CN215728792U - 光调制元件 - Google Patents

Abstract

光调制元件，适用于基于dTOF的探测设备的分区投射装置，其中该探测设备包括一接收装置，其中所述分区投射装置用于向目标场景发射光，由该接收装置接收反射光，其中所述分区投射装置包括多个分区布置的光源单元和所述光调制元件，其中不同分区的所述光源单元用于发射光照亮目标场景中的对应的不同的区域，其中所述光调制元件与所述光源单元对应，其中所述光调制元件用于对不同分区的所述光源单元发出的光进行调制，形成特定的光场分布，以供该接收装置接收反射光。相比于传统的探测设备，应用本发明的所述分区投射装置的所述探测设备能够在较低功耗下，实现较远距离的探测。

Description

光调制元件

技术领域

本实用新型涉及TOF探测领域，进一步涉及一分区投射装置的光调制元件。

背景技术

TOF(Time of Flight)，是一种基于飞行时间的技术，其依靠体积小、误差低、直接输出深度数据与抗干扰性强等优势受到诸如智能手机等行业的广泛关注和应用。

目前TOF分为两种，一种为直接测距dTOF，其通过发射、接收光并测量光子飞行时间，从而确定探测距离；另一种为市面上较为成熟的非直接测距iTOF，其通过测量发射波形和接收波形之间的相位差，换算飞行时间从而确定探测距离。相比于iTOF，dTOF能够直接通过测量光子飞行时间确定探测距离，其中探测距离D与光子飞行时间T的计算公式为：D＝T/2×光速c，无需换算，节省算力，具有较高的响应速度。

基于dTOF的探测设备通过一投射装置对光进行高频调制之后再发射，脉冲重频较高，脉宽能达到ns-ps量级，能够在极短的时间内获得很高的单脉冲能量，在保持电源低功耗的同时还能增加信噪比，能够实现较远的探测距离，减少环境光对测距精度的影响，降低了对探测设备的灵敏度和信噪比的要求。此外，dTOF 具有高频率、窄脉宽的特性，使其平均能量很小，在使用时能够保证人眼的安全。

在三维传感技术的应用中，传统的投射装置采用激光发射器(VCSEL)投射一照明光至一定视场角内的目标场景，由一接收装置接收反射光，从而获得深度信息。然而，传统的探测设备在实际应用中存在着诸多问题，例如，在实现探测时，投射装置的功耗较高，限制了基于dTOF的探测设备在实际应用中的发展。

发明内容

本实用新型的一个优势在于提供一分区投射装置及其光调制元件，其适用于基于dTOF的一探测设备，以实现距离探测，相比于传统的探测设备，应用本实用新型的所述分区投射装置的所述探测设备能够在较低功耗下，实现较远距离的探测。

本实用新型的另一个优势在于提供一分区投射装置及其光调制元件，其中所述分区投射装置具有预设分区排布的光源单元，不同分区的光源单元照亮对应的区域，实现了对目标场景的分区探测。

本实用新型的另一个优势在于提供一分区投射装置及其光调制元件，其中相应分区的光源单元发出的光经调制后，在预设范围内被匀化，有利于形成均匀的光场，提高探测质量。

本实用新型的另一个优势在于提供一分区投射装置及其光调制元件，其中不同分区的光源单元能够按照预设的时间进行点亮，不同时刻照亮对应的区域。进一步地，不同分区的所述光源单元能够周期性地点亮对应的区域，一个周期完成对整个目标场景的照明。

本实用新型的另一个优势在于提供一分区投射装置及其光调制元件，其中应用所述分区投射装置的所述探测设备能够用于获取深度信息，适用于深度相机、智能机器人(如扫地机器人)、三维电子设备或智能手机等。应用所述分区投射装置的所述探测设备能够满足对环境感知和建模、动作捕捉和识别等需求，适用于智能手机以及VR/AR等终端设备。应用所述分区投射装置的所述探测设备能够满足各种创新用户界面的手势感测或接近探测的需求，在计算机、家用电器和工业自动化、服务机器人、无人机、物联网等领域，有着广泛的应用前景。

本实用新型的另一个优势在于提供一分区投射装置及其光调制元件，其能耗较低，成本低。

依本实用新型的一个方面，本实用新型提供一光调制元件，其适用于基于 dTOF的探测设备的分区投射装置，其中该探测设备包括一接收装置，其中所述分区投射装置用于向目标场景发射光，由该接收装置接收反射光，其中所述分区投射装置包括：

多个分区布置的光源单元，其中不同分区的所述光源单元用于发射光照亮目标场景中的对应的不同的区域；和

至少一光调制元件，其中所述光调制元件与所述光源单元对应，其中所述光调制元件用于对不同分区的所述光源单元发出的光进行调制，形成特定的光场分布，以供该接收装置接收反射光。

在一实施例中，多个分区布置的所述光源单元包括分区布置的第一区域光源单元和第二区域光源单元，其中所述第一区域光源单元用于发射光照亮目标场景中的第一区域，其中所述第二区域光源单元用于发射光照亮目标场景的第二区域。

在一实施例中，其中多个分区布置的所述光源单元包括分区布置的第一区域光源单元和第二区域光源单元，其中所述第一区域光源单元用于发射光照亮目标场景中的第二区域，其中所述第二区域光源单元用于发射光照亮目标场景的第一区域。

在一实施例中，所述第一区域光源单元的分区面积与所述第二区域光源单元的分区面积相等。

在一实施例中，多个分区布置的所述光源单元的分区面积不均匀。

在一实施例中，多个分区布置的所述光源单元的分区数目和排布方式选自： 2*2、4*4、2*4、2*6以及1*12中的一种。

在一实施例中，所述光调制元件具有多个分区布置的光调制面，其中所述光调制面与所述光源单元对应，各分区的所述光源单元发射的光经对应的所述光调制面调制后，照亮对应的区域。

在一实施例中，所述光调制面与所述光源单元的对应方式选自：一对一、一对多以及多对多中的一种或多种组合。

在一实施例中，所述光调制元件具有分区布置的第一光调制面和第二光调制面，其中所述第一光调制面对应所述第一区域光源单元，其中所述第一光调制面用于调制所述第一区域光源单元发射的光，其中经所述第一光调制面调制的光朝向第一角度发射，以供照亮第一区域，其中所述第二光调制面对应所述第二区域光源单元，其中所述第二光调制面用于调制所述第二区域光源单元发射的光，其中经所述第二光调制面调制的光朝向第二角度发射，以供照亮第二区域。

在一实施例中，其中所述光调制元件具有分区布置的第一光调制面和第二光调制面，其中所述第一光调制面对应所述第一区域光源单元，其中所述第一光调制面用于调制所述第一区域光源单元发射的光，其中经所述第一光调制面调制的光朝向对应第二区域的角度发射，以供照亮第二区域，其中所述第二光调制面对应所述第二区域光源单元，其中所述第二光调制面用于调制所述第二区域光源单元发射的光，其中经所述第二光调制面调制的光朝向对应第一区域的角度发射，以供照亮第一区域。

在一实施例中，所述光调制元件具有光调制面，其中所述光调制面与所述第一区域光源单元和第二区域光源单元对应。

在一实施例中，所述光调制元件为DOE匀光片。

在一实施例中，所述光调制元件为具有微透镜阵列结构的匀光元件，以供所述光源单元发射的光经所述微透镜阵列调制，在该接收单元形成预设的光场。

在一实施例中，所述微透镜阵列由一组随机规则化设置的微透镜单元组成，其中各分区的所述光调制面的所述微透镜单元的部分参数各不相同，以防止光在空间传播时产生干涉条纹。

在一实施例中，其中每个所述微透镜单元的表面面型z表示为：

其中，

为基础非球面项，其中c为所述微透镜单元的曲率，k为圆锥常数，其中

为扩展多项式，其中N为多项式的个数，A_i为第i个扩展多项式的系数，多项式E_i(x,y)是x和y的幂级数，其中第一项为x，第二项为y，然后是x*x，x*y，y*y，....。

在一实施例中，所述微透镜单元是通过所述扩展多项式的奇次项来具备非对称面型的，以实现光轴偏转。

在一实施例中，所述分区投射装置进一步包括一光源单元控制电路，其中所述光源单元控制电路被电连接于各分区的所述光源单元，其中所述光源单元控制电路用于按预设的时间开启不同分区的所述光源单元，以供各分区的光源单元在不同时刻照亮对应的区域。

在一实施例中，不同分区的所述光源单元被周期性地开启，且在一个周期内，各分区的所述光源单元分别对应地照明整个目标场景的各个区域。

通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。

本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的应用分区投射装置的一探测设备的结构框图。

图2A是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的2*2分区布置的光源单元的平面示意图。

图2B是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的2*5分区布置的光源单元的平面示意图。

图3A是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的一种应用示意图。

图3B是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的另一种应用示意图。

图4是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的光调制元件的结构示意图。

图5是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的光调制元件具有一组随机规则化设置的微透镜单元的平面示意图。

如图6所示为本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的其中一个分区的所述光源单元照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。

如图7所示为本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的另一分区的所述光源单元照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。

如图8所示为本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的另一分区的所述光源单元照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。

如图9所示为本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的另一分区的所述光源单元照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。

如图10所示为本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的各分区的光源单元的照亮整个目标场景的输出光照度的示意图。

图11是根据本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置的光源单元控制电路的结构框图。

图12所示为本实用新型的上述优选实施例的所述分区投射装置发生光轴偏转的应用示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示为本实用新型的一个优选实施例的基于dTOF的探测设备的结构框图，其中所述探测设备基于dTOF技术获取目标场景的探测距离或深度信息等。如图1所示，所述探测设备包括一分区投射装置10和一接收装置20，其中所述分区投射装置10用于向目标场景发射光，光经目标场景反射，由所述接收装置 20接收反射光，从而获取探测距离或深度信息等。

在本实施例中，所述探测设备能够用于获取深度信息，适用于深度相机、智能机器人(如扫地机器人)、三维电子设备或智能手机等。所述探测设备能够满足对环境感知和建模、动作捕捉和识别等的需求，适用于智能手机以及VR/AR 等终端设备中。所述探测设备能够满足各种创新用户界面的手势感测或接近探测的需求，在计算机、家用电器和工业自动化、服务机器人、无人机、物联网等领域，有着广泛的应用前景。

优选地，如图2A、2B、3A以及3B所示，所述分区投射装置10包括多个分区布置的光源单元11和至少一光调制元件12，其中不同分区的所述光源单元11 用于发射照亮目标场景100中对应的区域，其中所述光调制元件12与所述光源单元11对应，即所述光调制元件12被设置于所述光源单元11发射的光的路径中，其中所述光调制元件12用于对不同分区的所述光源单元发出的光进行调制，由所述接收装置20接收反射光，获取目标场景的深度信息。

也就是说，整个所述光源单元11被划分为多个分区的光源单元11，不同分区的所述光源单元11相互并列地处于同一平面，各分区位置相互独立，互不重叠，不同分区的所述光源单元11之间发出的光并不完全重叠。或者说，不同分区的所述光源单元11分别照亮目标场景100中的不同区域。进一步地，所有的所述光源单元11共同照亮目标场景100的全部区域。

在本实施例中，所述光源单元11为激光发射器或阵列。优选地，各分区的所述光源单元11均为激光发射阵列，具有预设的发光面积。或者说，各分区的所述光源单元11为一个光源的不同发光区域，可以分别独立地点亮。或者说，各分区的所述光源单元11为互相独立的多个光源组成。不同分区的所述光源单元11的参数如发射角，发光面尺寸，发光效率，发光强度等可以相同或者不同。所述接收装置20被实施为TOF传感器，基于所述发射光和所述反射光，处理得到探测距离或深度信息等。

具体地，多个分区布置的所述光源单元11包括分区布置的第一区域光源单元111和第二区域光源单元112，其中所述第一区域光源单元111发射的光照亮目标场景100中的第一区域101，其中所述第二区域光源单元112发射的光照亮目标场景100中的第二区域102，其中所述第一区域101与所述第二区域102可以部分重叠或完全不重叠。也就是说，所述第一区域光源单元111发出的光束与所述第二区域光源单元112发出的光束可以部分重叠或完全不重叠。

值得一提的是，多个分区布置的所述光源单元11与所述目标场景的多个区域之间可存在其他的对应关系。例如，在另一可选实施例中，所述第一区域光源单元111发射的光照亮目标场景100中的第二区域102，其中所述第二区域光源单元112发射的光照亮目标场景100中的第一区域101，在此仅作举例，不受限制。

进一步地，如图2A所示，所述第一区域光源单元111的分区面积与所述第二区域光源单元112的分区面积相等。即所述第一区域光源单元111的发光面积与所述第二区域光源单元112的发光面积相等，具有对称性。可选地，所述第一区域光源单元111的发光面积与所述第二区域光源单元112的发光面积也可以不相等，以适应于更多的应用场景。优选地，各分区的所述光源单元11的分区形状为矩形，或者为三角形或四边形等多边形，圆形或椭圆形等。

更进一步地，多个分区布置的所述光源单元11的分区面积不均匀，或按照预设的面积设置。例如，多个分区布置的所述光源单元11的分区面积逐渐增大，或中间大四周小，或中间小四周大，等。或者，多个分区布置的所述光源单元11的分区面积或形状不规则设置等。

更进一步地，多个分区布置的所述光源单元11还包括第三区域光源单元113 和第四区域光源单元114，其中所述第三区域光源单元113发射的光照亮目标场景100中的第三区域103，其中所述第四区域光源单元114发射的光照亮目标场景100中的第四区域104。

在另一可选实施例中，所述第一区域光源单元111发射的光照亮目标场景100 中的第四区域104，其中所述第二区域光源单元112发射的光照亮目标场景100 中的第三区域103，所述第三区域光源单元113发射的光照亮目标场景100中的第二区域102，其中所述第四区域光源单元114发射的光照亮目标场景100中的第一区域101。当然，在本实用新型中，多个分区布置的所述光源单元11与所述目标场景的多个区域之间可存在其他的对应关系，在此不受限制。

在本实施例中，多个分区布置的所述光源单元11的分区数目和排布方式可以被实施为：2*2、4*4、2*4、2*6或1*12等，熟知本领域的技术人员可知，本实用新型的多个分区布置的所述光源单元11还可以有其他类型的分区数目和排布方式，以适用于不同的应用场景，在此不受限制。

在实际应用中，各分区的所述光源单元11可在不同时刻依次开启，从而依次照亮目标场景100中的各个区域，也就是说，各不同分区的所述光源单元11 无需同时开启，在较低功耗下，实现了对目标场景的探测。

相较于传统的探测设备，本实用新型的所述探测设备的所述分区投射装置10 具有多个预设分区排布的所述光源单元11，不同分区的所述光源单元11照亮对应的区域，实现了对目标场景的分区探测，从而在较低功耗下，实现较远距离的探测。

优选地，所述光调制元件12具有多个分区布置的光调制面120，其中所述光调制面120与所述光源单元11对应，各分区的所述光源单元11发射的光经对应的所述光调制面120调制后，照亮对应的区域。

值得一提的是，所述光调制面120与所述光源单元11的对应方式可以为：一对一、一对多、多对多或上述组合等。换句话说，一个所述光调制面120分别对应一个所述光源单元11，或者，一个所述光调制面120对应多个所述光源单元11，或者，多个所述光调制面120共同对应多个所述光源单元11，等。

进一步地，如图3A所示，所述光调制元件12具有分区布置的第一光调制面 121、第二光调制面122、第三光调制面123以及第四光调制面124，其中所述第一光调制面121对应所述第一区域光源单元111，其中所述第一光调制面121用于调制所述第一区域光源单元111发射的光，其中经所述第一光调制面121调制的光朝向第一角度发射，以供照亮第一区域101。所述第二光调制面122对应所述第二区域光源单元112，其中所述第二光调制面122用于调制所述第二区域光源单元112发射的光，其中经所述第二光调制面122调制的光朝向第二角度发射，以供照亮第二区域102。所述第三光调制面123对应所述第三区域光源单元113，其中所述第三光调制面123用于调制所述第三区域光源单元113发射的光，其中经所述第三光调制面123调制的光朝向第三角度发射，以供照亮第三区域103。所述第四光调制面124对应所述第四区域光源单元114，其中所述第四光调制面 124用于调制所述第四区域光源单元114发射的光，其中经所述第四光调制面124 调制的光朝向第四角度发射，以供照亮第四区域104。

在另一可选实施例中，所述第一光调制面121用于调制所述第一区域光源单元111发射的光，其中经所述第一光调制面121调制的光朝向对应第二区域102 的角度发射，以供照亮第二区域102，其中所述第二光调制面122对应所述第二区域光源单元112，其中所述第二光调制面122用于调制所述第二区域光源单元 112发射的光，其中经所述第二光调制面122调制的光朝向对应第一区域101的角度发射，以供照亮第一区域101。

在另一可选实施例中，所述第一光调制面121对应所述第一区域光源单元111，其中所述第一光调制面121用于调制所述第一区域光源单元111发射的光，其中经所述第一光调制面121调制的光朝向对应第四区域104的角度发射，以供照亮第四区域104。所述第二光调制面122对应所述第二区域光源单元112，其中所述第二光调制面122用于调制所述第二区域光源单元112发射的光，其中经所述第二光调制面122调制的光朝向对应第三区域103的角度发射，以供照亮第三区域103。所述第三光调制面123对应所述第三区域光源单元113，其中所述第三光调制面123用于调制所述第三区域光源单元113发射的光，其中经所述第三光调制面123调制的光朝向对应第二区域102的角度发射，以供照亮第二区域102。所述第四光调制面124对应所述第四区域光源单元114，其中所述第四光调制面 124用于调制所述第四区域光源单元114发射的光，其中经所述第四光调制面124 调制的光朝向对应第一区域101的角度发射，以供照亮第一区域101。

可选地，如图3B所示，所述光调制元件12具有分区布置的第五光调制面 125和第六光调制面126，其中所述第五光调制面125与所述第一区域光源单元 111和所述第二区域光源单元112对应，其中所述第一区域光源单元111和所述第二区域光源单元112发射的光均经所述第五光调制面125调制，并照亮所述第一区域101和所述第二区域102。所述第六光调制面126与所述第三区域光源单元113和所述第四区域光源单元114对应，其中所述第三区域光源单元113和所述第四区域光源单元114发射的光均经所述第六光调制面126调制，并照亮所述第三区域103和所述第四区域104。

在本实施例中，所述光调制元件12可以被实施为DOE匀光片，或其他光调制元件。

优选地，如图4和图5所示，所述光调制元件12为具有微透镜阵列结构的匀光元件，即所述光调制元件12的所述光调制面120由所述微透镜阵列形成，以供所述光源单元11发射的光经所述微透镜阵列的调制，以供形成预设的光场。

可以理解的是，所述光源单元11发射的光经所述光调制元件12的调制，形成朝向一定视场角范围内的具有特定光场分布的光束，以供形成预设的光场。

进一步地，所述微透镜阵列由一组随机规则化设置的微透镜单元1201组成，其中各分区的所述光调制面120的所述微透镜单元1201的部分参数各不相同，以防止光在空间传播时产生干涉条纹。相对于传统的规则排布的微透镜阵列，本实用新型的所述光调制元件12的所述微透镜阵列能够避免光束在空间传播过程中由于干涉效应产生明暗条纹的现象，提高光场的均匀性，有利于提高探测质量。所述微透镜阵列基于折射光学原理实现对光束的调制，避免了现有的衍射匀光元件具有零级，明显导致能量均匀性差，或所述匀光元件的衍射效率低，导致透过率低等缺点，从而有利于所述探测设备对信息的采集，提高探测质量。

各所述微透镜单元1201的部分参数或随机规则变量分别在一定的范围内随机规则变化被预设，使得各所述微透镜单元1201分别具备随机规则化的形状尺寸或者空间排布方式，即任意两个所述微透镜单元1201之间的形状尺寸互不相同，且排布方式不规则，以防止光束在空间传播时产生干涉条纹，以提高匀光效果，从而满足对所需求的照明目标场景的光斑形状和光强分布的调控。

优选地，所述微透镜单元1201具有非球面面型，其为具有光焦度作用的光学结构。举例地，所述微透镜单元1201可以是凹面型透镜，也可以是凸面型透镜，在此不做具体限制。通过对所述微透镜单元1201的部分参数或变量进行随机规则化处理即调制过程，以实现对所需求的照明目标场景的光斑形状和光强分布的调控。所述微透镜单元1201的部分随机参数包括但不限于曲率半径、圆锥常数、非球面系数、所述微透镜单元1201的有效通光孔径的形状和尺寸即所述微透镜单元1201在X-Y平面上的截面轮廓、所述微透镜单元1201的空间排布以及所述微透镜单元1201沿Z轴方向的表面面型等变量。

进一步地，所述匀光元件包括一基板，其中所述微透镜阵列被形成于所述基板的表面以形成所述光调制面120，如所述基板的相背于所述光源单元11的一侧表面，或者所述基板的靠近所述光源单元11的一侧表面。所述基板可由透明材料制成，如塑料材料或者玻璃材料等。为了避免光束直接透过所述基板向前传播，所述微透镜阵列应尽可能地完全覆盖于所述基板的表面，使得所述光源单元 11产生的光基本上全部地经所述微透镜阵列调制后再向前传播。换句话说，所述微透镜阵列的所述微透镜单元1201在所述基板表面尽可能地紧密排布，表面覆盖率尽可能地高。

优选地，每个所述微透镜单元的表面面型z表示为：

其中，

为基础非球面项，其中c为所述微透镜单元的曲率， k为圆锥常数，其中

为扩展多项式，其中N为多项式的个数， A_i为第i个扩展多项式的系数，多项式E_i(x,y)是x和y的幂级数，其中第一项为x，第二项为y，然后是x*x，x*y，y*y，....。

值得注意的是，在很多场景下，入射到所述光调制元件12的光束的光轴与从所述光调制元件12出射以射向目标场景100的光束的光轴不平行，存在夹角。例如，如图12所示，所述第四光调制面124用于调制所述第四区域光源单元114 发射的光，其中经所述第四光调制面124调制的光朝向第一角度发射，以供照亮第一区域101。这样，本申请的所述微透镜单元1201的表面面型z需要依靠扩展多项式

来打破组成所述光调制元件12的微透镜的基础非球面面型的对称性，使所述微透镜单元1201具有非对称面型，从而使光束经过所述光调制元件12的调制后能够实现光轴偏转。

也就是说，本申请的所述光调制元件12中的所述微透镜单元1201是通过所述扩展多项式的奇次项来具备非对称面型的，以实现光轴偏转。

优选地，所述光调制元件12中的所述微透镜单元1201通过调整所述扩展多项式的奇次项系数来控制微透镜的非对称程度和光轴偏转角度的大小。

值得一提的是，为了解决因光轴偏转而引入的照明不均匀的问题，本申请进一步通过合理配置所述扩展多项式，来优化所述微透镜单元1201的面型，以便在要求的照明范围内实现均匀照明。

作为举例地，本实施例提供的所述光调制元件12的所述微透镜阵列的第一种实施方式的设计方法，包括步骤：

S01、在所述基板的表面划分各所述微透镜单元1201所在的区域，其中各所述微透镜单元1201所在的区域的截面形状或尺寸基本一致；

S02、对整个所述微透镜阵列建立全局坐标系(X，Y，Z)，对每个单独的所述微透镜单元分别建立本地坐标系(xi，yi，zi)，且相对应的所述区域的中心坐标为(x0，y0，z0)，其中所述区域103的中心坐标代表对应的所述微透镜单元的初始中心位置；

S03、设置每个所述微透镜单元的真实中心位置为在所述区域的中心坐标在 X轴、Y轴方向分别添加一个随机偏移量X_Offset、Y_Offset；以及

S04、对于每个所述微透镜单元，其沿Z轴方向的表面面型用一曲面函数f 表示：

其中，r²＝(x_i-x₀-X_Offset)²+(y_i-y₀-Y_Offset)²，c为所述微透镜单元的曲率，k为圆锥常数，Ai为第i个扩展多项式的系数，Z_Offset是每个所述微透镜单元所对应的沿Z轴方向的偏移量。

需要指出的是，所述微透镜单元的曲率c、圆锥常数k以及非球面系数Ai 根据所使用的应用场景在相应的一定范围内随机规则化取值。在对所述微透镜单元的曲率c、圆锥常数k以及非球面系数Ai等参数在预定范围内进行随机规则化处理的基础上，将每个所述微透镜单元的坐标从所述本地坐标系(xi，yi，zi) 转换到所述全局坐标系(X，Y，Z)中，将每个所述微透镜单元所对应的沿Z 轴方向的偏移量Z_Offset在一定范围内进行随机规则化处理，以使每个所述微透镜单元在Z轴方向的表面面型均是随机规则化的，避免了光束产生干涉条纹，以此达到匀光效果。

在所述步骤S01中，各所述微透镜单元1201所在的区域的截面形状选自一组：矩形、圆形、三角形、梯形、多边形或者其他不规则形状，在此不受限制。

作为举例地，本实施例提供了所述光调制元件12的所述微透镜阵列的第二种实施方式的设计方法，包括步骤：

S01a、在所述基板的表面划分各所述微透镜单元1201所在的区域，其中各所述微透镜单元1201所在的区域的截面形状或尺寸各不相同；

S02b、对整个所述微透镜阵列建立全局坐标系(X，Y，Z)，对每个单独的所述微透镜单元分别建立本地坐标系(xi，yi，zi)，且所述本地坐标系的中心坐标为(x0，y0，z0)；

S03c、对于每个所述微透镜单元，其沿Z轴方向的表面面型用一曲面函数f 表示：

其中，r²＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²，c为所述微透镜单元的曲率，k为圆锥常数，Ai为第i个扩展多项式的系数，Z_Offset是每个所述微透镜单元所对应的沿 Z轴方向的偏移量。

需要指出的是，所述微透镜单元1201的曲率c、圆锥常数k以及非球面系数 Ai根据所使用的应用场景在相应的一定范围内随机规则化取值。在对所述微透镜单元1201的曲率c、圆锥常数k以及非球面系数Ai等参数在预定范围内进行随机规则化处理的基础上，将每个所述微透镜单元1201的坐标从所述本地坐标系(xi，yi，zi)转换到所述全局坐标系(X，Y，Z)中，将每个所述微透镜单元 1201所对应的沿Z轴方向的偏移量Z_Offset在一定范围内进行随机规则化处理，以使每个所述微透镜单元1201在Z轴方向的表面面型均是随机规则化的，避免了光束产生干涉条纹，以此达到匀光效果。

如图6所示为其中一个分区的所述光源单元11照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。如图7所示为另一分区的所述光源单元11照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。如图8所示为另一分区的所述光源单元 11照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。如图9所示为另一分区的所述光源单元11照亮目标场景的对应的区域的输出光照度的示意图。如图10 所示为整个目标场景被照亮的输出光照度的示意图。

进一步地，如图11所示，所述分区投射装置包括一光源单元控制电路13，其中所述光源单元控制电路13被电连接于各分区的所述光源单元11，其中所述光源单元控制电路13用于按预设的时间开启不同分区的所述光源单元11，以供各分区的光源单元在不同时刻照亮对应的区域。具体地，所述光源单元控制电路 13电连接于所述第一区域光源单元111、所述第二区域光源单元112、所述第三区域光源单元113以及所述第四区域光源单元114。所述光源单元控制电路13 可独立地开启或关闭各分区的所述光源单元11。

更进一步地，所述光源单元控制电路13可在不同时刻开启不同分区的所述光源单元11，以在不同时刻照亮不同的区域。

换句话说，在第一时间，所述光源单元控制电路13开启所述第一区域光源单元111，所述第一区域光源单元111发射光，照亮所述目标场景100的第一区域101。在第二时间，所述光源单元控制电路13开启所述第二区域光源单元112，所述第二区域光源单元112发射光，照亮所述目标场景100的第二区域102。在第三时间，所述光源单元控制电路13开启所述第三区域光源单元113，由所述第三区域光源单元113发射光，照亮所述目标场景100的第三区域103。在第四时间，所述光源单元控制电路13开启所述第四区域光源单元114，由所述第四区域光源单元114发射光，照亮所述目标场景100的第四区域104。

在另一可选实施例中，所述第一区域光源单元111发射光照亮目标场景的第二区域102，其中所述第二区域光源单元112发射光照亮目标场景的第一区域101。具体地，在第一时间，所述光源单元控制电路13开启所述第一区域光源单元111，所述第一区域光源单元111发射光，照亮所述目标场景100的第二区域102。在第二时间，所述光源单元控制电路13开启所述第二区域光源单元112，所述第二区域光源单元112发射光，照亮所述目标场景100的第一区域101。

在另一可选实施例中，在第一时间，所述光源单元控制电路13开启所述第一区域光源单元111，所述第一区域光源单元111发射光，照亮所述目标场景100 的第四区域104。在第二时间，所述光源单元控制电路13开启所述第二区域光源单元112，所述第二区域光源单元112发射光，照亮所述目标场景100的第三区域103。在第三时间，所述光源单元控制电路13开启所述第三区域光源单元 113，由所述第三区域光源单元113发射光，照亮所述目标场景100的第二区域 102。在第四时间，所述光源单元控制电路13开启所述第四区域光源单元114，由所述第四区域光源单元114发射光，照亮所述目标场景100的第一区域101。

更进一步地，所述光源单元驱动电路13周期性地开启不同分区的所述光源单元111，且在一个周期内，各分区的所述光源单元11分别对应地照明整个目标场景的各个区域。举例地，所述第一、第二、第三以及所述第四区域组成所述目标场景的整个区域，所述光源单元驱动电路13以所述第一时间、所述第二时间、所述第三时间以及所述第四时间为一个周期，周期性地开启所述第一、第二、第三以及第四区域光源单元111、112、113、114，从而实现在一个周期内，照亮整个所述目标场景。

进一步地，本优选实施例提供了所述分区投射装置10的投射方法，包括：

由多个分区布置的光源单元发射光；和

对不同分区的所述光源单元发射的光进行调制，经调制后的光照亮目标场景中对应的区域，以供基于dTOF的探测设备的一接收装置接收反射光。

在一实施例中，在所述投射方法中，多个分区布置的所述光源单元包括分区布置的第一区域光源单元和第二区域光源单元，其中所述第一区域光源单元用于发射光照亮目标场景中的第一区域，其中所述第二区域光源单元用于发射光照亮目标场景的第二区域。

在一实施例中，在所述投射方法中，所述第一区域光源单元发射的光经一第一光调制面调制并朝向第一角度发射，以供照亮第一区域，其中所述第二区域光源单元发射的光经一第二光调制面调制并朝向第二角度发射，以供照亮第二区域。

值得一提的是，多个分区布置的所述光源单元11与所述目标场景的多个区域之间可存在其他的对应关系。在一可选实施例中，多个分区布置的所述光源单元包括分区布置的第一区域光源单元和第二区域光源单元，其中所述第一区域光源单元用于发射光照亮目标场景中的第二区域，其中所述第二区域光源单元用于发射光照亮目标场景的第一区域。

进一步地，所述第一区域光源单元发射的光经一第一光调制面调制并朝向对应第二区域的角度发射，以供照亮第二区域，其中所述第二区域光源单元发射的光经一第二光调制面调制并朝向对应第一区域的角度发射，以供照亮第一区域。

在一实施例中，在所述投射方法中，多个不同分区的所述光源单元发射的光经由一光调制元件的同一光调制面进行调制。

在一实施例中，在所述投射方法中，通过DOE匀光片对所述光源单元发出的光进行调制。

在一实施例中，在所述投射方法中，通过具有微透镜阵列结构的匀光元件对所述光源单元发出的光进行调制，其中所述微透镜阵列由一组随机规则化设置的微透镜单元组成，其中各所述微透镜单元的部分参数各不相同，以防止光在空间传播时产生干涉条纹。

在一实施例中，在所述投射方法中，进一步包括：

按预设的时间开启不同分区的所述光源单元，以供各分区的光源单元在不同时刻照亮对应的区域。

在一实施例中，在所述投射方法中，周期性地开启不同分区的所述光源单元，且在一个周期内，各分区的所述光源单元分别对应地照明整个目标场景的各个区域。

进一步地，本优选实施例还提供了一电子设备，其中所述电子设备如智能手机、VR/AR设备、深度相机计算机、家用电器、服务机器人如扫地机器人、无人机等，其中所述电子设备包括：

一设备主体；

一分区投射装置；以及

一接收装置，其中所述分区投射装置和所述接收装置被安装于所述设备主体，其中所述分区投射装置用于向目标场景发射光，由所述接收装置接收反射光，其中所述分区投射装置包括：

多个分区布置的光源单元，其中不同分区的所述光源单元用于发射光照亮目标场景中的对应的不同的区域；和

至少一光调制元件，其中所述光调制元件与所述光源单元对应，其中所述光调制元件用于对不同分区的所述光源单元发出的光进行调制，以供所述接收装置接收反射光，以供获取深度信息。

进一步地，本优选实施例还提供了一探测方法，包括：

由多个分区布置的光源单元发射光；

对不同分区的所述光源单元发射的光进行调制，经调制后的光照亮目标场景中对应的区域；以及

接收反射光，以供获取探测距离。

进一步地，本优选实施例还提供了一获取深度信息的方法，包括：

由多个分区布置的光源单元发射光；

对不同分区的所述光源单元发射的光进行调制，经调制后的光照亮目标场景中对应的区域；

接收反射光，以供获得深度信息。

进一步地，本优选实施例还提供了一分区投射装置的电路控制方法，包括：

在第一时间开启第一区域光源单元，其中所述第一区域光源单元发射光照亮目标场景的第一区域；和

在第二时间开启第二区域光源单元，其中所述第二区域光源单元发射光照亮目标场景的第二区域。

在一可选实施例中，所述第一区域光源单元发射光照亮目标场景的第二区域，其中所述第二区域光源单元发射光照亮目标场景的第一区域。

在一实施例中，在所述电路控制方法中，周期性地开启不同分区的光源单元，且在一个周期内，各分区的所述光源单元分别对应地照明整个目标场景的各个区域。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (11)

1.光调制元件，适用于基于dTOF的一探测设备的一分区投射装置，其中该探测设备包括一接收装置，其中所述分区投射装置用于向目标场景发射光，由该接收装置接收反射光，其特征在于，其中所述分区投射装置包括多个分区布置的光源单元，其中不同分区的所述光源单元用于发射光照亮目标场景中的对应的不同的区域，其中所述光调制元件与所述光源单元对应，其中所述光调制元件用于对不同分区的所述光源单元发出的光进行调制，形成特定的光场分布，以供该接收装置接收反射光，其中所述光调制元件具有多个分区布置的光调制面，其中所述光调制面与所述光源单元对应，各分区的所述光源单元发射的光经对应的所述光调制面调制后，均匀地照亮对应的区域。

2.根据权利要求1所述的光调制元件，其中所述光调制面与所述光源单元的对应方式选自：一对一、一对多以及多对多中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的光调制元件，其中所述光调制元件具有分区布置的第一光调制面和第二光调制面，其中所述第一光调制面对应一第一区域光源单元，其中所述第一光调制面用于调制所述第一区域光源单元发射的光，其中经所述第一光调制面调制的光朝向第一角度发射，以供照亮第一区域，其中所述第二光调制面对应一第二区域光源单元，其中所述第二光调制面用于调制所述第二区域光源单元发射的光，其中经所述第二光调制面调制的光朝向第二角度发射，以供照亮第二区域。

4.根据权利要求1所述的光调制元件，其中所述光调制元件具有分区布置的第一光调制面和第二光调制面，其中所述第一光调制面对应一第一区域光源单元，其中所述第一光调制面用于调制所述第一区域光源单元发射的光，其中经所述第一光调制面调制的光朝向对应第二区域的角度发射，以供照亮第二区域，其中所述第二光调制面对应一第二区域光源单元，其中所述第二光调制面用于调制所述第二区域光源单元发射的光，其中经所述第二光调制面调制的光朝向对应第一区域的角度发射，以供照亮第一区域。

5.根据权利要求1至4任一所述的光调制元件，其中所述光调制元件为DOE匀光片。

6.根据权利要求1至4任一所述的光调制元件，其中所述光调制元件为具有微透镜阵列结构的匀光元件，以供所述光源单元发射的光经所述微透镜阵列的调制，以供形成预设的光场。

7.根据权利要求6所述的光调制元件，其中所述微透镜阵列由一组随机规则化设置的微透镜单元组成，其中各分区的所述光调制面的所述微透镜单元的部分参数各不相同，以防止光在空间传播时产生干涉条纹。

8.根据权利要求7所述的光调制元件，其中每个所述微透镜单元的表面面型z表示为：

其中，

为基础非球面项，其中c为所述微透镜单元的曲率，k为圆锥常数，其中

为扩展多项式，其中N为多项式的个数，A_i为第i个扩展多项式的系数，多项式E_i(x,y)是x和y的幂级数，其中第一项为x，第二项为y，然后是x*x，x*y，y*y，....。

9.根据权利要求8所述的光调制元件，其中所述微透镜单元是通过所述扩展多项式的奇次项来具备非对称面型的，以实现光轴偏转。

10.根据权利要求1至4任一所述的光调制元件，其中所述分区投射装置包括一光源单元控制电路，其中所述光源单元控制电路被电连接于各分区的所述光源单元，其中所述光源单元控制电路用于按预设的时间开启不同分区的所述光源单元，以供各分区的光源单元在不同时刻照亮对应的区域。

11.根据权利要求10所述的光调制元件，其中不同分区的所述光源单元被周期性地开启，且在一个周期内，各分区的所述光源单元分别对应地照明整个目标场景的各个区域。

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