CN114706214A - 一种3d投射器准直镜的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于3D视觉技术领域，提供了一种3D投射器准直镜的设计方法，包括：在现有的准直镜设计中的成像圆的基础上，增加一个收光圆的概念，所述成像圆只需包含第一激光光源所有发光区域，且设计时准直镜系统对成像圆范围内的物点有成像质量要求，所述收光圆只需包含第二激光光源所有发光区域，且设计时准直镜系统对收光圆范围内的物点无成像质量要求，只需要此范围内的物点发出的光束能全部通过准直镜的系统出射即可。本方法在现有准直镜设计中成像圆的基础上，提出了收光圆的概念，可有效的降低准直镜的设计难度，同时考虑到3D投射器系统中第二激光光源下垫高片对设计收光圆尺寸的影响，进一步降低了设计准直镜的难度。

Description

一种3D投射器准直镜的设计方法

技术领域

本发明属于3D视觉技术领域，尤其涉及一种3D投射器准直镜的设计方法。

背景技术

3D视觉技术较2D视觉技术可以获取物体的深度信息，随着人工智能、自动驾驶、AR/VR时代的到来，3D视觉将会有更加广泛的应用场景，有望真正成为机器或智能手机的眼睛，使它们能够更准确地感知环境，识别使用者。

3D视觉技术以结构光和时间飞行技术为主流，而结构光和飞行技术系统中的核心部件是投射器，结构光投射器发出带特定编码特征的光斑，投射在物体上，基于三角测量原理，可以解析出物体的深度信息；飞行技术中的投射器目前多数以红外泛光照明为主流，发出均匀红外光投射在物体上，计算光束发出到接收的时间差，从而得到物体的深度信息；将结构光和泛光照明合置在一颗投射器上，可以将两种测距技术集成在一个系统上。

CN202110459066.7公开的图5中投射器中包含：第一激光光源、第二激光光源、准直镜、DOE，第一激光光源位于准直镜的焦平面，不同光点发出的光束经准直镜准直成平行光束，到达DOE后复制并扩束为视场角更大的散斑图(散斑光点清晰成像)；第二激光光源位于准直镜的虚焦平面，不同光点发出的光束经过准直镜折射为发散光束，到达DOE后复制并扩束为视场角更大的均匀红外图(散斑光点弥散，相邻的光点光斑重叠在一起)，两颗激光光源之间存在一定的高度差。相比投射器中只有一颗激光光源的系统，该系统准直镜设计对应的成像圆大小由原来只需要包含一颗激光光源的发光尺寸变成需要包含两颗激光光源的发光尺寸，成像圆尺寸大大增加，而实际设计中为尽量压缩模组的尺寸，准直镜的光学总长(第一镜面中心到物方焦平面之间的距离)要尽量做小，这样大成像圆、低光学总长的要求使得准直镜的设计难度大大提高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种3D投射器准直镜的设计方法，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，包括：在现有的准直镜设计中的成像圆的基础上，增加一个收光圆的概念，所述成像圆只需包含第一激光光源所有发光区域，且设计时准直镜系统对成像圆范围内的物点有成像质量要求，所述收光圆只需包含第二激光光源所有发光区域，且设计时准直镜系统对收光圆范围内的物点无成像质量要求，只需要此范围内的物点发出的光束能全部通过准直镜的系统出射即可。

进一步的技术方案，包括以下步骤：

步骤1：在第二激光光源的一侧设置垫高片，使得第一激光光源和第二激光光源产生高度差，且保证第一激光光源在准直镜的焦平面，第二激光光源在准直镜的虚焦平面；

步骤2：根据第一激光光源有效发光区的尺寸确定准直镜成像圆的大小；

步骤3：根据第二激光光源有效发光区的尺寸确定准直镜收光圆的大小，通过设置成像圆和收光圆设计的权重来降低低光学总长准直镜的设计难度，使得准直镜尺寸能做得更小。

进一步的技术方案，所述第一激光光源用于发射结构光，所述第一激光光源为VCSEL(垂直腔面发射激光器)、EEL(边发射激光器)或HCSEL(水平腔面发射激光器)，且所述第一激光光源的波长为红外波段，所述第一激光光源上分布有多个随机排布的点阵。

进一步的技术方案，所述第二激光光源用于提供均匀的光束，所述第二激光光源为LED、VCSEL、EEL或HCSEL，所述第二激光光源上分布有至少一个发光点，所述第二激光光源的波长与第一激光光源相同。

进一步的技术方案，所述准直镜的镜片面型为球面或非球面，且镜片的面型关于中心旋转对称，相应的成像圆与收光圆的圆心重合。

进一步的技术方案，所述准直镜的面型为自由曲面，且镜片的面型为旋转非对称结构，相应的成像圆与收光圆的圆心无需重合。镜片为自由曲面面型的准直镜在设计时对应的收光圆大小比镜片为球面或非球面面型的准直镜的收光圆大小更小，可进一步降低低光学总长准直镜的设计难度，使得准直镜尺寸能做得更小。

进一步的技术方案，将步骤3替换为：根据第一激光光源和第二激光光源发出的光束打到准直镜的第一面上的光束口径来确定准直镜收光圆的大小，进一步降低收光圆的大小，从而进一步降低低光学总长准直镜的设计难度，使得准直镜尺寸能做得更小。

本发明实施例提供的一种3D投射器准直镜的设计方法，在现有准直镜设计中成像圆的基础上，提出了收光圆的概念，可有效的降低准直镜的设计难度，同时考虑到3D投射器系统中第二激光光源下垫高片对设计收光圆尺寸的影响，进一步降低了设计准直镜的难度。

附图说明

图1为常规准直镜成像圆设计示意图；

图2为本发明提供的一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图；

图3为本发明提供的另一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图；

图4为本发明提供的又一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图；

图5为本发明提供的再一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图；

图6为本发明提供的再一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图；

图7为本发明提供的一种准直镜成像圆与收光圆的设计方法；

图8为本发明提供的再一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图；

图9为本发明提供的再一种准直镜成像圆与收光圆设计示意图。

附图中：第一激光光源1；第二激光光源2；一号成像圆31；二号成像圆32；三号成像圆33；四号成像圆34；五号成像圆35；一号收光圆42；二号收光圆43；四号收光圆44；五号收光圆45；六号收光圆46；七号收光圆47；电路板5；垫高片6；准直镜第一面7；一号准直镜第一面71；二号准直镜第一面72；第一边缘光斑8；第二边缘光斑9；第三边缘光斑10。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，第一激光光源1可以是VCSEL、EEL或HCSEL，波长为红外波段，可以根据系统需要来选择不同发射波长，一般有850nm和940nm等，上面分布有多个随机排布的点阵，用于发射结构光。第二激光光源2可以是LED、VCSEL、EEL或HCSEL，上面分布一个或多个发光点，发光点之间的排列可以是规律排列也可以是随机排列，波长与第一激光光源1一致，且发光点的有效区域的尺寸与第一激光光源1一致，用于发射泛光；常规设计中一号成像圆31的区域要涵盖第一激光光源1和第二激光光源2所有发光区域，为达到较好的成像效果，对一号成像圆31内物点发出的光束的成像质量有较高的要求，如畸变、成像光斑尺寸、MTF以及准直度等都有比较严格的要求，由于一号成像圆31较大，导致准直镜的光学总长很难做小。

如图2所示，该实施例中的准直镜成像圆的概念同图1中介绍，较图1不同是图2中的二号成像圆32的尺寸大大减小，最小可以只包含第一激光光源1的有效区域即可；准直镜一号收光圆42的概念是在此范围内的物点发出的光束能全部通过准直镜的系统出射即可，对物点发出的光束成像质量无严格要求，准直镜包含的镜片面型可以是球面也可以是非球面，面型关于中心旋转对称，因此二号成像圆32与一号收光圆42的圆心是重合的；因为第一激光光源1发出的是结构光，最终需要从结构散斑图中解析出物体的深度信息，系统对最终第一激光光源1的发光点成像的光斑大小和质量有较高要求，而第二激光光源2发出的光只需要最终打出来的是一片均匀的光束即可，不需要记录光点的分布情况，因此对第二激光光源2的发光点的成像质量无要求，只需要第二激光光源2发出的光能经过准直镜的光学系统出射到DOE的面即可，比如准直镜的光学透镜部分按二号成像圆32大小设计后，可以在该透镜上直接增加镜片的口径，让第二激光光源2发出的光束能从准直镜系统出射即可，这样光学系统需要的二号成像圆32不会因为第二激光光源2的存在而扩大，因此可以大大降低准直镜设计中成像圆的大小，维持准直镜的低光学总长的同时降低设计难度，有利于光学系统的小型化。

如图3所示，该实施例中的三号成像圆33的大小介于一号成像圆31和二号成像圆32之间，二号收光圆43的大小较一号收光圆42小，通过适当的增大成像圆的大小，可以减小收光圆的大小，在准直镜的镜片口径尺寸和光学总长上可以根据实际需求做相应调整(增大成像圆大小，准直镜设计的极限光学总长也会增加，增大收光圆的大小，会增加准直镜的镜片口径大小)；

如图4所示，该实施例中准直镜的面型使用自由曲面面型，面型可以是旋转非对称结构，这样四号成像圆34和四号收光圆44的圆心不用重合，在设计上可以有一定的偏移量，可以看到采用自由曲面面型后，收光圆的尺寸在图2和图3的基础上又进一步减小了，进一步降低了设计低光学总长准直镜的难度。

图1、2、3和4我们在设计准直镜的时候是将第一激光光源与第二激光源设定在同一高度平面上设计的，而实际系统中第二激光光源2下面会有一块垫片，使得第二激光光源2与第一激光光源1的发光面有一定的高度差，即第二激光光源2的发光面较第一激光光源1的发光面离准直镜更近，垫高后的第二激光光源2发出的光束打在准直镜的第一面7的光束口径小于未考虑垫高情况的光束口径，实际应用中只需要保证垫高后的第二激光光源2发出的光能全部落在准直镜的第一面7上即可，即在图1的基础上我们可以减小对应的成像圆的设计大小，在图2、3和4的基础上我们可以减小对应收光圆的设计大小，进一步的降低低光学总长准直镜的设计难度，将准直镜做得更小。

如图5所示，显示第二激光光源2在距离准直镜不同距离处光束打在准直镜的第一面7的口径大小，电路板5为第一激光光源1和第二激光光源2供电，垫高片6的作用就是让第一激光光源1和第二激光光源2产生一定的高度差，使得第一激光光源1在准直镜的焦平面，第二激光光源2在准直镜的虚焦平面，一号准直镜第一面71对应的是第一激光光源1发出光束打到准直镜第一面上的光束口径大小，即对应准直镜第一面设计的最小口径，二号准直镜第一面72对应的是第一激光光源1发出光束打到准直镜第一面上的光束口径大小，即对应准直镜第一面设计的最小口径，第一激光光源1的发光面与一号准直镜第一面71之间的距离即为准直镜的后焦距，可以看到二号准直镜第一面72的直径相较于一号准直镜第一面71的直径要小，该尺寸可以通过计算得到，与垫高片6的高度和第二激光光源2的发散角有关，即在图1的基础上我们可以减小对应的成像圆3的设计大小，在图2、3和4上我们可以减小对应收光圆4的设计大小，进一步的降低低光学总长准直镜的设计难度，将准直镜做得更小。

图6即为在图1的基础上使用图5的方法，降低了成像圆3的设计大小；实际设计中只需要准直镜第一面7的大小能包住第一边缘光斑8、第二边缘光斑9即可(只要能包住最边缘光斑发出的光斑，其它更靠近成像圆3中心的光点的光斑也能包住)，第一边缘光斑8为第一激光光源1最边缘光点，即离成像圆中心最远的光点发出的光束打在准直镜第一面上的光斑，第二边缘光斑9为第二激光光源2最边缘光点，即离成像圆中心最远的光点发出的光束打在准直镜第一面的光斑。使第一激光光源1和第二激光光源2发出的光束全部都能落在准直镜第一面7的成像口径上，这样相对比一号成像圆31的圆心在第一激光光源1和第二激光光源2的中间位置，实际设计成像圆3的圆心时，圆心可以更靠近第一激光光源1，同时第一激光光源1的发光区全部落在五号成像圆35内，且此时第一激光光源1和第二激光光源2上所有点发出的光束都能落在准直镜第一面7内(以成像圆3圆心为中心，第一边缘光斑8和第二边缘光斑9边缘离圆心最远的距离为半径画圆，即这里说的准直镜第一面7的最小口径圆)，可以看到五号成像圆35较一号成像圆31的尺寸小，在原有的基础上降低了准直镜的设计难度。

图7即为在图2的基础上使用图5的方法，降低了准直镜第一面7的设计大小和收光圆4的设计大小；一号收光圆42为未考虑第二激光光源2垫高的情况下的收光圆，五号收光圆45为考虑了第二激光光源2垫高后的收光圆、第二边缘光斑9为第二激光光源2最边缘的光斑(离成像圆中心最远的光点)发出的光束实际打在准直镜第一面7上的光斑，第三边缘光斑10为按照图2设计时第二激光光源2最边缘光斑(离成像圆中心最远的光点)发出的光束打在准直镜第一面7上的光斑，一号准直镜第一面71为未考虑第二激光光源2垫高情况下准直镜第一面7的最小口径(将第三边缘光斑10包住)、二号准直镜第一面72为计算了第二激光光源2垫高后的准直镜第一面7的最小口径(将第二边缘光斑9包住就可以)；一号收光圆42对应的准直镜第一面7的最小口径是一号准直镜第一面71，五号收光圆45对应的准直镜第一面7的最小口径是二号准直镜第一面72，可以看到二号准直镜第一面72小于一号准直镜第一面71，即在图2设计的基础上，准直镜第一面7的口径可以做得更小；五号收光圆45小于一号收光圆42，两者之差与垫高片的高度和第二激光光源的发散角有关，在设计时随着收光圆进一步减小，在图2设计的基础上进一步降低了准直镜的设计难度。

图8即为在图3的基础上使用图5的方法，降低了准直镜第一面7口径的设计大小和收光圆的设计大小；二号收光圆43为未考虑第二激光光源2垫高情况下的收光圆、六号收光圆46为考虑了第二激光光源2垫高后的收光圆，二号收光圆43对应的准直镜第一面设计的最小口径是一号准直镜第一面71，六号收光圆46对应的准直镜第一面设计的最小口径是二号准直镜第一面72，可以看到二号准直镜第一面72小于一号准直镜第一面71，即在图2设计的基础上，准直镜第一面7的口径可以做得更小；六号收光圆46小于二号收光圆43，两者之差与垫高片6的高度和第二激光光源2的发散角有关，在设计时随着收光圆进一步减小，在图3设计的基础上进一步降低了准直镜的设计难度。

图9即为在图4的基础上使用图5的方法，降低了准直镜第一面7的设计大小和收光圆4的设计大小；四号收光圆44为未考虑第二激光光源2垫高情况下的收光圆、七号收光圆47为考虑了第二激光光源2垫高后的收光圆、一号准直镜第一面71为未考虑第二激光光源2垫高情况下准直镜第一面设计的最小口径、二号准直镜第一面72为计算了第二激光光源2垫高后的准直镜第一面设计的最小口径；四号收光圆44对应的准直镜第一面设计的最小口径是一号准直镜第一面71，七号收光圆47对应的准直镜第一面设计的最小口径是二号准直镜第一面72，可以看到二号准直镜第一面72小于一号准直镜第一面71，即在图4设计的基础上，准直镜第一面的口径可以做得更小；七号收光圆47小于四号收光圆44，两者之差与垫高片6的高度和第二激光光源2的发散角有关，在设计时随着收光圆4进一步减小，在图4设计的基础上进一步降低了准直镜的设计难度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，包括：在现有的准直镜设计中的成像圆的基础上，增加一个收光圆的概念，所述成像圆只需包含第一激光光源所有发光区域，且设计时准直镜系统对成像圆范围内的物点有成像质量要求，所述收光圆只需包含第二激光光源所有发光区域，且设计时准直镜系统对收光圆范围内的物点无成像质量要求，只需要此范围内的物点发出的光束能全部通过准直镜的系统出射即可。

2.根据权利要求1所述的3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在第二激光光源的一侧设置垫高片，使得第一激光光源和第二激光光源产生高度差，且保证第一激光光源在准直镜的焦平面，第二激光光源在准直镜的虚焦平面；

步骤2：根据第一激光光源有效发光区的尺寸确定准直镜成像圆的大小；

步骤3：根据第二激光光源有效发光区的尺寸确定准直镜收光圆的大小，通过设置成像圆和收光圆设计的权重来降低低光学总长准直镜的设计难度，使得准直镜尺寸能做得更小。

3.根据权利要求1所述的3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，所述第一激光光源用于发射结构光，所述第一激光光源为垂直腔面发射激光器、边发射激光器或水平腔面发射激光器，且所述第一激光光源的波长为红外波段，所述第一激光光源上分布有多个随机排布的点阵。

4.根据权利要求1所述的3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，所述第二激光光源用于提供均匀的光束，所述第二激光光源为LED、垂直腔面发射激光器、边发射激光器或水平腔面发射激光器，所述第二激光光源上分布有至少一个发光点，所述第二激光光源的波长与第一激光光源相同。

5.根据权利要求1所述的3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，所述准直镜的镜片面型为球面或非球面，且镜片的面型关于中心旋转对称，相应的成像圆与收光圆的圆心重合。

6.根据权利要求1所述的3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，所述准直镜的镜片面型为自由曲面，且镜片的面型为旋转非对称结构，相应的成像圆与收光圆的圆心无需重合；可进一步降低收光圆的大小，从而进一步降低低光学总长准直镜的设计难度。

7.根据权利要求2所述的3D投射器准直镜的设计方法，其特征在于，采用根据第一激光光源和第二激光光源发出的光束打到准直镜的第一面上的光束口径来确定准直镜收光圆的大小，进一步降低收光圆的大小，替换上述步骤3，可进一步降低低光学总长准直镜的设计难度。

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