CN112748582B - 光场调制器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

一种光投射方法和光探测方法。该光投射方法包括步骤：发射一探测光至一光场调制器；和通过该光场调制器，调制该探测光以均匀地投射至对应的目标区域，以便对光源发出的光进行匀化，使得光能够均匀地照亮对应的该目标区域，提高了光能的利用率。

Description

光场调制器及其调制方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一光场调制器及其调制方法。

背景技术

在诸如激光雷达、TOF相机等应用场景中，往往需要区域化照明感兴趣的目标。而一旦感兴趣的目标区域位于探测光源的光轴之外，就经常会出现探测区畸变、能量利用率降低、均匀性变差的问题。具体来说，畸变是一种轴外像差，是垂轴(即横向)放大率随视场的增大而变化所引起的一种失去物像相似的像差。特别地，离轴量不同，探测光的中心方向将偏折不同角度；换言之，离轴量越大，探测光的中心方向偏离光轴的角度就越大，产生的照明光区的畸变也就越大，需要对畸变进行精准校正。

然而，由于不同离轴量的探测光所形成的照明光区的畸变量不同，因此为了解决这个问题，现有技术中往往需要复杂的光学系统，一般需要多个独立的光学元件，这不仅会给模组装调带来极大的不便，而且还会导致模组体积变大，成本变高，不利于模组的应用推广和普及。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其能够对光源发出的光进行匀化，使得所述光能够均匀地照亮对应的所述目标区域，提高了光能的利用率。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光场调制器能够减小经由光源发出的光形成的照明光区出现畸变的程度，有效减小边缘区域的光所产生的畸变，进而提高了配置有所述光场调制器的模组的探测效果。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光场调制器的一个匀光元件能够被设置于曲面透光基板的曲面，以便在实现匀光的同时，减小照明光区出现的畸变程度。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光场调制器的两个匀光元件能够分别被设置于所述曲面透光基板的相对侧表面，以便将复杂度高且制造难度大的匀光元件的微结构进行功能分解，进而等效成两种相对简单的微结构。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光场调制器能够在匀光的同时偏折所述光源产生的不同区域光的中心方向，使得不同区域光被均匀地投射至对应的区域，有利于提高窗口效率。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光场调制器能够针对不同位置的区域光源产生的光形成畸变量较小的照明光区，无需根据光源的位置或角度进行单独校正。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光场调制器的光调制区域能够被划分为多个光调制分部，并且至少一个所述光调制分部对应至少一个所述区域光源，使得不同区域光源产生的光经过对应的所述光调制分部后被匀化。

本发明的另一个优势在于提供一光场调制器及其调制方法，其中，为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。

依本发明的一个方面，本发明提供一种光场调制器，包括：

至少一匀光元件；和

一曲面透光基板，其中所述曲面透光基板具有至少一曲面，并且所述匀光元件被对应地设置于所述曲面透光基板的所述曲面，以使所述匀光元件的微结构沿着所述曲面透光基板的所述曲面排布。

根据本发明的一实施例，所述曲面透光基板具有一入光表面和与所述入光表面相对的一出光表面，其中所述入光表面是弯曲的以作为所述曲面透光基板的所述曲面，并且所述匀光元件被设置于所述曲面透镜的所述入光表面。

根据本发明的一实施例，所述至少一匀光元件包括两个所述匀光元件，其中一个所述匀光元件被设置于所述曲面透光基板的所述入光表面，并且另一个所述匀光元件被设置于所述曲面透光基板的所述出光表面。

根据本发明的一实施例，所述曲面透光基板的所述出光表面是平整的或弯曲的。

根据本发明的一实施例，一个所述匀光元件沿着一第一方向被设置于所述曲面透光基板的一侧，另一个所述匀光元件沿着一第二方向被设置于所述曲面透光基板的另一侧，并且所述第一方向和所述第二方向是正交的。

根据本发明的一实施例，所述曲面透光基板具有一入光表面和与所述入光表面相对的一出光表面，其中所述出光表面是弯曲的以作为所述曲面透光基板的所述曲面，并且所述匀光元件被设置于所述曲面透镜的所述出光表面。

根据本发明的一实施例，所述曲面透光基板为一曲面透镜，并且所述匀光元件被贴合于所述曲面透镜的表面。

根据本发明的一实施例，所述曲面透光基板为一曲面透镜，并且所述匀光元件和所述曲面透镜是一体成型的。

根据本发明的一实施例，所述匀光元件是基于光折射原理的匀光片或是基于光衍射原理的匀光片。

根据本发明的一实施例，所述匀光元件选自：凸透镜组成的微透镜阵列、凹透镜组成的微透镜阵列、规则微透镜阵列、随机微透镜阵列、球透镜阵列以及非球透镜阵列组成的类型组。

根据本发明的一实施例，所述曲面透镜选自：平凸非球面柱透镜、球面透镜、非球面透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜以及弯月透镜组成的类型组。

根据本发明的一实施例，所述匀光元件采用随机微透镜阵列，每个微透镜的面型可以表示为：

其中，

为基础非球面项，其中c是曲率，k是圆锥系数；

为扩展多项式，其中N是多项式的个数，A_i是第i个扩展多项式项的系数；多项式E_i(x,y)是x和y的幂级数。

根据本发明的一实施例，所述匀光元件为一维规则微透镜阵列，所述一维规则微透镜阵列的面型被表示为：

或

其中，c_x和c_y的取值范围均为-40mm^-1至40mm^-1；k_X和k_Y的取值范围均为-100至100。

根据本发明的一实施例，所述匀光元件为一维随机微透镜阵列，所述一维随机微透镜阵列被表示为：

或

其中c_x和c_y的取值范围均为-40mm^-1至40mm^-1；k_X和k_y的取值范围均为-100至100。

根据本发明的一实施例，所述光场调制器包括一个或是多个光调制分部，其中所述光调制分部适于对应于一或多个照明光源。

根据本发明的一实施例，所述光场调制器的匀光角满足以下关系：

其中θ_Df-X、θ_Df-Y为所述光场调制器的匀光角，Gap_W、Gap_H为相邻的照明光源之间的间隔，f_x、f_y为所述光场调制器的焦距。

根据本发明的一实施例，所述匀光元件的微结构面型被控制以调控光场分布。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一光场调制器的调制方法，包括步骤：

经由一光场调制器的至少一匀光元件匀光化处理一光束；和

经由该光场调制器的一曲面透光基板偏折该光束，并调整该光束的发散角度范围，其中该曲面透光基板具有至少一曲面，并且该匀光元件被对应地设置于该曲面透光基板的该曲面，以使该匀光元件的微结构沿着该曲面透光基板的该曲面排布。

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和附图得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的一光场调制器的结构示意图。

图2示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器的立体示意图。

图3示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器的光路示意图。

图4A至4C示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器的第一变形实施方式。

图5A示出了根据本发明的上述第一变形实施方式的所述光场调制器的光路图示意图。

图5B示出了通过根据本发明的上述第一变形实施方式的所述光场调制器的调制后形成的照明光区的示意图。

图6示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器的第二变形实施方式。

图7示出了配置有根据本发明的上述实施例的所述光场调制器的一探测模组的结构示意图。

图8示出了配置有所述探测模组的一电子设备的结构示意图。

图9示出了根据本发明的所述探测模组的探测原理示意图。

图10A至图10G示出了不对畸变做校正前的所述探测光形成的照明光区的示意图。

图11A至图11G示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器调制后形成的照明光区的示意图。

图12示出了根据本发明的所述探测原理的一探测光源的结构示意图。

图13示出了根据本发明的所述探测光源发射的探测光直接形成的照明区域的示意图。

图14示出了根据本发明的所述探测光源发射的探测光经所述光场调制器调制后形成的照明区域的示意图。

图15示出了现有镜头存在的镜头暗角的示意图。

图16A和图16B分别示出了根据本发明的所述光场调制器形成的照明光场的光强分布示意图和光强度分布曲线示意图。

图17示出了根据本发明的所述光场调制器的调控形成的光强分布曲线的变化示意图。

图18是根据本发明的一实施例的光场调制器的调制方法的流程示意图。

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。

目前，在诸如三维传感设备、智能手机、平板电脑、激光雷达、可穿戴设备、体感交互设备、VR设备、AR设备、工业检测设备、测距设备或立体成像设备等电子设备中，往往需要复杂的光学系统，即包含多个独立的光学元件，来校正离轴畸变的问题，但这会给电子设备的装调带来极大的不便的同时，还会导致电子设备的体积变大，成本提高，不利于这些电子设备的推广和普及。因此，为了解决上述问题，参照说明书附图1至图3，根据本发明的一实施例的一光场调制器10将在接下来的描述中被阐述，其中所述光场调制器10适于对光束进行调制，以便在实现匀光效果的同时，还能够实现校正离轴畸变的目的。

具体地，参照图1至图3，所述光场调制器10可以包括至少一匀光元件11和一曲面透光基板12，其中所述曲面透光基板12具有至少一曲面120，并且所述匀光元件11被对应地设置于所述曲面透光基板12的所述曲面120，以使所述匀光元件11的微结构沿着所述曲面透光基板12的所述曲面120排布。换言之，所述匀光元件11被集成于所述曲面透光基板12，使得所述光场调制器10被实施为一曲面光场调制器。可以理解的是，所述曲面透光基板12可以但不限于由诸如玻璃、树脂、塑料、高分子材料等等之类的透光材料制成，只要能够允许光束透过即可，本发明对其具体材料不再赘述。

值得注意的是，由于所述匀光元件11能够起到匀化光束的作用，并且所述曲面透光基板12能够偏折所述光束，以调整所述光束的发散角度范围，因此经由所述光场调制器10调制后的光束能够均匀照明对应的目标区域的同时，还能够改善离轴畸变的程度，减小了能量损失，从而提高了照明均匀性和能量利用率，并且保证足够高的窗口效率。

示例性地，如图1所示，所述曲面透光基板12可以但不限于被实施为一曲面透镜，其具有一入光表面121和与所述入光表面121相对的一出光表面122，其中所述曲面透光基板12的所述入光表面121是弯曲的，以作为所述曲面透光基板12的所述曲面120，并且所述曲面透光基板12的所述出光表面122是平整的，其中所述光场调制器10对应地包括一个所述匀光元件11，并且所述匀光元件11被对应地设置于所述曲面透光基板12的所述入光表面121(即所述匀光元件11被对应地设置于所述曲面透光基板12的所述曲面120)。可以理解的是，光束从所述曲面透光基板12的所述入光表面121射入，并从所述曲面透光基板12的所述出光表面122射出。

当然，在本发明的其他示例中，所述曲面透光基板12的所述入光表面121也可以是平整的，而所述曲面透光基板12的所述出光表面122则是弯曲的，以作为所述曲面透光基板12的所述曲面120，并且所述匀光元件11被对应地设置于所述曲面透光基板12的所述出光表面122。

更具体地，在本发明的一个具体的示例中，所述匀光元件11能够以沿着所述曲面透光基板12的曲面弧度的方式被贴合于所述曲面透光基板12。

当然，在本发明的另一个具体的示例中，所述匀光元件11能够被一体地设置于所述曲面透光基板12的所述曲面120，也就是说，所述匀光元件11和所述曲面透光基板12也可以是一体成型的。换言之，本发明的所述光场调制器10的集成度高、方便装调、重量轻、体积小、成本低，有利于配置有所述光场调制器10的电子设备或系统的轻量化和集成化设计。

值得一提的是，本领域技术人员可以理解的是，所述匀光元件11和所述曲面透光基板12的上述具体集成方式仅仅作为示例，不能成为对本发明所述光场调制器10的内容和范围的限制。

进一步地，所述匀光元件11的类型不受限制，例如但不限于，凸透镜组成的微透镜阵列、凹透镜组成的微透镜阵列、规则微透镜阵列、随机微透镜阵列、球透镜阵列或是非球透镜阵列等。

进一步地，所述曲面透光基板12(如所述曲面透镜)的类型不受限制，例如但不限于，平凸非球柱面镜，如可以选自球面透镜、非球面透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、弯月透镜等。非球面透镜面型被表示为：

在本发明的一个具体的示例中，所述曲面透镜被实施为一平凸非球面柱透镜，其面型可以被为：

其中，所述曲面透镜的参数如表1所示。

R	1.36mm
		k	-0.792
A<sub>4</sub>	-4.73E-03
		A<sub>6</sub>	-8.00E-04
A<sub>8</sub>	-3.34E-04
		A<sub>10</sub>	2.24E-04
A<sub>12</sub>	-6.08E-05

表1

在这个实施例中，被设置于所述曲面透镜的所述匀光元件11是一微透镜阵列，且所述微透镜的方向与所述曲面透镜的表面法线对齐，每个微透镜的面型可以表示为：

其中，c_x和c_y是微透镜在X和Y方向的曲率，k_x和k_y是相应的圆锥系数。所述微透镜参数如表2所示。这个具体的示例对应的光路图如图3所示。

c<sub>x</sub>	-8.84mm<sup>-1</sup>
		C<sub>y</sub>	-2.5mm<sup>-1</sup>
k<sub>x</sub>	-1.12
		k<sub>y</sub>	-1.08

表2

在本发明的一个具体的示例中，所述光场调制器10可采用随机微透镜阵列，每个微透镜的面型可以表示为：

其中，

为基础非球面项，其中c是曲率，k是圆锥系数；

为扩展多项式，其中N是多项式的个数，A_i是第i个扩展多项式项的系数。多项式E_i(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。

值得注意的是，所述光场调制器10的所述匀光元件11的不同微结构可以采用不同的面型参数，经过所述光场调制器10的不同微结构的调制，对应的所述光束能够按照特定的要求照明对应的目标区域。换言之，本发明能够通过控制所述光场调制器10中微结构的面型，灵活地调控光场分布，从而满足指定的光场需求。

值得一提的是，附图4A至图4C示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器10的第一变形实施方式。相比于根据本发明的上述实施例，根据本发明的所述第一变形实施方式的所述光场调制器10的不同之处在于：所述光场调制器10的所述匀光元件11的数量可以被实施为两个，其中一个所述匀光元件11被对应地设置于所述曲面透光基板12的所述入光表面121，并且另一个所述匀光元件11被对应地设置于所述曲面透光基板12的所述出光表面122。

这样，在经由所述光场调制器10调制光束时，所述光束将穿过两个所述匀光元件11和一个所述曲面透光基板12，使得光束能够先后两次被所述光场调制器10的所述匀光元件11进行匀光，并在两次匀光之间经由所述曲面透光基板12进行一次偏折和调整光束的发散角度范围。换言之，本发明的所述光场调制器10将两个所述匀光元件11结合于所述曲面透光基板12的两个相对表面，可以将复杂度高、难度大的匀光元件微结构进行功能分解，等效成两种相对简单的微结构，以便分别制作在所述曲面透光基板12的两个表面上，有效地降低了设计和加工难度和复杂度，增加了设计和工艺的灵活性，同时也降低了制造成本。

进一步地，在图4A至图4C这个具体的示例中，在所述曲面透光基板12的所述入光表面121上被设置沿着一第一方向的一维规则微透镜阵列，主要用于对所述第一方向的匀光效果进行调控。一维规则微透镜阵列的面型可以表示为：

对应地，在所述透光基板12的所述出光表面122上，被设置沿一第二方向排列的一维随机微透镜阵列，主要用于对所述第二方向的匀光效果进行调控。一维随机微透镜阵列可以表示为：

其中，c在1～2.5之间取值，k在-1.2～-0.9之间取值。

优选地，一个所述匀光元件11沿着一第一方向被设置于所述曲面透光基板12的一侧，另一个所述匀光元件11沿着一第二方向被设置于所述曲面透光基板12的另一侧，并且所述第一方向和所述第二方向是正交的，通过对所述第一方向和所述第二方向的匀光效果进行调控，使得各光束经过所述光场调制器10之后能够均匀照明该对应的区域，参照图5A和图5B。换言之，本发明的所述光场调制器10能够明显地改善照明光区畸变的程度，减小能量损失，提高模组的照明均匀性和窗口效率。

值得一提的是，所述一维规则微透镜阵列的面型的具体实施方式仅仅作为示例，不能成为对本发明所述光场调制器10的内容和范围的限制。例如，在本发明的一个示例中，所述匀光元件11被实施为所述一维规则微透镜阵列，所述一维规则微透镜阵列的面型被表示为：

或

其中，c_x和c_y的取值范围均为-40mm^-1至40mm^-1；k_X和k_Y的取值范围均为-100至100。而在本发明的另一个示例中，所述匀光元件也可以被实施为所述一维随机微透镜阵列，所述一维随机微透镜阵列被表示为：

或

其中所述c_x和c_y的取值范围均为-40mm^-1至40mm^-1；k_X和k_y的取值范围均为-100至100。

另外，被设置于所述曲面透光基板12的两个表面的一维结构为简单结构，设计简单、加工方便，有利于降低所述光场调制器10的制造成本。

值得注意的是，在本发明的所述第一变形实施方式中，由于所述曲面透光基板12的所述入光表面121是弯曲的，并且所述曲面透光基板12的所述出光表面122是平整的，因此沿着所述曲面透光基板12的所述入光表面121排布的所述匀光元件11在实现第一次匀光的同时，还能够对光束形成的光场进行离轴畸变校正；之后，在经由所述曲面透光基板12的偏折和调整发散角度范围之后，再次经由沿着所述曲面透光基板12的所述出光表面122排布的所述匀光元件11实现第二次匀光，以进一步提高所形成光场的均匀度。

为了进一步提高所述光场调制器10对离轴畸变的校正效果，附图6示出了根据本发明的上述实施例的所述光场调制器10的第二变形实施方式。相比于根据本发明的上述第一变形实施方式，根据本发明的所述第二变形实施方式的所述光场调制器10的不同之处在于：所述曲面透光基板12的所述入光表面121和所述出光表面122均是弯曲的，使得沿着所述曲面透光基板12的所述入光表面121排布的所述匀光元件11在实现第一次匀光的同时，还能够对光束形成的光场进行离轴畸变校正；之后，在经由所述曲面透光基板12的偏折和调整发散角度范围之后，再次经由沿着所述曲面透光基板12的所述出光表面122排布的所述匀光元件11实现第二次匀光的同时，第二次对光束的离轴畸变进行校正，从而在进一步提高所形成光场的均匀度的同时，也能够进一步改善所形成光场的离轴畸变程度。

根据本发明的另一方面，如图7所示，本发明进一步提供了一种配置有所述光场调制器10的探测模组1，其中所述探测模组1适于探测一目标区域200内的深度图像信息。进一步地，如图8所示，所述探测模组1可以被应用于一电子设备，也就是说，所述电子设备可以包括至少一探测模组1和所述电子设备本体300，其中所述探测模组1被安装于所述电子设备本体300，并且所述探测模组1被可通信地连接于所述电子设备本体300，使得所述电子设备能够获取所述目标区域200内真实的三维信息。

值得一提的是，所述电子设备本体300或所述电子设备的具体实施方式不受限制，例如所述电子设备可以被实施为但不限于智能手机、平板电脑、可穿戴设备、体感交互设备、VR设备、AR设备、测距设备、立体成像设备或是本领域技术人员已知的其他电子设备中的一种或是多种。并且，本领域技术人员应该理解的是，所述探测模组1的具体应用仅仅作为示例，不能成为对本发明所述探测模组1的内容和范围的限制，所述探测模组1也可以被应用于其他领域，例如但不限于所述探测模组1可以应用于用户界面的手势感测或接近检测、计算机、家用电器、工业自动化、智能机器人、无人机、物联网等领域。

进一步地，如图9所示，所述探测模组1可以将所述目标区域200划分为多个指定区域201，并按照一预定时序对各个所述指定区域201进行探测，进而完成对整个所述目标区域200的探测，并获得所述目标区域200内真实的三维信息。

具体来说，如图7和图9所示，所述探测模组1可以包括上述光场调制器10、一探测光源20和一光接收装置30，其中所述探测光源20按照所述预定时序发射一探测光经由所述光场调制器10的调制后传播至所述目标区域200的所述指定区域201，所述指定区域201内的物体对所述探测光进行反射，进而形成一反射光，所述光接收装置30接收所述反射光，并结合所述探测光和所述反射光的相关信息获得所述指定区域201的深度图像信息。可以理解的是，所述光接收装置30可以通过测量光子的飞行时间，进而计算得到对应的所述目标区域200深度信息。或者，所述光接收装置30也可以根据所述探测光和所述反射光的相位差异等信息计算得到对应的所述目标区域200的深度信息。

值得注意的是，在本发明的上述实施例中，如图9所示，所述探测光源20包括多个照明光源21，其中每个所述照明光源21相互独立，并且每个所述照明光源21分别对应所述目标区域200中不同的所述指定区域201。所述照明光源21按照所述预定时序被点亮，使得所述照明光源21依次产生所述探测光，进而所述探测光以覆盖所述指定区域201的方式探测对应的所述指定区域201的深度信息。也就是说，每个所述照明光源21发射所述探测光的时间被错开，减小了所述照明光源21需要的电能供给，有利于减小所述探测模组1的功耗。并且，在电能供给相同的情况下，所述探测模组1相较现有的TOF探测装置，能够获得更远的探测距离，提高了所述探测模组1的探测范围，以利于实现低功耗远距离地探测。

值得注意的是，所述探测光源20的所述照明光源21的具体数量不受限制，所述探测光源20的所述照明光源21可以被实施为两个及两个以上数量。例如，所述照明光源21被实施为4个，或者所述探测光源20的所述发光面被按照2*2的方式均匀划分为4个所述子发光面；或者，所述照明光源21被实施为14个，所述探测光源20的所述发光面被按照2*7的方式均匀划分为14个所述子发光面；又如，所述照明光源21被实施为12个，所述探测光源20的所述发光面被按照1*12的方式均匀划分为12个所述子发光面。并且，所述探测光源20的所述照明光源21的类型不受限制，例如但不限于所述照明光源21为VCSEL((Vertical CavitySurface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)光源，EEL(边发射激光器)光源以及LED(发光二极管)光源。本领域技术人员应该理解的是，所述探测光源11的所述照明光源21及所述探测光的具体实施方式仅仅作为示意，不能成为对本发明所述探测模组1的内容和范围的限制。

当然，在本发明的其他示例中，所述探测光源20也可以仅包括一个所述照明光源21，并且所述照明光源21经由所述光场调制器10能够产生区域化的探测光，以按照需求照明指定的区域，实现区域化照明，进而使得所述探测模组1实现相应的探测任务。

值得一提的是，本发明的所述曲面光场调制器10能够改善所述照明光源21发出的所述探测光经传统匀光元件时产生畸变的问题。具体来说，根据所述探测光源20的所述照明光源21的不同排布，不同位置的所述照明光源21的离轴量不同，每个所述照明光源21产生的所述探测光在经过非所述光场调制器10时，所述探测光中心方向偏折不同角度，越靠近边缘的所述照明光源21产生的所述探测光的偏折角度越大，产生的照明光区的畸变越大，需要对畸变进行精准校正。由于不同位置的所述照明光源21产生的所述探测光的形成的照明光区的畸变量不同，需要对畸变进行分区校正，大大增加了设计、加工和装调的难度。

换言之，由于不同位置和/或不同角度的光束所对应的离轴量有所不同，因此不同的光束在经过传统的匀光元件时，所述光束的中心方向偏折不同角度，越靠近边缘的所述光束的偏折角度越大，产生的照明光区的畸变也就越大，这就需要对畸变进行精准校正。而由于不同位置的所述光束形成的照明光区的畸变量不同，需要对畸变进行区域校正，这就大大增加了设计、加工和装调的难度和复杂度。

举例来说，图10A至图10F依次示出了，在不对畸变做精准校正的情况下，所述照明光源21的位置自靠近光轴到远离光轴，发出的所述光束形成的照明区域，图10G为全部所述光束形成的照明区域示意图。可以看出，靠近中心的所述光束形成的照明区域呈长边沿水平方向的长方形，靠近边缘的所述光束形成的照明区域呈弧形，而目标区域200的所述指定区域201仍然是长边沿水平的长方形，这就造成在所有的所述探测光探测的区域中，只有中间的小部分区域为有效区域。也就是说，所述照明光源21偏离光轴越远，产生的所述探测光形成的照明光区的畸变量越大，这就导致在离轴量较大的情况下，照明均匀性变差，能量利用率低下，边缘能量损失惨重，窗口效率变低。

然而，不同位置的所述照明光源21产生的所述探测光通过本发明的所述光场调制器10后形成的照明光区的畸变量较小，无需针对各个指定区域进行单独校正。举例来说，图11A至图11F依次示出了，在不对畸变做精准校正的情况下，自靠近光轴到远离光轴的所述照明光源21产生的所述探测光形成的照明区域，图11G为全部所述照明光源21产生的所述探测光形成的照明区域示意图。可以看出，靠近光轴的所述照明光源21产生的所述探测光形成的照明区域呈长边沿水平方向的长方形，远离光轴的所述照明光源21产生的所述探测光形成的照明光区也呈长边沿水平方向的长方形，在所有的所述探测光探测的区域中，中间的大面积区域都为有效区域。所述光场调制器10明显地改善了照明区域畸变的程度，减小了能量损失，提高了所述探测模组1的均匀性和窗口效率。

值得一提的是，所述探测模组1的所述光场调制器10的具体实施方式不受限制，例如但不限于所述光场调制器10的所述匀光元件11可以采用基于衍射的方法对所述探测光进行调制，即所述光场调制器10的所述匀光元件11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9所示，所述光场调制器10的所述匀光元件11可以被实施为基于光折射原理的匀光片，并且所述光场调制器10可以被划分为多个所述光调制分部100，所述光场调制器10的所述光调制分部100的数量和所述探测光源20的所述照明光源21的数量相同，一个所述光调制分部100对应一个所述照明光源21。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。

优选地，所述光场调制器10的所述光调制分部100的数量不等于所述探测光源20的所述照明光源21的数量。在本发明的一个具体的示例中，一个所述光调制分部100对应至少两个所述照明光源21。在本发明的另一个具体的示例中，至少两个所述光调制分部100对应一个所述照明光源21。

在本发明所述的探测模组1的这个具体的实施例中，所述探测光源20的所述照明光源21可以按照所述预定时序和一预定规律发射所述探测光。具体地，所述照明光源21可以按照所述预定时序从左往右、从右往左、自上而下、自下而上、逆时针或是顺时针地依次发射所述探测光，并照亮对应的所述指定区域201。进一步地，不同的所述照明光源21在不同时刻照亮不同的所述指定区域201，在一个周期结束后完成对整个目标区域200的探测。当然，在本发明的其他示例中，所述探测光源20的所述照明光源21也可以被同时点亮，以提高照明功率，扩大照明范围；如用于测距装置，则可以提高探测距离。

举例来说，如图9所示，所述探测光源20包括四个所述照明光源21，所述照明光源21呈2*2的方式均匀分布，对应地，所述光场调制器10包括四个所述光调制分部100，且所述光调制分部100呈2*2的方式均匀分布。所述照明光源21按照预定时序和所述预定规律发射所述探测光，并照亮对应的所述指定区域201。可选地，所述探测光源20的所述照明光源21按照所述预定时序发射所述探测光，即所述照明光源21被依次点亮，并在一个周期完成对整个所述目标区域200的探测。

值得注意的是，如图12所示，单独一个所述照明光源21的尺寸为W*H，其中所述照明光源21与整个光源的中心距离为x、y，并与相邻的照明光源21之间的间隔为Gap_W、Gap_H。相应地，所述光场调制器10的匀光角(Diffusion angle)为θ_Df-X、θ_Df-Y，并且所述光场调制器10的焦距为f_x、f_y，则所述照明光源21的视场FOV_x*FOV_y满足以下关系：

而由于相邻的所述照明光源21之间存在间隔，因此各个所述照明光源21对应的照明区域之间也会有明显的间隙，这样就会导致各所述照明光源21之间存在照明盲区，使得整个照明区域不连续(如图13所示)；此时，如果用在三维传感设备中，就会出现漏测问题，影响很大。

本发明的所述光场调制器10的匀光角能够被调控，使得相邻的所述照明光源21对应的照明区域存在部分重叠(overlap)，从而提高整个视场范围的均匀性，也能够消除照明盲区，对装调工艺的敏感性也会降低。优选地，本发明的所述光场调制器10的匀光角被调控，以满足如下关系，使得整个照明区域连续(如图14所示)：

示例性地，本发明的所述光场调制器10能够对各个指定区域的交界处的照明效果进行优化，使得相邻的照明区域之间存在部分重叠。即单个指定区域为w*h，对应的该照明光源发出的探测光经过本发明所述的光场调制器10实际形成的照明区域为w1*h1，其中w1≥w，h1≥h。则部分重叠的比例可以结合光形来确定，既保证能量利用率高，又能保证整个视场范围的均匀性。此外，对装调工艺的敏感性低，不容易出现照明盲区。

另外，如果照明光源在两个方向的FOV相差较大，例如，需要照明线状区域，70°*5°，可用于线状光斑投射器。传统的方法往往需要使用多个光学元件，一部分元件用于压缩小角度方向的光发散角，一部分元件用于拉伸大角度方向的光发散角，还有一部分元件用于控制照明光场的能量分布。而这种情况下，使用本发明提供的方案，单独一个器件就能实现，高度集成，便于装调，体积小，成本低，还能灵活调控光场分布。

值得一提的是，针对诸如固态扫描激光雷达等之类的用于三维传感设备的探测模组，本发明的所述光场调制器10能够通过调控所述匀光元件11上微结构的面型，来补偿接收端的镜头暗角(lens shading)。可以理解的是，所述镜头暗角指的是图像呈现出中心区域较亮，四周偏暗的现象(如图15所示)，其主要由模组本身的机械结构和镜头的光学特性所引起的。具体地，一方面由于模组中各模块在制作和组装的过程中，均存在一定的工艺误差，从而影响物体光线在模组内的传播；另一方面，对于整个镜头，可将其视为一个凸透镜，由于凸透镜中心的聚光能力远大于其边缘，从而导致接收端中心的光线强度大于四周(此种现象也称之为边缘光照度衰减)。对于一个没有畸变的镜头，图像四周的光照度衰减遵循cos⁴θ的衰减规律，而在考虑镜头构造和畸变的影响时，图像四周的光照度衰减可能不再遵循cos⁴θ的衰减规律。事实上，在一个TOF探测模组中，镜头暗角客观上总是存在的。

优选地，本发明通过调控所述光场调制器10的所述匀光元件11上微结构的面型，即优化

中的各个参数，来形成与接收镜头相匹配的照明光场，来补偿接收端的镜头暗角，使传感器上的各个单元能够接收到相对均匀的照度，各个视场的信噪比相对均衡，不会由于暗角问题影响探测距离。例如，采用本发明的所述光场调制器10形成的一个照明光场的光强分布示意图和光强度分布曲线分别如图16A和图16B所示。

值得注意的是，由于c_x和c_y主要影响照明FOV，因此c_x和c_y的绝对值越大，照明FOV越大。对应地，k_x和k_y的选择主要影响微透镜的面型形状，进而影响光场的能量分布。如图17所示，|k₁|<|k₂|<|k₃|<|k₄|，光强分布曲线相应有规律地变化，即k的绝对值越大，光场的能量越向四周聚集。因此本发明的所述光场调制器10能够通过调控微结构的面型参数，实现对照明范围及光场能量分布的调控。

根据本发明的另一方面，如图18所示，本发明进一步提供了一种光场调制器的调制方法，包括以下步骤：

S100：经由一光场调制器10的至少一匀光元件11匀光化处理一光束；和

S120：经由该光场调制器10的一曲面透光基板12偏折该光束，并调整该光束的发散角度范围，其中该曲面透光基板12具有至少一曲面120，并且该匀光元件11被对应地设置于该曲面透光基板12的该曲面120，以使该匀光元件11的微结构沿着该曲面透光基板12的该曲面120排布。

本领域的技术人员可以理解的是，以上实施例仅为举例，其中不同实施例的特征可以相互组合，以得到根据本发明揭露的内容很容易想到但是在附图中没有明确指出的实施方式。

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 (9)

1.一光投射方法，其特征在于，包括步骤：

发射一探测光至一光场调制器，其步骤包括：

按照预定时序点亮多个照明光源，其中该多个照明光源被相互间隔地设置，并且每个该照明光源分别对应于目标区域中不同的指定区域；和

通过该多个照明光源，分时地产生该探测光，以获取所述目标区域的深度图像信息；和

通过该光场调制器，调制该探测光以均匀地投射至对应的目标区域及校正经由偏离光轴的每个该照明光源产生的探测光的畸变，以改善与每个该照明光源对应的照明区域的畸变程度，其中所述光场调制器的匀光角被调控，使得相邻的所述照明光源对应的照明区域存在部分重叠。

2.如权利要求1所述的光投射方法，其中，所述通过该光场调制器，调制该探测光以均匀地投射至对应的目标区域的步骤，包括步骤：

通过该光场调制器的至少一匀光元件，匀光化处理该探测光；和

通过该光场调制器的曲面透光基板，偏折该探测光，以调整该探测光的发散角度范围。

3.如权利要求2所述的光投射方法，其中，在所述通过该光场调制器的至少一匀光元件，匀光化处理该探测光的步骤中：

通过该匀光元件的微结构，折射该探测光，以实现对该探测光的匀化。

4.如权利要求2所述的光投射方法，其中，所述通过该光场调制器的曲面透光基板，偏折该探测光，以调整该探测光的发散角度范围的步骤，包括步骤：通过该曲面透光基板的入光表面和出光表面在至少一个方向上偏折该探测光。

5.如权利要求4所述的光投射方法，其中，所述通过该光场调制器的至少一匀光元件，匀光化处理该探测光的步骤，包括步骤：

通过一个该匀光元件，在入射至该曲面透光基板之前第一次折射该探测光，以首次匀化该探测光；和

通过另一该匀光元件，在射出该曲面透光基板之后第二次折射该探测光，以再次匀化该探测光。

6.如权利要求3所述的光投射方法，其中，在所述通过该匀光元件的微结构，折射该探测光，以实现对该探测光的匀化的步骤中：

控制该光场调制器的该匀光元件的微结构的面型，以调控对应的光场分布。

7.如权利要求6所述的光投射方法，其中，该匀光元件上微结构的面型为：

其中该匀光元件通过优化上述面型中的c_x、c_y、k_x和/或k_y参数来调控光场分布，用于形成与接收镜头相匹配的照明光场。

8.如权利要求1至7中任一所述的光投射方法，其中，该光场调制器的匀光角满足以下关系：

其中θ_Df-X、θ_Df-Y为所述光场调制器的匀光角，Gap_W、Gap_H为相邻的所述照明光源之间的间隔，f_x、f_y为所述光场调制器的焦距。

9.如权利要求2至7中任一所述的光投射方法，其中，所述曲面透光基板为一曲面透镜，并且所述曲面透镜为一平凸非球面柱透镜，其面型为：

其中，所述曲面透镜的参数：R=1.36mm；k=-0.792；A₄=-4.73E-03；A₆=-8.00E-04；A₈=-3.34E-04；A₁₀=2.24E-04；A₁₂=-6.08E-05。

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