CN116224607A - 结构光投射器及3d结构光模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结构光投射器及3D结构光模组，其中，结构光投射器包括：光源，用于发射光线；光学元件包括：基材；准直微结构面，用于准直所述光线；衍射微结构面，用于扩散所述光线以使光线形成目标光场并在目标物体上形成散斑图，所述光源的光轴偏移所述准直微结构面的光轴，所述光线经过所述基材、准直微结构面和衍射微结构面后形成的所述散斑图的几何中心偏移所述准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴；其中，所述光源的光轴与所述准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴重合。本发明技术方案提出的结构光投射器能够增大投射的散斑区域与红外接收相机接收视场的重合面积在整个投射散斑区域面积的占比，减小无效光斑的区域。

Description

结构光投射器及3D结构光模组

技术领域

本发明涉及3D视觉技术领域，特别涉及一种结构光投射器及3D结构光模组。

背景技术

随着人工智能和消费电子的发展，2D视觉技术发展遇到诸多瓶颈，如深度测量、活体识别、定位等，无法满足实际应用的需求，3D视觉技术较2D视觉技术可以测量物体距离信息，轻松解决这些问题；其中3D结构光因其高精度、算法简单等优势成为现有3D视觉技术使用的主流方案，被广泛应用于扫地机、服务机器人、工业测量、人脸支付等各个领域。现有3D结构光模组包括结构光投射器、红外接收相机。结构光投射器向目标物体投射带一定结构特征的结构光斑图，红外接收相机接收目标物体反射的光成散斑红外图，利用散斑图中像素匹配点在不同距离下的位置偏差量，计算得到目标物体的深度信息，在二维图像信息的基础上增加了目标物体的深度信息，得到目标物体的三维图像，可有效应对平面攻击手段，扩展模组的应用场景。

但现有3D结构光模组使用时存在一个问题：为保证成像距离范围内深度图输出的完整性，不同距离下结构光投射器投射出去的散斑图都需要充满红外接收相机的视场（红外接收相机成像中无散斑图的地方无法正常计算出对应位置处物体的深度信息），这样将导致结构光投射器投射出去的光斑很大一部分未被红外接收相机采集到，并未参与深度成像，为无效光斑，无效光斑区域的增加直接导致结构光投射器功耗增加，影响系统最大可测量距离。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种结构光投射器，旨在解决目前结构光投射器投射的光斑形成无效光斑的区域较大，导致结构光投射器功耗增加，影响系统最大可测量距离的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种结构光投射器，包括：

光源，用于发射光线；以及

光学元件，包括：

基材；

准直微结构面，设于所述基材的表面，用于准直所述光线；

衍射微结构面，设于所述基材的表面，用于扩散所述光线以使光线形成目标光场并在目标物体上形成散斑图，所述光源的光轴偏移所述准直微结构面的光轴，所述光线经过所述基材、准直微结构面和衍射微结构面后形成的所述散斑图的几何中心偏移所述准直微结构面和衍射微结构面两者的几何中轴；

其中，所述光源的光轴与所述准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴重合。

可选地，所述光源的发光面设于所述准直微结构面的物方焦平面处，所述准直微结构面的光轴偏移所述准直微结构面的几何中轴，所述光源的光轴与所述衍射微结构面的光轴重合。

可选地，所述准直微结构面采用矩形结构，采用一整体微结构面作为得到所述准直微结构面的基础面，通过光源在所述基础面上形成的实际成像光斑以及所述光源的光轴与所述准直微结构面光轴的偏移量得到矩形结构的所述准直微结构面。

可选地，所述衍射微结构面采用矩形结构，并设有通过标量设计得到的衍射微结构相位面。

可选地，所述衍射微结构相位面的相位分布为随机分布。

可选地，所述衍射微结构面包括多块单位微结构，所述目标光场包括多块单位光场；

针对每一所述单位光场并利用标量设计分别得到对应的每一所述单位微结构的相位分布；或，

多块所述单位光场设有同样的撒斑点分布，以使多块所述单位微结构对应的相位分布基本一致；

所述单位微结构的相位分布拼接得到整个所述衍射微结构面的相位分布。

可选地，所述准直微结构面和所述衍射微结构面分别位于所述基材的两侧或同一侧，或，所述准直微结构面和所述衍射微结构面集成于所述基材的同一侧形成集成微结构面。

本发明还提出一种3D结构光模组，包括结构光投射器和红外接收相机，所述结构光投射器用于向目标物体投射结构光斑图，所述红外接收相机接收目标物体反射的光成散斑红外图，其中，所述结构光投射器采用如以上所述的结构光投射器。

可选地，所述红外接收相机包括：红外接收芯片、红外窄带滤光片以及红外成像透镜，目标物体反射的光束经所述红外成像透镜聚焦后通过所述红外窄带滤光片并在所述红外接收芯片上成像；

其中，所述红外接收芯片的光轴与所述红外成像透镜和所述红外窄带滤光片的几何中轴重合，所述红外成像透镜的光轴偏移所述红外成像透镜的几何中轴。

可选地，所述红外成像透镜具有成像畸变结构特征，所述结构光投射器投射的结构光斑图具有发射畸变结构特征，所述成像畸变结构特征与发射畸变结构特征相互补偿。

本发明技术方案通过采用光学元件对光源发射的光线进行准直和扩散使光线在目标物体上形成散斑图，光源的光轴偏移准直微结构面的光轴，光线经过基材、准直微结构面和衍射微结构面后，使形成的散斑图的几何中心偏移准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴。这样，在成像距离范围区域内，结构光投射器能够增大投射的散斑区域与红外接收相机的接收视场的重合面积在整个投射散斑区域面积的占比，减小了无效光斑的区域。另外，本技术方案中光源的光轴与所述准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴重合，方便组装，不需要通过偏移激光光源来完成光斑偏移，能更大程度上减小衍射光学元件的设计尺寸，偏移的光斑能更多的被红外接收相机采集到，从而大大提高结构光投射器投射散斑的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有典型的3D结构光模组的结构示意图；

图2为现有典型的结构光投射器主要组成器件及光路示意图、最终投射出去的散斑示意图；

图3为本发明提供的一种结构光投射器及光路示意图；

图4为准直微结构面俯视图及侧视图；

图5为准直微结构面最小尺寸确认示意图；

图6为本发明提供的另一种结构光投射器及光路示意图；

图7为图6中衍射光学元件的正视和侧视图；

图8为现有典型的衍射光学元件的微结构面相位分布示意图；

图9为本发明提供的一种使用标量设计得到的衍射微结构面的相位分布示意图；

图10为本发明提供的一种使用标量设计得到的衍射准直一体化的衍射光学元件的正视和侧视图；

图11为本发明提供的另一种使用标量设计得到的衍射微结构面的相位分布示意图；

图12为本发明提供的又一种使用标量设计得到的衍射微结构面的相位分布示意图；

图13为本发明提供的一种3D结构光模组的结构示意图；

图14为本发明提供的另一种3D结构光模组的结构示意图；

图15为现有典型的红外接收相机的结构及光路示意图；

图16为本发明提供的一种红外接收相机的结构及光路示意图；

图17为本发明提供的一种带枕形畸变的红外成像透镜成像示意图。

附图标号说明：

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，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。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。

本发明提出一种结构光投射器。

在现有技术中，参考图1为现有典型的3D结构光模组，101为结构光投射器，102为红外接收相机。结构光投射器101和红外接收相机102系统的光轴分别为O₁和O₂，O₁O₂之间的距离为B，一般称B为结构光模组的基线距离；结构光投射器101发出光斑关于O₁轴对称分布，红外接收相机102的接收视场关于O₂轴对称，为保证成像距离范围内，即近距离到远距离之间的区域，结构光投射器101发出的散斑都能充满红外接收相机102，实际会出现无效光斑1和无效光斑2的无效光斑区域，并且随着B的增大，无效光斑区域占比（无效光斑面积/总的散斑面积）更大，大大增加了结构光投射器的功耗。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案通过采用光学元件对光源发射的光线进行准直和扩散使光线在目标物体上形成散斑图，光源的光轴偏移准直微结构面的光轴，光线经过基材、准直微结构面和衍射微结构面后，使形成的散斑图的几何中心偏移准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴。这样，在成像距离范围区域内，结构光投射器能够增大投射的散斑区域与红外接收相机接收视场的重合面积在整个投射散斑区域面积的占比，减小了无效光斑的区域。另外，本技术方案中光源的光轴与所述准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴重合，方便组装，不需要通过偏移激光光源来完成光斑偏移，能更大程度上减小衍射光学元件的设计尺寸，偏移的光斑能更多的被红外接收相机采集到，从而大大提高结构光投射器投射散斑的利用率。

下面结合附图对上述技术方案进行详细的说明。本发明实施例中部件的标号只针对相对应的附图，为了便于描述，在其他附图中，相同名称的部件采用了不同的标号。

实施例一

在本实施例中，201为激光光源，202为准直镜，203为衍射光学元件，204为枕形畸变的散斑图，205为采集区域；301为光源，302为光学元件，3021为准直微结构面，3022为基材，3023为衍射微结构面；401为基础面，501为矩形区域。

图2为现有典型的结构光投射器主要组成器件及光路示意图、最终投射出去的散斑示意图；准直镜202一般由多片透镜固定在镜筒中，透镜的材质有玻璃、树脂等，203为衍射光学元件，一般在玻璃或塑料基底上刻蚀或压印衍射微结构面；激光光源201的光轴与准直镜202、衍射光学元件203的光轴重合，激光光源201发出的光关于光轴对称分布，经准直镜202后发散的光束准直为平行光束，再经衍射光学元件203复制扩散为视场角更大的散斑图，如图2中的（a）所示光路形成的散斑图关于光轴O₁对称分布。

参考图2中的（b），激光光源201发出的光经过准直镜202后准直为平行光束，不同角度的平行光束经衍射光学元件203复制扩散，在目标物体上形成视场角较大的散斑图（此处为了方便解释将激光光源201设置为3*3的发光孔，衍射光学元件203的衍射级次为3*3，最终通过复制扩散，得到了含81个点的散斑图），由于结构光投射器上使用的衍射光学元件是基于光栅方程原理设计的，不同复制级次对应不同的衍射角，散斑点按一定的角度规律分布，当散斑点投射在目标物体平面上时，角度空间分布转化成平面空间分布，散斑点分布会出现枕形畸变的散斑图204，而现有红外接收相机的采集区域为矩形，如图中的采集区域205，无法与带枕形畸变的散斑图204完美配合，导致结构光投射器投射的散斑图四角形成无效光斑，并且随着衍射光学元件复制级次的增大，枕形畸变程度增大，无效光斑区域占比增大，大大增加了结构光投射器的功耗。

在本发明提供的技术方案中，如图3所示，该结构光投射器，包括：光源301以及光学元件302，光源301用于发射光线；

光学元件302，包括：

基材3022；

准直微结构面3021，设于基材3022的表面，用于准直光线；

衍射微结构面3023，设于基材3022的表面，用于扩散光线以使光线形成目标光场并在目标物体上形成散斑图，光源301的光轴偏移准直微结构面3021的光轴，光线经过基材3022、准直微结构面3021和衍射微结构面3023后形成的散斑图的几何中心偏移准直微结构面3021和衍射微结构面3023两者的几何中轴；其中，光源301的光轴与准直微结构面3021和衍射微结构面3023的几何中轴重合。

在本实施例中，光源301采用激光光源，一般有vcsel（垂直腔面发射激光器）、eel（边缘发射激光器）、hcsel（水平腔面发射激光器）等，光源301的光轴偏移准直微结构面的光轴，即光源301的光轴与光学元件302的准直微结构面3021的光轴之间在基线方向上具有偏移距离，使光源301发出的光线经过光学元件302后实现偏心分布，即关于光学元件302的光场中轴呈非对称分布。改变结构光投射器投射出去的散斑分布，散斑分布由原来的对称分布改为偏心分布。光源301的光轴与准直微结构面3021的几何中轴以及衍射微结构面3023的几何中轴重合，不需要通过偏移光源301来完成光斑偏移，方便组装。

进一步地，光源301的发光面设于准直微结构面3021的物方焦平面处，准直微结构面3021的光轴偏移准直微结构面的几何中轴，光源301的光轴与衍射微结构面3023的光轴重合。

图3为本发明提供的一种结构光投射器及光路示意图，在具体实施过程中，光学元件302具有准直和衍射功能，光学元件302包含准直微结构面3021、基材3022、衍射微结构面3023，基材3022可以是玻璃材质（如石英）、塑料材质（如PC、PMMA等），准直微结构面3021和衍射微结构面3023可以是通过在对应的基材上直接刻蚀、激光直写或是电子束直接制作，也可以在基材上旋涂光刻胶，通过纳米压印制作；光源301的发光面位于准直微结构面3021的物方焦平面处，光源301的光轴O₁与光学元件302的几何中轴（包含准直微结构面3021和衍射微结构面3023的几何中轴）重合，且光源301的光轴O₁与衍射微结构面3023的光轴重合，但光源301的光轴O₁与准直微结构面3021的光轴O₁ ^’存在偏移，在3D结构光模组（包括架构光投射器和红外接收相机）中O₁ ^’较O₁更靠近红外接收相机的光轴，即O₁ ^’相对于O₁沿基线方向存在偏移，沿基线垂直的方向没有偏移；此处可以为了方便说明可以结合图13和图3来看，由于O₁在O₁ ^’的左边，使得光源301发出的光经光学元件302准直复制扩散，在图13所示的3D结构光模组中来说，结构光投射器1001投射出去的光斑偏心分布，且偏向右边（光斑偏向红外接收相机1002的一端），从而大大减少结构光投射器投射光斑的无效光斑占比；通过使准直微结构面3021的光轴相对于光源301的光轴向红外接收相机的一端偏移，使得散斑图朝红外接收相机的一侧偏心分布，增大结构光投射器投射的散斑区域与红外接收相机接收视场的重合面积在整个投射散斑区域面积的占比，减小了无效光斑的区域。

在具体实施过程中，设置一个偏心的准直微结构面3021使其光轴与几何中轴之间存在偏移，准直微结构面3021采用矩形结构，采用一整体微结构面作为得到准直微结构面3021的基础面，通过光源301在基础面上形成的实际成像光斑以及光源301的光轴与准直微结构面3021光轴的偏移量得到矩形结构的准直微结构面3021。

具体的，准直微结构面3021一般利用菲涅尔微结构面作为基础面，如图4所示，基础面401采用菲涅尔微结构面，是一个具有系列同心圆环的二元对称图形，具有浮雕表面的相位及结构，浮雕的厚度在波长量级，同心环中心疏边缘密；一：可以依照结构光投射器的焦距、成像圆大小（光源301的有效发光面积以及光源301的光轴O₁和准直微结构面3021的光轴O₁ ^’之间的偏移距离决定）、数值孔径NA（光源301的发散角决定）、准直微结构面3021与基底材料的折射率等参数计算出基础面401的尺寸及相位分布；二：为了减小结构光投射器的体积+光学元件切割方便，可以将准直微结构面3021的外形尺寸设计为矩形结构，如在基础面401的区域中截取矩形区域501，作为最终制作准直微结构面3021的有效成像区域（衍射微结构面3023有效区尺寸与准直微结构面3021一样，两者几何中心重合，此处不展开说明），矩形区域501的尺寸大小由光源301的尺寸、发散角，光源301离准直微结构面3021的距离（准直微结构面3021的焦距）决定，一般设计矩形区域501的尺寸需使光源301中所有发光孔的光都能通过光学元件成像。如图5所示，为了方便说明此处将光源301设置为3*3的发光点阵，为确定矩形区域501的最小尺寸，可以通过确认点阵最边缘的四个点在准直微结构面的实际成像光斑尺寸来定；三：得到矩形区域501的最小尺寸后，再根据实际光源301的光轴O₁与准直微结构面3021的光轴O₁ ^’的偏移量，即可确定在基础面401上选择矩形区域501的区域得到准直微结构面3021最终的尺寸及相位分布，可以看到矩形区域501关于准直微结构面3021的中心C左右不对称（即光心偏向一边，光心需偏向靠近红外接收相机的一边，即光心沿基线方向朝红外接收相机的一侧偏移），上下对称（即光心在垂直于基线方向不偏移）；图4中的（b）为对应矩形区域501的侧视图，在图4中的（b）中可以看到矩形区域501的几何对称轴为O₁（与光源的发光光轴重合），矩形区域501的光轴为O₁ ^’，两者在基线方向存在一定偏移。此方法光源的光学中心与光学元件302的几何中心对齐，方便组装，不需要通过偏移光源301来完成光斑偏移，能更大程度上减小光学元件302的设计尺寸，偏移的光斑能更多的被红外接收相机采集到，从而大大提高结构光投射器投射散斑的利用率。

可选地，如图3中的（a）和图3中的（b）所示，准直微结构面和衍射微结构面分别位于基材的两侧。在一些情况中，准直微结构面3021和衍射微结构面3023，前后顺序可以调换，不一定非得准直微结构面3021先对着光源301，也可以是光线经过衍射微结构面3023再经过准直微结构面3021。此外，准直微结构面3021和衍射微结构面3023也可以以其他形式集成在一起，如分别在不同的基材上形成准直微结构面和衍射微结构面，再将两块基材通过胶水封装为一体，或是在同一个基材的两侧或同一侧分别形成准直微结构面和衍射微结构面，或是同一个基材的同一侧将准直微结构面和衍射微结构面集成为一个集成微结构面，这都在本发明的保护范围内。此外，准直微结构面也可以是除菲涅尔微结构面之外的其他微结构阵列设计，如微透镜阵列结果等。

实施例二

在本实施例中，601为光源，602为光学元件，6021为集成微结构面，6022为基材。

当准直微结构面和衍射微结构面集成于基材的一侧形成集成微结构面时，具体如图6所示，图6为本发明提供的另一种结构光投射器及光路示意图；光源601一般有vcsel（垂直腔面发射激光器）、eel（边缘发射激光器）、hcsel（水平腔面发射激光器）等，光学元件602采用衍射准直一体化的光学元件，包含衍射准直一体化的集成微结构面6021、基材6022，基材6022可以是玻璃材质（如石英）、塑料材质（如PC、PMMA等），图6中的光学元件602与实施例一中图3所示的光学元件302不同的是，图3中集成衍射和准直功能的光学元件302有两个微结构面，如准直微结构面3021是将激光光源发射的球面波转变为平面波的准直微结构面，衍射微结构面3022是将平面波转变为目标光场（最终投射的散斑图案）的衍射微结构面，而图6中的准直衍射一体化的衍射光学元件只有一个集成微结构面6021，集成微结构面6021直接将激光光源601发出来的球面波转变为目标光场，相较于实施例一的图3中的光学元件加工的步骤更少，成本更低。可以参考图7，从侧面看集成微结构面6021是台阶状的微结构面，微结构面的台阶数量越多，微结构面越接近所期望的相位轮廓，实际得到的光场越接近目标光场，但台阶数越多加工难度越大，为兼顾光学元件的实际成像效果和加工难度，一般将微结构面的台阶数设计为4，微结构面可以是通过在对应的基材上直接刻蚀、激光直写或是电子束直接制作，也可以在基材上旋涂光刻胶，通过纳米压印制作，从正面看衍射准直一体化的衍射光学元件的微结构面是由多组同心圆环组成，同心圆环上得面型结构不再像菲涅尔微结构面上一样是平面结构，此处的同心圆环面上也集成了一系列周期性相位分布的台阶面。图6与图3所示的结构光投射器达到的效果一致，通过将微结构面设计为偏心结构，使得投射出去的光斑偏心分布，光斑偏向红外接收相机的一端，此处不再赘述。

实施例三

在本实施例中，701为整体衍射微结构区域，702为单位衍射微结构区域，801为基材，802为集成微结构面，901为第一块单位微结构，902为第二块单位微结构，903为第三块单位微结构，904为第四块单位微结构。

图8中的（a）为现有典型的光学元件的衍射微结构面相位分布示意图；现在用于3D结构光的光学元件衍射微结构面设计都是类似的周期性相位分布结构，是通过矢量设计方法计算得到衍射微结构面的相位分布，由于矢量设计计算量特别大，一般是先计算特定一小块光栅周期微结构的相位分布，如单位衍射微结构区域702，单个光栅周期的长宽尺寸一般为微米量级，再通过周期性复制该微结构的相位分布得到整块光学元件的衍射微结构面的相位分布，如整体衍射微结构区域701，整块光学元件的长宽尺寸由激光光源尺寸+激光光源发散角+激光光源离光学元件距离决定（保证激光光源光束都能通过光学元件的衍射微结构面），一般在毫米量级，激光光源准直为平行光后通过光学元件的衍射微结构面复制扩散，参考图2中的（b），如激光光源的发光点数为3*3，衍射微结构面的复制级次为3*3，则通过复制后得到81个散斑点，由于矢量计算很复杂计算量大，且复制级次越大，计算越复杂，畸变越大。畸变越大造成的不良影响：1）散斑会边缘变得很稀疏，影响精度；2）畸变大，与红外接收相机的矩形接收视场框更不匹配，造成的能量浪费更大），所以复制级次一般限制在100以内，为了达到一定密度的散斑点分布（如投射出去上万个点），通常搭配的激光光源需要有数百个发光孔，最终由于多个复制级次拼接得到的光斑投射在目标物体上会出现较明显的枕形畸变，如图8中的(b)所示，而红外接收相机采集的图像区域为矩形，投射光斑形状与采集图像区域的不匹配，会产生无效光斑，此时若使用标量设计计算得到光学元件衍射微结构面的相位分布即可解决此问题。

在本实施例中，衍射微结构面的外形轮廓采用矩形结构，表面设有通过标量设计得到的衍射微结构面的相位分布。使用基于标量设计原理设计的衍射光学元件，可以使结构光投射器投射的散斑点分布成矩形散斑点分布，从而减小因散斑图的枕形畸变带来的无效光斑。

在具体实施过程中，如图9为本发明提供的一种使用标量设计得到的衍射微结构面的相位分布及对应目标光场示意图；可以看到图9中的（a）为整片衍射微结构面的相位分布，为随机相位分布，不同位置处微结构面相位分布是随机没有周期性的，因为标量设计时不需要考虑光的偏振特性对仿真结果造成的影响，计算量较矢量设计大大减小，标量设计的衍射相位面的复制级次可以设置在万倍以上，且每个复制点的级次位置可以自定义，因此只需一个发光点经过准直后再经过该衍射元件后便能得到上万个随机分布的散斑点，由于散斑点的位置可以随机自定义，可以根据红外接收相机的接收视场区域来定义散斑点的区域，使结构光投射器投射出去的散斑能最大限度的被红外接收相机接收大，大大提高散斑利用率。

进一步地，当使用标量设计计算得到衍射相位面分布时，可以将衍射微结构面的设计看作是一个逆衍射问题，即由给定的入射光场和所要求的目标光场求取光学元件衍射微结构面的相位分布函数。基于这一思想的优化设计方法有GS（盖师贝格-撒克斯通）算法、误差减法、模拟退火算法、遗传算法、直接二元搜索法、杨-顾算法等。对于本发明入射光场为平面波，可以使用一个激光发光点如LD激光器，或是发光点规律分布的激光点阵列，经过准直镜得到平面波光场，目标光场可以定义为矩形框内的多个随机散斑点分布光场，如图9中的（b）所示，当激光光源为单点激光光源时，目标光场中的每个散斑点都是由单点激光光源的一部分光线产生；当激光光源为阵列激光光源时，目标光场中的每个散斑点都是阵列光源的所有发光点光叠加后的一部分光线产生；由于目标光场中散斑点分布边界为矩形边界，而红外接收相机成像也为矩形，散斑图形状与接收相机视场能更好的匹配，大大减小了结构光投射器投射散斑的无效光斑占比。另外，本设计也适用于准直微结构面和衍射微结构面集成于基材的一侧形成集成微结构面的情况。

针对图9，目标光场的分布也可以参考图3中介绍的，定义为偏心散斑点分布，使得散斑点分布偏向红外接收相机的一侧，这样通过偏心的目标光场和入射的平面波光场计算即可得到衍射光学元件的相位分布，此种情况平行光通过衍射光学元件后就能得到偏心散斑点分布，不需要通过设计偏心的准直透镜，也可以得到偏心散斑图，大大减少无效光斑的占比。

针对图9，光学元件可以是以准直微结构面与衍射微结构面设置在基材两侧，参考图3中的设计；或是在同一个基材的同一侧分别形成准直微结构面和衍射微结构面，也可以是准直微结构面与衍射微结构面集成在基材的同一侧形成集成微结构面，即为准直衍射一体化的衍射光学元件，参考图6中的设计，使得激光光源出射的球面波直接经过准直衍射一体化的衍射光学元件得到目标光场，此种准直衍射一体化的衍射光学元件的侧视图和正视图可以参考图10，集成微结构面802为准直衍射一体化的衍射光学元件的集成微结构面，并设置在基材801的一侧，从侧面看集成微结构面802为一定台阶数目的微结构面，从正面看集成微结构面802由多组同心圆环组成，同心圆环面上也集成了一系列随机相位分布的台阶面。

进一步地，衍射微结构面包括多块单位微结构，目标光场包括多块单位光场；

针对每一单位光场并利用标量设计分别得到对应的每一单位微结构的相位分布；或，

多块单位光场设有同样的散斑点分布，以使多块单位微结构对应的相位分布基本一致；

单位微结构的相位分布拼接得到整个衍射微结构面的相位分布。

在具体实施过程中，对于基于标量设计的衍射微结构面来说，要设计的光学元件口径（尺寸）越大，设计可调控的自由度越大，关于整个衍射微结构面的相位分布设计时算法越难收敛，计算量越大，因此当光学元件尺寸较大时，此处为了简化整块衍射微结构面设计，可以将衍射微结构面等分成多块单位微结构来设计，每块单位微结构的面积近视，且激光光源投射到每块单位微结构的光能量相等。此处为了方便说明，将衍射微结构面等分成四块来设计，实际可以等分成其他数量N（N≥2），此处不做展开说明。最终衍射微结构面的相位分布由四块单位微结构区域的相位分布拼接得到。将如图11中的（b）所示的目标光场分成四块单位光场，每块单位光场的散斑数量接近，得到A、B、C、D四块散斑区域，四块散斑区域接壤拼接为一个大的矩形区域；A作为目标光场一，激光光源经过准直后的平面波作为输入光场一，通过标量计算得到衍射微结构面第一块单位微结构901的相位分布，同理将B作为目标光场二，激光光源经过准直后的平面波作为输入光场，通过标量计算得到衍射光学元件第二块单位微结构902的相位分布，依次得到第三块单位微结构903和第四块单位微结构904的相位分布，将四块区域的相位分布拼接得到最终整个衍射微结构面的相位分布，最终激光光源经过准直后再通过整个衍射微结构面后得到目标光场，如图11中的（b）所示，此种设计可以大大减小整个衍射微结构面的设计难度，最终拼接的光斑为矩形，散斑点分布的边界区域可以根据红外接收相机的接收视场对应设置，最终结构光投射器投射出的散斑能最大限度的被红外接收相机接收到，减少无效光斑的占比。

在图11的基础上可以进一步简化衍射微结构面的设计，如图12所示，可以将四块单位微结构对应的目标光场设置为一样的散斑点分布，不同区域的微结构相位分布可以认为只是通过X、Y方向平移得到，对于图11，四块目标光场的分布函数都不一样，且四块衍射光学元件的区域范围不一样，这样设计衍射光学元件四个子单元时，要重复四次上述迭代计算的过程，计算量大，耗时；但对于图12，四块目标光场的分布函数一样，只是四块衍射光学元件的区域范围不一样，如衍射微结构面第一区域的相位分布函数是U（x，y），则通过平移则可以得到第二区域的相位分布函数U（x+a，y+b），a，b是常数，这样同理可得到衍射微结构面第三、第四块区域的相位分布函数，这样通过输入光场和第一块目标光场的分布函数经过一次上述的迭代计算就可以得到最终四块的相位分布函数，大大减少计算量。这样四块单位微结构对应的相位分布基本一致，最终目标光场是激光光源经准直后通过衍射微结构面不同区域的一个叠加，减少了衍射光学元件设计的复杂程度。

针对图11和图12，结构光投射器投射出来的光斑是矩形的，可以减小现有畸变光斑带来的无效光斑。进一步地，参考图9所示，将目标光场定义为偏心散斑点分布，使得散斑点分布偏向红外接收相机的一侧，这样通过偏心的目标光场和入射的平面波光场计算即可得到衍射微结构面的相位分布，此种情况平行光通过衍射微结构面后就能得到偏心散斑点分布，可以得到偏心散斑图，大大减少无效光斑的占比。

实施例四

在本实施例中，1001为结构光投射器、1002为红外接收相机。

本发明还提出一种3D结构光模组，包括结构光投射器和红外接收相机，结构光投射器用于向目标物体投射结构光斑图，红外接收相机接收目标物体反射的光成散斑红外图，其中，结构光投射器采用如以上实施例所述的结构光投射器。

结合上述实施例所述的结构光投射器，本实施例对3D结构光模组减小无效光斑的设计做出详细的叙述。改变结构光投射器投射出去的散斑分布，投射器投射出来的散斑分布由原来的对称分布改为偏心分布，参考图13提供的一种3D结构光模组的结构示意图，其中，结构光投射器1001和红外接收相机1002系统的光轴分别为O₁和O₂，O₁O₂之间的距离为B，结构光投射器1001发出的光斑关于O₁轴成非对称分布，靠近红外接收相机1002一侧的光斑区域大于远离红外接收相机1002一侧的光斑区域，可以看到在成像距离范围区域内，相比于现有的结构光模组，结构光投射器投射出去的光斑能最大限度的被红外接收相机接收到，大大减小了无效光斑的占比。

实施例五

在本实施例中，1101为结构光投射器、1102为红外接收相机。

进一步地，还可以改变红外接收相机接收视场的分布，接收视场由原来的对称分布改成偏心分布，在本实施例中，参考图14为本发明提供的另一种3D结构光模组的结构示意图；其中，结构光投射器1101和红外接收相机1102系统的光轴分别为O₁和O₂，O₁O₂之间的距离为B，红外接收相机1102靠近结构光投射器1101一侧的接收视场角度大于远离结构光投射器1101一侧的接收视场角度，可以看到在成像距离范围区域内，结构光投射器1101发出的光斑能最大限度的被红外接收相机1102接收到，大大减小了无效光斑的占比。

实施例六

在本实施例中，1201为红外接收芯片、1202为红外窄带滤光片、1203为红外成像透镜。

图15为现有典型的红外接收相机的结构及光路示意图；一定视场范围内物体反射的光束经红外成像透镜1203聚焦后先通过红外窄带滤光片1202后在红外接收芯片1201上成像，红外窄带滤光片1202可以将环境光中与结构光投射器发射的波长不一致的波段截止掉，减少环境光对成像质量的影响，由于红外成像透镜1203的光轴O₂与红外接收芯片1201的光轴重合，红外接收相机的成像视场也关于光轴O₂对称。

图16为本发明提供的一种红外接收相机的结构及光路示意图；如图16所示，红外接收相机包括：红外接收芯片1201、红外窄带滤光片1202以及红外成像透镜1203，目标物体反射的光束经红外成像透镜1203聚焦后通过红外窄带滤光片1202并在红外接收芯片1201上成像；其中，红外接收芯片1201的光轴与红外成像透镜1203和红外窄带滤光片1202的几何中轴重合，红外成像透镜1203的光轴偏移红外成像透镜1203的几何中轴。

在本实施例中，如图16所示，红外成像透镜1203为偏心状态的红外成像透镜，可以是多片透镜组成的透镜组，如利用自由曲面设计的偏心透镜组，红外成像透镜1203还可以是集成在透明基材上的偏心状态的菲涅尔微结构面（参考上述实施例中光学元件准直微结构面设计方法的成像原理，在此不做详细叙述），红外成像透镜1203还可以是基于广义斯涅耳定律设计的偏心状态的超表面透镜；红外成像透镜1203的光轴为O₂ ^’与红外接收芯片1201的光轴O₂不重合，但红外成像透镜1203和红外窄带滤光片1202的几何中心与红外接收芯片1201的光轴O₂重合，红外成像透镜1203的光轴O₂ ^’与红外接收芯片1201的光轴O₂在基线方向上有偏移，红外成像透镜1203的光轴O₂ ^’较红外接收芯片1201的光轴O₂更靠近结构光投射器，且红外成像透镜1203的光轴与红外接收芯片1201的光轴在垂直于基线方向上无偏移，如图16所示，红外接收相机在光轴O₂左侧的接收视场较光轴O₂右侧的接收视场角度大，红外接收相机能更多的接收到投射器投射出来的光斑，从而大大提高投射器投射散斑的光斑利用率。

当然散斑偏心的结构光投射器和红外接收相机视场角偏心设计可以共同应用在一个3D结构光模组中，通过合理的设计，使投射器投射出来的光斑在成像距离范围内最大程度的被红外接收相机接收到，大大提高散斑利用率。

实施例七

本实施例中，红外成像透镜具有成像畸变结构特征，结构光投射器投射的结构光斑图具有发射畸变结构特征，成像畸变结构特征与发射畸变结构特征相互补偿。

另外，在结构光投射器仍然投射的光斑具有枕形畸变的情况下，将成像镜头设计为带有枕形畸变的镜头，畸变大小与投射器投射的光斑枕形畸变大小一一对应，使得枕形畸变散斑图的四角也能被红外接收相机采集到，减小因散斑图的枕形畸变带来的无效光斑。

当结构光投射器投射出带枕形畸变的散斑如图17中的（a）所示的到目标物体上时，带枕形畸变的散斑透过带枕形畸变的红外透镜成像，通过红外透镜的畸变补偿，可以消除结构光投射器产生的枕形畸变，使得最终在红外成像芯片上所成的像为无畸变图像如图17中的（b），减少了之前因投射光斑形状与红外相机接收区域形状不匹配导致的无效光斑，此处红外成像透镜的畸变大小需与投射器投射散斑的畸变大小一一对应。

本发明实施例提出结构光投射器以及3D结构光模组，使得结构光投射器投射出来的光斑最大程度的被红外接收相机采集利用，增加结构光投射器投射光斑的散斑利用率，从而降低结构光投射器的功耗，间接地使得3D结构光模组能测量更远距离物体的深度，大大扩展了3D结构光模组的应用场景。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种结构光投射器，其特征在于，包括：

光源，用于发射光线；以及

光学元件，包括：

基材；

准直微结构面，设于所述基材的表面，用于准直所述光线；

衍射微结构面，设于所述基材的表面，用于扩散所述光线以使光线形成目标光场并在目标物体上形成散斑图，所述光源的光轴偏移所述准直微结构面的光轴，所述光线经过所述基材、准直微结构面和衍射微结构面后形成的所述散斑图的几何中心偏移所述准直微结构面和衍射微结构面的几何中轴；

其中，所述光源的光轴与所述准直微结构面和衍射微结构面两者的几何中轴重合。

2.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源的发光面设于所述准直微结构面的物方焦平面处，所述准直微结构面的光轴偏移所述准直微结构面的几何中轴，所述光源的光轴与所述衍射微结构面的光轴重合。

3.如权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，所述准直微结构面采用矩形结构，采用一整体微结构面作为得到所述准直微结构面的基础面，通过光源在所述基础面上形成的实际成像光斑以及所述光源的光轴与所述准直微结构面光轴的偏移量得到矩形结构的所述准直微结构面。

4.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述衍射微结构面采用矩形结构，并设有通过标量设计得到的衍射微结构相位面。

5.如权利要求4所述的结构光投射器，其特征在于，所述衍射微结构相位面的相位分布为随机分布。

6.如权利要求4所述的结构光投射器，其特征在于，所述衍射微结构面包括多块单位微结构，所述目标光场包括多块单位光场；

针对每一所述单位光场并利用标量设计分别得到对应的每一所述单位微结构的相位分布；或，

多块所述单位光场设有同样的撒斑点分布，以使多块所述单位微结构对应的相位分布基本一致；

所述单位微结构的相位分布拼接得到整个所述衍射微结构面的相位分布。

7.如权利要求1或4所述的结构光投射器，其特征在于，所述准直微结构面和所述衍射微结构面分别位于所述基材的两侧或同一侧，或，所述准直微结构面和所述衍射微结构面集成于所述基材的同一侧形成集成微结构面。

8.一种3D结构光模组，其特征在于，包括结构光投射器和红外接收相机，所述结构光投射器用于向目标物体投射结构光斑图，所述红外接收相机接收目标物体反射的光成散斑红外图，其中，所述结构光投射器采用如权利要求1-7任一项所述的结构光投射器。

9.如权利要求8所述的3D结构光模组，其特征在于，所述红外接收相机包括：红外接收芯片、红外窄带滤光片以及红外成像透镜，目标物体反射的光束经所述红外成像透镜聚焦后通过所述红外窄带滤光片并在所述红外接收芯片上成像；

其中，所述红外接收芯片的光轴与所述红外成像透镜和所述红外窄带滤光片的几何中轴重合，所述红外成像透镜的光轴偏移所述红外成像透镜的几何中轴。

10.如权利要求9所述的3D结构光模组，其特征在于，所述红外成像透镜具有成像畸变结构特征，所述结构光投射器投射的结构光斑图具有发射畸变结构特征，所述成像畸变结构特征与发射畸变结构特征相互补偿。

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