点阵结构光系统的制作方法

1.本实用新型涉及人工智能领域，具体而言，涉及一种点阵结构光系统。


背景技术：

2.目前行业内实现3d成像的方式主要有双目、结构光和tof，其中结构光具有分辨率高、功耗低等优点。现有散斑结构光主要通过doe(衍射光学元件)实现，生成的点阵具有以下两个调制难点：一个是亮度分布不均，点阵中心亮、边缘暗；另一个是点阵位置分布不均，中心密、边缘疏。
3.现有技术中的点阵结构光系统通常采用一层mla(微透镜阵列)直接准直即可生成规则的点阵结构光，但因常规vcsel光场分布不均匀，一层微透镜阵列准直生成的点阵各点亮度分布趋势与vcsel光源光场分布一致，造成最终形成的点阵亮度分布不均，不利于应用。
4.也就是说，现有技术中的点阵结构光系统存在亮度分布不均匀的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种点阵结构光系统，以解决现有技术中的点阵结构光系统存在亮度分布不均匀的问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种点阵结构光系统，包括光源和点阵结构光组件，点阵结构光组件包括：基底层；第一微透镜阵列层，第一微透镜阵列层设置在基底层的一侧表面上，第一微透镜阵列层远离基底层的一侧表面为入射面；第二微透镜阵列层，第二微透镜阵列层设置在基底层的另一侧表面上，第一微透镜阵列层和第二微透镜阵列层均包括多个微透镜且在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜，第一微透镜阵列层的周期与第二微透镜阵列层的周期不同且第一微透镜阵列层的厚度与第二微透镜阵列层的厚度不同。
7.进一步地，微透镜为球面微透镜。
8.进一步地，第一微透镜阵列层的微透镜的表面包括自由曲面和多项式曲面中的一种；和/或第二微透镜阵列层的微透镜的表面包括自由曲面和多项式曲面中的一种。
9.进一步地，第一微透镜阵列层的周期大于第二微透镜阵列层的周期。
10.进一步地，第一微透镜阵列层的周期d0满足：10um《d0《300um；和/或第二微透镜阵列层的周期d1满足：5um《d1《300um。
11.进一步地，光源为一个或多个，当光源为多个时，多个光源沿一直线间隔排列，多个光源中相邻两个光源之间的间距ds满足：35um《ds《50um。
12.进一步地，光源为一个或多个，当光源为多个时，多个光源至少包括第一光源和第二光源，第一光源和第二光源形成的点阵结构光的偏移量p与第一光源或第二光源的基础周期t之间具有比例关系。
13.进一步地，光源与第一微透镜阵列层之间的距离h0满足：0.3mm《h0《0.7mm。
14.进一步地，点阵结构光组件的整体厚度h满足：0.2mm《h《3mm。
15.进一步地，第二微透镜阵列层到点阵结构光系统的接收面的距离h满足：30mm《h《500mm。
16.应用本实用新型的技术方案，点阵结构光系统包括光源和点阵结构光组件，点阵结构光组件包括：基底层；第一微透镜阵列层，第一微透镜阵列层设置在基底层的一侧表面上，第一微透镜阵列层远离基底层的一侧表面为入射面；第二微透镜阵列层，第二微透镜阵列层设置在基底层的另一侧表面上，第一微透镜阵列层和第二微透镜阵列层均包括多个微透镜且在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜，第一微透镜阵列层的周期与第二微透镜阵列层的周期不同且第一微透镜阵列层的厚度与第二微透镜阵列层的厚度不同。
17.本技术通过设置第一微透镜阵列层和第二微透镜阵列层，采用双层微透镜阵列层的形式，通过合理调节第一微透镜阵列层和第二微透镜阵列层的厚度、第一微透镜阵列层和第二微透镜阵列层上微透镜的排布和周期，能够有效调节点阵结构光组件的分辨率，进而得到位置及亮度都均匀分布的点阵结构光。且点阵结构光中各点的亮度均匀一致，这样有利于提高点阵结构光组件整机的性能。得到的点阵间距均匀，使得采集信息更加均匀精确。另外，本方案的点阵结构光组件可用于人脸识别、深度探测、自动驾驶等多种三维成像的人工智能领域。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
19.图1示出了现有技术中的点阵结构光系统的结构示意图；
20.图2示出了常规vcsel光场分布示意图；
21.图3示出了图1中的点阵结构光系统的点阵结构光效果图；
22.图4示出了图1中的点阵结构光系统的接收面光场分布图；
23.图5示出了本实用新型的一个可选实施例的点阵结构光系统的光线传输原理图；
24.图6示出了本实用新型的另一个可选实施例的点阵结构光系统的光线传输原理图；
25.图7示出了本实用新型的一个可选实施例的点阵结构光系统生成点阵结构光的示意图；
26.图8示出了图7的局部放大图；
27.图9示出了本实用新型的一个可选实施例的点阵结构光组件的三维结构图；
28.图10示出了本实用新型的点阵结构光组件的一个角度的局部示意图；
29.图11示出了本实用新型的点阵结构光组件的另一个角度的局部示意图；
30.图12示出了本实用新型的实施例一的点阵结构光组件的示意图；
31.图13示出了图12中的点阵结构光组件的点阵效果图；
32.图14示出了图12中的点阵结构光组件的点阵强度剖线图；
33.图15示出了本实用新型的实施例二的点阵结构光组件的示意图；
34.图16示出了图15中的点阵结构光组件的点阵效果图；
35.图17示出了图15中的点阵结构光组件的点阵强度剖线图；
36.图18示出了本实用新型的实施例三的点阵结构光组件的示意图；
37.图19示出了图18中的点阵结构光组件的点阵效果图；
38.图20示出了图18中的点阵结构光组件的点阵强度剖线图。
39.其中，上述附图包括以下附图标记：
40.10、基底层；20、第一微透镜阵列层；30、第二微透镜阵列层。
具体实施方式
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
42.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
44.如图1至图4所示，为现有技术中的点阵结构光系统的相关视图。现有方案，多采用衍射光学元件(doe)生成点阵结构光，具有以下两个调制难点：一个是亮度分布不均，点阵中心亮、边缘暗；另一个是位置分布不均，中心密、边缘疏。
45.如图1所示，为现有技术中的一层微透镜阵列的结构，一层微透镜阵列直接准直生成规则的点阵结构光。如图2所示，为常规vcsel光场分布情况，由于常规vcsel光场分布不均匀，采用一层微透镜阵列准直生成的点阵时，接收面点阵结构光效果图如图3所示，以及接收面光场分布情况如图4所示，通过图3、图4可以看出，采用一层微透镜阵列准直生成的点阵各点亮度分布趋势与vcsel光场分布一致，容易存在亮度和位置分布不均等问题，不利于应用。
46.为了解决现有技术中的点阵结构光系统存在亮度分布不均匀的问题，本实用新型了一种点阵结构光系统。
47.如图5至图20所示，点阵结构光系统包括光源和点阵结构光组件，光源向点阵结构光组件发射光线，点阵结构光组件包括：基底层10；第一微透镜阵列层20，第一微透镜阵列层20设置在基底层10的一侧表面上，第一微透镜阵列层20远离基底层10的一侧表面为入射面；第二微透镜阵列层30，第二微透镜阵列层30设置在基底层10的另一侧表面上，第一微透镜阵列层20和第二微透镜阵列层30均包括多个微透镜且在相互垂直的第一方向和第二方向上各具有至少两个微透镜，第一微透镜阵列层20的周期与第二微透镜阵列层30的周期不同且第一微透镜阵列层20的厚度与第二微透镜阵列层30的厚度不同。
48.本技术通过设置第一微透镜阵列层20和第二微透镜阵列层30，采用双层微透镜阵列层的形式，通过合理调节第一微透镜阵列层20和第二微透镜阵列层30的厚度、第一微透镜阵列层20和第二微透镜阵列层30上微透镜的排布和周期，能够有效调节点阵结构光组件的分辨率，进而得到位置及亮度都均匀分布的点阵结构光。且点阵结构光中各点的亮度均
匀一致，这样有利于提高点阵结构光组件整机的性能。得到的点阵间距均匀，使得采集信息更加均匀精确。另外，本方案的点阵结构光组件可用于人脸识别、深度探测、自动驾驶等多种三维成像的人工智能领域。
49.如图9至图11所示，本技术的第一微透镜阵列层20包括m
×
p个第一微透镜，第二微透镜阵列层30包括n
×
q个第二微透镜。微透镜包括第一微透镜和第二微透镜，第一微透镜和第二微透镜均为球面微透镜。当然，第一微透镜和第二微透镜均为标准球面微透镜，用于聚焦与准直。当然，为提升点阵中散点亮度均匀性，第一微透镜和第二微透镜也可以是非标准球面微透镜。其中，第一微透镜优选为非标准球面微透镜，可对光源的光场的分布进行调制，使入射第二微透镜阵列层30的光场达到亮度均匀，再经第二微透镜阵列层30准直为点阵后各点亮度更加均匀。
50.具体的，第一微透镜阵列层20的微透镜的表面包括自由曲面和多项式曲面中的一种；第二微透镜阵列层30的微透镜的表面包括自由曲面和多项式曲面中的一种。第一微透镜阵列层20的微透镜优选设计为自由曲面或由矢高公式确定的曲面。以下为一矢高公式例子，由多项式确定曲面矢高：
[0051][0052]
其中，m、n系数越多曲面可调度越大，越接近自由曲面的自由度，可更便利地调整曲面以达到光强分布要求。自由曲面可由数值计算软件计算得到曲面点云数据，再将点云数据构建成曲面。自由曲面可视为无限自由度，可得到不同常规曲面难以实现的光场分布。第二微透镜阵列层30的微透镜同样优选自由曲面或由矢高公式确定的曲面，因为第一微透镜阵列层20用非标准球面微透镜调节光场分布时，未必能形成一个理想焦点，对于弥散斑标准球面微透镜没有很好的准直效果。第一微透镜阵列层20上的多个微透镜和第一微透镜阵列层20上的多个微透镜均优选采用阵列排布，以保证点阵间距相等。
[0053]
具体的，第一微透镜阵列层20的周期d0满足：10um《d0《300um；第二微透镜阵列层30的周期d1满足：5um《d1《300um。优选的，第一微透镜阵列层20的周期大于第二微透镜阵列层30的周期。以增大固定范围内的散点数量，提升分辨率。通过合理调整d0和d1，能够调节生成点阵密度的合理调整，适用分辨率范围广。
[0054]
具体的，光源为一个或多个，当光源为多个时，多个光源沿一直线间隔排列，多个光源中相邻两个光源之间的间距ds满足：35um《ds《50um。需要说明的是多个光源中任意相邻两个光源之间均是等间距设置的。
[0055]
具体的，当光源为多个时，多个光源至少包括第一光源和第二光源，第一光源和第二光源形成的点阵结构光的偏移量p与第一光源或第二光源的基础周期t之间具有比例关系。优选的，t为p的n倍，接收面生成均匀点阵，点阵间距为t/n；或者p为t的n倍，生成均匀点阵，点阵间距为t。上述n为一个整数。
[0056]
具体的，光源与第一微透镜阵列层20之间的距离h0满足：0.3mm《h0《0.7mm。通过调整光源与第一微透镜阵列层20之间的距离，能够有效规划光线射入第一微透镜阵列层20的角度，从而规划光线传输路径，保证光的传输效率。
[0057]
具体的，点阵结构光组件的整体厚度h满足：0.2mm《h《3mm。通过合理控制点阵结构光组件的整体厚度在合理的范围内，有利于点阵结构光组件的使用可靠性，还能够保证点
阵结构光组件的轻薄化和小型化，便于应用在各种小尺寸设备上。
[0058]
具体的，第二微透镜阵列层30到点阵结构光系统的接收面的距离h满足：30mm《h《500mm。通过约束第二微透镜阵列层30到点阵结构光系统的接收面的距离，有利于点阵结构光能够完美地在接收面进行成像，保证成像稳定性。
[0059]
如图5至图20所示，使用上述的点阵结构光组件生成点阵结构光的方法包括：通过调整点阵结构光组件的第一微透镜阵列层20的厚度、第二微透镜阵列层30的厚度、第一微透镜阵列层20的周期、第二微透镜阵列层30的周期、第一微透镜阵列层20与光源的距离中的一种或多种，从而调整点阵结构光组件生成的点阵结构光的参数。
[0060]
如图5所示，生成点阵结构光的方法还包括：获取光源s1，调整光源s1与第一微透镜阵列层20之间的距离，以使得光源s1出射的光以预设发散角入射至第一微透镜阵列层20，光经第一微透镜阵列层20在点阵结构光组件的基底层10上汇聚形成多个次光源s1
‘
、s1“、......。；多个次光源经第二微透镜阵列层30准直后，以多束平行光出射至接收面形成点阵结构光。每束平行光与垂线的夹角有微小差别。
[0061]
具体的，在获取光源的过程中，光源包括一个或多个。如图6所示，当光源为多个时同理，多个光源s1、s2、s3、......出射的光以一定发散角入射到第一微透镜阵列层20，经第一微透镜阵列层20上n个微透镜在基底层10分别汇聚为n个焦点s1
‘
、s1“、......；s2
‘
、s2“、......；s3
‘
、s3“、......；......基底层10的次光源s1
‘
、s1“、......；s2
‘
、s2“、......；s3
‘
、s3“、......；......经第二微透镜阵列层30准直后以多束平行光出射，在接收面形成点阵结构光。
[0062]
如图7和图8所示，当获取的光源为一个时，单个光源s1在接收面形成的点阵结构光间距以基础周期t表示，基础周期t满足：
[0063][0064]
其中，h为第二微透镜阵列层30到接收面的距离；f为次光源到第一微透镜阵列层20的距离；d1为第二微透镜阵列层30的周期。
[0065]
由几何关系知每个光源生成的点阵基础周期均为t。多个光源等间距排列，间距为ds，第一微透镜阵列层20的周期为d0，第二微透镜阵列层30的周期为d1，当获取的光源为多个时，多个光源至少包括第一光源s1和第二光源s2，通过调整第一光源s1发射的光经第一微透镜阵列层20后形成的第一次光源与第二微透镜阵列层30的相对偏移量δp1、第二光源s2发射的光经第一微透镜阵列层20后形成的第二次光源与第二微透镜阵列层30的相对偏移量δp2，进而调整第一光源s1和第二光源s2形成的点阵结构光之间的偏移量p。也就是说，δp1和δp2决定两个光源形成的点阵结构光之间的偏移量p，p＝h/(h-f)*δp1-δp2。
[0066]
具体的，通过调整第一光源和第二光源形成的点阵结构光的偏移量p与第一光源或第二光源的基础周期t之间的关系，进而调整第一光源和第二光源形成的点阵结构光的间距。
[0067]
当p与t有如下关系时，接收面呈现不同的结果：
[0068]
1)t为p的n倍，接收面生成均匀点阵，点阵间距为t/n；
[0069]
2)p为t的n倍，生成均匀点阵，点阵间距为t；
[0070]
3)p与t无倍数关系，各散点错位连接在一起，形成连续光斑。
[0071]
故仅p与t为整数倍关系时，才能得到理想点阵结构光。综上，点阵结构光的周期t由光线在第二微透镜阵列层30上相邻微透镜出射的角度差决定，第二微透镜阵列层30的周期d1、点阵结构光组件的整体厚度h、第一微透镜阵列层20的周期d0、光源与第一微透镜阵列层20的距离h0共同影响点阵结构光的效果。
[0072]
实施例一
[0073]
如图12所示，为实施例一的点阵结构光组件的结构示意图。
[0074]
在本实施例中，p＝3t。光源间距ds＝47μm；第一微透镜阵列层20的周期d0＝42μm；第二微透镜阵列层30的周期d1＝11μm；光源与第一微透镜阵列层20的距离h0＝0.5mm；第二微透镜阵列层30到接收面的距离h＝50mm；点阵结构光组件的整体厚度h＝0.5mm。
[0075]
如图13所示，为本实施例的点阵结构光组件生成的点阵效果图，与图3对比可以看出，本实施例的点阵结构光的位置和亮度分布均匀，如图14所示为本实施例的点阵强度剖线图，与图4对比可以看出，光强度分布较为均匀。
[0076]
实施例二
[0077]
如图15所示，为实施例二的点阵结构光组件的结构示意图。
[0078]
在本实施例中，t＝2p；与实施例一的区别在于点阵结构光组件的整体厚度h不同，在本实施例中h＝0.32mm。
[0079]
在本实施例中，光源间距ds＝47μm；第一微透镜阵列层20的周期d0＝42μm；第二微透镜阵列层30的周期d1＝11μm；光源与第一微透镜阵列层20的距离h0＝0.5mm；第二微透镜阵列层30到接收面的距离h＝50mm；
[0080]
如图16所示，为本实施例的点阵结构光组件生成的点阵效果图，与图3对比可以看出，点阵结构光的位置和亮度分布均匀，如图17所示为本实施例的点阵强度剖线图，与图4对比可以看出，光强度分布较为均匀。
[0081]
实施例三
[0082]
如图18所示，为实施例三的点阵结构光组件的结构示意图。
[0083]
在本实施例中，t＝3p；与实施例一的区别在于，ds、d0、d1不同，光源间距ds＝40μm；第一微透镜阵列层20的周期d0＝38μm；第二微透镜阵列层30的周期d1＝12μm。
[0084]
在本实施例中，光源与第一微透镜阵列层20的距离h0＝0.5mm；第二微透镜阵列层30到接收面的距离h＝50mm；点阵结构光组件的整体厚度h＝0.5mm。
[0085]
如图19所示，为本实施例的点阵结构光组件生成的点阵效果图，与图3对比可以看出，点阵结构光的位置和亮度分布均匀，如图20所示为本实施例的点阵强度剖线图，与图4对比可以看出，光强度分布较为均匀。
[0086]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0087]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
[0088]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0089]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，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。