CN115453749A - 3d投射器及光学透镜的设计方法 - Google Patents

3d投射器及光学透镜的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D视觉技术领域，尤其涉及一种3D投射器及光学透镜的设计方法，该3D投射器包括：电路板、第一激光光源、第二激光光源、准直照明一体镜和衍射光学元件；其中，第一激光光源和第二激光光源间隔设置在电路板的同一侧，电路板与第一激光光源和第二激光光源电连接，准直照明一体镜设置在第一激光光源和第二激光光源上方，且准直照明一体镜的镜筒底部与电路板固定连接，准直照明一体镜的镜筒顶部与衍射光学元件固定连接；由于相比于现有的结构光投射器和泛光照明器分开设置，本发明扩展了3D投射器的应用场景，并降低了3D投射器体积和生产成本。

Description

3D投射器及光学透镜的设计方法
技术领域
本发明涉及3D视觉技术领域，尤其涉及一种3D投射器及光学透镜的设计方法。
背景技术
目前，3D视觉感知技术在原有的2D成像只提供物体纹理信息的基础上，增加了物体的深度信息以用于人脸识别，3D视觉感知技术以结构光技术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。
一般市面上的3D投射器包括结构光投射器和泛光照明器，其中，结构光投射器和泛光照明器分别按照一定的时间间隔交替工作，结构光投射器用于投射结构光斑图，泛光照明器用于投射均匀红外光斑图，3D投射器的红外相机接收结构光斑图和均匀红外光斑图以进行人脸识别，但现有的结构光投射器和泛光照明器由于是两个不同的系统，需分开设置，进而导致3D投射器的体积较大，生产和组装成本较高。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种3D投射器及光学透镜的设计方法，旨在解决现有技术中3D投射器体积较大，生产和组装成本较高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种3D投射器，所述3D投射器包括：电路板、第一激光光源、第二激光光源、准直照明一体镜和衍射光学元件；
其中，所述第一激光光源和所述第二激光光源间隔设置在所述电路板的同一侧，所述电路板与所述第一激光光源和所述第二激光光源电连接，所述准直照明一体镜设置在所述第一激光光源和所述第二激光光源上方，且所述准直照明一体镜的镜筒底部与所述电路板固定连接，所述准直照明一体镜的镜筒顶部与所述衍射光学元件固定连接；
所述电路板，用于按照不同的时间间隔为所述第一激光光源和所述第二激光光源供电；
所述第一激光光源，用于在上电时，发射结构光至所述准直照明一体镜；
所述准直照明一体镜，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；
所述衍射光学元件，用于将所述清晰光斑图复制并扩散，获得视场角更大的结构光斑图；
所述第二激光光源，用于在上电时，发射泛光至所述准直照明一体镜；
所述准直照明一体镜，还用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；
所述衍射光学元件，还用于将所述模糊光斑图复制并扩散，获得视场角更大的均匀红外光斑图。
可选地，所述准直照明一体镜还包括：光学透镜，所述光学透镜包括准直区域、照明区域和拼接区域；
其中，所述拼接区域分别与所述准直区域和所述照明区域连接；
所述准直区域，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；
所述照明区域，用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；
所述拼接区域，用于防止投射到所述准直区域的光束进入到所述照明区域，以及防止投射到所述照明区域的光束进入到所述准直区域。
可选地，所述拼接区域经过喷砂处理。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种光学透镜的设计方法，所述光学透镜包括准直区域、照明区域和拼接区域，所述设计方法包括：
获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计；
获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，确定所述照明区域的初始结构，并根据所述照明区域的光学系统参数和所述照明区域的边界条件对所述照明区域的初始结构进行优化，获得照明区域镜片设计；
根据所述准直区域镜片设计确定准直区域拼接点，并根据所述照明区域镜片设计确定照明区域拼接点；
按照所述准直区域拼接点和所述照明区域拼接点将所述准直区域镜片设计和所述照明区域镜片设计进行拼接，获得包含所述准直区域、所述照明区域和所述拼接区域的光学透镜。
可选地，所述获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计的步骤，包括：
获取所述准直区域的光学系统参数，并根据历史准直区域镜片设计确定所述准直区域的初始结构；
根据所述准直区域的光学系统参数和所述准直区域的初始结构确定准直区域镜片设计参数；
将所述准直区域镜片设计参数中的可变参数设置为变量，获得准直区域变量参数；
根据预设准直区域评价函数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得优化后的准直区域镜片结构；
对所述优化后的准直区域镜片结构进行仿真，并判断仿真得到的准直区域镜片设计像质评价参数的数值是否满足预设系统设计要求；
若是，则将所述优化后的准直区域镜片结构作为准直区域镜片设计。
可选地，所述准直区域镜片设计像质评价参数包括：准直度、最佳工作距离处光斑尺寸、MTF、相机对照度和畸变中的至少一项。
可选地，所述获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，确定所述照明区域的初始结构，并根据所述照明区域的光学系统参数和所述照明区域的边界条件对所述照明区域的初始结构进行优化，获得照明区域镜片设计的步骤，包括：
获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，并根据历史照明区域镜片设计确定所述照明区域的初始结构；
根据所述照明区域的光学系统参数、所述照明区域的边界条件和所述照明区域的初始结构确定照明区域镜片设计参数；
将所述照明区域镜片设计参数中可变参数设置为变量，获得照明区域变量参数；
根据第一预设照明区域评价函数对所述照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构；
对所述优化后的照明区域镜片结构进行仿真，并判断仿真得到的照明区域镜片设计像质评价参数的数值是否满足预设系统设计要求；
若是，则将所述优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
可选地，所述照明区域镜片设计像质评价参数包括：最佳工作距离处光斑尺寸、光斑重合度和光能利用率中的至少一项参数。
可选地，所述获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计的步骤之后，还包括：
确定第二激光光源的光源分布场；
根据所述准直区域镜片设计中的镜片边界位置确定照明区域镜片距离第二激光光源的距离范围；
确定所述准直区域镜片设计在最佳工作距离处的目标光场分布；
根据所述光源分布场和所述目标光源分布场获得符合预设要求的离散坐标信息；
根据所述离散坐标信息通过预设算法进行拟合，并根据拟合结果和所述距离范围获得照明区域的初始结构；
根据目标面照度平均标准偏差和光能利用率构建第二预设照明区域评价函数；
根据所述第二预设照明区域评价函数对所述照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构；
对所述优化后的照明区域镜片结构进行仿真，判断仿真得到的照度和光能利用率是否满足预设系统设计要求；
若是，则将所述优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
可选地，所述根据所述准直区域镜片设计确定准直区域拼接点，并根据所述照明区域镜片设计确定照明区域拼接点的步骤，包括：
根据所述准直区域镜片设计确定准直区域边缘光点位置信息和准直区域镜面边缘点位置信息；
根据所述准直区域边缘光点位置信息和所述准直区域镜面边缘点位置信息确定准直区域拼接点；
基于所述照明区域镜片设计确定照明区域边缘光点位置信息和照明区域镜面边缘点位置信息；
根据所述照明区域边缘光点位置信息和所述照明区域镜面边缘点位置信息确定照明区域拼接点。
本发明提供了一种3D投射器，所述3D投射器包括：电路板、第一激光光源、第二激光光源、准直照明一体镜和衍射光学元件；其中，所述第一激光光源和所述第二激光光源间隔设置在所述电路板的同一侧，所述电路板与所述第一激光光源和所述第二激光光源电连接，所述准直照明一体镜设置在所述第一激光光源和所述第二激光光源上方，且所述准直照明一体镜的镜筒底部与所述电路板固定连接，所述准直照明一体镜的镜筒顶部与所述衍射光学元件固定连接；所述电路板，用于按照不同的时间间隔为所述第一激光光源和所述第二激光光源供电；所述第一激光光源，用于在上电时，发射结构光至所述准直照明一体镜；所述准直照明一体镜，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；所述衍射光学元件，用于将所述清晰光斑图复制并扩散，获得视场角更大的结构光斑图；所述第二激光光源，用于在上电时，发射泛光至所述准直照明一体镜；所述准直照明一体镜，还用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；所述衍射光学元件，还用于将所述模糊光斑图复制并扩散，获得视场角更大的均匀红外光斑图。由于本发明将第一激光光源和第二激光光源设置在同一个镜筒内，通过准直照明一体镜进行成像，以获得视场角更大的结构光斑图和均匀红外光斑图，相比于现有的结构光投射器和泛光照明器设置成两个系统，本发明能减小3D投射器的体积，节省了生产和组装成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的3D投射器第一实施例的结构示意图；
图2为本发明光学透镜的设计方法第一实施例的流程示意图；
图3为本发明光学透镜的设计方法中准直区域最佳工作距离的仿真光路图；
图4为本发明光学透镜的设计方法中准直区域最佳工作距离下的相邻点的结构光斑图；
图5为本发明光学透镜的设计方法中准直区域的成像效果示意图；
图6为本发明光学透镜的设计方法中照明区域最佳工作距离的仿真光路图；
图7为本发明光学透镜的设计方法中照明区域最佳工作距离下的相邻点的红外光斑图；
图8为本发明光学透镜的设计方法中照明区域的成像结效果示意图；
图9为本发明光学透镜的设计方法中拼接后的光学透镜结构图；
图10为本发明光学透镜设计方法中约束后的光学透镜结构图。
附图标号说明：
Figure BDA0003775045440000061
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例提供的3D投射器第一实施例的结构示意图；
如图1所示，所述3D投射器包括：电路板101、第一激光光源102、第二激光光源103、准直照明一体镜104和衍射光学元件105；
其中，所述第一激光光源102和所述第二激光光源103间隔设置在所述电路板101的同一侧，所述电路板101与所述第一激光光源102和所述第二激光光源103电连接，所述准直照明一体镜104设置在所述第一激光光源102和所述第二激光光源103上方，且所述准直照明一体镜104的镜筒底部与所述电路板101固定连接，所述准直照明一体镜104的镜筒顶部与所述衍射光学元件105固定连接；
所述电路板101，用于按照不同的时间间隔为所述第一激光光源102和所述第二激光光源103供电；
所述第一激光光源102，用于在上电时，发射结构光至所述准直照明一体镜104；
所述准直照明一体镜104，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；
所述衍射光学元件105，用于将所述清晰光斑图复制并扩散，获得视场角更大的结构光斑图；
所述第二激光光源103，用于在上电时，发射泛光至所述准直照明一体镜104；
所述准直照明一体镜104，还用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；
所述衍射光学元件105，还用于将所述模糊光斑图复制并扩散，获得视场角更大的均匀红外光斑图。
需要说明的是，本实施例提供的3D投射器可以是应用在需要进行3D视觉感知的场景中，例如，人脸识别，人体扫描，体感健身等场景，本实施例对此不加以限制。
可理解的是，上述电路板101可以是软硬结合板或陶瓷基板，上述电路板101用于按照不同的时间间隔为第一激光光源102和第二激光光源103供电，上述时间间隔可以根据实际使用情况设置。
上述第一激光光源102可以是LED光源，垂直腔表面发射激光器或水平腔表面发射激光器，本实施例对此不加以限制，上述第一激光光源102表面可分布有多个伪随机排布的点阵，上述点阵可用于使第一激光光源102发射结构光，上述第一激光光源102发出的结构光的波长为红外波段，可根据系统需求选择不同发射波长，一般可选择波长为850nm、940nm等红外波段。
上述第二激光光源103也可以是LED光源、垂直腔表面发射激光器或水平腔表面发射激光器，本实施例对此也不加以限制，上述第二激光光源103的表面可分布一个或多个发光点，可根据实际使用情况自行设置，当发光点为多个时，各发光点之间的排列可以是按照一定规律排列，例如，按照相邻发光点等间隔排列，或者按照一定的划分区域排列，也可以是随机排列，上述发光点可使第二激光光源103发射泛光，上述第二激光光源103发出的泛光的波长可与上述第一激光光源102发出的结构光的波长一致。
应理解的是，为了便于生产，上述电路板101与第一激光光源102和第二激光光源103可通过导电胶和金线的方式电连接，还可以通过锡膏焊接的方式电连接。
进一步地，上述准直照明一体镜104可包括镜筒和光学透镜，光学透镜设置于镜筒内部，镜筒用于固定上述光学透镜，上述光学透镜的镜片数量可以是一片，可以是多片，可根据实际情况自行设置。
由于对第一激光光源102和第二激光光源103经过光学透镜后的光学成像质量评价指标不相同，可将上述光学透镜划分为三个区域，上述光学透镜包括准直区域1、照明区域2和拼接区域3，如图1所示，上述片拼接区域3分别与上述准直区域1和上述照明区域2连接。
所述准直区域1，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；所述照明区域2，用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；所述拼接区域3，用于防止投射到所述准直区域1的光束进入到所述照明区域2，以及防止投射到所述照明区域2的光束进入到所述准直区域1。
需要说明的是，上述准直区域1可用于将第一激光光源102发出的结构光准直为平行光束，当结构光经过准直区域1后，在工作距离范围内可获得与上述准直区域1的发光孔分布一样的清晰光斑图。
可理解的是，上述照明区域2可用于将第二激光光源103发出的泛光的发散角压缩，获得一定角度的发散光束，上述泛光经过照明区域2后可成为多个模糊扩散的光斑图，且相邻的光斑图相互重叠在一起，形成分布均匀的红外图。
为了防止投射到准直区域1的光束进入到所述照明区域2，以及防止投射到照明区域2的光束进入到准直区域1，进而对成像质量造成影响，在上述准直区域1和上述照明区域2之间划分成拼接区域3，同时为了防止实际工作时拼接区域3对结构光和泛光中的杂散光成像，影响使用效果，在本实施例中可将上述拼接区域3对应的光学透镜部分经过喷砂处理。
同时，为了更进一步确保投射到准直区域1的光束不会进入到所述照明区域2，以及确保投射到照明区域2的光束不会进入到准直区域1，上述第一激光光源102和上述第二激光光源103在电路板101上呈间隔排列，第一激光光源102和第二激光光源103之间预留一定距离。
需要说明的是，上述衍射光学元件105可用于将入射的光束衍射并复制为更大视场角的光束，相应的，上述清晰光斑图经过衍射光学元件105复制并扩散为更大视角的且带一定结构特征的结构光斑图，上述分布均匀的红外图经过衍射光学元件105复制并扩散为更大视角的均匀红外光斑图。
本实施例提供了一种3D投射器，该3D投射器包括：电路板101、第一激光光源102、第二激光光源103、准直照明一体镜104和衍射光学元件105；第一激光光源102发出的结构光通过光学透镜的准直区域1准直成像，再通过衍射光学元件105复制并扩散，获得视场角更大的结构光斑图，第二激光光源103发出泛光，并通过光学透镜的照明区域2将上述泛光的发散角压缩成像，再通过衍射光学元件105复制并扩散，获得视场角更大的均匀红外光斑图；而光学透镜的拼接区域3将准直区域1和照明区域2拼接在一起，并防止杂散光成像影响使用效果，即将结构光投射器和泛光投射器器的功能设置在一个投射器上，降低3D投射器的成本和体积，使其适用于对体积有要求的应用场景中，例如移动终端，AR/VR等场景；同时结构光投射器在人脸支付的领域应用中，会自带一颗泛光照明器发出均匀红外光，在红外相机上成均匀的红外图，用于人脸识别和检测，本实施例提供的3D投射器也可应用在此场景中，由于本实施例节省了一颗泛光照明元器件，进而降低了整个3D投射器的物料成本和组装成本；此外，将结构光投射器和泛光投射器的功能设置在一个投射器上，可以实现结构光投射器和tof投射器的功能，可以使本实施例提供的3D投射器同时兼容上述两种功能，结构光投射器实现近距离高精度距离测量，tof投射器实现远距离测量，满足不同距离的测距需求，扩展了投射器的应用场景。
此外，参照图2，图2为本发明光学透镜的设计方法第一实施例的流程示意图。
如图2所示，所述光学透镜包括准直区域、照明区域和拼接区域，所述设计方法包括：
步骤S10：获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计；
需要说明的是，本实施例方法可以是应用在上述3D投射器中的光学透镜的设计的场景中，或者是其它需要对光学透镜进行设计的场景中。本实施例的执行主体可以是能设计光学透镜的设备，例如电脑等，或者是其它能够实现如同或相似功能的设备。此处以上述能设计光学透镜的设备(以下简称设备)进行说明。
可理解的是，上述准直区域的光学系统参数可包括：焦距、数值孔径、光圈、物高、工作波长、最佳工作距离和出瞳位置等参数，上述光学系统参数可由用户根据实际使用场景确定，或者由用户设置使用场景，设备自行推算确定，在本实施例中，上述物高理论上应设置为第一激光光源的发光有效区的对角长度，但在实际运用中需考虑准直照明一体镜组装误差和光学镜片拼接时预留位置等因素，在设计时设置的物高会在第一激光光源发光的有效区的对角长度尺寸上增加预留量，如物高设置在第一激光光源发光有效区的对角长度尺寸上增加0.1mm；工作波长可设置与第一激光光源发出光束的波长一致，也可以设置包含第一激光光源发出光束的波长的多个波长值；出瞳位置的确认与衍射光学元件微结构面与准直照明一体镜之间的间隔有关；最佳工作距离即结构光对物体成像最清晰时对应物体的位置，例如400mm。
进一步地，为了更加精确获得准直区域镜片设计，上述步骤S10，包括：
步骤S11：获取所述准直区域的光学系统参数，并根据历史准直区域镜片设计确定所述准直区域的初始结构；
可理解的是，上述历史准直区域镜片设计可以是使用过的准直区域镜片设计，使用过的准直区域镜片设计可存储在镜头数据库中，上述设备可从镜头数据库中查询满足用户需求的准直区域镜片设计作为准直区域的初始结构，此外上述设备还可以根据初级像差理论获得满足用户需求的初始结构。
需要说明的是，用户需求中还可包括使用镜片数量、焦距和光圈数等信息，在此需要说明的是，虽然使用镜片的数量越多，成像质量越高，但同时成本会增加，在本实施例中，上述使用镜片数量可由用户根据实际情况设置。
步骤S12：根据所述准直区域的光学系统参数和所述准直区域的初始结构确定准直区域镜片设计参数；
应理解的是，上述准直区域镜片设计参数可以包括镜片面型参数、使用镜片的材质、使用镜片的厚度和镜片之间的间隔等参数。
在具体实现中，上述设备会获取准直区域的光学系统参数，并根据初级像差理论或镜头数据库查询获得准直区域初始结构，再根据上述准直区域的光学系统参数和准直区域的初始结构确定准直区域镜片设计参数。
步骤S13：将所述准直区域镜片设计参数中的可变参数设置为变量，获得准直区域变量参数；
需要说明的是，为了将准直区域的初始结构优化成满足用户要求的结构，需将准直区域镜片设计参数中需要调整的参数设置成变量。
步骤S14：根据预设准直区域评价函数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得优化后的准直区域镜片结构；
可理解的是，上述预设准直区域评价函数可以是根据准直区域成像像质和结构要求设置的像质评价函数，如光斑尺寸、畸变、准直度、光学总长、焦距、镜片口径等，结构要求还可包括关于后续结构参数的相关要求，上述设备可通过预设准直区域评价函数对准直区域的初始结构进行优化。
需要强调的是，上述优化可以是对上述准直区域的初始结构进行调整，如调整镜片面型、镜片厚度、镜片材料或镜片间距等，还可以是对上述预设准直区域评价函数进行调整，本实施例对此不加以限制。
步骤S15：对所述优化后的准直区域镜片结构进行仿真，并判断仿真得到的准直区域镜片设计像质评价参数的数值是否满足预设系统设计要求；
应理解的是，上述准直区域镜片设计像质评价参数可以是用于判断优化后的准直区域镜片结构是否满足要求的参数，具体可包括：准直度、最佳工作距离处初始结构光斑尺寸、调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)、相对照度、畸变等参数，还可以是其它用于判断准直区域仿真结果的参数，本实施例对此不加以限制。
需要强调的是，设备还可以判断仿真得到的准直区域镜片结构参数的数值是否满足预设系统设计要求，上述准直区域镜片结构参数可以包括：光学总长、焦距、镜片口径等参数，还可以是其它用于判断准直区域仿真结果的参数，本实施例对此不加以限制。
需要说明的是，上述预设系统设计要求可以是针对上述准直区域镜片设计像质评价参数和准直区域镜片结构参数确定的预设范围，当准直区域镜片设计像质评价参数和准直区域镜片结构参数处于预设范围内，则可表示当前优化后的准直区域镜片结构满足用户需求。
步骤S16：若是，则将所述优化后的准直区域镜片结构作为准直区域镜片设计。
在具体实现中，上述设备会将准直区域镜片设计参数中的可变参数设置为变量，获得准直区域变量参数，再根据预设准直区域评价函数对准直区域的初始结构进行优化，获得优化后的准直区域镜片结构，并对优化后的准直区域镜片结构进行仿真，判断仿真得到的结果是否满足预设系统设计要求，若是则将优化后的准直区域镜片结构作为准直区域镜片设计。
此外，还需要说明的是，若仿真得到的准直区域镜片设计像质评价参数的数值不满足预设系统设计要求，则上述设备可根据未满足设计要求的像质评价参数重新调整预设准直区域评价函数或改变准直区域镜片结构，继续优化，直至上述像质评价参数满足预设系统设计要求，并将满足要求的准直区域镜片结构作为准直区域镜片设计。
为了便于理解，参照图3、图4和图5进行举例说明，如图3所示，为了平衡3D投射器总体成本和成像质量要求，在本实施例中，准直区域的镜片数量为3片，依次为第一准直镜片302、第二准直镜片303和第三准直镜片304，第一准直镜片302由第一准直曲面s1和第二准直曲面s2组成，面型均为偶次非球面面型，第二准直镜片303由第三准直曲面s3和第四准直曲面s4组成，面型均为偶次非球面面型，第三准直镜片304由第五准直曲面s5和第六准直曲面s6组成，面型均为偶次非球面面型；第一准直曲面s1为凸面，用于压缩上述第一激光光源102光束口径，减小准直区域1光学透镜口径大小，第二准直曲面s2为曲率比第一准直曲面s1更小的凸面，第三准直曲面s3为凹面，第四准直曲面s4为凸面，第五准直曲面s5为凹面，第六准直曲面s6为凹面，根据第一激光光源102中心发光点A在第一激光光源102实际对角尺寸的基础上叠加上了准直镜片组装误差偏移和镜片拼接时预留距离可得到第一激光光源102边缘发光点B和C；第一激光光源102边缘发光点B发出的边缘光线与第一准直曲面s1、第二准直曲面s2、第三准直曲面s3、第四准直曲面s4、第五准直曲面s5和第六准直曲面s6的交点分别为D点、E点、F点、G点、H点和I点，第一准直曲面s1、第二准直曲面s2、第三准直曲面s3、第四准直曲面s4、第五准直曲面s5和第六准直曲面s6的边缘点分别为J点、K点、L点、M点、N点和O点；如图3所示，根据规定的坐标方向，可以看出第一激光光源102发出的光经过3片准直镜片后准直为平行度很好的平行光。
如图4所示，需要说明的是，图4仅展示了第一激光光源中三个相邻发光点在最佳工作距离下的光斑图，第一结构光斑点401、第二结构光斑点402和第三结构光斑点403对应的第一激光光源发光点的间距可为第一激光光源相邻发光点的最近距离值，在本实施例中上述最近距离值可设置为23um，即第一结构光斑点401对应第一激光光源发光点与第二结构光斑点402对应的第一激光光源发光点之间的间距为23um，第二结构光斑点402对应第一激光光源发光点与第三结构光斑点403对应第一激光光源发光点之间的间距为23um，从图4中可以看出3个结构光斑点在最佳工作距离处各自分离，在最佳工作距离时光斑尺寸很小，即通过准直区域透镜成像后，第一激光光源的发光点在最佳工作距离上成像的光斑分布与第一激光源发光点分布一样，且光斑清晰，即可表示此时的准直区域镜片设计满足设计要求。
如图5所示，第一激光光源的发光点分布示意图501通过准直区域的透镜示意图502在最佳工作距离下获得准直成像结果503，第一激光光源的发光点分布示意图501与准直成像结果503的光斑分布一样，且光斑清晰，若准直成像结果503再经过衍射光学元件105，便可复制并扩散为视场角更大的带一定特征的结构光斑图505，准直区域镜片设计的上述预设系统设计要求实际上还可是在一定距离范围内，保证第一激光光源发光点经过准直区域成像后光斑相互分离，且成像光斑清晰，光斑尺寸越小越好。
继续如图2所示，步骤S20：获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，确定所述照明区域的初始结构，并根据所述照明区域的光学系统参数和所述照明区域的边界条件对所述照明区域的初始结构进行优化，获得照明区域镜片设计；
需要说明的是，上述照明区域的光学系统参数可包括：焦距、光圈、物高、工作波长和出瞳位置等参数，上述光学系统参数可由用户根据实际使用场景确定，或者由用户设置使用场景，设备自行推算确定，在本实施例中，上述物高理论上应设置为第二激光光源的发光有效区的对角长度，但在实际运用中需考虑准直照明一体镜组装误差和光学镜片拼接时预留位置等因素，在设计时设置的物高会在第二激光光源发光的有效区的对角长度尺寸上增加预留量，如物高设置在第二激光光源发光有效区的对角长度尺寸上增加0.1mm；工作波长可设置与第二激光光源发出光束的波长一致；出瞳位置的确认与衍射光学元件微结构面与准直照明一体镜之间的间隔有关。
进一步地，为了更加精确获得照明区域镜片设计，上述步骤S20，包括：
步骤S21：获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，并根据历史照明区域镜片设计确定所述照明区域的初始结构；
可理解的是，上述历史照明区域镜片设计可以是使用过的照明区域镜片设计，使用过的照明区域镜片设计可存储在镜头数据库中，上述设备可从镜头数据库中查询满足用户需求的照明区域镜片设计作为照明区域的初始结构，此外上述设备还可以根据初级像差理论获得满足用户需求的初始结构。
需要说明的是，上述准直区域镜片设计的边界条件可以是准直区域镜片上的参考点与第一激光光源的距离，上述照明区域的边界条件可以是照明区域镜片上的参考点与第二激光光源的距离，准直区域镜片上的参考点可以是后续准直区域边缘光点和准直区域镜面边缘点之间任意一点，照明区域镜片上的参考点可以是后续照明区域边缘光点和照明区域镜面边缘点之间任意一点，准直区域镜片上的参考点距离第一激光光源的距离和照明区域镜片上的参考点距离第二激光光源的距离可在预设范围内，预设范围的大小可根据实际加工能力决定。
步骤S22：根据所述照明区域的光学系统参数、所述照明区域的边界条件和所述照明区域的初始结构确定照明区域镜片设计参数；
应理解的是，上述照明区域镜片设计参数可以包括镜片面型参数、使用镜片的材质、使用镜片的厚度和镜片之间的间隔等参数。
在具体实现中，上述设备会获取照明区域的光学系统参数，基于准直区域镜片设计的边界条件确定照明区域的边界条件，并根据初级像差理论或镜头数据库查询获得照明区域初始结构，再根据上述照明区域的光学系统参数、照明区域的边界条件和照明区域的初始结构确定照明区域镜片设计参数。
步骤S23：将所述照明区域镜片设计参数中可变参数设置为变量，获得照明区域变量参数；
需要说明的是，为了将照明区域的初始结构优化成满足用户要求的结构，需将照明区域镜片设计参数中需要调整的参数设置成变量。
步骤S24：根据第一预设照明区域评价函数对所述照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构；
可理解的是，上述第一预设照明区域评价函数可以是根据照明区域成像像质和结构要求设置的像质评价函数，如光斑尺寸、光斑重合度、光学总长、焦距、镜片口径等，结构要求还可包括关于后续结构参数的相关要求，上述设备可通过第一预设照明区域评价函数对照明区域的初始结构进行优化。
需要强调的是，上述优化可以是对上述照明区域的初始结构进行调整，如调整镜片面型、镜片厚度、镜片材料或镜片间距等，还可以是对上述第一预设照明区域评价函数进行调整，本实施例对此不加以限制。
步骤S25：对所述优化后的照明区域镜片结构进行仿真，并判断仿真得到的照明区域镜片设计像质评价参数的数值是否满足预设系统设计要求；
应理解的是，上述照明区域镜片设计像质评价参数可以是用于判断优化后的准直区域镜片结构是否满足要求的参数，具体可包括：最佳工作距离处光斑尺寸、光斑重合度和光能利用率等参数，还可以是其它用于优化照明区域仿真结果的参数，本实施例对此不加以限制。
需要强调的是，设备还可以判断仿真得到的照明区域镜片结构参数的数值是否满足预设系统设计要求，上述照明区域镜片结构参数可以包括：光学总长、焦距、镜片口径等参数，还可以是其它用于判断照明区域仿真结果的参数，本实施例对此不加以限制。
可理解的是，上述预设系统设计要求中还可以包括针对上述照明区域镜片设计像质评价参数设置的预设范围，当照明区域镜片设计像质评价参数处于预设范围内，则可表示当前优化后的照明区域镜片结构满足用户需求，例如上述预设系统设计要求可以是要求第二激光光源间隔最近的发光点发出的光束在工作距离范围内的光斑重合区域大于50％；为了防止光能量浪费，可要求在工作距离范围内，第二激光光源单个发光点发出的光束在物体上形成的光斑尺寸不能超过预设范围，预设范围可根据实际使用情况自行设置；为了提高光能利用率，可要求第二激光光源的光束更多的入射到衍射光学元件的有效区域。
步骤S26：若是，则将所述优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
在具体实现中，上述设备会将照明区域镜片设计参数中的可变参数设置为变量，获得照明区域变量参数，再根据预设照明区域评价函数对照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构，并对优化后的照明区域镜片结构进行仿真，判断仿真得到的结果是否满足预设系统设计要求，若是则将优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
此外，还需要说明的是，若仿真得到的照明区域镜片设计像质评价参数的数值不满足预设系统设计要求，则上述设备可根据未满足设计要求的像质评价参数重新调整预设照明区域评价函数或改变照明区域镜片结构，继续优化，直至上述像质评价参数满足预设系统设计要求，并将满足要求的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
为了便于理解，参照图6、图7和图8进行举例说明，如图6所示，由于照明区域镜面对第二激光光源103发出的光束成像质量要求不高，只需要压缩第二激光光源103的发散角并使第二激光光源103发出的光束更多的入射到衍射光学元件的有效口径上，用一个非球面即可以完成上述功能，一般将该非球面放在第一个面，这样能有效压缩镜片设计的口径值，在本实施例中，照明区域的镜片数量为3片，依次为第一照明镜片602、第二照明镜片603和第三照明镜片604，第一照明镜片602由第一照明曲面s1’和第二照明曲面s2’组成，第一照明曲面s1’为偶次非球面面型，第二照明曲面s2’为平面，第二照明镜片603由第三照明曲面s3’和第四照明曲面s4’组成，面型均为平面，第三照明镜片604由第五照明曲面s5’和第六照明曲面s6’组成，面型均为平面；以上举例仅仅便于说明，第一照明曲面s1’、第二照明曲面s2’、第三照明曲面s3’、第四照明曲面s4’、第五照明曲面s5’和第六照明曲面s6’也可以均是球面、非球面或者其它面型结构，本实施例对此不加以限制。
第一照明曲面s1’为凸面，用于压缩上述第二激光光源103光束口径，减小照明区域光学透镜口径大小，根据第二激光光源103中心发光点A’在第二激光光源103的基础上叠加上了准直照明一体镜组装误差偏移和镜片拼接时预留距离可得到第二激光光源103边缘发光点B’和C’；第一激光光源102边缘发光点B’发出的边缘光线与第一照明曲面s1’、第二照明曲面s2’、第三照明曲面s3’、第四照明曲面s4’、第五照明曲面s5’和第六照明曲面s6’的交点分别为D’点、E’点、F’点、G’点、H’点和I’点，第一照明曲面s1’、第二照明曲面s2’、第三照明曲面s3’、第四照明曲面s4’、第五照明曲面s5’和第六照明曲面s6’的边缘点分别为J’点、K’点、L’点、M’点、N’点和O’点；如图6所示，根据坐标方向可以看出第二激光光源103发出的光经过3片照明镜片后还是为发散光束，且光束的发散角度较第二激光光源103本身的发散角度更小。
同时，为了便于后续的拼接工作，E’点离第二激光光源103的发光面在z轴方向的距离与图3中K点离第一激光光源102的发光面在z轴方向的距离相等，F’点离第二激光光源103的发光面在z轴方向的距离与图3中L点离第一激光光源102的发光面在z轴方向的距离相等，G’点离第二激光光源103的发光面在z轴方向的距离与图3中M点离第一激光光源102的发光面在z轴方向的距离相等，H’点离第二激光光源103的发光面在z轴方向的距离与图3中N点离第一激光光源102的发光面在z轴方向的距离相等，I’点离第二激光光源103的发光面在z轴方向的距离与图3中O点离第一激光光源102的发光面在z轴方向的距离相等。
第二激光光源经过照明区域的光斑图如图7所示，需要说明的是，图7仅展示了第二激光光源中三个相邻发光点在最佳工作距离下的光斑图，第一红外光斑点701、第二红外光斑点702和第三红外光斑点703对应的第二激光光源发光点的间距可为第二激光光源相邻发光点的最近距离值，在本实施例中上述最近距离值可设置为23um，即第一红外光斑点701对应第二激光光源发光点与第二红外光斑点702对应的第二激光光源发光点之间的间距为23um，第二红外光斑点702对应第二激光光源发光点与第三红外光斑点703对应第二激光光源发光点之间的间距为23um，从图7中可以看出相邻两个初始红外光斑点经过照明区域透镜后在物体上形成的光斑重合面积都在95％以上，即通过照明区域的透镜后，第二激光光源的发光点在最佳工作距离上的初始红外光斑相互重叠在一起，形成均匀红外光，满足预设系统设计要求。
如图8所示，第二激光光源的发光点分布示意图801通过照明区域的透镜示意图802在最佳工作距离下获得照明成像结果803，第二激光光源的发光点分布示意图801与照明成像结果803的光斑相互重合，形成均匀的红外光斑，若照明成像结果803再经过衍射光学元件105，便可复制并扩散为视场角更大的均匀红外光斑图805，照明区域镜面设计要求实际上可是第二激光光源相邻发光点在工作距离范围内成像的光斑重合区域至少为50％，且保证在工作距离范围内，单个第二激光光源发光点经过照明区域成像后的光斑尺寸在一定预设范围内即可。
考虑到为了让第二激光光源经过照明区域透镜后产生均匀性更好的光斑，基于上述实施例，为了获得照明区域镜片设计，上述步骤S10之后，还可包括：
步骤a：确定第二激光光源的光源分布场。
需要说明的是，如图8所示，第二激光光源为规律排布的点光源阵列，通过获得第二激光光源发光区域的大小、点光源的发散角和点光源的分布函数即可确定第二激光光源的光源分布场。
步骤b：根据所述准直区域镜片设计中的镜片边界位置确定照明区域镜片距离第二激光光源的距离范围。
可理解的是，上述设备可先根据准直区域镜片的边界位置确定照明区域的边界位置，再根据照明区域的边界位置确定照明区域镜片距离第二激光光源的距离范围。
步骤c：确定所述准直区域镜片设计在最佳工作距离处的目标光场分布。
应理解的是，上述目标光场分布可以是第一激光光源发出的光束经过准直区域镜片后的光场，在本实施例中可将目标光场分布设置为均匀的矩形光斑的大小与上述衍射光学元件的复制周期需要相匹配。
步骤d：根据所述光源分布场和所述目标光源分布场获得符合预设要求的离散坐标信息。
需要说明的是，上述预设要求可根据用户对照明区域的使用要求自行设置。
步骤e：根据所述离散坐标信息通过预设算法进行拟合，并根据拟合结果和所述距离范围获得照明区域的初始结构。
应理解的是，上述预设算法可以是最小二乘法、奇异值分解法或最优化求解法，上述预设算法可根据离散坐标信息进行选择。
步骤f：根据目标面照度平均标准偏差和光能利用率构建第二预设照明区域评价函数。
步骤g：根据所述第二预设照明区域评价函数对所述照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构。
可理解的是，上述优化可以选择逐步逼近优化算法、像质自动平衡优化算法或其它优化算法，本实施例对此不加以限制。
步骤h：对所述优化后的照明区域镜片结构进行仿真，判断仿真得到的照度和光能利用率是否满足预设系统设计要求；
步骤g：若是，则将所述优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
此外，还需要说明的是，若仿真得到的照度和光能利用率不满足所述预设系统设计要，则上述设备可重新设定第二预设照明区域评价函数或修改照明区域的结构参数，继续优化，直至满足目标场的照度、光能分布为止。
继续如图2所示，步骤S30：根据所述准直区域镜片设计确定准直区域拼接点，并根据所述照明区域镜片设计确定照明区域拼接点；
需要说明的是，上述准直区域拼接点可以是用于准直区域与拼接区域进行连接的坐标点，上述照明区域的拼接点可以是用于照明区域与拼接区域进行连接的坐标点。
进一步地，为了准确获取准直区域拼接点和照明区域拼接点，上述步骤S30包括：
步骤S31：基于所述准直区域镜片设计确定准直区域边缘光点位置信息和准直区域镜面边缘点位置信息；
可理解的是，上述准直区域边缘光点位置可以是第一激光光源的边缘光点发出的边缘光束在准直区域镜面的曲面上的交点位置，上述准直区域镜面边缘点位置可以是准直区域镜面的曲面距离光轴最远处的位置。
步骤S32：根据所述准直区域边缘光点位置信息和所述准直区域镜面边缘点位置信息确定准直区域拼接点；
应理解的是，上述准直区域拼接点可以从上述准直区域边缘光点位置和准直区域镜面边缘点位置之间选取。
步骤S33：基于所述照明区域镜片设计确定照明区域边缘光点位置信息和照明区域镜面边缘点位置信息；
步骤S34：根据所述照明区域边缘光点位置信息和所述照明区域镜面边缘点位置信息确定照明区域拼接点。
需要说明的是，上述照明区域拼接点可从上述照明区域边缘光点位置和照明区域镜面边缘点位置之间选取。
为了便于理解，参照图9进行说明，如图9中(9-1)所示，结合上述介绍，第一准直曲面s1上的拼接点则可从D点和J点之间的曲面上选取，第一照明曲面s1’上的拼接点则可从D’点和J’点之间的曲面上选取，第二准直曲面s2上的拼接点则可从E点和K点之间的曲面上选取，第二照明曲面s2’上的拼接点则可从E’点和K’点之间的曲面上选取，第三准直曲面s3上的拼接点则可从F点和L点之间的曲面上选取，第三照明曲面s3’上的拼接点则可从F’点和L’点之间的曲面上选取，第四准直曲面s4上的拼接点则可从G点和M点之间的曲面上选取，第四照明曲面s4’上的拼接点则可从G’点和M’点之间的曲面上选取，第五准直曲面s5上的拼接点则可从H点和N点之间的曲面上选取，第五照明曲面s5’上的拼接点则可从H’点和N’点之间的曲面上选取，第六准直曲面s6上的拼接点则可从I点和O点之间的曲面上选取，第六照明曲面s6’上的拼接点则可从I’点和O’之间的曲面上选取。
步骤S40：按照所述准直区域拼接点和所述照明区域拼接点将所述准直区域镜片设计和所述照明区域镜片设计进行拼接，获得包含所述准直区域、所述照明区域和所述拼接区域的光学透镜。
需要说明的是，上述设备可将准直区域和照明区域通过简单的球面面型或平面面型进行拼接，还可以是根据准直区域拼接点出的面型和照明区域拼接点处的面型进行连续性条件约束以进行拼接，进而能降低拼接面型的加工成本。
为了便于理解通过简单的球面面型或平面面型进行拼接的方式，结合图9进行说明，如图9中(9-1)和(9-2)所示，K’和E’点在z轴方向上与第二激光光源的发光面的距离与K点在z轴方向上与第一激光光源的发光面的距离相等；L’点和F’点在z轴方向上与第二激光光源的发光面的距离与L点在z轴方向上与第一激光光源的发光面的距离相等；M’点和G’点在z轴方向上与第二激光光源的发光面的距离与M点在z轴方向上与第一激光光源的发光面的距离相等；N’点和H’点在z轴方向上与第二激光光源的发光面的距离与N点在z轴方向上与第一激光光源的发光面的距离相等；O’点和I’点在z轴方向上与第二激光光源的发光面的距离与O点在z轴方向上与第一激光光源的发光面的距离相等。
第二拼接面f2可以是K点为在y轴方向与K’点连接的面，第三拼接面f3可以是L点为在y轴方向与L’点连接的面，第四拼接面f4可以是M点为在y轴方向与M’点连接的面，第五拼接面f5可以是N点为在y轴方向与N’点连接的面，第六拼接面f6可以是O点为在y轴方向与O’点连接的面，最终第三照明曲面s3’对应的镜片为材料和厚度均与第三准直曲面s3对应的镜片相同的平板玻璃，第五照明曲面s5’对应的镜片为材料和厚度均与第五准直曲面s5对应的镜片相同的平板玻璃。
对于第一照明曲面s1’与第一准直曲面s1的拼接，由于其它照明曲面和准直曲面在设计时考虑到了准直照明一体镜的组装公差并预留了拼接距离，进而在第一拼接面f1仅是过渡区域，对第一激光光源的光束和第二激光光源的光束不成像，可以不用考虑拼接点连续性对成像性能的影响，可用球面面型构成第一拼接面f1，第二拼接面f2至第六拼接面f6的面型均为平面。
对于拼接完成后的光学透镜，如图9中(9-2)所示，第一准直曲面s1和第一照明曲面s1’通过第一拼接面f1拼接后的曲面为第一光学曲面p1，第二准直曲面s2和第二照明曲面s2’通过第二拼接面f2拼接后的曲面为第二光学曲面p2，第三准直曲面s3和第三照明曲面s3’通过第三拼接面f3拼接后的曲面为第三光学曲面p3，第四准直曲面s4和第四照明曲面s4’通过第四拼接面f4拼接后的曲面为第四光学曲面p4，第五准直曲面s5和第五照明曲面s5’通过第五拼接面f5拼接后的曲面为第五光学曲面p5，第六准直曲面s6和第六照明曲面s6’通过第六拼接面f6拼接后的曲面为第六光学曲面p6。
本实施例通过获取准直区域的光学系统参数，确定准直区域的初始结构，并根据准直区域的光学系统参数对准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计；获取照明区域的光学系统参数，基于准直区域镜片设计的边界条件确定照明区域的边界条件，确定照明区域的初始结构，并根据照明区域的光学系统参数和照明区域的边界条件对照明区域的初始结构进行优化，获得照明区域镜片设计；根据准直区域镜片设计确定准直区域拼接点，并根据照明区域镜片设计确定照明区域拼接点；按照准直区域拼接点和照明区域拼接点将准直区域镜片设计和照明区域镜片设计进行拼接，获得包含准直区域、照明区域和拼接区域的光学透镜，再将光学透镜用于3D投射器上，进而降低3D投射器的成本和体积，使其适用于对体积有要求的应用场景中，例如移动终端，AR/VR等场景；同时结构光投射器在人脸支付的领域应用中，会自带一颗泛光照明器发出均匀红外光，在红外相机上成均匀的红外图，用于人脸识别和检测，本实施例提供的3D投射器也可应用在此场景中，由于本实施例节省了一颗泛光照明元器件，进而降低了整个3D投射器的物料成本和组装成本；此外，将结构光投射器和泛光投射器的功能设置在一个投射器上，可以实现结构光投射器和tof投射器的功能，可以使本实施例提供的3D投射器同时兼容上述两种功能，结构光投射器实现近距离高精度距离测量，tof投射器实现远距离测量，满足不同距离的测距需求，扩展了投射器的应用场景。
为了降低第一拼接面f1的加工成本，上述设备还可根据准直区域拼接点出的面型和照明区域拼接点处的面型进行连续性条件约束以进行拼接，零阶连续性表示两个曲面在拼接点处具有相同的函数值，一阶连续表示两个曲面在拼接点处不仅具有相同的函数值，还具有相同的一阶导数值，对于光学透镜来说，一般认为至少需要具有一阶连续的特性，如图9和图10所示，上述步骤S40之后，还包括：
步骤S41：获取准直区域拼接点位置信息和准直区域在准直区域拼接点处的曲线函数；
需要说明的是，上述曲线函数可根据上述准直区域镜片设计获得，上述准直区域拼接点位置信息可根据图9中规定的坐标方向获得。
步骤S42：根据准直区域拼接点位置信息和准直区域在准直区域拼接点处的曲线函数，并基于第一预设条件对拼接区域在准直区域拼接点处的曲线函数进行约束，获得第一约束结果；
需要说明的是，上述第一预设约束条件为：
Figure BDA0003775045440000241
式中，zF(x,yD)为第一拼接面f1在D点处的曲线函数，即为拼接区域在准直区域拼接点处的曲线函数，zD(x,yD)为第一准直曲面s1在D点处的曲线函数，即为准直区域在准直区域拼接点处的曲线函数，上述x和yD均为准直区域拼接点位置信息。
步骤S43：获取照明区域拼接点位置信息和照明区域在照明区域拼接点处的曲线函数；
步骤S44：根据照明区域拼接点位置信息和照明区域在照明区域拼接点处的曲线函数，并基于第二预设条件对拼接区域在照明区域拼接点处的曲线函数进行约束，获得第二约束结果；
可理解的是，上述第二预设约束条件为：
Figure BDA0003775045440000242
式中，zF(x,yD’)为第一拼接面f1在D’点处的曲线函数，即为拼接区域在照明区域拼接点处的曲线函数，zD′(x,yD′)为第一照明曲面s1’在D’点处的曲线函数，即为照明区域在照明区域拼接点处的曲线函数，上述x和yD′均为照明区域拼接点位置信息。
步骤S45：根据第一约束结果和第二约束结果确定拼接区域的曲线函数，根据拼接区域的曲线函数确定拼接区域镜面设计，并按照拼接区域镜面设计将准直区域镜面设计和照明区域镜面设计进行拼接，获得包含准直区域、照明区域和拼接区域的光学透镜。
为了更好的展示约束后的结果，图10所示，图10中(10-2)的第一光学曲面p1相比于图9中(9-2)的第一光学曲面p1，可以得知约束后的第一光学曲所需拼接区域加工简单，降低了加工成本。
进一步地，为了后续生产，需获得将第一光学曲面p1的矢高方程。
对于第一光学曲面p1的矢高方程为：
Figure BDA0003775045440000251
式中，r1为第一准直曲面s1的径向半径，r2为第一照明曲面s1’的径向半径，c1为第一准直曲面s1的曲率，c2为第一照明曲面s1’的曲率，k1为第一准直曲面s1的圆锥系数，j2为第一照明曲面s1’的圆锥系数，αi为第一准直曲面s1的偶次非球面系数，αi为第一照明曲面s1’的偶次非球面系数，在本实施例中上述第一准直曲面s1和第一照明曲面s1’均为偶次非球面，面型关于光轴对称，如图10所示，准直区域1光轴Z准和照明区域2光轴Z照在y轴方向的间距为Δy，Z准和第一光学曲面p1之间的交点为U，z1(x,y)为以U点坐标为原点第一光学曲面p1的矢高方程，f(x,y)为第一拼接面f1与U点在z轴方向距离的函数方程，根据第一拼接面f1为球面或者具有连续性的曲面有不同的表达形式，其中，
Figure BDA0003775045440000252
第一准直曲面s1和第一照明曲面s1’还可以设计为奇次非球面、二元面。扩展奇/偶次非球面和自由曲面等，若第一照明曲面s1’为自由曲面，则可用自由曲面的矢高方程代替第一光学曲面p1的矢高方程中的(3)式，自由曲面式高方程为：
Figure BDA0003775045440000253
式中，z1(x,y)为以U点坐标为原点第一光学曲面p1的矢高方程，c2为第一照明曲面s1’的曲率，r2为第一照明曲面s1’的径向半径，
Figure BDA0003775045440000254
Figure BDA0003775045440000255
k2为第一照明曲面s1’的圆锥系数，N为级数中多项式系数的总和，Aj为自由曲面系数。
上述自由曲面表达式不限于扩展多项式形式，还可以用Zernike Fringe、ZernikeStandard等表达式表示。
同理在第二准直曲面s2面型为偶次非球面型时，对于第二光学曲面p2的矢高方程为：
Figure BDA0003775045440000261
式中，z2(x,y)为以U点坐标为原点第二光学曲面p2的矢高方程，c3为第二准直曲面s2的曲率，r3为第二准直曲面s2的径向半径，
Figure BDA0003775045440000262
k3为第二准直曲面s2的圆锥系数，αk为第二准直曲面s2的偶次非球面系数，第二拼接面f2和第二照明曲面s2’均为平面，且第二拼接面f2和第二照明曲面s2’与U点在z轴方向的距离与L点、L’点、F’点与U点在z轴方向的距离均相等，zL为L点与U点在z轴方向的距离。
第三光学曲面p3至第六光学曲面p6的矢高数据格式与第二光学曲面p2的矢高方程相同，在此不一一进行说明，将通过上述得到的各个曲面的矢高方程以用于后续生产。
本发明算法交易评价装置的其他实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种3D投射器，其特征在于，所述3D投射器包括：电路板、第一激光光源、第二激光光源、准直照明一体镜和衍射光学元件；
其中，所述第一激光光源和所述第二激光光源间隔设置在所述电路板的同一侧，所述电路板与所述第一激光光源和所述第二激光光源电连接，所述准直照明一体镜设置在所述第一激光光源和所述第二激光光源上方，且所述准直照明一体镜的镜筒底部与所述电路板固定连接，所述准直照明一体镜的镜筒顶部与所述衍射光学元件固定连接；
所述电路板，用于按照不同的时间间隔为所述第一激光光源和所述第二激光光源供电；
所述第一激光光源，用于在上电时，发射结构光至所述准直照明一体镜；
所述准直照明一体镜，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；
所述衍射光学元件，用于将所述清晰光斑图复制并扩散，获得视场角更大的结构光斑图；
所述第二激光光源，用于在上电时，发射泛光至所述准直照明一体镜；
所述准直照明一体镜，还用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；
所述衍射光学元件，还用于将所述模糊光斑图复制并扩散，获得视场角更大的均匀红外光斑图。
2.如权利要求1所述的3D投射器，其特征在于，所述准直照明一体镜还包括：光学透镜，所述光学透镜包括准直区域、照明区域和拼接区域；
其中，所述拼接区域分别与所述准直区域和所述照明区域连接；
所述准直区域，用于对接收到的所述结构光准直成像，获得清晰光斑图；
所述照明区域，用于对接收到的所述泛光的发散角压缩成像，获得模糊光斑图；
所述拼接区域，用于防止投射到所述准直区域的光束进入到所述照明区域，以及防止投射到所述照明区域的光束进入到所述准直区域。
3.如权利要求2所述的3D投射器，其特征在于，所述拼接区域经过喷砂处理。
4.一种光学透镜的设计方法，其特征在于，所述光学透镜包括准直区域、照明区域和拼接区域，所述设计方法包括：
获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计；
获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，确定所述照明区域的初始结构，并根据所述照明区域的光学系统参数和所述照明区域的边界条件对所述照明区域的初始结构进行优化，获得照明区域镜片设计；
根据所述准直区域镜片设计确定准直区域拼接点，并根据所述照明区域镜片设计确定照明区域拼接点；
按照所述准直区域拼接点和所述照明区域拼接点将所述准直区域镜片设计和所述照明区域镜片设计进行拼接，获得包含所述准直区域、所述照明区域和所述拼接区域的光学透镜。
5.如权利要求4所述的光学透镜的设计方法，其特征在于，所述获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计的步骤，包括：
获取所述准直区域的光学系统参数，并根据历史准直区域镜片设计确定所述准直区域的初始结构；
根据所述准直区域的光学系统参数和所述准直区域的初始结构确定准直区域镜片设计参数；
将所述准直区域镜片设计参数中的可变参数设置为变量，获得准直区域变量参数；
根据预设准直区域评价函数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得优化后的准直区域镜片结构；
对所述优化后的准直区域镜片结构进行仿真，并判断仿真得到的准直区域镜片设计像质评价参数的数值是否满足预设系统设计要求；
若是，则将所述优化后的准直区域镜片结构作为准直区域镜片设计。
6.如权利要求5所述的光学透镜的设计方法，其特征在于，所述准直区域镜片设计像质评价参数包括：准直度、最佳工作距离处光斑尺寸、MTF、相机对照度和畸变中的至少一项。
7.如权利要求4所述的光学透镜设计方法，其特征在于，所述获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，确定所述照明区域的初始结构，并根据所述照明区域的光学系统参数和所述照明区域的边界条件对所述照明区域的初始结构进行优化，获得照明区域镜片设计的步骤，包括：
获取所述照明区域的光学系统参数，基于所述准直区域镜片设计的边界条件确定所述照明区域的边界条件，并根据历史照明区域镜片设计确定所述照明区域的初始结构；
根据所述照明区域的光学系统参数、所述照明区域的边界条件和所述照明区域的初始结构确定照明区域镜片设计参数；
将所述照明区域镜片设计参数中可变参数设置为变量，获得照明区域变量参数；
根据第一预设照明区域评价函数对所述照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构；
对所述优化后的照明区域镜片结构进行仿真，并判断仿真得到的照明区域镜片设计像质评价参数的数值是否满足预设系统设计要求；
若是，则将所述优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
8.如权利要求7所述的光学透镜设计方法，其特征在于，所述照明区域镜片设计像质评价参数包括：最佳工作距离处光斑尺寸、光斑重合度和光能利用率中的至少一项参数。
9.如权利要求4所述的光学透镜的设计方法，其特征在于，所述获取所述准直区域的光学系统参数，确定所述准直区域的初始结构，并根据所述准直区域的光学系统参数对所述准直区域的初始结构进行优化，获得准直区域镜片设计的步骤之后，还包括：
确定第二激光光源的光源分布场；
根据所述准直区域镜片设计中的镜片边界位置确定照明区域镜片距离第二激光光源的距离范围；
确定所述准直区域镜片设计在最佳工作距离处的目标光场分布；
根据所述光源分布场和所述目标光源分布场获得符合预设要求的离散坐标信息；
根据所述离散坐标信息通过预设算法进行拟合，并根据拟合结果和所述距离范围获得照明区域的初始结构；
根据目标面照度平均标准偏差和光能利用率构建第二预设照明区域评价函数；
根据所述第二预设照明区域评价函数对所述照明区域的初始结构进行优化，获得优化后的照明区域镜片结构；
对所述优化后的照明区域镜片结构进行仿真，判断仿真得到的照度和光能利用率是否满足预设系统设计要求；
若是，则将所述优化后的照明区域镜片结构作为照明区域镜片设计。
10.如权利要求4至9中任一项所述的光学透镜的设计方法，其特征在于，所述根据所述准直区域镜片设计确定准直区域拼接点，并根据所述照明区域镜片设计确定照明区域拼接点的步骤，包括：
根据所述准直区域镜片设计确定准直区域边缘光点位置信息和准直区域镜面边缘点位置信息；
根据所述准直区域边缘光点位置信息和所述准直区域镜面边缘点位置信息确定准直区域拼接点；
基于所述照明区域镜片设计确定照明区域边缘光点位置信息和照明区域镜面边缘点位置信息；
根据所述照明区域边缘光点位置信息和所述照明区域镜面边缘点位置信息确定照明区域拼接点。
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