般被预设为808nm、830nm、850nm、860nm、940nm、945nm、975nm、980nm或者1064nm等，在此不受限制。
进一步地，所述匀光元件10具有一随机规则化微透镜阵列11，其中所述微透镜阵列11由一组微透镜单元111排布组成，其中各所述微透镜单元111的部分参数或者随机变量均不相同，而非周期性规则排布。所述光束101经所述微透镜阵列11作用后形成所述匀光光束102，由于各所述微透镜单元111各不相同，且非周期性规则排布，因此不同于传统的规则排布的微透镜阵列，有效地避免了光束经传统的规则地微透镜阵列发生干涉而形成明暗条纹的问题，使得所述匀光光束102之间不会发生干涉而形成明暗条纹，从而减少或避免了目标场景的部分点位或区域无法被光束充分均匀照射的现象，即确保了目标场景的每个点位均能够被光束充分照射，保证了深度信息的完整性和可靠性，有利于提高所述增维信息获取装置的摄像质量。
换句话说，各所述微透镜单元111的部分参数或随机规则变量分别在一定的范围内随机规则变化被预设，使得各所述微透镜单元111分别具备随机规则化的形状尺寸或者空间排布方式，即任意两个所述微透镜单元111之间的形状尺寸互不相同，且排布方式不规则，以防止光束在空间传播时产生干涉，以提高匀光效果，从而满足对所需求的目标场景的光斑散射图样和光强分布的调控。
优选地，所述微透镜单元111具有非球面面型，其具有光焦度作用的光学结构。举例地，所述微透镜单元111可以是凹面型透镜，也可以是凸面型透镜，在此不做具体限制。通过对所述微透镜单元111的部分参数或变量进行随机规则化处理即调制过程，以实现对所需求的目标场景的光斑散射图样和光强分布的调控。所述微透镜单元111的部分参数包括但不限于曲率半径、圆锥常数、非球面系数、所述微透镜单元111的有效通光孔径的形状和尺寸即所述微透镜单元111在X-Y平面上的截面轮廓、所述微透镜单元111的空间排布以及所述微透镜单元111沿Z轴方向的表面曲型等变量。
根据不同的应用场景的摄像需求，所述微透镜阵列11的所述微透镜单元111的部分参数或变量被预设为在相应的范围内随机规则取值，以实现对相应的目标场景的光场的光斑散射图样和光强分布的调控，以相匹配地适应于不同的摄像场景。
进一步地，所述匀光元件10包括一基板12，其中所述微透镜阵列11被形成于所述基板12的表面，如所述基板12的相背于所述光发射单元20的一侧表面。或者，本实施例中，优选地，所述微透镜阵列11被形成于所述基板12的相近于所述光发射单元20的一侧表面。所述基板12可由透明材料制成，如塑料材料、树脂材料或者玻璃材料等。为了避免所述光束101直接透过所述基板12向前传播，所述微透镜阵列11应尽可能地完全覆盖于所述基板12的表面，使得所述光发射单元20产生的所述光束101尽量全部地经所述微透镜阵列11向前传播。换句话说，所述微透镜阵列11的所述微透镜单元111在所述基板12表面尽可能地紧密排布，表面覆盖率尽可能地高。
本优选实施例，进一步提供了所述匀光元件10的制造方法，包括步骤：
S10、形成所述微透镜阵列11于所述基板12，其中所述微透镜阵列11由一组所述微透镜单元111排布组成，其中各所述微透镜单元111的部分参数或随机规则变量分别在一定的范围内随机规则变化被预设，排布方式为非周期性规则排列，以防止光束在空间传播时产生干涉，以提高匀光效果。
为了得到较为完整、可靠的深度信息，提高摄像质量，本实施例提供了所述增维信息获取装置100的部分规格参数的取值范围。
所述匀光元件10基于光折射原理，使所述光束101经所述匀光元件10折射后形成不会发生干涉而形成明暗条纹的所述匀光光束102。即所述光束101经所述匀光元件10折射并透射后形成所述匀光光束102并投射至所述目标场景。
所述视场角的取值范围基本为在水平和竖直方向1至150度以内。根据不同的摄像需求，所述视场角的取值范围也能够被预设调整。举例地，对于一些移动端的深度增维信息获取装置，所述增维信息获取装置100被预设在40至90度的视场角范围内形成均匀的光场。或者，对于某些特殊应用场景下，例如所述增维信息获取装置100被应用于家用智能扫地机器人，所述增维信息获取装置100相应地被预设为在指定视场角范围内形成均匀的光场，以确保该家用智能扫地机器人的准确性和可靠性。
所述增维信息获取装置100的水平和竖直方向的输出光强度分布由输出光强度和角度关系表示为cos^(-n)，其中n的取值与所述视场角和所述增维信息获取装置100的传感器的特性相关。本实施例中，n的取值被预设为在0至20范围内，即水平和竖直方向的所述输出光强分布由输出光强度和角度关系表示为在cos^(0)至cos^(-20)范围以内。熟知本领域的技术人员应当理解的是，所述输出光强分布还可以由其他形式的表示式界定范围，本实施例中仅作为举例，而且根据不同的摄像需求或者目标场景，所述增维信息获取装置100的所述输出光强分布能够被做相应的调整，在此不受限制。
所述匀光元件10的透过率基本大于等于80％，即所述匀光光束102与所述光束101的辐射能之比大于等于80％，或总发射功率与总输入功率的比值。众所周知，透过率通常与所述匀光元件10的材质属性有很大的关系。因此，根据不同的摄像需求或者应用场景的不同，为提供合适的透过率，所述匀光元件10可由相对应的透过率的材料制成或者组合材料制成等，优选地，所述匀光元件10的透过率大于等于90％。
所述增维信息获取装置100的窗口效率被定义为所述视场角内的光功率在透过所述匀光元件10的总光功率中的占比，在一定程度上代表了所述匀光元件10的能量利用率，且所述窗口效率的值越高也好。在本实施例中，所述增维信息获取装置100的所述窗口效率的值在60％以上，优选地，所述窗口效率的值在70％以上。
基于所述光发射单元20发射的所述光束101的波长，所述匀光元件10的工作波长范围被优选地预设为在所述光发射单元20发射的所述光束101的波长基础上设定±10nm的公差，以适应所述光发射单元20发射的所述光束101的波长在目标场景的环境变化下的漂移，保证摄像质量。可以理解的是，所述匀光元件10的工作波长范围可以被预设为在所述光束101的波长基础上设定±20nm的公差。
根据所述增维信息获取装置100所应用的场景或者应用终端的种类的不同，所述匀光元件10与所述光发射单元20的发光面之间的间距D被预设为相应的距离值。在本实施例中，所述间距D被预设在0.1mm至20mm之间，在不同的应用场景中，所述间距D的值会有所不同。举例地，所述增维信息获取装置100被应用于手机移动端，为了满足小型化需求，所述增维信息获取装置100的体积或尺寸应尽量地缩小，因此，所述匀光元件10与所述光发射单元20之间的所述间距D一般被控制在0.5mm以下，优选地，所述间距D为0.3mm左右。又例如，所述增维信息获取装置100被应用于家用智能扫地机器人，由于家用智能扫地机器人对所述增维信息获取装置100的体积或尺寸的容忍度相对较高，所述匀光元件10与所述光发射单元20之间的所述间距D可以被预设为几毫米，甚至几十毫米，在此不受限制。
所述匀光元件10的总厚度基本在0.1mm至10mm范围内，即所述微透镜阵列11与所述基板12的厚度之和。进一步地，所述匀光元件10的所述微透镜阵列11的厚度优选为在5um至300um之间。
为保证形成均匀的光场，基于不同的应用场景或者所述增维信息获取装置100的结构，所述匀光元件10的总尺寸范围基本为0.1mm至300mm之间，其中所述微透镜阵列11的有效区域的边长尺寸范围基本为0.05mm至300mm之间。所述微透镜阵列11的有效区域指的是所述光束101经所述微透镜阵列11形成所述匀光光束102的区域，即各所述微透镜单元111所排布组成的总区域。优选地，所述微透镜阵列11的排布面积与所述基板12的水平面积基本相等。
以上，为本实施例提供的所述增维信息获取装置100的部分规格参数的取值范围的举例，当然，根据实际的摄像需求或者不同的应用场景，所述增维信息获取装置100的部分规格参数的取值范围能够做适应性地调整，在此不受限制。
如下表所示为本实施提供的所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10的部分规格参数表：
Figure BDA0002244805370000121
如图3所示是应用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的满足上述参数表所示规格的所述匀光元件10的水平方向输出光强度的坐标示意图。如图4所示是应用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的满足参数表所示规格的所述匀光元件10的垂直方向输出光强度的坐标示意图。如图5所示是应用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的满足上述参数表所示规格的所述匀光元件10的在1m处的输出光照度的坐标示意图。
如图6所示，进一步地，所述光接收单元30，其是近红外摄像模组，并且包括至少一摄像镜组31、至少一TOF传感器32、一线路板33以及一壳体34，其中所述匀光元件10、所述光发射单元20、所述摄像镜组31、所述TOF传感器32以及所述线路板33均被安装于所述壳体34，其中所述匀光光束102经目标场景反射的反射光经所述摄像镜组31到达所述TOF传感器32，并转化为电信号传递至所述电路板33，其中所述线路板33被电连接于所述光发射单元20、所述增维信息获取装置31以及所述TOF传感器32，其中所述线路板33用于处理获得深度信息。所述线路板33被电连接于所述应用终端800，以传递所述图像信息至所述应用终端800。换句话说，所述光接收单元30基于TOF技术获取目标场景的深度信息，并反馈至所述应用终端800。
可以理解的是，所述增维信息获取装置31的数量可以为多个，从而提供多组增维信息，即所述增维信息获取装置100可以被实施为双摄、三摄以及四摄或者更多摄的增维信息获取装置，在此不受限制。熟知本领域的技术人员可知，所述光接收单元30还可以包括鱼眼镜头或者广角镜头，其中所述光接收单元30还可以包括提供摄像的电子元器件或者辅助器件等，在此不受限制。
如图7至图12所示，在本优选实施例的第一种实施方式中，本实施例提供了所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10的所述微透镜阵列11的设计方法，包括步骤：
S01、在所述基板12的表面划分各所述微透镜单元111所在的区域103，其中各所述微透镜单元111所在的区域103的截面形状或尺寸各不相同，如图7所示；
S02、对整个所述微透镜阵列11建立全局坐标系(X，Y，Z)，对每个单独的所述微透镜单元111分别建立本地坐标系(xi，yi，zi)，且所述本地坐标系的中心坐标为(x0，y0，z0)；
S03、对于每个所述微透镜单元111，其沿Z轴方向的表面曲型用一曲面函数f表示：
Figure BDA0002244805370000141
其中，ρ2＝(xi-x0)2+(yi-y0)2.
其中，R是所述微透镜单元111的曲率半径，K是圆锥常数，Aj是非球面系数，ZOffset是每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量。
需要指出的是，所述微透镜单元111的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj根据所述应用终端800所使用的应用场景在相应的一定范围内随机规则化取值。在对所述微透镜单元111的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj等参数在预定范围内进行随机规则化处理的基础上，其中所述微透镜单元111的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj等参数在一定范围内进行随机规则化处理，将每个所述微透镜单元111的坐标从所述本地坐标系(xi，yi，zi)转换到所述全局坐标系(X，Y，Z)中，使得每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset在一定范围内进行随机规则化处理，以使每个所述微透镜单元111在Z轴方向的表面面型均是随机规则化的，避免了光束产生干涉，以此达到匀光效果。
在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111所在的区域的截面形状选自一组：矩形、圆形、三角形、梯形、多边形或者其他不规则形状，在此不受限制。
如图8所示为本实施例的所述微透镜阵列11所在的区域的截面形状为矩形的平面示意图。如图9所示为本实施例的所述微透镜阵列11所在的区域的截面形状为圆形的平面示意图。如图10所示为本实施例的所述微透镜阵列11所在的区域的截面形状为三角形的平面示意图。
根据不同的所述应用终端800所使用的应用场景的需求，所述匀光元件10的所述微透镜阵列11的各所述微透镜单元111的部分参数或变量的取值范围大致为：在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面，其中每个所述微透镜单元111的尺寸分别为在3um至250um范围内取值，曲率半径R为在±0.001至0.5mm范围内取值，圆锥常数K为在负无穷至+100范围内取值，每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.1至0.1mm范围内取值。
进一步地，本实施例提供了以下几种所述匀光元件10的所述微透镜阵列11的各所述微透镜单元111的部分参数或变量在相应的一定范围内取值。如图11所示为适用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10的所述微透镜阵列11的结构示意图。如图12所示是适用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10的光强分布曲线。
对应于第一种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面，其中每个所述微透镜单元111的尺寸分别为在45um至147um范围内取值，曲率半径R为在0.01至0.04mm范围内取值，圆锥常数K为在-1.03至-0.97范围内取值，每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.002至0.002mm范围内取值。
对应于第二种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面。每个所述微透镜单元111的尺寸分别为在80um至125um范围内取值，曲率半径R为在0.02至0.05mm范围内取值，圆锥常数K为在-0.99至-0.95范围内取值，每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.003至0.003mm范围内取值。
对应于第三种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面。每个所述微透镜单元111的尺寸分别为在28um至70um范围内取值，曲率半径R为在0.008至0.024mm范围内取值，圆锥常数K为在-1.05至-1范围内取值，每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.001至0.001mm范围内取值。
对应于第四种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面。每个所述微透镜单元111的尺寸分别为在50um至220um范围内取值，曲率半径R为在-0.08至0.01mm范围内取值，圆锥常数K为在-1.12至-0.95范围内取值，每个所述微透镜单元111所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.005至0.005mm范围内取值。
如图13至18所示，在本优选实施例的第二种实施方式中，进一步提供了另一种所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10A的所述微透镜阵列11A的设计方法，包括步骤：
S101、在所述基板12A的表面划分各所述微透镜单元111A所在的区域104A，其中各所述微透镜单元111A所在的区域104A的截面形状或尺寸基本一致，如图13所示；
S102、对整个所述微透镜阵列11A建立全局坐标系(X，Y，Z)，对每个单独的所述微透镜单元111A分别建立本地坐标系(xi，yi，zi)，且相对应的所述区域104A的中心坐标为(x0，y0，z0)，其中所述区域104A的中心坐标代表对应的所述微透镜单元111A的初始中心位置；
S103、设置每个所述微透镜单元111A的真实中心位置为在所述区域104A的中心坐标在X轴、Y轴方向分别添加一个随机偏移量XOffset、YOffset；以及
S104、对于每个所述微透镜单元111A，其沿Z轴方向的表面曲型用一曲面函数f表示：
Figure BDA0002244805370000161
其中，ρ2＝(xi-x0-XOffset)2+(yi-y0-YOffset)2。
其中，R是所述微透镜单元111A的曲率半径，K是圆锥常数，Aj是非球面系数，ZOffset是每个所述微透镜单元111A所对应的沿Z轴方向的偏移量。
需要指出的是，所述微透镜单元111A的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj根据所述应用终端800所使用的应用场景在相应的一定范围内随机规则化取值。在对所述微透镜单元111A的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj等参数在预定范围内进行随机规则化处理的基础上，其中所述微透镜单元111的曲率半径R、圆锥常数K以及非球面系数Aj等参数在一定范围内进行随机规则化处理，将每个所述微透镜单元111A的坐标从所述本地坐标系(xi，yi，zi)转换到所述全局坐标系(X，Y，Z)中，使得每个所述微透镜单元111A所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset在一定范围内进行随机规则化处理，以使每个所述微透镜单元111A在Z轴方向的表面曲型均是随机规则化的，避免了光束产生干涉，以此达到匀光效果。
在所述步骤S01中，各所述微透镜单元111A所在的区域的截面形状选自一组：矩形、圆形、三角形、梯形、多边形或者其他不规则形状，在此不受限制。
如图14所示为本实施例的所述微透镜阵列11A所在的区域的截面形状为方形的平面示意图。如图15所示为本实施例的所述微透镜阵列11A所在的区域的截面形状为三角形的平面示意图。如图16所示为本实施例的所述微透镜阵列11A所在的区域的截面形状为梯形的平面示意图。
根据不同的所述应用终端800所使用的应用场景的需求，所述匀光元件10的所述微透镜阵列11A的各所述微透镜单元111A的部分参数或变量的取值范围也被相应地预设。
进一步地，本实施例提供了以下几种所述匀光元件10的所述微透镜阵列11A的各所述微透镜单元111A的部分参数或变量在相应的一定范围内取值。如图17所示为适用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10的所述微透镜阵列11A的结构示意图。如图18所示是适用于所述应用终端800的所述增维信息获取装置100的所述匀光元件10的所述微透镜阵列11A的光强分布曲线。
对应于第五种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S101中，各所述微透镜单元111A所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面，其中每个所述微透镜单元111A的尺寸分别为在32um，曲率半径R为在0.009至0.013mm范围内取值，圆锥常数K为在-0.96至-0.92范围内取值，每个微透镜单元111A的在X轴方向添加的随机偏移量XOffset为在-15至15um范围内取值，每个微透镜单元111A的在Y轴方向添加的随机偏移量YOffset为在-20至20um范围内取值，每个所述微透镜单元111A所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.001至0.001mm范围内取值。
对应于第六种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S101中，各所述微透镜单元111A所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面。每个所述微透镜单元111A的尺寸分别为在35um，曲率半径R为在0.01至0.015mm范围内取值，圆锥常数K为在-0.99至-0.93范围内取值，每个微透镜单元111A的在X轴方向添加的随机偏移量XOffset为在-23至23um范围内取值，每个微透镜单元111A的在Y轴方向添加的随机偏移量YOffset为在-16至16um范围内取值，每个所述微透镜单元111A所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.001至0.001mm范围内取值。
对应于第七种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S101中，各所述微透镜单元111A所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面。每个所述微透镜单元111A的尺寸分别为在80um，曲率半径R为在0.029至0.034mm范围内取值，圆锥常数K为在-1至-0.92范围内取值，每个微透镜单元111的在X轴方向添加的随机偏移量XOffset为在37至37um范围内取值，每个微透镜单元111A的在Y轴方向添加的随机偏移量YOffset为在-40至40um范围内取值，每个所述微透镜单元111A所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.005至0.005mm范围内取值。
对应于第八种所述应用终端800所使用的应用场景的需求，在所述步骤S101中，各所述微透镜单元111A所在的区域的截面形状被实施为矩形截面、圆形截面或者三角形截面。每个所述微透镜单元111A的尺寸分别为在75um，曲率半径R为在0.025至0.035mm范围内取值，圆锥常数K为在-1.2至-0.96范围内取值，每个微透镜单元111A的在X轴方向添加的随机偏移量XOffset为在-45至45um范围内取值，每个微透镜单元111A的在Y轴方向添加的随机偏移量YOffset为在-45至45um范围内取值，每个所述微透镜单元111A所对应的沿Z轴方向的偏移量ZOffset为在-0.004至0.004mm范围内取值。
在本实施例中，所述应用终端800可以被实施为人脸识别系统，其中所述增维信息获取装置100用于拍摄人脸的三维图像信息，由所述应用终端800基于所述图像信息识别目标人脸，并做出相应的响应。可选地，所述应用终端800可以被实施为手势识别系统，其中所述增维信息获取装置100用于拍摄手势的三维图像信息，由所述应用终端800基于所述图像信息识别手势，并做出相应的响应。可选地，所述应用终端800被实施为智能家居，其中所述增维信息获取装置100用于拍摄室内用户的三维图像信息，由所述应用终端800基于所述图像信息，执行相应的智能家具的启闭或者运行模式。可选地，所述应用终端800还可以被实施为安防监控系统、自动驾驶车辆、无人机、VR/AR设备等，在此不受限制。
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 (13)

1.一匀光元件，用于一增维信息获取装置，其中所述增维信息获取装置包括一光发射单元和一光接收单元，其中所述光发射单元用于发射光束，其特征在于，所述匀光元件具有微透镜阵列，以供所述光束经所述匀光元件的所述微透镜阵列的调制，形成不会产生干涉而形成明暗条纹的光束，在所述光接收单元形成均匀的光场。
2.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述匀光元件包括一基板，其中所述微透镜阵列被形成于所述基板的表面。
3.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述视场角的取值范围为在水平和竖直方向1至150度以内。
4.根据权利要求1所述匀光元件，其中水平和竖直方向的输出光强度分布由输出光强度和角度关系表示为cos^(-n)，其中n的取值被预设为在0至20范围内。
5.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述匀光元件的透过率大于等于80％。
6.根据权利要求4所述匀光元件，其中所述视场角内的光功率在透过所述匀光元件的总光功率中的占比为60％以上。
7.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述匀光元件的工作波长范围被预设为在所述光发射单元发射的所述光束的波长基础上设定±20nm的公差。
8.根据权利要求7所述匀光元件，其中所述匀光元件的工作波长范围进一步地被预设为在所述光发射单元发射的所述光束的波长基础上设定±10nm的公差。
9.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述匀光元件与所述光发射单元之间的间距被预设在0.1mm至20mm之间。
10.根据权利要求9所述匀光元件，其中所述间距被预设为在0.5mm以下，以满足小型化需求。
11.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述匀光元件的总厚度被预设为在0.1mm至10mm范围以内，其中所述微透镜阵列的厚度被预设为在5um至300um之间。
12.根据权利要求1所述匀光元件，其中所述匀光元件的总尺寸范围被预设为0.1mm至300mm之间，其中所述微透镜阵列的有效区域的边长尺寸范围被预设为0.05mm至300mm之间。
13.根据权利要求1至12任一所述匀光元件，其中所述增维信息获取装置基于TOF技术获取深度图像信息。
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