CN211905877U - 一种消畸变的点阵投射装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种消畸变的点阵投射装置，包括阵列光源、准直透镜和衍射光学元件；所述阵列光源发出的第一光束经准直透镜出射为第二光束，所述第二光束经衍射光学元件复制为出射的第三光束；所述第二光束102的视场角α、第三光束103的视场角γ和衍射光学元件的视场角β存在约束关系：α<0.4γ，0.9γ<β<1.0γ。本申请可以消除投射器所投射的点阵图案畸变，以便更好的应用在D‑TOF 3D成像装置中。

Description

一种消畸变的点阵投射装置

技术领域

本实用新型涉及3D深度成像技术领域，具体涉及一种消畸变的点阵投射装置。

背景技术

能获取深度信息，也即物体与拍摄设备的距离信息，这样的成像装置我们称为3D成像装置。3D成像装置在市场上已经开始应用于一些电子消费产品，如体感游戏的动作识别，AR/VR对物理世界的3D应用，新一代iphone的3D人脸识别，车载激光雷达等等。3D成像装置可以大大地丰富用户的体验，提升产品竞争力。

TOF技术是实现3D成像的一种关键主流技术，TOF的全称是Time-Of-Flight，即飞行时间，是通过测量发射光从发射时刻到被物体反射至接收端的时间间隔，根据光速不变原理，可以实现距离测定。TOF技术分为I-TOF和D-TOF两种，目前市场上成熟且常用的是I-TOF技术，即Indirect Time-Of-Flight，I-TOF通过激光发射装置发射一束时间上周期性调制激光到物体表面上，返回光则在时序上产生一个相对于入射光的时间延迟，具体表现为相位延迟，相位延迟的大小与光的飞行时间具有对应的计算关系，即通过测量相位延迟来“间接”得到光的飞行时间，进而实现距离测量。D-TOF(Direct Time-Of-Flight)技术则是直接对光飞行时间进行测量，而不是通过其他手段间接获得，目前该技术在科研测试设备、大型工业测量设备、激光雷达等领域有一些应用，消费电子领域的小型化应用也即将开始兴起。

不管是何种主动式的3D成像装置，都包含光投射器和接收器两部分。在使用点阵方案的D-TOF技术中，必需面临点阵投射器的畸变控制问题，以便与采集sensor(如SPAD阵列)上的像素位置做精准匹配，否则会带来较大的测量误差。

现有技术中，公开号为CN 109946681A和CN 109754425A的专利申请文件提供的基于TOF的标定方法，均是用于TOF相机的内外参数和径向畸变参数标定，以消除畸变，并不是对装置本身部件的改进。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本申请提出一种消畸变的点阵投射装置，消除投射器所投射的点阵图案畸变，以便更好的应用在D-TOF 3D成像装置中。

为实现上述实用新型目的，本申请采用如下技术方案：

一种消畸变的点阵投射装置，包括阵列光源、准直透镜和衍射光学元件；

所述阵列光源发出的第一光束经准直透镜出射为第二光束，所述第二光束经衍射光学元件复制为出射的第三光束；所述第二光束的视场角α、第三光束的视场角γ和衍射光学元件的视场角β存在约束关系：α<0.4γ，0.9γ<β<1.0γ。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各优选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个优选方式之间进行组合。

作为优选的，所述的阵列光源包括若干子光源，每个子光源发射一束子光束，所有出射的子光束组成所述的第一光束。

作为优选的，所述的阵列光源为vcsel阵列光源。

作为优选的，所述的准直透镜为单透镜或多个透镜组成的透镜组。

作为优选的，所述衍射光学元件的视场角β＞20°。

作为优选的，所述的衍射光学元件的表面微结构按照随机相位分布，即随机相位DOE。

作为优选的，所述的阵列光源由多个单体的激光发射器排列组成。

作为优选的，所述的阵列光源由多个独立控制的子阵列光源组成。

附图说明

图1为本申请实施例中点阵投射器结构示意图；

图2为本申请实施例中点阵投射畸变效果图；

图3为本申请实施例中消畸变点阵投影图案；

图4为本申请实施例中vcsel阵列光源图，a图为规则排列的发光孔，b图为随机排列的发光孔；

图5为本申请实施例中衍射光学元件的局部放大俯视图；

图6为普通衍射DOE和随机相位DOE对单点激光准直光束的衍射对比图，a图为普通衍射DOE对单点激光准直光束的衍射图案，b图为本申请实施例中随机相位DOE 30对单点激光准直光束的衍射图案。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

常规的点阵投射器包含vcsel阵列发光源、准直透镜、衍射元件DOE，其中准直透镜的视场角较小，衍射元件DOE采用严格周期性相位设计方法，是基于矢量衍射理论的，视场角较大。整个投射器的点阵投射效果如图2所示，可以看到整个投影点阵图案有较大的畸变，越靠近边缘，畸变越严重。

如图1所示是本实用新型实施列中的点阵投射器，包含了vcsel阵列光源20，准直透镜21，随机相位DOE 22。vcsel阵列光源20发出的第一光束201经过准直透镜21后，变为小视场角出射的第二光束202，准直透镜21的视场角α小于整个点阵投射器视场角γ的0.4倍。第二光束202经过随机相位DOE 22后，在其无畸变的衍射复制作用下，变为更多子光束出射的第三光束203。第三光束103在前方接收屏40上形成如图3所示的消畸变点阵投影图案。

vcsel阵列光源10包含多个激光发射孔2010，可以是规则排列的，如图4a所示，也可以是随机排列的，如图4b所示。如图1所示，每个激光发射孔2010都会发射一束子光束2011，所有孔的出射子光束共同构成上述第一光束201。vcsel阵列光源的发射波长可以覆盖紫外光、可见光、红外光，根据应用需求来选择。同时也可以让不同区域的激光发射孔2010构成子阵列，以便实现独立控制子阵列的发光开关。在一些实施列中，可以用多个单独的激光发射器来适当排列组合，达到与vcsel阵列光源20相同的发光效果。

准直透镜21可以是一个单透镜的形式，也可以是多个透镜构成的透镜组，其作用特点是对vcsel阵列光源20出射的每一个子光束进行平行准直，并以较小的角度出射。图1中vcsel阵列光源20中最边缘位置处的激光发射孔2010出射的子光束2011经过准直透镜21后，变为平行光束2012出射，其光束角度α代表了准直透镜21的视场角，也即第二光束的视场角，该视场角小于整个点阵投射器视场角γ的0.4倍，即准直透镜21具有略微的扩束作用。第一光束201经过准直透镜21后出射形成第二光束202，它包含了每一个激光发射孔所对应的平行光束2021。

随机相位DOE 22是一种表面微结构按照随机相位分布的微纳光学元件，基于标量衍射理论设计，可以进行消畸变的衍射复制。如图5是随机相位DOE22的局部放大俯视图，可以看到微结构图案是随机无规律的，图示仅是其中一种图案示意，实际应用中会有千差万别的各种随机无规律微结构图案。随机相位DOE 22的作用特点是对入射光束进行大视场角的消畸变的衍射复制，即具备大视场角和消畸变衍射这两个特征，随机相位DOE 22的视场角通常大于20°。普通衍射DOE采用严格周期性相位设计方法，是基于矢量衍射理论的，遵循严格的光栅衍射公式，不可避免的会产生畸变，如图6(a)所示是普通衍射DOE对单点激光准直光束的衍射图案，具有明显的畸变。图6(b)是本实施例的随机相位DOE 22对单点激光准直光束的衍射图案，具备消畸变的效果。作为优选的实施例，在图1中每一平行光束2012经过随机相位DOE 22后，都各自复制成3束光束出射，该图展示的是yz平面的复制效果，实际在xz平面也有相同的3倍复制效果，即总的衍射复制倍数为3×3＝9倍。这3束光束的边缘光束与中心光束的夹角为β，角度β即是随机相位DOE 22的视场角，满足约束0.9γ<β<1.0γ，由于该衍射视场角的存在，第三光束203的视场角γ相对于第二光束202扩大很多，角度γ同时也是整个消畸变点阵投射装置的视场角。图中的衍射复制倍数为9仅是示意作用，可以根据需要把随机相位DOE 22设计成任意衍射复制倍数。

在本实施例中，第二光束202的视场角α、第三光束203的视场角γ和衍射视场角β存在约束关系：α<0.4γ，0.9γ<β<1.0γ。而γ同时也是整个消畸变点阵投射装置的视场角，即整个消畸变点阵投射装置的视场角基本由随机相位DOE 22的衍射视场角决定。

如图3所示，在本实施例中经过整套的消畸变点阵投射装置，前述图1中的激光发射孔2010所出射的光束最终到达接收屏40形成图3中的虚线圆所圈出的9个斑点，斑点20101是中心衍射光束形成的斑点，即零级，其他8个斑点都是其衍射复制的斑点，共同构成了xy方向的3*3＝9倍复制关系。从图3可以看出，随机相位DOE 30产生的衍射复制斑点距离中心斑点较远，这是DOE的大视场角衍射带来的效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种消畸变的点阵投射装置，包括阵列光源、准直透镜和衍射光学元件，其特征在于：

所述阵列光源发出的第一光束经准直透镜出射为第二光束，所述第二光束经衍射光学元件复制为出射的第三光束；所述第二光束的视场角α、第三光束的视场角γ和衍射光学元件的视场角β存在约束关系：α<0.4γ，0.9γ<β<1.0γ。

2.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述的阵列光源包括若干子光源，每个子光源发射一束子光束，所有出射的子光束组成所述的第一光束。

3.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述的阵列光源为vcsel阵列光源。

4.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述的准直透镜为单透镜或多个透镜组成的透镜组。

5.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述衍射光学元件的视场角β＞20°。

6.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述的衍射光学元件的表面微结构按照随机相位分布，即随机相位DOE。

7.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述的阵列光源由多个单体的激光发射器排列组成。

8.如权利要求1所述的消畸变的点阵投射装置，其特征在于，所述的阵列光源由多个独立控制的子阵列光源组成。

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