CN116500799B - 一种结构光投射器和结构光模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光投射器和结构光模组，结构光投射器包括至少一个光源；准直元件包括至少一个准直子单元；衍射光学元件包括至少一个衍射子单元，衍射子单元的衍射微结构面形成衍射光栅，不同子单元的光栅常数不同；当准直元件为K个准直子单元，衍射光学元件只有一个衍射子单元，K≥2；当准直元件为一个准直子单元，衍射光学元件为N个衍射子单元，N≥2，通过K个准直子单元或者N个衍射子单元作用，在目标场上获得总投射点数扩大的结构光散斑图，从而增大散斑点密度和随机性，减小结构光投射光源的发光点数量和有效发光面积，降低衍射子单元的复制倍数，减小投射器的焦距，实现投射器和模组小型化设计，降低成本和加工难度。

Description

一种结构光投射器和结构光模组

技术领域

本发明实施例涉及三维成像技术领域，尤其涉及一种结构光投射器和结构光模组。

背景技术

随着科技的发展，近年来二维成像逐步向三维成像升级，三维成像技术经历了从工业级向消费级拓展的过程，核心技术的不断突破和迭代，让大规模产业化应用成为可能。目前主流的三维成像技术包括：3D结构光成像、飞行时间法成像、双目立体法成像，其中3D结构光技术因其高精度、适应性强、防伪性强等优势被广泛应用于移动支付、智能门锁、机器人、安防安检等各个领域，其最关键的模块之一就是3D结构光投射器。

结合图1所示，现有典型的3D结构光投射器，101为结构光投射光源、102为准直元件、103为衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOE）。结构光投射光源发出具有一定发散角度的光，经过准直元件后被准直为平行光，再经过DOE衍射复制扩束为结构光散斑图。结构光投射器将结构光散斑图向空间区域投射，接收模组（图中未示出）接收空间区域的反射光成像，生成结构光散斑图。测量系统基于三角测量原理，利用散斑图中像素匹配点在不同距离下的位置偏差量，计算出对应空间区域的深度信息。通常，基于结构光投射光源的有效发光面积、发光点数、发光点排布的设计，对准直元件的焦距，DOE的光栅常数、衍射级次、衍射效率等设计，可以获得具有特定目标排布效果的结构光散斑图。显然一般结构光散斑图中总投射点数在一定范围内越多、散斑点随机性越高，越有利于深度信息的获取。基于此类方案，现有的结构光投射器存在以下问题：

第一，结构光散斑总投射点数受限。结构光总投射点数正比于结构光投射光源发光点数量和DOE复制倍数。在需要获得较多总投射点数的背景下，如果结构光投射光源发光点数量保持不变，则单个DOE必须承担较大的复制倍数，也就是DOE需要更高阶的衍射级次，这样会导致最终设计出的DOE衍射效率降低、对比度较差、噪声表现不佳，结构光散斑图效果较差，且DOE设计和加工难度升高、良率下降；如果DOE复制倍数保持不变，则结构光投射光源发光点数量必须增大，这样会增大结构光投射光源的有效发光面积，导致结构光投射光源成本升高，不利于对结构光投射器成本的控制，且对应的准直元件设计难度升高。

第二，结构光散斑点分布随机性受限。传统结构光散斑点的随机性主要取决于结构光投射光源发光点分布的随机性。在需要获得较多总投射点数的背景下，如果结构光投射光源发光点数量有一定限度，即有效发光面积有一定限度，则结构光散斑点的随机性也受限，不利于深度信息的计算。

第三，结构光投射器小型化设计受限。结构光投射器总视场角（Field Of View，FOV）与DOE的衍射级次和准直元件的焦距有关。搭配同一个结构光投射光源和准直元件，DOE的衍射级次越大，散斑总投射点数越大，总FOV越大，但DOE设计难度越高，衍射效率越低；搭配同一个结构光投射光源和DOE，散斑总投射点数不变，准直元件的焦距越小，总FOV越大，但对应散斑图中散斑点密度越小。通常，为保证结构光散斑图有较好的效果，散斑点密度需要大于一定值，因此为了兼顾DOE的设计难度和散斑点的密度，准直元件的焦距需要控制在一定范围内，比如在总FOV为50*70°时准直元件焦距设计一般都大于3mm，这样不利于结构光投射器的小型化设计。

发明内容

本发明提供了一种结构光投射器和结构光模组，均可以实现在结构光投射光源发光点数量、有效发光面积和DOE复制倍数保持不变的情况下，根据衍射子单元的个数N或者准直子单元的个数K，结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大近似N倍或K倍。

第一方面，本发明提供了一种结构光投射器，包括：

至少一个光源，用于发射光束；

准直元件，所述准直元件包括至少一个准直子单元，所述准直子单元位于所述光束的光轴上，用于准直所述光束；

衍射光学元件，所述衍射光学元件包括至少一个衍射子单元，所述衍射子单元位于经所述准直元件准直后的所述光束的光轴上；

其中，当所述准直元件为K个准直子单元，所述衍射光学元件只有一个衍射子单元，K≥2，K为正整数，各个所述准直子单元的准直微结构面的结构相同；当所述准直元件为一个准直子单元，所述衍射光学元件为N个衍射子单元，N≥2，N为正整数，所述衍射子单元的衍射微结构面生成衍射光栅，不同所述衍射子单元内衍射光栅的光栅常数不同，所述衍射子单元用于衍射其中一个所述光源出射的光束以使所述光束生成目标光场，并在目标光场上生成衍射复制后的结构光散斑图。

在一些实施例中，当所述准直元件包含K个准直子单元时，经过不同所述准直子单元后，在目标光场上生成的结构光散斑总投射点数相比于含有一个准直子单元的光投射器扩大K倍；

当所述衍射光学元件包含N个衍射子单元时，经过不同所述衍射子单元后，在目标光场上形成的结构光散斑总投射点数相比于含有一个准直子单元的光投射器扩大N倍，且在目标光场上生成的结构光散斑图的偏移方向与所述结构光投射器的基线方向的夹角为α，|α|≠0。

在一些实施例中，当所述衍射光学元件为N个衍射子单元，不同所述衍射子单元的衍射级次均为零级到M级，其中，M≥1，M为正整数。

在一些实施例中，不同所述衍射子单元在衍射1级到衍射M级的衍射效率一致，不同所述衍射子单元在衍射零级的衍射效率为其他衍射级次的衍射效率均值的1/N倍。

在一些实施例中，所述结构光投射光源包括多个发光点，多个所述发光点均匀分布，相邻两个所述发光点的间距至少大于一个所述发光点的直径；或者，相邻两个所述发光点的间距至少大于2个所述发光点的直径。

在一些实施例中，各个所述衍射子单元的外形轮廓和面积大小根据所述光束投射在所述衍射光学元件不同区域的面积设计，各个所述衍射子单元接收到的光能量大小相同；所述衍射子单元的外形轮廓包括规则形状或者不规则形状。

在一些实施例中，所述准直元件和所述衍射元件集成为准直衍射一体化光学元件，此元件由准直微结构面和衍射微结构面构成，所述准直微结构面和所述衍射微结构面分别位于一基材的两侧或者同一侧；或者，所述准直微结构面和所述衍射微结构面集成于一基材的同一侧生成微结构面。

在一些实施例中，所述光源包括结构光投射光源和泛光照明光源，所述泛光照明光源和所述结构光投射光源位于所述准直元件的同一侧；所述结构光投射光源用于发射结构光，并经过所述准直元件和衍射元件复制扩束为结构光散斑图；所述泛光照明光源用于发射泛光，并经过所述准直元件和衍射元件扩束为均匀红外光；所述泛光照明光源和所述结构光投射光源交替发光。

第二方面，本发明实施例提供了一种结构光模组，包括第一方面提供的结构光投射器，还包括泛光照明器和红外相机采集器；

所述泛光照明器包括所述泛光照明光源和匀光元件，所述匀光元件位于所述泛光照明光源出射的泛光的传播路径上，所述匀光元件用于将泛光照明光源发出的泛光扩束为均匀红外光，并将所述均匀红外光向空间区域的目标物体投射；所述匀光元件可以由匀光器实现，或与所述结构光投射器共用准直衍射一体化光学元件；

所述红外相机采集器包括红外超透镜和红外成像芯片，所述红外超透镜靠近所述红外成像芯片的表面镀有红外滤光膜，用于滤光。

在一些实施例中，所述结构光投射器、泛光照明器和红外相机采集器集成在同一个电路板，且共用一个结构支架。

综上，本发明提供的结构光投射器，基于拼接面型DOE或基于拼接准直元件的结构光投射技术方案，均可以实现在结构光投射光源发光点数量、有效发光面积和DOE复制倍数保持不变的情况下，根据衍射子单元的个数N或者准直子单元的个数K，结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大近似N倍或K倍，因此无需提高DOE的衍射级次，也无需增大结构光投射光源发光点数量和有效发光面积，即可实现结构光总投射点数的提升和散斑随机性的提升。

若保持总投射点数、结构光投射光源发光点数量和有效发光面积不变，则单个DOE的衍射子单元的复制倍数可以降低，DOE整体的衍射效率升高、对比度提升、噪声表现更佳，结构光散斑图效果更好，该设计方案，同时可以降低DOE的设计和加工难度，提高DOE的良率。

若保持总投射点数、DOE复制倍数不变，则在不改变器件性能的基础上，可以减小结构光投射光源发光点数量，即减小结构光投射光源的有效发光面积，该中设计方案，可以降低结构光投射器成本，同时降低准直元件的设计难度。

若保持结构光投射器总FOV不变，则通过增加总投射点数，可以在增大结构光散斑密度的同时，可以使结构光投射器的焦距设计得更小。

附图说明

图1是现有技术中提供的一种结构光投射器及光路示意图；

图2是本发明提供的一种结构光投射器中单个发光点的光路投射及光斑示意图；

图3是图2方案中所有发光点的光路投射及光斑示意图；

图4是本发明提供的再一种结构光投射器的结构、光路投射及光斑示意图；

图5是本发明提供的一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图；

图6是图5中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图；

图7是本发明提供的再一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图；

图8是图7中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图；

图9是本发明提供的再一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图；

图10是图9中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图；

图11是本发明提供的再一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图；

图12是图11中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图；

图13是本发明提供的一种结构光投射器的结构及光路示意图；

图14是本发明提供的再一种结构光投射器的结构及光路示意图；

图15是图14中一种衍射光学元件的正视图和侧视图；

图16是本发明提供的再一种结构光投射器的结构示意图；

图17是本发明提供的再一种结构光投射器的结构示意图；

图18是本发明提供的再一种结构光投射器的结构示意图；

图19是本发明提供的一种结构光模组的结构示意图；

图20是本发明提供的另一种结构光模组的结构示意图

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。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种结构光投射器，其结构包括光源、准直元件和衍射光学元件（DOE）；光源采用结构光投射光源，用于发射光束；准直元件包括至少一个准直子单元，准直子单元位于光束的光轴上，用于准直光束；衍射光学元件包括至少一个衍射子单元，衍射子单元位于经准直元件准直后的光束的光轴上。

一种可行的实施方式，当准直元件为K个准直子单元，衍射光学元件只有一个衍射子单元，K≥2，K为正整数，各个准直子单元的准直微结构面的结构相同。

具体的，准直元件采用拼接面型结构，衍射光学元件为一个整体面型，准直元件的准直微结构面由K个准直子单元组成（K≥2，K为正整数），各个准直子单元之间是紧密相连的，各个准直子单元的准直微结构面的结构相同，衍射子单元的衍射微结构面生成衍射光栅，衍射子单元在衍射光栅的衍射级次为零级到M级（M≥1，M为整数）。

本发明实施例可以实现在结构光投射光源发光点数量、有效发光面积和DOE复制倍数保持不变的情况下，由结构光投射光源发出的光线，经过K个准直子单元准直为平行光后，投射出的结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大近似K倍。需要说明的是，由于元件加工工艺等限制，衍射元件的结构参数存在误差，在一定程度上影响最终的扩大倍数，本申请中理想状态下投射出的结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大K倍，在一些实施例中，当投射出的结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大小于K倍、等于K倍均在本申请的保护范围之内。

一种可行的实施方式，当准直元件为一个准直子单元，衍射光学元件为N个衍射子单元，N≥2，N为正整数，衍射子单元的衍射微结构面形成衍射光栅，不同衍射子单元内衍射光栅的光栅常数不同，衍射子单元用于衍射结构光投射光源出射的光束以使光束生成目标光场，并在目标光场上生成衍射复制后的结构光散斑图。

具体的，衍射光学元件（DOE）是拼接面型结构，DOE的衍射微结构面由N个衍射子单元组成（N≥2，N为正整数），衍射子单元之间是紧密相连的，衍射子单元的衍射微结构面形成衍射光栅，不同衍射子单元内衍射光栅的光栅常数不同，不同衍射子单元在衍射光栅所在平面的X方向、或Y方向、或X方向和Y方向分别设置不同的光栅常数，不同衍射子单元的衍射级次均为零级到M级，其中，M≥1，M为整数。

本发明实施例可以实现在结构光投射光源发光点数量、有效发光面积和DOE复制倍数保持不变的情况下，由结构光投射光源发出的光线，经过N个衍射子单元衍射后，投射出的结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大近似N倍。需要说明的是，由于元件加工工艺等限制，准直元件的结构参数存在误差，在一定程度上影响最终的扩大倍数，本申请中理想状态下投射出的结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大N倍，在一些实施例中，当投射出的结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大小于N倍、等于N倍均在本申请的保护范围之内。

以上两个实施例均可以实现在目标场上获得总投射点数扩大的结构光散斑图，从而增大散斑点密度和随机性，减小结构光投射光源的发光点数量和有效发光面积，降低衍射子单元的复制倍数，减小投射器的焦距，实现投射器和模组小型化设计，并降低成本和加工难度。

下面结合附图2-图12来对上述两个实施例进行详细的说明。其中，第一方向为图2-图12中的X方向，第二方向为图2-图12中的Y方向。

需要说明的是，本发明实施例中提供的光源可以为红外波段投射光源。作为示例，下文中本发明实施例以出射红外波段光束的光源为例进行说明。

实施例

基于上述问题，本发明提供了一种基于拼接面型衍射光学元件（DOE）的结构光投射器，图2是本发明提供的一种结构光投射器中单个发光点的光路投射及光斑示意图。为了方便说明，以图2中K=1，N=2，M=2为例，以衍射子单元的衍射微结构面所在的平面为参考平面，如图中XY平面所示，衍射光学元件203的衍射微结构面由衍射子单元2031和衍射子单元2032组成，两个衍射子单元在所在平面的Y方向分别设置不同的光栅常数，且两个衍射子单元在Y方向的衍射级次为零级和±1级。结构光投射器的结构光投射光源201中的单个发光点发出的光束，经过准直元件202的准直作用后，分别入射到衍射子单元2031和衍射子单元2032，两个衍射子单元接收准直后的光束，并对光束进行衍射复制。根据衍射光栅衍射特性，衍射子单元2031和衍射子单元2032的非衍射零级光束（衍射±1级）以相同倍数衍射复制，但是由于衍射子单元2031和衍射子单元2032的光栅常数，其对光束以不同的衍射角θ扩束。

作为一个示例，相同单位面积内，设置衍射子单元2031的光栅常数大于衍射子单元2032的光栅常数。由此，由于衍射子单元2031的光栅常数较大，衍射级次为2，因此其对光束S的衍射复制倍数为3，衍射角θ1较小，如图2中倾斜的实线光束所示，在结构光散斑投影区域204中对应生成散斑2042和散斑2044。由于衍射子单元2032的光栅常数较小，衍射级次仍为2，因此其对光束S的衍射复制倍数仍为3，但衍射角θ2较大，如图2中倾斜的虚线光束所示，在结构光散斑投影区域204中对应生成散斑2041和散斑2045。其中，θ1＜θ2。同时，衍射子单元2031和衍射子单元2032的衍射零级则均为准直输出，如图2中沿Z方向水平的实线光束和虚线光束所示，在结构光散斑投影区域204中对应生成的衍射零级散斑如散斑2043所示，其散斑分布依旧保持与结构光投射光源点分布相同，但其大小为单个衍射子单元衍射效果的2倍。由此可知，采用本发明实施例提供的结构光投射器对光束进行衍射，散斑2041与散斑2042、散斑2043与散斑2044相对散斑2043均存在一定程度的偏移，从而可以实现对光束S进行扩大结构光散斑点密度的效果。需要说明的是，图2与实际场景相比，结构光散斑投影区域204与衍射光学元件203的衍射子单元的尺寸比例差距较小，距离较近，仅仅是一个示例性近似说明。

图3是图2方案中所有发光点的光路投射及光斑示意图。其中，图3中衍射光学元件303的衍射微结构面由衍射子单元3031和衍射子单元3032组成，以衍射子单元的衍射微结构面所在的平面为参考平面，如图中XY平面所示，从图3中可以看出两个衍射子单元在所在平面的Y方向分别设置不同的光栅常数，且衍射级次为零级和±1级时，其衍射扩束后的视场相同，但衍射角不同，从而使同一视角内散斑位置存在偏移，即同一视角内存在一个结构光散斑投影区域，区域内两套散斑点分布位置不同，可以实现扩大结构光散斑点密度的效果。需要说明的是，图3与实际场景相比，结构光散斑投影区域304与衍射光学元件303的衍射子单元的尺寸比例差距较小，距离较近，仅仅是一个示例性近似说明。

由图2和图3可知，本发明实施例提供的基于拼接面型DOE的结构光投射器，当不同衍射子单元在所在平面的X方向设置不同的光栅常数，经过不同衍射子单元所生成的非衍射零级的散斑图案，在X方向会有一定程度的偏移；当不同衍射子单元在所在平面的Y方向设置不同的光栅常数时，经过不同子单元所生成的非衍射零级的散斑图案，在Y方向会有一定程度的偏移；当不同衍射子单元在X方向和Y方向均设置不同的光栅常数时，经过不同衍射子单元所生成的非衍射零级的散斑图案，在X方向和Y方向均会有一定程度的偏移，即在斜方向会有一定程度的偏移。由于此偏移量可以通过不同衍射子单元的衍射光栅的参数设计来控制，因此当不同衍射子单元的偏移量刚好在散斑各点之间时，结构光散斑点密度可以随衍射子单元数量线性递增，当有N个子单元时，结构光散斑点密度扩大近似N倍，需要说明的是，衍射零级结构光散斑点的密度保持不变。

此外，在上述结构光投射方案基础上，本发明还提供一种基于拼接准直元件的结构光投射方案。图4是本发明提供的再一种结构光投射器的结构、光路投射及光斑示意图。结合图4所示，本发明实施例设置准直元件包括K个准直子单元，衍射光学元件只有一个衍射子单元，准直元件和衍射光学元件分别位于同一块基材的两侧。作为一个示例，图4中以N=1，M=2为例。本发明实施例提供的结构光投射器包括结构光投射光源401、准直衍射一体化光学元件402，激光可选用激光结构光投射光源，用于发射结构光，准直衍射一体化光学元件402是由准直元件的准直微结构和衍射光学元件的衍射微结构集成为一个集准直和衍射功能为一体的光学元件，其结构包括准直微结构面4021和准直微结构面4022、基材4023、衍射微结构面4024；准直微结构面用于将结构光投射激光结构光投射光源不同光点发出的光束准直为平行光束；衍射微结构面用于对入射光束进行衍射复制扩束为光点清晰成像的结构光散斑图，并向空间区域投射，生成结构光散斑投影区域403。需要说明的是，本发明实施例中，DOE的衍射微结构面仅由一个衍射子单元组成，即N=1，准直元件的准直微结构面可以由K个准直子单元组成，K≥2，可选的，各个准直子单元的准直微结构面的结构相同。图4中以K=2为例，即准直微结构面由准直子单元4021和准直子单元4022构成。准直微结构面的不同准直子单元4021和准直子单元4022在其所在平面的Y方向上紧密相连，其焦距等结构参数完全相同。

结构光投射光源401发出的光束，分别出射到准直子单元4021和准直子单元4022。结构光投射光源401中同一个发光点发出的光束，分别以不同入射角入射到准直子单元4021和准直子单元4022，经过准直作用后，再以不同的出射角准直出射到衍射微结构面4024，并进行衍射复制，最终投射到结构光散斑投影区域403。结构光投射光源401的所有发光点均通过准直子单元4021和准直子单元4022的准直作用，即结构光投射光源401的发光点区域均在准直子单元4021和准直子单元4022的最大成像圆范围内。其中，最大成像圆范围指的是最大像圈（Max Image Circle，MIC），即指入射光线通过镜头后，在焦平面上呈现出的圆形的明亮清晰的影像幅面，也称像面大小。

结合图4所示，本发明实施例通过结构光投射光源发光点分布、准直微结构面的入射角与出射角的配合，激光结构光投射光源经过准直子单元4021和准直子单元4022后，生成两套出射角不同的、发光点分布顺序一致的结构光散斑，并在其所在平面的Y方向上错开。两套结构光散斑再经过DOE的衍射复制，生成两套衍射区域，并在其所在平面的Y方向上彼此错位分布。如图4所示，由准直子单元4021生成的第一套结构光散斑，对应的衍射一级区域为4031、衍射零级区域为4032、衍射负一级区域为4033、衍射负二级区域为4034，其中各区域的黑色点为其衍射散斑图案；由准直子单元4022生成的第二结构光散斑，对应的衍射二级区域为4031、衍射一级区域为4032、衍射零级区域为4033、衍射负一级区域为4034，其中，各区域的斜线状点为其衍射散斑图案。两套衍射区域彼此错位分布，即结构光散斑投影区域403中黑色点和斜线状点彼此错位分布，使得第一套结构光散斑的衍射零级区域和第二套结构光散斑的衍射一级区域重合、散斑位置存在偏移，第一套结构光散斑的衍射负一级区域和第二套结构光散斑的衍射零级区域重合、散斑位置存在偏移，以此类推，最终同一视角内存在一个结构光散斑投影区域，区域内两套散斑图案分布位置不同，从而实现了扩大结构光散斑点密度的效果。需要说明的是，图4与实际场景相比，结构光散斑投影区域403与准直微结构面的尺寸比例差距较小，距离较近，仅仅是一个示例性近似说明。

由图4可知，本发明实施例提供的基于拼接准直元件的结构光投射器，结构光散斑点密度可以随准直微结构面的准直子单元数量线性递增，当有K个准直子单元时，结构光散斑点密度扩大近似K倍。

以上介绍了两种结构光投射方案原理，接下来，针对基于拼接面型衍射光学元件（DOE）的结构光投射器，本发明实施例提供了多种拼接面型DOE的衍射微结构面的排布方案（相位分布）。

一种可行的实施方式，图5是本发明提供的一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图。结合图5所示，本发明实施例设置衍射光学元件包括N个衍射子单元，N个衍射子单元接触设置。以两个衍射子单元接触为例，本发明实施例中将DOE的衍射微结构面在物理上以左右对称形式分开，划分为衍射子单元501和衍射子单元502，两个衍射子单元之间紧密相连。需要说明的是，图5中DOE的微结构面被左右分开为两个区域，中间部位示出了分隔线，该分隔线仅仅为了示意作用。为了使最终向空间区域投射的结构光散斑图亮度均匀，本发明实施例中设置衍射子单元的外形轮廓包括规则形状。作为一个示例，设置衍射子单元501和衍射子单元502为外形轮廓为面积大小相等的矩形区域，在本实施例中，设结构光投射光源均匀且对称；为了使最终向空间区域投射的结构光散斑点密度扩大近似两倍，本发明实施例中设置衍射子单元501和衍射子单元502在所在平面的X方向和Y方向的光栅常数均取不同值，如图中衍射光栅5011为衍射子单元501的周期单元，衍射光栅5021为衍射子单元502的周期单元。

图6是图5中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图。为了方便说明，作为一个示例，图6中以M=8为例，即图6中DOE的衍射子单元在X方向和Y方向的衍射级次均为零级、±1级、±2级。当点亮结构光投射光源时，结构光投射光源上有多个随机排布的点阵，如图6中结构光投射光源点阵61所示，经过准直元件准直为平行光束，生成光点清晰成像的光斑图62，再经过图5光路结构中的衍射子单元501和衍射子单元502后，生成一个结构光散斑投影区域63。其中，结构光散斑投影区域内的两套散斑点分布位置不同，如图6中结构光散斑投影区域63所示，由于衍射级次M设置为8，根据衍射光栅的衍射，此结构光散斑投影区域分为九块。

在结构光散斑投影区域63中，衍射零级区域散斑图案603中的衍射零级点密度保持不变。在衍射±1级区域散斑图案和衍射±2级区域散斑图案中，散斑图案601和散斑图案602分别为经过DOE的衍射子单元501和衍射子单元502后生成的，两套图案的分布在X方向和Y方向均有相对偏移，其中，不同衍射子单元产生的结构光散斑图的偏移方向与结构光投射器的基线方向的夹角为α，|α|≠0。结构光投射器的基线方向指的是结构光投射器的结构光投射光源与接收模组（红外相机采集器）之间的连线方向，即图中Z方向所示。为了方便说明，图6中黑色点和网状点的偏移方向一致，然而实际场景中衍射正负级次区域的偏移是镜像对称的。需要说明的是，图6中的散斑点分布仅仅为了示意作用，并不是为了限制本发明的范围及其应用。通过分别对DOE的衍射子单元501和衍射子单元502进行光栅参数设计，可以控制偏移后两套散斑图案彼此均有一定偏移，从而使最终向空间区域投射出的结构光散斑点密度扩大近似两倍，如图6中结构光散斑投影区域63所示效果。在一些其他实施例中，若本发明实施例采用的结构光投射光源有是由50个随机分布的发光点构成，对应的DOE的衍射子单元501和衍射子单元502的衍射复制倍数为100倍，则两套散斑图案将均含有5000个散斑点，两者分布的偏移使得整个结构光散斑投影区域63有近似10000个散斑点，因此可以使结构光散斑点密度扩大近似两倍。

综上所述，本实施例提供的基于拼接面型DOE或基于拼接准直元件的两种结构光投射器的技术方案优势如下：两种技术方案均可以实现在结构光投射光源发光点数量、有效发光面积和DOE复制倍数保持不变的情况下，根据衍射子单元的个数N或者准直子单元的个数K，结构光散斑总投射点数比现有的结构光投射器扩大近似N倍或K倍，因此无需提高DOE的衍射级次，也无需增大结构光投射光源发光点数量和有效发光面积，即可实现结构光总投射点数的提升和散斑随机性的提升。

一种可行的实施方式，若保持总投射点数、结构光投射光源发光点数量和有效发光面积不变，则单个DOE的衍射子单元的复制倍数可以降低，DOE整体的衍射效率升高、对比度提升、噪声表现更佳，结构光散斑图效果更好，该设计方案，同时可以降低DOE的设计和加工难度，提高DOE的良率。

一种可行的实施方式，若保持总投射点数、DOE复制倍数不变，则在不改变器件性能的基础上，可以减小结构光投射光源发光点数量，即减小结构光投射光源的有效发光面积，该中设计方案，可以降低结构光投射器成本，同时降低准直元件的设计难度。

一种可行的实施方式，若保持结构光投射器总FOV不变，则通过增加总投射点数，可以在增大结构光散斑密度的同时，使结构光投射器的焦距设计得更小。通常，如果要实现结构光投射器的小型化设计，需要将结构光投射器的焦距设计得越小越好。如果采用传统结构光投射器方案，投射器投射到目标物体上的散斑点角密度为，其中/>为结构光投射光源的发光点孔间距，/>为结构光投射器的焦距。但是由于发光点孔间距/>受生产工艺限制，基于现有的工艺水平，/>的最小值约为20um左右，导致在/>为有限值情况上下，越小，散斑点角密度越大，散斑点密度越小，散斑越稀疏，因此为了保证一定的散斑点密度，/>也受限，即结构光投射器的焦距不能过小，投射器的小型化设计也受限。然而，如果采用本发明提供的上述方案，则投射器投射到目标物体上的散斑点角密度变为/>，其中/>为DOE的衍射微结构面的衍射子单元个数（/>）。在保持同样的散斑点角密度要求下，结构光投射器的焦距/>可以降低为传统方案的/>，因此本发明提供的上述方案，既能够实现结构光投射器的小型化设计，例如在总FOV为50°*70°时，结构光投射器的焦距可以小于2mm；又能够实现结构光散斑图最佳效果。

接下来，针对本发明实施例提供的基于拼接面型DOE和基于拼接准直元件的两种结构光投射器的设计方案，对其如下五个技术特征点进行说明：

第一，在基于拼接面型DOE的设计方案中，不同DOE子单元可以设计为在其所在平面的X方向、或Y方向、或X方向和Y方向，分别设置不同的光栅常数，从而使结构光散斑图案在X方向、或Y方向、或X方向和Y方向有一定程度的偏移。但这一设计有一个限制条件。由于3D结构光成像方案中，从目标区域中结构光散斑分布到3D深度信息的算法计算方案是以基线为基准的，因此在本发明实施例中，上述不同衍射子单元产生的结构光散斑图的偏移方向必须与基线存在一定夹角，即不同DOE的衍射子单元的光栅常数设计满足这一限制条件，否则将无法正确计算3D深度信息。同时在基于拼接准直元件方案中，DOE的光栅常数设计也有同样的限制。

第二，在基于拼接面型DOE的设计方案中，由于不同衍射子单元的衍射级次均为零级到M级（M≥1，M为整数），不同衍射级次的结构光散斑点亮度取决于DOE各衍射级次的衍射效率，因此本发明实施例中设计不同DOE的衍射子单元的光栅常数不同，还进一步设计各衍射级次的衍射效率。在本发明实施例中，设置DOE的衍射子单元为N个，不同DOE的衍射子单元的衍射零级均为准直输出，对应生成的零级散斑分布依旧保持与结构光投射光源点分布相同，同时可以使散斑大小为单个衍射子单元衍射效果的N倍，在此基础上，设置不同DOE的衍射子单元在衍射1级到M级的衍射效率一致，同时设置衍射零级的衍射效率为其他衍射级次均值的1/N倍，可以保证结构光散斑图中衍射零级斑点亮度与其他衍射级次亮度一致，提高结构光透射器的结构光散斑图案的显示效果。

第三，在基于拼接面型DOE的设计方案中，最终向空间区域投射的结构光散斑图案既取决于不同DOE子单元的参数设计，也取决于结构光结构光投射光源的发光点分布设计。为了使最终经过不同DOE的衍射子单元后的多套结构光散斑图案的分布彼此均有一定偏移，需要合理设置相邻两个发光点之间的距离。一种可行的实施方式，结构光投射光源包括多个发光点，相邻两个发光点的间距至少大于一个发光点的直径；或者，相邻两个发光点的间距至少大于2个发光点的直径。作为一个示例，设置发光点点间距至少大于1-2个发光点的直径距离。在基于拼接准直元件的设计方案中，为了使经过不同准直微结构面的准直子单元后的多套结构光散斑图案的分布彼此均有一定偏移，也需要对结构光投射光源有同样的限制。

第四，在基于拼接面型DOE的设计方案中，结构光投射光源发出的光束经过N个DOE的衍射子单元时，每个衍射子单元获得的光束能量与结构光投射光源发光点分布和DOE微结构面的排布方案相关。一种可行的实施方式，多个发光点均匀分布且对称，可选的，各个DOE的衍射子单元的外形轮廓是规则形状或者不规则形状，各个衍射子单元具有相同的外形轮廓和面积；多个发光点非均匀分布，则各个各个衍射子单元的外形轮廓和面积大小根据光束投射在衍射光学元件不同区域的面积设计，从而各个衍射子单元接收到的光能量大小相同，最终可以使向空间区域投射的结构光散斑图亮度均匀。

第五，在基于拼接面型DOE的设计方案方案中，本发明实施例提供的DOE的衍射微结构面，可以在玻璃石英基板上通过刻蚀或压印生成，多个DOE的衍射子单元在母版上的微结构紧密相连，DOE的衍射子单元的外形轮廓可以设计成规则形状或不规则形状，且多个DOE的衍射子单元不需要再单独通过其他方式贴合，也不会增加额外的成本；以此类推，基于拼接准直元件的设计方案也可以采用相同的工艺制备。

接下来，继续介绍本发明实施例提供的多种拼接面型DOE的衍射微结构面的排布方案（相位分布）。

图7是本发明提供的再一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图。结合图7所示，以四个衍射子单元接触为例，本发明实施例中将DOE的衍射微结构面在物理上以四分形式分开，划分为衍射子单元701、衍射子单元702、衍射子单元703和衍射子单元704，各个衍射子单元之间紧密相连。需要说明的是，示意图中DOE的衍射微结构面被分为四个区域，中间部位示出了分隔线，该分隔线仅仅为了示意作用。为了使最终向空间区域投射的结构光散斑图亮度均匀，本发明实施例中衍射子单元701、衍射子单元702、衍射子单元703、衍射子单元704同样为面积大小相等的矩形区域，在本实施例中，设结构光投射光源均匀且对称；为了使最终向空间区域投射的结构光散斑点密度扩大近似四倍，本发明实施例中设置四个衍射子单元在所在平面的X方向和Y方向的光栅常数均取不同值，如图中衍射光栅7011为衍射子单元701的周期单元，衍射光栅7021为衍射子单元702的周期单元，衍射光栅7031为衍射子单元703的周期单元，衍射光栅7041为衍射子单元704的周期单元。

图8是图7中的光束经过结构光投射器后 的结构光斑示意图。为了方便说明，作为一个示例，图8中以M=8为例，即图8中DOE的衍射子单元在X方向和Y方向的衍射级次均为零级、±1级、±2级。当点亮结构光投射光源时，结构光投射光源上有多个随机排布的点阵，如图8中结构光投射光源点阵81，经过准直元件后准直为平行光束，生成光点清晰成像的光斑图82，再经过图7中光路结构的衍射子单元701、衍射子单元702、衍射子单元703、衍射子单元704后，分别以相同复制倍数、不同的衍射角进行衍射复制，生成一个结构光散斑投影区域83。其中，结构光散斑投影区域83内四套散斑点分布位置不同，如图8中结构光散斑投影区域83所示，由于衍射级次M设置为8，根据衍射光栅的衍射，此结构光散斑投影区域分为九块。

在结构光散斑投影区域83中，衍射零级区域散斑图案805中的衍射零级点密度保持不变。在衍射±1级区域散斑图案和衍射±2级区域散斑图案中，散斑图案801、散斑图案802、散斑图案803、散斑图案804分别为经过衍射子单元701、衍射子单元702、衍射子单元703、衍射子单元704后生成的，四套图案的分布在X方向和Y方向均有相对偏移。为了方便说明，图8中黑色点、横线状点、竖线状点、白色点的偏移方向一致，实际场景中衍射正负级次区域的偏移是镜像对称的。需要说明的是，图8中的散斑点分布仅仅为了示意作用，并不是为了限制本发明的范围及其应用。综上，采用本发明实施例提供的结构光投射器，通过分别对DOE的四个衍射子单元进行参数设计，可以控制四套散斑图案彼此均有一定偏移，从而使最终向空间区域投射出的结构光散斑点密度扩大近似四倍，如结构光散斑投影区域83所示效果。在一些其他实施例中，若本发明实施例采用的结构光投射光源是由50个随机分布的发光点构成，对应的DOE的四个衍射子单元的衍射复制倍数均为100倍，则四套散斑图案将均含有5000个散斑点，四套图案分布的偏移使得整个结构光散斑投影区域83有近似20000个散斑点，因此可以使结构光散斑点密度扩大近似四倍。

图9是本发明提供的再一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图。结合图9所示，以四个衍射子单元接触为例，本发明实施例中将DOE的衍射微结构面在物理上以斜切形式分开，划分为衍射子单元901、衍射子单元902、衍射子单元903，衍射子单元之间紧密相连。需要说明的是，示意图中DOE的衍射微结构面被分为三个区域，中间部位示出了分隔线，该分隔线仅仅为了示意作用。为了使最终向空间区域投射的结构光散斑图亮度均匀，本发明实施例中衍射子单元901、衍射子单元902、衍射子单元903的外形轮廓虽然形状不一致但面积大小保持相同，在本实施例中，设结构光投射光源均匀且对称；为了使最终向空间区域投射的结构光散斑点密度扩大近似三倍，本发明实施例中设置三个衍射子单元在所在平面的X方向和Y方向的光栅常数均取不同值，如图中衍射光栅9011为衍射子单元901的周期单元，衍射光栅9021为衍射子单元902的周期单元，衍射光栅9031为衍射子单元903的周期单元。

图10是图9中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图。为了方便说明，作为一个示例，图10中以M=8为例，即图10中DOE的衍射子单元在X方向和Y方向的衍射级次均为零级、±1级、±2级。当点亮结构光投射光源时，结构光投射光源上有多个随机排布的点阵，如图10中结构光投射光源点阵101，经过准直元件后准直为平行光束，生成光点清晰成像的光斑图102，再经过图9中光路结构的衍射子单元901、衍射子单元902、衍射子单元903后，分别以相同复制倍数、不同的衍射角进行衍射复制，生成一个结构光散斑投影区域103。其中，结构光散斑投影区域103内三套散斑点分布位置不同，如图10中结构光散斑投影区域103，由于衍射级次M设置为8，根据衍射光栅的衍射，此结构光散斑投影区域分为九块。

在结构光散斑投影区域102中，衍射零级区域散斑图案1004中的衍射零级点密度保持不变。在衍射±1级区域散斑图案和衍射±2级区域散斑图案中，散斑图案1001、散斑图案1002、散斑图案1003分别为经过衍射子单元901、衍射子单元902、衍射子单元903后生成的，三套图案的分布在X方向和Y方向均有相对偏移。为了方便说明，图10中黑色点、横线状点、白色点的偏移方向一致，实际场景中衍射正负级次区域的偏移是镜像对称的。图10中的散斑点分布仅仅为了示意作用，并不是为了限制本发明的范围及其应用。采用本发明实施例提供的结构光投射器，通过分别对DOE的三个衍射子单元进行参数设计，可以控制三套散斑图案彼此均有一定偏移，从而使最终向空间区域投射出的结构光散斑点密度扩大近似三倍，如结构光散斑投影区域103所示效果。在一些其他实施例中，若本发明实施例采用的结构光投射光源是由50个随机分布的发光点构成，对应的DOE的三个子单元的衍射复制倍数均为100倍，则三套散斑图案将均含有5000个散斑点，三套图案分布的偏移使得整个结构光散斑投影区域103有近似15000个散斑点，因此可以使结构光散斑点密度扩大近似三倍。

图11是本发明提供的再一种衍射光学元件的衍射微结构面的相位分布示意图。结合图11所示，以7个衍射子单元接触为例，本发明实施例中将DOE的微结构面在物理上以六边形形式分开，划分为衍射子单元1101、衍射子单元1102、衍射子单元1103、衍射子单元1104、衍射子单元1105、衍射子单元1106、衍射子单元1107，七个衍射子单元之间紧密相连。需要说明的是，示意图中DOE的衍射微结构面被分为七个区域，DOE整体外形轮廓为不规则形状，中间部位示出了分隔线，该分隔线仅仅为了示意作用。为了使最终向空间区域投射的结构光散斑图亮度均匀，本发明实施例中衍射子单元1101、衍射子单元1102、衍射子单元1103、衍射子单元1104、衍射子单元1105、衍射子单元1106、衍射子单元1107为面积大小相等的七个六边形区域，在本实施例中，设结构光投射光源均匀且对称；为了使最终向空间区域投射的结构光散斑点密度扩大近似七倍，本发明实施例中设置七个衍射子单元在所在平面的X方向和Y方向的光栅常数均取不同值，如图中衍射光栅1111为衍射子单元1101的周期单元，衍射光栅1121为衍射子单元1102的周期单元，以此类推，直到衍射光栅1171为衍射子单元1107的周期单元。另外，设置DOE的外形轮廓为不规则形状，同时设置将贴附DOE的镜筒或支架的开窗要设计成与DOE外形相同的外形轮廓，可以避免DOE漏光。

图12是图11中的光束经过结构光投射器后的结构光斑示意图。为了方便说明，作为一个示例，图12中以M=8为例，即图12中DOE的衍射子单元在X方向和Y方向的衍射级次均为零级、±1级、±2级。当点亮结构光投射光源121时，结构光投射光源121上有多个随机排布的点阵，如图12中结构光投射光源121，经过准直元件后准直为平行光束，生成光点清晰成像的光斑图122，再经过图11中光路结构的衍射子单元1101、衍射子单元1102、衍射子单元1103、衍射子单元1104、衍射子单元1105、衍射子单元1106、衍射子单元1107后，分别以相同复制倍数、不同的衍射角进行衍射复制，生成一个结构光散斑投影区域123。其中，结构光散斑投影区域123内七套散斑点分布位置不同，如图12中结构光散斑投影区域123，由于衍射级次M设置为8，根据衍射光栅的衍射，此结构光散斑投影区域分为九块。

在结构光散斑投影区域122中，衍射零级区域散斑图案1208中的衍射零级点密度保持不变。在衍射±1级区域散斑图案和衍射±2级区域散斑图案中，散斑图案1201到散斑图案1207分别为经过衍射子单元1101到衍射子单元1107后生成的，七套图案的分布在X方向和Y方向均有相对偏移。为了方便说明，图12中黑色点、网格状点、斑点状点、白色点等的偏移方向一致，实际场景中衍射正负级次区域的偏移是镜像对称。图12中的散斑点分布仅仅为了示意作用，并不是为了限制本发明的范围及其应用。采用本发明实施例提供的结构光投射器，通过分别对DOE的七个衍射子单元进行参数设计，可以控制七套散斑图案彼此均有一定偏移，从而使最终向空间区域投射出的结构光散斑点密度扩大近似七倍，如结构光散斑投影区域122所示效果。在一些其他实施例中，若本发明实施例采用的结构光投射光源是由50个随机分布的发光点构成，对应的DOE的七个衍射子单元的衍射复制倍数均为100倍，则七套散斑图案将均含有5000个散斑点，七套图案分布的偏移使得整个结构光散斑投影区域122有近似35000个散斑点，因此可以使结构光散斑点密度扩大近似七倍。

需要说明的是，本发明实施例提供以上方案，但并不排除DOE的衍射微结构面和准直衍射微结构面可以有其他物理或非物理形式的排布。

接下来，针对上述基于拼接面型衍射光学元件（DOE）的结构光投射器的投射方案，本发明实施例提供以下多种结构光投射器，下面结合附图13-图18来说明。

图13是本发明提供的一种结构光投射器的结构及光路示意图，此投射器基于准直衍射一体化光学元件，其中衍射功能基于图5、图7、图9、图11实施例中的衍射光学元件，图13中以K=1，N=2为例。作为一个示例，结合图13中（a）图所示，本发明实施例提供的结构光投射器包括结构光投射光源1301、准直衍射一体化光学元件1302；结合图13中（b）图所示，本发明实施例提供的结构光投射器包括结构光投射光源1301、准直衍射一体化光学元件1303。结构光投射光源1301用于发射结构光。准直衍射一体化光学元件1302和准直衍射一体化光学元件1303是由准直元件的准直微结构和衍射光学元件的衍射微结构集成为一个集准直和衍射功能为一体的光学元件。准直元件用于将结构光投射光源不同光点发出的光束准直为平行光束；DOE用于对入射光束进行衍射复制扩束为光点清晰成像的结构光散斑图，并向空间区域投射。如图13所示，沿图中Z方向，准直衍射一体化光学元件1302和1303的结构包括准直微结构面1321、基材1322、衍射微结构面1323。其中，基材1322可以是玻璃材质，如石英；塑料材质，如PC、PMMA等，准直微结构面1321和衍射微结构面1322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。衍射微结构面1321可以是菲涅尔微结构面，还可以是除菲涅尔微结构面之外的其他微结构阵列设计，如微透镜阵列结构等衍射微结构面1322的相位分布可以是图5、图7、图9、图11实施例中的任意一种排布方案，由N个衍射子单元组成，N≥2，准直微结构面1321与衍射微结构面1322的外形轮廓保持一致。

在一些其他实施例中，准直微结构面和衍射微结构面除上述形式外，还可以通过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同一侧形成准直微结构面和衍射微结构面。

在一些其他实施例中，准直微结构面和衍射微结构面的前后顺序还可以调换，如准直衍射一体化光学元件1303的结构所示。这种结构除了基于图5、图7、图9、图11中实施例中提供的使用拼接面型的DOE外，可以节约至少一个准直镜，减少物料，进一步实现结构光投射器的小型化设计，且基于本发明实施例提供的结构光投射器具有组装简单的优势，同时可以进一步降低投射器的成本。

图14是本发明提供的再一种结构光投射器的结构及光路示意图；图15是图14中一种衍射光学元件的正视图和侧视图。如图14所示，与图13实施例不同的是，本实施例采用另外一种准直衍射一体化光学元件，其中衍射功能同样基于图5、7、9、11实施例中的衍射光学元件。结构光投射器包括结构光投射光源1401、准直衍射一体化光学元件1402，结构光投射光源1401用于发射结构光；准直衍射一体化光学元件1402是集准直和衍射功能为一体的光学元件，用于将结构光投射光源不同光点发出的光束准直为平行光束，再进行衍射复制扩束为光点清晰成像的结构光散斑图，并向空间区域投射。准直衍射一体化光学元件1402的结构包括准直衍射一体化的微结构面1421和基材1422。基材1422同样可以是玻璃材质、塑料材质。准直衍射一体化光学元件1402与图13中描述的准直衍射一体化光学元件1302不同的是，准直衍射一体化光学元件1302中有两个微结构面，即准直微结构面1321和衍射微结构面1323，准直微结构面1321将结构光投射光源发射的球面波转变为平面波，衍射微结构面1323将平面波转变为目标光场，即最终投射的散斑图案；而准直衍射一体化光学元件1402中只有一个微结构面，准直衍射一体化的微结构面1421直接将结构光投射光源发射的球面波转变为目标光场。

进一步，结合图14和图15所示，图15中（a）图为准直衍射一体化光学元件1402的正视图1501；图15中（b）图为准直衍射一体化光学元件1402的侧视图1502。结合准直衍射一体化光学元件1402的侧视图1502，设置微结构面1421为台阶状的微结构面，台阶数量越多，微结构面1421越接近目标相位轮廓，实际得到的光场越接近目标光场，为了兼顾光学元件的实际成像效果和加工难度，需要合理设置微结构面1421的台阶数，作为一示例，可以将微结构面1421的台阶数设计为4。

结合准直衍射一体化光学元件1402的正视图1501，设置准直衍射一体化的微结构面1421由多组同心圆环组成，同心圆环上的面型结构不再像菲涅尔微结构面一样是平面结构，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，此周期性相位分布可以是图5、图7、图9、图11实施例中的任意一种衍射子单元的排布方案，由N个衍射子单元组成，N≥2。这种结构相对于图13提供的实施例，进一步减小光学元件的加工步骤，降低投射器的成本。

接下来，本发明提供多种结构光投射器，在上述实施例基础上，同时使用结构光激光光源和泛光照明光源，并且将两种光源集成在同一个投射器内，两种光源交替发光，下面结合附图16-图18来说明。图16是本发明提供的再一种结构光投射器的结构示意图。结合图16的（a）图和（b）图所示，本发明实施例提供了2种可行的结构光投射器结构。结构光投射器包括第一发射光源（结构光投射光源）1601、第二发射光源（泛光照明光源）1602、垫高块1603、准直透镜1604、衍射光学元件（DOE）1605，其中，DOE可以是基于图5、图7、图9、图11实施例中的衍射光学元件。第一发射光源1601为结构光投射光源，可以是垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）、水平腔面发射激光器（Horizontal cavity surface-emitting laser，HCSEL）或者边缘发射激光器（EdgeEmitting Laser，EEL）等的中任意一种，结构光投射光源由多个发光点构成，发光点分布是随机的，波长选用红外波段，用于发射结构光，其发光面放置在准直透镜1604的焦平面，为了满足结构光散斑图的规律性，发光点分布通常是随机的（伪随机的），发光点数量通常在一定限度范围内。第二发射光源1602为泛光照明光源，可以是发光二极管（Light EmittingDiode，LED）、VCSEL或HCSEL，由一个或多个发光点构成，发光点分布可以是规律的或随机的，波长与第一发射光源1601一致，用于发射泛光，其发光面放置在准直透镜1604的虚焦平面，泛光照明光源的发光点分布可以是规律的或者随机的，发光点可以是非常密集的。

垫高块1603一般可以是印刷电路板（Printcd Cicuils Board，PCB）PCB、陶瓷基板或金属导电块，目的是为了将光源垫高，使结构光投射光源位于准直元件的焦平面，泛光照明光源位于准直元件的虚焦平面，两个光源具有一定的高度差；此高度差既可以通过使用垫高块1603将结构光投射光源垫高来实现，也可以通过使用垫高块1603将泛光照明光源垫高来实现。准直透镜1604用于将结构光投射光源不同光点发出的光束准直为平行光束，并将泛光照明光源不同光点发出的光束扩束为发散光束，再出射到衍射光学元件1605。衍射光学元件（DOE）1605的衍射微结构面的相位分布可以是图5、图7、图9、图11实施例中的任意一种排布方案，由N个衍射子单元组成，N≥2，用于对入射光束进行衍射复制，最终将结构光投射光源经过准直元件后的光线扩束为光点清晰成像的结构光散斑图，并将泛光照明光源经过准直元件后的光线扩束为光点弥散的均匀红外图，并向空间区域投射。

采用上述实施例提供的这种结构，相对于传统结构光投射器，除了基于图5、7、图9、图11实施例方案中的使用拼接面型的DOE外，还将结构光投射光源与泛光照明光源集成在同一个投射器内，两种光源交替发光，进一步实现投射器的小型化设计，节省投射器成本和空间。

图17是本发明提供的再一种结构光投射器的结构示意图，结合图17的（a）图-（d）图所示，本发明实施例提供了4种可行的结构光投射器结构。结构光投射器包括第一发射光源（结构光投射光源）1701、第二发射光源（泛光照明光源）1702、垫高块1703、与图13实施例相同的准直衍射一体化光学元件1704和1705。第一发射光源1701为结构光投射光源，用于发射结构光，其发光面放置在光学元件1704的焦平面；第二发射光源1702，为泛光照明光源，用于发射泛光，其发光面放置在光学元件1704的虚焦平面；垫高块1703，其目的是为了将光源垫高；光学元件1704或光学元件1705，与图13实施例相同的准直衍射一体化光学元件，由准直微结构面和衍射微结构面构成；准直微结构面用于将结构光投射光源不同光点发出的光束准直为平行光束，并将泛光照明光源不同光点发出的光束扩束为发散光束，再出射到衍射微结构面。其中，衍射微结构面的相位分布同样可以是图5、图7、图9、图11实施例中的任意一种排布方案，由N个子单元组成，N≥2，用于对入射光束进行衍射复制，最终向空间区域投射光点清晰成像的结构光散斑图和光点弥散的均匀红外图。在一些情况中，准直微结构面和衍射微结构面的前后顺序可以调换，如结合图17的（c）图和（d）的光学元件1705所示。这种结构相对于图13与图16的实施例，进一步集成了以下三个方案：基于图5、图7、图9、图11实施例方案使用拼接面型的DOE；将结构光投射光源与泛光照明光源集成在同一个投射器内，两种光源交替发光，；将准直元件与DOE集成在一个准直衍射一体化光学元件上。采用该种结构更进一步减少结构光投射器的物料，实现投射器的小型化设计，节省投射器成本和空间，且结构光投射器组装更简单。

图18是本发明提供的再一种结构光投射器的结构示意图，结合图18的（a）图-（b）图所示，本发明实施例提供了2种可行的结构光投射器结构。结构光投射器包括第一发射光源（结构光投射光源）1801、第二发射光源（泛光照明光源）1802、垫高块1803、与图14实施例相同的准直衍射一体化光学元件1804。第一发射光源1801为结构光投射光源，用于发射结构光，其发光面放置在准直衍射一体化光学元件1804的焦平面：第二发射光源1802为泛光照明光源，用于发射泛光，其发光面放置在光学元件1804的虚焦平面；垫高块1803，其目的是为了将光源垫高；与图14实施例相同的准直衍射一体化光学元件1804，由准直衍射一体化的微结构面构成，用于将结构光投射光源发射的球面波转变为目标光场，即最终投射的散斑图案，并将泛光照明光源发射的球面波转变为目标红外图，最终向空间区域投射。其中，准直衍射一体化的微结构面同样由图15中多组同心圆环和周期性相位分布的台阶面组成，其周期性相位分布的台阶面的相位分布同样可以是图5、图7、图9、图11实施例中的任意一种排布方案，由N个子单元组成，N≥2。这种结构相对于图14的实施例，进一步将结构光投射光源与泛光照明光源集成在同一个投射器内，两种光源交替发光；相对于图17的实施例，将准直元件和衍射光学元件一体设置，光学元件加工步骤更少，更进一步实现投射器的小型化设计，节省投射器成本和空间，且结构光投射器组装更简单。

最后，在上述结构光投射器的基础上，针对前述拼接准直模块的结构光投射方案，本发明实施例提供以下多种结构光模组，下面结合附图19-图20来说明。

图19是本发明提供的一种结构光模组的结构示意图；图20是本发明提供的再一种结构光模组的结构示意图。结合图19和图20所示，本发明实施例提供的结构光模组包括上述实施例提供的结构光投射器，同时还包括泛光照明器和红外相机采集器；泛光照明器包括泛光照明光源和匀光元件，泛光照明光源用于发射泛光；匀光元件用于将泛光照明光源发出的泛光，扩束为均匀红外光，并向空间区域的目标物体投射，其中，匀光元件可以由匀光器实现，也可以与结构光投射器集成在一起，共用准直衍射一体化光学元件；红外相机采集器包括红外超透镜和红外成像芯片，红外超透镜靠近红外成像芯片的表面镀有窄带红外滤光膜，用于滤光。

结合图19所示，本发明提供的一种结构光模组包括结构光投射器、泛光照明器、红外相机采集器。结构光投射器包括结构光投射光源1901、准直衍射一体化光学元件1903，示例性的，采用红外波段的结构光投射激光光源，用于发射结构光。准直衍射一体化光学元件1903，用于将结构光投射激光光源不同光点发出的光束准直为平行光束，再进行衍射复制扩束为光点清晰成像的结构光散斑图，并向空间区域投射，准直衍射一体化光学元件1903的结构包括准直微结构面1931和准直微结构面1932、基材1933、衍射微结构面1934，与上述实施例中图4提供的投射方案中的结构一致。结构光投射光源1901位于光学元件1903准直微结构面的焦平面上。泛光照明器包括泛光照明光源1902和匀光元件（Diffuser）1904，泛光照明光源1902采用红外波段的光源，用于发射泛光；匀光元件1904用于将泛光照明光源发出的泛光，扩束为均匀红外光，并向空间区域的目标物体投射。结构光投射光源与泛光照明光源交替发光。红外相机采集器包括红外超透镜1905和红外成像芯片1906，红外超透镜1905靠近红外成像芯片1906的表面镀有窄带红外滤光膜，用于滤光。红外相机采集器一方面，可以接收空间区域的散斑结构光反射光成像，经过红外超透镜1905聚焦和滤波后，得到带有结构特征的结构光散斑图；另一方面，可以接收空间区域的均匀红外光反射光成像，经过红外超透镜1905聚焦和滤波后，得到均匀红外图。

本发明实施例提供的结构光模组的结构具有如下优势：

在一些实施例中，可以将结构光投射器、泛光照明器、红外相机采集器集成在一颗模组上，共用采用同一个电路板1907，且共用一个结构支架1908，采用此结构设计，可以大大减少所使用的物料数、节省模组成本、降低模组组装难度，实现模组小型化、便携化设计。

在一些实施例中，结构光投射器可以使用如图4中提供的准直元件由K个准直子单元组成的准直微结构面组成，K≥2，图19中以K=2为例，实现在结构光投射激光光源发光点数量、有效发光面积和DOE复制倍数保持不变的情况下，结构光散斑总投射点数扩大近似K倍。

在一些实施例中，红外相机采集器采用红外超透镜，其结构基于光学超表面，超表面透镜通常是在高透过率的基地材料上刻蚀或沉积多个亚波长尺度单元按一定规律排列的微结构面，其高度方向尺寸很小，可以大大压缩模组高度，有利于模组小型化设计。

在一些实施例中，红外相机采集器的红外超透镜下表面镀有窄带红外滤光膜，可以减少滤光片和减少物料，既可以进一步实现模组小型化设计，又可以降低物料之间的对准难度，并进一步节省模组成本。

结合图20所示，本发明提供的另一种结构光模组包括结构光投射器、泛光照明器、红外相机采集器。其中，结构光投射器与泛光照明器集成在一起，其结构包括结构光投射激光光源2001、泛光照明光源2002和准直衍射一体化光学元件2003，两种光源交替发光。红外相机采集器包括红外超透镜2004和红外成像芯片2005。准直衍射一体化光学元件2003的结构包括准直微结构面2031、准直微结构面2032和准直微结构面2033、基材2034和衍射微结构面2035；准直微结构面的不同准直微结构面2031、准直微结构面2032和准直微结构面2033在其所在平面的Y方向上紧密相连，准直微结构面2031和准直微结构面2032的焦距等结构参数完全相同，准直微结构面2033的焦距不同于准直微结构面2031和准直微结构面2032的焦距。结构光投射激光光源2001位于准直微结构面2031和准直微结构面的焦平面上，泛光照明光源2002位于准直微结构面2033的虚焦平面上；模组共用同一个电路板2006，且共用一个结构支架2007。这种结构相对于图19的实施例，将结构光投射器与泛光照明器集成在一起，可以减少匀光元件（Diffuser）和结构支架的使用，将传统匀光元件均匀红外光的功能集成于准直衍射一体化光学元件2003中，更进一步减少所使用的物料数，节省模组成本，降低模组组装难度，实现模组小型化设计。

在一些其他实施例中，本发明实施例提供的图20结构光模组中的结构光投射器和泛光照明器同样可以使用图16-图18的方案，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种结构光投射器，其特征在于，包括：

至少一个光源，用于发射光束；

准直元件，所述准直元件包括至少一个准直子单元，所述准直子单元位于所述光束的光轴上，用于准直所述光束；

衍射光学元件，所述衍射光学元件包括至少一个衍射子单元，所述衍射子单元位于经所述准直元件准直后的所述光束的光轴上；

其中，当所述准直元件为K个准直子单元，所述衍射光学元件只有一个衍射子单元，K≥2，K为正整数，各个所述准直子单元的准直微结构面的结构相同；当所述准直元件为一个准直子单元，所述衍射光学元件为N个衍射子单元，N≥2，N为正整数，所述衍射子单元的衍射微结构面形成衍射光栅，不同所述衍射子单元内衍射光栅的光栅常数不同，所述衍射子单元用于衍射其中一个所述光源出射的光束以使所述光束生成目标光场，并在目标光场上生成衍射复制后的结构光散斑图；

当所述准直元件包含K个准直子单元时，经过不同所述准直子单元后，在目标光场上生成的结构光散斑总投射点数相比于含有一个准直子单元的光投射器扩大K倍；

当所述衍射光学元件包含N个衍射子单元时，经过不同所述衍射子单元后，在目标光场上形成的结构光散斑总投射点数相比于含有一个衍射子单元的光投射器扩大N倍，且在目标光场上生成的结构光散斑图的偏移方向与所述结构光投射器的基线方向的夹角为α，|α|≠0。

2.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，当所述衍射光学元件为N个衍射子单元，不同所述衍射子单元的衍射级次均为零级到M级，其中，M≥1，M为正整数。

3.根据权利要求2所述的结构光投射器，其特征在于，不同所述衍射子单元在衍射1级到衍射M级的衍射效率一致，不同所述衍射子单元在衍射零级的衍射效率为其他衍射级次的衍射效率均值的1/N倍。

4.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源为结构光投射光源，所述结构光投射光源包括多个发光点，多个所述发光点均匀分布，相邻两个所述发光点的间距至少大于一个所述发光点的直径；或者，相邻两个所述发光点的间距至少大于2个所述发光点的直径。

5.根据权利要求4所述的结构光投射器，其特征在于，各个所述衍射子单元的外形轮廓和面积大小根据所述光束投射在所述衍射光学元件不同区域的面积设计，各个所述衍射子单元接收到的光能量大小相同；所述衍射子单元的外形轮廓包括规则形状或者不规则形状。

6.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述准直元件和所述衍射光学元件集成为准直衍射一体化光学元件，所述准直衍射一体化光学元件由准直微结构面和衍射微结构面构成，所述准直微结构面和所述衍射微结构面分别位于一基材的两侧或者同一侧；或者，所述准直微结构面和所述衍射微结构面集成于一基材的同一侧形成微结构面。

7.根据权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述光源包括结构光投射光源和泛光照明光源，所述泛光照明光源和所述结构光投射光源位于所述准直元件的同一侧；所述结构光投射光源用于发射结构光，并经过所述准直元件和所述衍射光学元件复制扩束为结构光散斑图；所述泛光照明光源用于发射泛光，并经过所述准直元件和所述衍射光学元件扩束为均匀红外光；所述泛光照明光源和所述结构光投射光源交替发光。

8.一种结构光模组，其特征在于，包括权利要求7所述的结构光投射器，还包括红外相机采集器；

所述结构光投射器交替将所述结构光和所述均匀红外光向空间区域的目标物体投射；

所述红外相机采集器包括红外超透镜和红外成像芯片，所述红外超透镜靠近所述红外成像芯片的表面镀有红外滤光膜，所述红外滤光膜用于滤光。

9.根据权利要求8所述的结构光模组，其特征在于，所述结构光投射器和所述红外相机采集器集成在同一个电路板，且共用一个结构支架。