多模式照明模块和相关方法与流程

本公开涉及光学器件的领域，且特别是涉及用于照亮场景的模块且也涉及结构光的产生和图案化照明。它涉及相应的装置和方法。

术语的定义

“无源光学部件”：通过折射和/或衍射和/或(内部和/或外部)反射来使光改变方向的光学部件，例如透镜、棱镜、反射镜(平面或曲面)或光学系统，其中光学系统是可能也包括机械元件(例如孔径光阑、影像屏幕、保持架)的这样的光学部件的集合。

“光”：最通常地，电磁辐射；更特别地，电磁频谱的红外线、可见光或紫外线部分的电磁辐射。

照明模块可用于例如在下面的情况下照亮场景：基于响应于照明从场景返回的光，应确定到存在于场景中的物体的距离。对于距离确定的一些技术，可从照明模块发射结构光。

例如，在场景中由结构光创建的光图案使得能够根据它们与发射结构光的装置的距离来区分主体。游戏控制台例如可包括用于用结构光照亮场景的图案投影仪，其中存在玩家，而这样照亮的场景被成像并分析以便实现场景的3d映射，其也被称为深度映射。

结构光常常被称为编码光或图案化光，使得这些术语在当前的专利申请中可互换地被使用。当光被评估用于借助于三角测量技术来确定距离时，术语“结构光”最多地被使用。另一方面，当光被评估用于使用立体视觉来确定距离时，术语“图案化光”最多地被使用，其中光在这种情况下一般用于对比度增强。图案化光不一定意味着有规律的图案被产生或投影。例如，所产生或投影的光纹理可包括随机布置的特征或随机特征。

背景技术

下面简要讨论相关技术的一些例子。

us7,970,177b2例如描述用于基于使用衍射光学元件产生结构光来进行距离计算的装置。

us2012/038986a1描述使用衍射光学元件的图案投影仪。

us2010/118123a1描述用于映射包括照明组件的物体的装置，照明组件包括包含点的固定图案的单个透明物。其中，光源使用光辐射来透照单个透明物，以便将图案投影到物体上。

us2013/038941a1描述包括布置在衬底上的光源的矩阵的光学装置，在光源之间有预先确定的均匀间距。相同的均匀间距的微镜阵列布置成接近微镜阵列，以便使从光源发射的光准直并建立光束匀化器。

wo2014/083485a1描述用于将结构光图案投影到包括半导体激光器的几个阵列的场景上的激光设备。

us8320621描述用于在3d成像设备中使用的投影仪。投影仪包括由垂直腔表面发射激光器或vcsel阵列形成的光源。来自vcsel阵列的光穿过由多个透镜组成的准直微镜阵列被聚焦，每个vcsel有一个透镜。微镜阵列用于将来自vcsel阵列的光束聚焦和引导到doe。doe将光束形成为各种光图案中的任一个，其进而使3d成像成为可能。

技术实现要素：

在实例中，例如当照亮场景时产生两种不同类型的光分布可能是有利的。例如，两种不同类型的结构光可随后从照明模块发射。或在另一例子中，结构光和漫射光可以交替地从照明模块发射。

例如在第一模式中，照明模块发射第一光分布，而在第二模式中，照明模块发射不同于第一光分布的第二光分布。而且例如在第一模式中，基于具有第一光分布的光来确定到场景中的物体的距离，而在第二模式中，基于具有第二光分布的光来确定到场景中的物体的距离。或者在第二模式中为了另一目的而发射光。

本发明的一个版本的优点的例子是提供特别通用的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供在与光发射的方向平行的方向上特别薄的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供只需要特别小的数量的构成物的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可在离照明模块的特别大的范围的距离上提供良好的对比度的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可创建特别高的对比度图案的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可操作来产生特别高的强度的光的照明模块，特别是当相对于最初在照明模块内产生的光的强度被考虑时。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可产生相对简单的光图案的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可产生相对复杂的光图案的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可以以相对宽松的对准容限被制造的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供具有良好的可制造性的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供可以以相对高的产量被制造的照明模块。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供用于光学地确定距离的装置，其是特别通用的和/或特别薄的和/或显示或得益于上面提到的优点中的另一个或多个。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供用于光学地确定距离的装置，其可处理物体和/或场景的各种属性。

本发明的一个版本的优点的另一例子是提供用于照亮场景的方法，其是特别通用的和/或显示或得益于上面提到的优点中的另一个或多个。

另外的目的和各种优点从下面的描述和实施方式中浮现。

至少部分地在本公开中所述的装置和/或方法的一些实现中实现这些目的中的一个或多个。

当前的发明人发现，对于微镜阵列(mla)的镜间距p和mla到照亮mla的光源——我们想将其称为“照明单元”——的距离d的某些选择，在因而产生的结构光中的对比度特别强，其中该选择也取决于由照明单元发射的光的波长。因此，在那些特定的情况下，特别高的对比度的图案可投影到场景上。

发明人的发现显示由ernstlau在1948年发现的光学效应(lau效应)的一些类似。例如在由j.jahns和a.w.lohmann于1979年3月在“opticscommunications”(第28卷，第3号)中出版的标题为“thelaueffect(adiffractionexperimentwithincoherentillumination)”的论文中描述了lau效应。lau的原始实验装置包括照亮第一光栅的扩展白光源，具有与第一光栅相同的狭缝间隔的另一光栅存在于第一光栅后面，以及最后会聚透镜使离开第二光栅的光成像到观察平面内。lau能够对下面的方程被满足的情况观察到条纹图样：

z0＝nd²/2λ，(n＝1，2，3，4，...)其中

z0是在两个光栅之间的距离，d是光栅的光栅常数(狭缝间隔)，以及λ表示由光源发射的波长，即形成所观察的条纹图样的光的波长。

尽管有与本发明的明显差异，理解lau效应可在某种程度上帮助理解照明模块的运行和本发明的技术。

此外，但更确切地众所周知，光学效应是由henryfoxtalbot在1836年发现的被称为talbot效应(或“talbot自成像”)的在相干光学器件中的效应。在j.jahns和a.w.lohmann的上面提到的论文中也描述了talbot效应。虽然lau效应和talbot效应都可被考虑为与光栅的自成像有关，但它们至少在下面的方面中是不同的：talbot描述使用单色点光源(而非由lau使用的扩展白光源)以及lau将两个光栅前后放置，而talbot只使用单个光栅。

talbot发现在由单色光源照亮的光栅后面，干涉图样在平行于光栅被对准且在离光栅的特定距离处的平面中是可观察的。在光栅后面的那些特定距离是：

2d²/λ

以及其整数倍，其中d表示光栅的光栅常数以及λ表示单色光源的波长。

当前的发明人发现，如果照明单元的光源的孔在公共平面中，则可实现特别高的对比度，我们将公共平面成为发射平面。

当前的发明人还认识到，如果照明单元是周期性光源，则可实现特别高的对比度。

此外，发明人注意到，一些修改可应用于照明模块，其使借助于一个且同一个照明模块创建两个或更多个不同的光分布变得可能，例如其中这些不同光分布可具有强烈地不同的特征，例如一个可表示结构光，另一个可表示漫射光，或其中光分布是两个不同的高对比度结构光图样。

由发明人提出的相应照明模块可被描述为照明模块，例如用于发射光的照明模块，其至少在两个不同的模式中可操作。例如，它可至少在第一模式中和在第二模式中操作。在每个模式中，例如所发射的光可具有不同的光分布，例如不同的光强度分布，例如不同的角光强度分布。模块包括用于选择模块操作的模式之一的模式选择器并包括：

微镜阵列，其包括以镜间距p有规律地布置的多个透射或反射微镜；

照明单元，其用于照亮微镜阵列。

例如，照明模块可包括光学布置，其包括微镜阵列和照明单元。照明单元包括光源的第一阵列(lsa)，其每个可操作来发射第一波长l1的光且每个具有孔。孔位于公共发射平面中，公共发射平面位于离微镜阵列的距离d处。

在第一模式中，对于镜间距p、距离d和波长l1适用：

p²＝2·l1·d/n

其中n是整数，n≥1。

将镜间距p、距离d和波长l1相互连接的这个特殊条件的满足可在第一模式中操作照明模式时导致在所发射的光中的特别高的对比度。在第一模式中在这个条件下发射的光可以是结构光并分别提供图案化照明。

对于小的n，例如n≤8，特别是n≤5，距离d相对小，使得照明模块和/或包括在其中的光学布置可以相当薄。如由当前的发明人进一步发现的，可实现的对比度对于这样的低n明显非常高。在一些实验中，在1到4的范围内的n可提供非常高的对比度，特别是n＝2。

照明模块也可被考虑为用于产生图案化照明的模块。

照明模块也可用于照亮场景，且因此被考虑为用于照亮场景的模块。

在一些实施方式中，照明模块具有产生具有不同分布的光的能力，使得模块可在这些情况下也被考虑为用于可选择地产生具有(至少两个)不同的光分布的模块。

孔不需要与光源分离。例如对于半导体激光器，光被发射自的有源区域建立孔。

主要为了下面的原因而提到孔：通过它们，光发射的位置被限定，且因此它们使限定离mla的距离d变得可能。

在一些实施方式中，在第一模式中，每个光源布置成照亮多个微镜的相应子集，且每个子集包括多个邻近微镜，使得来自光源中的每个特定光源的光穿过在相应子集中的微镜中的不同微镜，以便产生干涉图样。

在一些实施方式中，模式选择器可操作来重复地、例如周期性地将照明模块的操作从第一模式切换到第二模式以及切换回来。

在一些实施方式中，模式选择器包括用于改变在空间中微镜阵列相对于照明单元的相对定向的致动器。因此，在第一模式中，mla和照明单元具有第一(相对)定向，而在第二模式中它们具有不同的第二(相对)定向。

在具有致动器的一些实施方式中，在第一模式中和第二模式中，照明单元用波长l1的光照亮mla。然而可选地，在第二模式中由照明单元发射不同波长l2的光也是可能的。

在具有致动器的一些实施方式中，光源的第一阵列(lsa)包括以间距q1(光源间距q1)有规律地布置的光源，间距q1等于微镜的镜间距p(p＝q1)。而且可假定，在第一模式中，间距p和q1都分别是沿着彼此平行的线定位的微镜和光源的距离，这可相应于lsa和mla的横向平行对准。

在一些实施方式中，致动器包括线圈，例如音圈。

在一些实施方式中，致动器包括压电元件。

分别通过线圈和压电元件，lsa可相对于mla移动。

在一些实施方式中，致动器是用于改变距离d的致动器。因此，例如在第二模式中，上面描绘的方程不适用(即，不被任何整数n满足)；或它在第一模式的情况下可由不同的整数n满足。

例如当上面描绘的方程在第二模式中不适用时，第二光分布的对比度可低于第一光分布的对比度。例如，虽然在第一模式中可能有在所发射的光中的显著的强度峰值，在第二模式中可以有更漫射的光分布。

例如，当改变距离d时，可假定在第一模式中和第二模式中，间距p和q1都分别是沿着彼此平行的线定位的微镜和光源的距离。这可相应于lsa和mla的横向平行对准。

在一些实施方式中，致动器是用于绕着垂直于公共发射平面的轴改变微镜阵列相对于光源的第一阵列的旋转定向的致动器。

可在实例中假定虽然在第一和第二模式中具有不同的旋转定向，上面的方程在第一和第二模式中都适用。而且仍然，虽然在第一模式中可能有在所发射的光中的显著的强度峰值，在第二模式中可以有更漫射的光分布。例如，光源的第一阵列(lsa)可包括以间距q1(光源间距q1)有规律地布置的光源，间距q1等于微镜的镜间距p，以及在第一模式中，间距p和q1都分别是沿着彼此平行的线定位的微镜和光源的距离(这可相应于lsa和mla的横向平行对准)；而在第二模式中，微镜和光源分别以间距p和q1被定位所分别沿着的线成一角度，例如形成至少5°或至少10°(可相应于lsa和mla的成角度的对准)的角度。在所发射的光中的对比度在第一模式中比在第二模式中高，因为mla和lsa的这样的横向平行对准可提供特别高的对比度，而在成角度的定向中，较低的对比度可以是可实现的。

在一些实施方式中，照明单元包括光源的第二阵列，光源的每个可操作来发射光且每个具有孔。而且模式选择器包括用于控制从光源的第一阵列发射的光的强度与从光源的第二阵列发射的光的强度之比的控制单元。

在具有光源的第二阵列的一些实施方式中，控制单元包括用于在第二模式中开启第二阵列的光源并在第一模式中关闭第二阵列的光源的开关单元。此外，可以可选地假定开关单元操作来在第一模式中开启第一阵列的光源并在第二模式中关闭第一阵列的光源。

因此，在一些实施方式中，在第一模式中仅用来自光源的第一阵列的光照亮mla，以及在第二模式中仅用来自光源的第二阵列的光照亮mla。

在具有光源的第二阵列的一些实施方式中，第二阵列的光源的孔可位于公共发射平面(其可相同于或不同于但可选地平行于光发射器的第一阵列中的光发射器的公共发射平面)中。

光源的第一和第二阵列可例如在以下的一个或多个方面不同：所发射的光的波长、相应光源的空间布置(例如它们的相应光源间距)。

在一些实施方式中，第二阵列的光源每个可操作来发射第二波长l2的光，其中第二波长l2不同于第一波长l1。

其中可假定光源的第二阵列中的光源的孔与光源的第一阵列中的光源的孔布置在同一公共发射平面中，即在离微镜阵列的距离d处。作为另一选项，可假定方程

p²＝2·l2·d/n

对任何整数n不适用，n≥1。因此在这种情况下，在所发射的光中的特别强的对比度的条件在第一模式中被满足但在第二模式中不被满足。

在具有光源的第二阵列的一些实施方式中，光源的第一阵列的光发射器以光源间距q1有规律地布置，其中可选地，p＝q1适用，以及其中微镜以间距p布置所沿着的轴平行对准于第一阵列的光源以间距q1布置所沿着的轴，以及其中光源的第二阵列的光发射器被：

无规律地布置；或

是下列情况中的至少一个：

以光源间距q2有规律地布置，其中p≠q2；

以光源间距q2(其可等于或不同于间距q1)有规律地布置，微镜以间距p布置所沿着的轴相对于第二阵列的光源以间距q2布置所沿着的轴成一角度(例如至少5°或至少10°)而对准。

在一些实施方式中，光源的第一和第二阵列占据一个且同一个空间。例如，光源的第一和第二阵列是光源的相互重叠的阵列。换句话说，光发射器的第一阵列中的光发射器和光发射器的第二阵列中的光发射器是散置的或交错的。

在具有光源的第二阵列的其它实施方式中，光源的第一阵列占据与由光源的第二阵列占据的空间不同的空间。例如，光源的第二阵列布置在光源的第一阵列旁边(在一段距离处；或彼此邻接)。

在第二模式中，在所发射的光中的对比度可以比在第一模式中更低。

在一些实施方式中，在第二模式中的光分布比在第一模式中的光分布更漫射。

光源的第一阵列和光源的第二阵列(如果存在)的发射平面可平行于微镜阵列而对准。

波长l1是由第一阵列的光源发射的光的波长。在光源是激光器的情况下，它简单地是所发射的激光辐射的(中等)波长。在光源发射波长的混合的情况下，波长l1可实际上是任何所发射的波长。但在任何情况下，对那些上面引用的方程被满足的波长l1，存在特别好的对比度，而其它波长叠加由波长l1创建的图样，这通常导致在波长l1处的图样的模糊。

因此，波长l1将一般是在相应的光源的波长频谱中的峰值波长。

波长l1可以特别是在不可见光范围内，例如在红外光范围内。

一般地，多个微镜的所有微镜是同种微镜。

镜间距p可以在5μm和250μm之间，例如在10μm和150μm之间。

在一些实施方式中，光源的第一阵列中的所有光源是同种光源。

在一些实施方式中，光源的第二阵列中的所有光源是同种光源。

如上所述，微镜可以是透射的或反射的。

透射镜对从照明单元发射的光的至少一部分是透明的；因此，从照明单元发射的光可至少部分地通过微镜传播。透射微镜可以是衍射和/或折射微镜。例如，透射微镜可以是绝热微镜或其它混合镜。

反射微镜反射从照明单元发射的光的至少一部分。它们也可被理解为结构化(并且因而非平坦的)微反射镜，例如曲面微反射镜。在反射微镜的情况下，微镜阵列(mla)可因此被考虑为微反射镜阵列。然而，微镜/微反射镜通常不是单独可移动的，且一般在相对于微镜/微反射镜阵列的其余部分的固定位置上。每个反射微镜可具有平滑和弯曲的表面(像折射透镜一样)和/或可被构造有衍射结构(像透明衍射透镜一样)。

在一些实施方式中，微镜是透射折射微镜。

在一些实施方式中，微镜是聚光透镜(会聚透镜)，例如凸透镜。

在一些实施方式中，微镜是散光透镜，例如凹透镜。

微镜的镜孔可以是圆形的，但也可以是(非圆形地)椭圆的。而且多边形镜孔或又一些其它镜孔几何形状也是可能的，例如矩形，特别是正方形孔、六边形孔或其它等等。通过选择适当的镜孔几何形状，可优化(最大化)由mla透射和反射的光的百分比以最终贡献所产生的发射光。

在第一模式中结构光起源于由从微镜中的不同微镜传播的光的干涉创建的干涉图样的事实使所发射的光的对比度在离mla的宽范围的距离上(例如在整个远场中)保持基本恒定变得可能，远场至少是从例如5cm或10cm到无限远。本文所述的照明模块不需要用于实现图案化照明的图案化载波片。而且也可免除成像透镜(或甚至多透镜成像系统)。

微镜、即它们的形状界定照明模块和/或光学布置的视场，即(结构)光被照明模块和/或被光学布置(影响从所采用的光学部件发射的光的路径的额外的光学部件不存在)(主要地)发射的角范围。

因此，对于各种应用，假定微镜作为非球面镜可能是有利的。例如，可构造用于创建结构光的矩形包络的微镜。例如，微镜可具有沿着垂直于微镜的光轴的第一轴的焦距f1，其小于沿着垂直于微镜的光轴并垂直于第一轴的第二轴的焦距f2。

一般地，mla是二维mla。但在一些实施方式中，mla是一维mla。在后一情况下，微镜沿着线布置；圆柱形镜在这种情况下可以是特别适当的。

在二维mla的情况下，可以有两个镜间距，其可不同于彼此，即对两个不同方向中的每个有一个间距。在矩形镜布置的情况下，这两个方向是相互垂直的，且对于六边形布置，方向围绕60°的角度。然而在具有二维mla的一些实施方式中，那两个镜间距是相同的。

在一些实施方式中，光源的第一阵列(lsa)包括以间距q1(光源间距q1)有规律地布置的光源。

光源间距q1一般在5μm和250μm之间，更特别地在10μm和150μm之间。

在一些实施方式中，光源的第二阵列包括以间距q2(光源间距q2)有规律地布置的光源。

光源间距q2一般在5μm和250μm之间，更特别地在10μm和150μm之间。

在一些实施方式中，lsa是二维lsa。但在其它实施方式中，lsa是一维lsa。在后一情况下，光源沿着线布置。

在一些实施方式中，光源的第二阵列是光源的二维阵列。但在其它实施方式中，光源的第二阵列是光源的一维阵列。在后一情况下，光源沿着线布置。

在一些实施方式中，lsa的光源布置在公共板形衬底上，其中光源的发射方向(以及因而光轴)垂直于由衬底描述的板。

在一些实施方式中，光源的第二阵列中的光源布置在公共板形衬底上，其中光源的发射方向(以及因而光轴)垂直于由衬底描述的板。

可选地，光源的第一阵列中的光源和第二阵列中的光源布置在一个且同一公共板形衬底上。

实际上，可独立于镜间距p来选择间距q1(以及可选地还有间距q2)。然而，在两个间距p和q1(以及q2，分别地)都是分别沿着彼此平行的线定位的微镜和光源的距离的情况下，发现如果p＝q1(p＝q2，分别地)适用，可实现在第一模式中(以及在第二模式中，分别地)发射的光中的特别高的对比度。

在pp＝qq1的情况下良好的对比度也是可得到的，p和q是没有公因数的至少为1的整数(p≥1，q≥1)。发明人确定在这种情况下，可在第一模式中产生照明图样，其具有增加的复杂度，特别是放大和更复杂的单位单元(相对于p＝q1的情况)。

然而，p和q的相对高的值倾向于导致在结构光中的降低的对比度，使得p≤8和q≤8常常是有利的。

这类似地也适用于光源的第二阵列和q2。

在一些实施方式中，mla的微镜布置在矩形栅格上或甚至在正方形栅格上，但其它几何形状也是可能的，例如六边形周期性布置。

在一些实施方式中，lsa的光源布置在矩形栅格上或甚至在正方形栅格上，但其它几何形状也是可能的，例如六边形周期性布置。同理可适用于光源的第二阵列。

发明人发现，都具有平行于彼此对准的相同几何形状的规则布置的mla和lsa的提供可使在第一模式中实现特别高的对比度变得可能，例如mla和sla的相同高宽比的矩形布置的提供、mla和lsa的矩形的相应侧平行于彼此对准。

类似地，微镜阵列和光源的第一阵列的相互平行地布置的六边形(或其它)几何形状倾向于在第一模式中提供增加的对比度。

特别是，对于pp＝qq1(整数p、q没有公因数)的上面提到的情况，可得到具有大单位单元和大周期性的有用的照明图样。类似地，同理适用于有沿着不同轴的镜的两个潜在地不同的间距(p1、p2)和沿着不同轴的光源的两个潜在地不同的间距(q1、q2)的情况，至少如果假定p1p1＝qlql和p2p2＝q2q2，p1、q1没有公因数以及p2、q2没有公因数；以及其中作为另一选项，镜具有间距p1所沿着的轴平行对准于光源具有间距q1所沿着的轴，以及其中镜具有间距p2所沿着的轴平行对准于光源具有间距q2所沿着的轴。

发明人确定，在第一模式中在所发射的光中的潜在的(即可能的)光强度最大值的位置由mla的周期性(或多个周期性)确定，而lsa的周期性(或多个周期性)可用于调节在所发射的光中的潜在光强度最大值的所述位置处的相对强度。

在一些实施方式中，照明单元可操作来在第一模式中发射在空间上不相干的光。可选地，照明单元在第一模式中发射在空间上相干的光也是可能的。

例如，第一阵列的光源可以是彼此分离(以及一起在第一模式中产生在空间上不相干的光)的光发生器，与例如如下方式相反：仅仅一个光发生器例如一个激光器加上光栅的提供，激光器照亮光栅以及通过光栅的狭缝发射的光构成光源(这导致在空间上相干的光从照明单元发射)。

上文也可类似地适用于光源的第二阵列和第二模式。

在一些实施方式中，照明单元包括vcsel、即垂直腔表面发射激光器的阵列。vcsel的阵列可使得以非常高的强度发射在空间上不相干的光变得可能。特别是，可假定照明单元是vcsel的阵列和/或光源的第一阵列。

作为光发射器的vcsel的提供可使照明模块的如下设计变得可能：照明模块在垂直方向上、即沿着光轴、沿着发射方向尺寸非常小。而且使用vcsel也比使用边缘发射激光器更容易实现小的光源间距。

在一些实施方式中，vcsel的阵列中的vssel的发射方向平行于mla的光轴。

在一些实施方式中，在第一模式中和/或在第二模式中从照明单元发射的光是在时间上调制的光。例如对于一些距离确定技术，从具有随着时间而改变的强度(例如在零和非零值之间周期性地改变的强度)的照明模块发射光可能是有用的。

在一些实施方式中，在照明单元和mla之间的光路没有额外的光学元件，至少没有具有光功率的光学元件。

在一些实施方式中，用于确定距离d的在mla处的参考平面被称为镜平面，其中镜平面包括微镜的外围点。在不是微镜的所有外围点都在同一平面中的情况下，镜平面被定义为包括微镜的外围点的最远离照明单元的那个平面。

实际上，距离d可以比微镜的垂直延伸范围(沿着光轴的延伸范围)大得多，该延伸范围足够精确以将镜平面定义为微镜所位于的平面。

可在垂直于mla的方向上确定距离d，该方向特别是也可以是垂直于上面提到的发射平面的方向。这可以是当在上面的方程中被使用的距离d与在孔(发射平面)和mla之间的几何距离相同的情况。换句话说，当光的光路长度与在孔和mla之间的直接笔直线连接的长度重合时。然而，情况不一定是这样。如下面将进一步解释的，存在光路长度(其用作在上面的方程中的距离d)与其不同的实施方式。

在一些实施方式中，每个光源被构造和布置成照亮所述多个微镜的子集，子集包括多个邻近的微镜。这样，可确保来自第一光源中的单个光源的光导致从微镜中的几个(不同)微镜传播的光，使得干涉图样至少在第一模式中发展。例如，每个微镜可由光源的第一阵列(和可选地还有光源的第二阵列)中的至少两个或更确切地至少10个光源照亮。

而且此外，可假定由光源的邻近光源照亮的微镜的子集是重叠的，即由第一光源照亮的微镜的子集和由邻近第一光源的第二光源照亮的微镜的子集具有至少一个共同的微镜。在从邻近光源发射的光的mla上的这样的重叠可以——特别是当激光器例如vcsel用作光源时——减少或甚至消除例如在由在第一模式中(以及可选地也在第二模式中)发射的光所产生的图样中的散斑信息。

在一些实施方式中，每个光源(至少第一阵列的光源)具有至少5°或更确切地至少10°平均开度角的发射锥(“平均”是针对发射锥不是旋转对称的情况)。

也可能在第一模式中和可选地也在第二模式中例如通过假设照明模块(和/或光学布置)包括额外光学部件来产生所发射的光，其产生更复杂的图样。这样的额外光学部件可包括例如至少一个棱镜。额外光学部件可以是例如无源光学部件的阵列，例如棱镜阵列。

额外光学部件可包括例如衍射光学部件。在实例中，衍射光学部件可被构造和布置成从离开微镜阵列的每个进入的光线创建至少两个外发光线。

在一些实施方式中，mla(在光路上)布置在lsa和额外光学部件之间。

所描述的成像模块也可被考虑为用于将光图样投影到视场内(或场景内)的图样投影仪或结构光投影仪或光学投影系统或光学装置。

描述了包括光源的至少一个(第一)阵列的照明模块，但也可能操作只包括25个单光源的照明模块。例如，照明模块可以是在至少两个不同的模式中可操作(其中在每个模式，所发射的光具有不同的光分布)的照明模块(例如用于发射光的照明模块)。且照明模块包括：

微镜阵列，其包括以镜间距p有规律地布置的多个透射或反射微镜；

照明单元，其用于照亮微镜阵列；以及

模式选择器，其用于选择模块在哪个模式中操作。

在实例中，微镜阵列和照明单元可被包括在光学布置中，光学布置被包括在照明模块中。

而且照明单元包括仅仅单个光源，其用于发射第一波长l1的光并具有位于离微镜阵列一段距离d处的孔，其中在第一模式中，

p²＝2·l1·d/n

以及其中n是整数，n≥1。

mla可以是在本公开中所述的任何mla，且另外的mla也可被包括。

可能有由仅仅单个光源照亮的mla。

光源可以特征在于具有仅仅单个孔(光通过该孔被发射)。

孔可位于发射平面(离其的距离d被确定)中。

光源可构造和布置成照亮一系列微镜。该系列可以是子集或可包括mla的所有微镜。

在一些实施方式中，光源布置成照亮包括多个邻近的微镜的一系列多个微镜，使得来自光源的光穿过微镜中的不同微镜，以便产生干涉图样。

结构光可起源于干涉图样。

在一些实施方式中，光源是激光器。

在一些实施方式中，光源是垂直腔表面发射激光器。

在一些实施方式中，光源是led。

在一些实施方式中，光源是超辐射发光二极管。

上面的例子对应于如下实现，其中光从孔传播到mla所沿着的光路的光路长度与从孔到mla的几何距离相同。然而，如在上面已经声明的，情况不一定是这样。在一些实现中，所述几何距离不同于光路长度；以及通常在上面的方程中使用的距离d是所述光路长度。

例如在一些实施方式中，具有不同于1的折射率的一些材料可沿着光路存在。和/或光从孔传播到mla所沿着的光路可以是折叠光路。

因此，我们发现在至少两个不同的模式中可操作的照明模块(其可以是例如用于发射光的照明模块)。例如在每个模式中，所发射的光具有不同的光分布。该模块包括：

微镜阵列，其包括以镜间距p有规律地布置的多个透射或反射微镜；

照明单元，其用于照亮微镜阵列；以及

模式选择器，其用于选择模块在哪个模式中操作。

在实例中，微镜阵列和照明单元可被包括在光学布置中，光学布置被包括在照明模块中。

照明单元包括一个或多个光源，其每个可操作来发射第一波长l1的光且每个具有孔，其中对于一个或多个光源中的每个，从相应的光源发射的光的从相应的孔到微镜的光路长度等于一个且同一个距离d，其中在模式中的第一个中，

p²＝2·l1·d/n

以及其中n是整数，n≥1。

在一些实施方式中，从一个或多个光源中的每一个发射的光沿着光路从相应的孔传播到微镜阵列，其中光路的至少一部分穿过具有不同于1的折射率的材料延伸。例如光可穿过材料的块。这样，光路长度可相对于光行进所沿着的路径的几何长度而不同。

在一些实施方式中，照明单元包括至少一个反射元件，并且从一个或多个光源中的每个发射的光沿着光路从相应的孔传播到微镜阵列，其中沿着光路光由至少一个反射元件反射至少一次。例如，一个或多个反射镜可被包括在照明单元中，其反射沿着光路传播的光。这样，例如可能实现大的光路长度(以及因而在上面的方程中可插入的大距离d)，甚至在mla和光源孔之间的小几何距离处。

当然，一个或多个光源可包括光源的阵列。

上面对光路长度与几何距离相同的情况所述的各种实施方式和特征当然也可应用于这两个幅度彼此不同的情况。

本发明可包括用于光学地确定距离的装置。那个装置包括如在本文所述的照明模块。

在一些实施方式中，装置还包括用于检测从由发射自照明模块的光照亮的场景反射的光的图像传感器。

在一些实施方式中，装置可操作来以至少两种不同的方式(例如使用用于确定距离的至少两种不同的技术)来确定距离，其中技术可以是光学技术。这些技术可包括例如三角测量、图样识别、飞行时间测量、立体视觉技术中的一个或多个。

例如，用于确定距离的第一种技术应用于从由从在第一模式中从照明模块发射的光照亮的场景反射的光得到的数据，而用于确定距离的第二种(不同的)技术应用于从由从在第二模式中从照明模块发射的光照亮的场景反射的光得到的数据。在这两种情况下，数据可由装置的图像传感器得到。可选地，可借助于装置的另一传感器在第一和/或第二模式中得到数据。

本发明可包括用于照亮场景的方法，其包括：

用从在第一模式中操作的照明模块发射的光照亮场景；

将照明模块的操作从第一模式改变到第二模式以随后用从在第二模式中操作的照明模块发射的光照亮场景。

将操作从一个模式改变到另一个可例如由模块的模式选择器实现，对细节参照上文。

例如在每个模式中，所发射的光可具有不同的光分布。

在该方法中，照明模块可包括(例如在光学布置中)：

微镜阵列，其包括以镜间距p有规律地布置的多个透射或反射微镜；

照明单元，其用于照亮微镜阵列，照明单元包括光源的第一阵列，每个光源具有孔。

在第一模式中，

孔位于公共发射平面中，公共发射平面位于离微镜阵列一段距离d处；

光源的第一阵列中的光源每个被操作来发射第一波长l1的光并照亮微镜阵列；以及

对于镜间距p，距离d和波长l1适用：

p²＝2·l1·d/n

以及其中n是整数，n≥1。

照明模块可以是在前面的专利申请中所述的照明模块。

在一些实施方式中，该方法包括重复地、例如周期性地从一个模式到另一模式、例如在第一和第二模式之间来回改变。

在一些实施方式中，将照明模块的操作从第一模式改变到第二模式包括改变在空间中的微镜阵列相对于照明单元的相对定向。

在一些实施方式中，照明单元此外包括光源的第二阵列，其每个可操作来发射光，其中在第二模式中，光源的第二阵列中的光源操作来照亮微镜阵列。

可从所述的照明模块实施方式推断出另外的方法实施方式。

附图说明

下面，借助于例子和所包括的附图更详细描述了本发明。附图示意性示出：

图1是在侧视图中的照明模块的图示；

图2是由在第一操作模式中从图1的照明模块发射的光创建的图样的图示；

图2a是沿着在图2的图样中的线的强度分布的强烈图式化的图示；

图2b是沿着在与图2的图样类似的图样中的线但在第二操作模式中的强度分布的强烈图式化的图示；

图3是示出在对不同的数量n1得到的图样中的对比度的曲线图；

图4是在侧视图中的按比例的照明模块的图示；

图5a是在侧视图中的在第一模式中的包括用于改变在mla和lsa之间的距离的致动器的照明模块的图示；

图5b是在侧视图中的在第二模式中的照明模块的图示；

图6a是在顶视图中的在第一模式中的包括用于(横向地)相对于lsa旋转mla的致动器的照明模块的图示；

图6b是在顶视图中的在第二模式中的图6a的照明模块的图示；

图7a是在包括光源的两个阵列的照明模块的细节的顶视图中的图示，其中光源不同地被布置，其中阵列在彼此旁边；

图7b是在包括光源的两个阵列的照明模块的细节的顶视图中的图示，其中光源不同地被布置，其中阵列彼此重叠；

图8a是在包括发射不同波长的光的光源的两个阵列的照明模块的细节的顶视图中的图示，其中阵列在彼此旁边；

图8b是在包括发射不同波长的光的光源的两个阵列的照明模块的细节的顶视图中的图示，其中阵列彼此重叠；

图9是在侧视图中的具有光源的两个阵列并具有额外的光学部件的照明模块的图示；

图10是在侧视图中的用于光学地确定距离的装置的图示。

具体实施方式

所述实施方式意在作为例子或用于澄清本发明且不应限制本发明。

图1示出在侧视图中的用于发射光5的照明模块的示意性图示。同时，图1示出用于产生光5的光学布置的示意性图示。光5可以是结构光。

模块(以及光学布置)包括微镜阵列ll1(mlall1)，其包括以间距p1有规律地布置的多个微镜2。在所示例子中，微镜2是同种微镜。模块还包括照明单元，mlall1借助于该照明单元被照亮。照明单元包括光源的阵列s1(lsas1)。lsas1包括以间距q1有规律地布置的多个光源1。在所示例子中，光源1是同种光源。从光源1发射的光可在光路上行进到mlall1，其没有具有光功率的任何介入表面。

模块还包括模式选择器10，借助于模式选择器，可选择模块在两个或更多个操作模式中的哪个中操作，其中所发射的光5的光强度分布在不同模式中是不同的。

在图1所示情况中且也在其它附图中，微镜2是透明折射半凹微镜。然而微镜2可以可选地是凹微镜或凸微镜或半凸微镜。而且它们可此外可选地是衍射微镜或衍射与折射微镜，后者也被称为混合微镜。而且微镜2也可以是反射微镜。在后一情况下，微镜的结构化表面反射射到它上的光。

在图1的所示情况中且也在其它附图中，仅示出少量微镜2。然而实际上，可提供多得多的微镜，且同理也适用于绘制出的相对小数量的所示光源。

lsas1可以例如是vcsel的阵列，使得每个光源1是vcsel。

光源1每个将波长l1的光(未在附图中指示)发射到发射锥内，如在图1中指示的，其中锥可具有圆形横截面，但不必须具有圆形横截面。锥的开度角一般在2°和120°之间或更确切地在5°和25°之间，例如大约10°。发射锥并非没有重叠，如可在图1中看到的(虚线)。发射锥重叠，一般地至少对于紧邻的光源1，且可选地更确切地，每个微镜2由至少6个光源1照亮。

光源1可例如发射红外光。

每个光源1照亮微镜2中的几个。例如，至少两个例如四个或更多个例如至少20个微镜2中的子集由每个光源1照亮。

这样，在从特定的光源1发射但穿过微镜2中的不同微镜的光之间的干涉可干涉，以便产生干涉图样。从光源1中的另一个发射的光以相同的方式产生相同的干涉图样，使得在远场中，例如在与mlall1交互作用之后的2cm之外或5cm之外，所有干涉图样叠加。这样，所发射的光5产生高强度干涉图样，其可用于照亮场景或被捕获在屏幕上。

所述类型的模块的制造由于下面的事实而被简化：不需要mlall1和lsas1的精确横向对准来产生高对比度的照明图样。x-y容限(在平行于mla平面/发射平面的平面中的偏移)非常高；z容限(与在mla和照明单元之间的距离有关)不是非常精细的；以及此外旋转对准要求不是非常高。

在lsas1(以及更特别地，分别光源1及其相应的孔)和mlall1(以及更特别地微镜2)之间的距离被称为d1(至少在第一操作模式中)。

图2是由图1的模块例如在第一模式中产生的光5所创建的图样8的示意性图示。图样8在远场中被记录。暗点指示高光强度的位置，而白区域指示低光强度的区。

发现对于间距p1、波长l1和距离d1的特定选择，存在于这样的图样中的对比度特别高，而对于其它距离，只有低得多的对比度存在于所创建的图样中。

需要决定的幅度p1、l1和d1被相互连接以便得到三元组p1、l1、d1(对其的在图样8中的特别鲜明的对比度被得到)的公式如下读作：

(p1)²＝2*(l1)*(d1)/(n1)。

其中，n1表示至少为1的整数。即，对于n1＝1或2或3或4…，可选择满足上面的方程的三元组p1、l1、d1，且因此确定用于高对比度图样产生的照明模块的参数。

在第一操作模式中，模块操作来满足方程且因此产生高对比度光分布以及因而高对比度光图样。

在第二操作模式中，产生也可满足上面的方程或可选地不满足该方程的另一光分布。

例如，所发射的光5比在第二模式中发射的光5的光分布展示更高的对比度和/或更不漫射。

图2a和2b中的每个非常示意性地示出沿着线的强度分布，其中强度在y轴上以及空间坐标沿着x轴延伸。

图2a非常示意性地示出沿着图2所示的图样的线的强度分布，该线穿过图2的光图样的强度最大值延伸。在第一模式中的操作期间，在这种情况下，上面的方程被满足，p1＝q1适用，lsas1被对准为平行于mlall1(即，由mlall1界定的平面被对准为平行于由lsas1界定的平面)，以及lsas1和mlall1也平行于彼此而横向地对准，即间距p1和q1都分别是沿着彼此平行的线定位的微镜和光源的距离。所产生的光图样的对比度很高(在低背景上的明显的强度最大值)。

在第二模式中，沿着与图2所示的图样的线类似的图样的线的强度分布可能看起来像在图2b中所示的。扰乱上面的方程和/或使用光源1的不同布置可导致(明显)更小的对比度。

下面将进一步讨论实现可在至少两个模式中发射至少两个不同的光分布的照明模块的一些方式。

图3示出在对被分配到水平轴的不同的数量n1得到的来自所发射的光5的图样8中的对比度的曲线图，其中在图3的曲线图中，n1是连续正数。沿着垂直轴，指示在光图样8中得到的对比度的幅度被示出。

如从图3中明显的(参照小箭头)，如果n1是整数，存在特别高的对比度。n1＝2预示最高对比度，且在n1是1或3或4的情况下，非常高的对比度图样也被得到。对于较高的整数n1，仍然得到高对比度，其显然高于对在之间的非整数数字的对比度。然而，也可针对非整数因子而不是整数n(例如针对0.5或1.5)产生照明图样。

如果给出(固定的)p1和l1，n1＝1导致d1的小值，使得光学布置以及因而还有照明模块可以相当薄，即在光发射的方向上小。参照上面的方程。

如可从图3和上面描绘的方程中推断出的，在峰值(具有整数n1且方程被满足)之一处开始的距离d1的逐渐变化可导致在发射光分布中的逐渐减小的对比度。并且类似地，在峰值(具有整数n1且方程被满足)之一处开始的波长l1的逐渐变化可导致在发射光分布中的逐渐减小的对比度

图4是照明单元的按比例的和在侧视图中的图示。图4示出例如对于nl＝2和l1＝833nm的p1＝ql＝50μm的情况。远场——其中图样8可被观察和记录——太远离而不能在图4中示出。

lsas1不一定但可以是规则阵列。而且发现，当mlall1和lsas1是同一几何形状的相互平行的阵列时，可得到特别高的对比度图样，其中p1＝ql适用。而且如果pl/ql等于2或3或4或3/2或4/3或5/2或5/4或如果ql/pl等于2或3或4或3/2或4/3或5/2或5/4，仍然可实现非常高的对比度图样。事实上，对于plpl＝qlql(p1≥1且q1≥1，p1和q1表示整数)，可产生具有增加的复杂度的照明图样，特别是具有较大的单位单元的照明图样，以及其中与情况p1＝ql比较，较大的单位单元以更大的周期性重复。

mlall1和/或lsas1可以是一维(即线性)阵列，但对于很多应用，mlall1和/或lsas1是二维(即空中)阵列。

图5a和5b是包括用于改变在mlall1和lsas1之间的距离的致动器的照明模块的图示(在侧视图中)，致动器可构成模式选择器10或可被包括在模式选择器10中。致动器可包括例如用于实现所述距离例如重复地从在第一模式中的值d1(参照图5a)到在第二模式中的值d2(参照图5b)以及可选地还回到d1的变化的压电元件或线圈。

例如，在第一模式中，可满足上面提到的方程，导致高对比度图样，而在第二模式中，可以不满足方程(用d2代替d1)，即不存在整数n1，使得方程将适用；以及因此从照明模块发射的光可具有较低的对比度。

图6a和6b是包括用于绕着垂直轴、即绕着垂直于公共发射平面(光源从该公共发射平面发射光)的轴改变mlall1相对于lsas1的旋转定向的致动器的照明模块的图示(在顶视图中)。在图6a、6b中，微镜由大空心圆圈象征，以及光源由小黑色圆圈象征。

致动器可构成模式选择器10或可被包括在模式选择器10中。致动器可包括例如用于实现mlall1相对于lsas1的旋转的压电元件或线圈，使得当从第一模式切换到第二模式和反过来时mlall1和lsas1的相对旋转定向由模式选择器改变。同样也在所有其它实施方式中，在这里模式选择器也可操作来重复地、例如周期性地在不同模式之间例如在第一和第二模式之间改变，其中第三模式和又一些另外的模式可被安排。

例如，在第一模式中，mlall1和lsas1可具有横向平行的相互布置(像在图6a中所示的一样)，而在第二模式中，mlall1和lsas1可具有横向成角度的相互布置(像在图6b中所示的一样)。

其中可能在这两个模式——第一模式和第二模式——中，上面提到的方程被满足。然而可选地，方程在第一模式中被满足，但不在第二模式中被满足。

在第一模式(图6a)中的布置可导致高对比度图样，而在第二模式(图6b)中，所发射的光可以更漫射，具有更小的对比度和/或可产生更复杂的图样。

图7a和7b是包括光源的两个阵列s1、s2的照明模块的每个的细节在顶视图中的图示，其中光源不同地被布置。在光源的阵列s1中，光源(由小黑色圆圈象征)周期性地、甚至在二维上周期性地被布置，光源位于正方形栅格中。在光源的阵列s2中，光源(由小空心正方形象征)不周期性地布置(且也不有规律地布置)，但例如随机地分布，如所示。阵列s1、s2的光源都布置成使得它们可照亮微镜阵列(未示出，但与在图1和4中的类似)。

在图7a中，阵列在彼此旁边。然而在图7b中，阵列彼此重叠，使得第一阵列s1的光源和第二阵列s2的光源散布或交错。这也可被考虑为光源的相互叠加的阵列。

在这两种情况(图7a和图7b)中，操作模式选择器10，使得在第一模式中微镜阵列只由lsas1照亮，而在第二模式中微镜阵列只由lsas2照亮，其中也可能在第二模式中微镜阵列由微镜阵列s1和s2照亮。不是仅开启和关闭光源，模式选择器10可以用分级方式控制发射光强度。

在第一模式和可选地也在第二模式中，上面所述的方程可被满足。

由第一阵列s11发射的光的波长可与由第二阵列s2发射的光的波长相同或可选地不同。

第一阵列s1的发射平面可与第二阵列s2的发射平面相同或可选地不同。

图8a和8b是包括光源的两个阵列s1、s2的照明模块的每个的细节在顶视图中的图示，其中由lsas1的光源发射的光的波长不同于由lsas2的光源发射的光的波长。

两个阵列s1、s2的光源布置成使得它们可照亮微镜阵列(未示出，但与图1和4类似)。然而在光源的阵列s1中，光源(由小黑色圆圈象征)发射在未由阵列s2(由空心圆圈象征)的光源发射的波长处的光。

在阵列之一中或在这两个阵列s1、s2中，相应的光源可周期性地、甚至在二维上周期性地被布置，光源位于例如正方形栅格上，如在图8a、8b中所示的。

在图8a中，阵列s1、s2在彼此旁边。然而在图8b中，阵列彼此重叠，使得第一阵列s1的光源和第二阵列s2的光源散布或交错。这也可被考虑为光源的相互叠加的阵列。

在这两种情况(图8a和图8b)中，操作模式选择器10，使得在第一模式中微镜阵列只由lsas1照亮，而在第二模式中微镜阵列只由lsas2照亮，其中也可能在第二模式中微镜阵列由微镜阵列s1和s2照亮。不是仅开启和关闭光源，模式选择器10可以用分级方式控制发射光强度。

在第一模式和可选地也在第二模式中，上面所述的方程可被满足。

第一阵列s1的发射平面可与第二阵列s2的发射平面相同或可选地不同。

在光源的阵列s1中，光源可(如图8a、8b所示)周期性地、甚至在二维上周期性地被布置，光源位于正方形栅格中。在光源的阵列s2中，光源可像在阵列s1中一样布置(如图8a、8b所示)，但也可假定在阵列s1、s2中的一个或两个中的光源以不同的方式布置。

图9是在侧视图中的具有光源的两个阵列s1、s2并具有可选的额外光学部件3的照明模块的图示。额外部件可以是例如包括多个棱镜4的棱镜阵列。

来自mlall1的光由额外光学部件3改变方向。

微镜阵列mlall1布置在照明单元和额外光学部件之间且因此在lsas1、s2和额外光学部件之间。

图9可以是例如图8a示出细节的照明单元的侧视图。

图10是用于光学地确定距离的在侧视图中和强烈地图式化的装置200的图示。装置200可用于基于照亮在场景中的物体例如物体50a、50b并评估反射光进行光学测距，以便确定距离。

装置200包括照明模块20——其可以是如前面在本文所述的照明模块——和用于检测从照明模块发射并从所照亮的场景中的物体反射的光的光传感器30。传感器30可以是图像传感器。装置200可此外包括用于控制和/或读出传感器30和/或用于控制照明模块20的控制器50，和/或控制器可用于基于由传感器30得到的数据来确定距离。装置200可以可选地包括光学系统40，例如一个或多个透镜。

在模块20的第一操作模式中从照明模块20发射的光被表示为5a，其中在图10中，只绘出一个示例性光线；以及在模块20的第二操作模式中从照明模块20发射的光被表示为5b，其中在图10中，只绘出一个示例性光线。

在至少两个不同的模式——其中不同光分布的光被发射——中照明模块20的上面解释的操作可促成覆盖可由装置200确定的较大范围的距离和/或可促成覆盖物体50a、50b的较宽范围的纹理。

其它实现方式在权利要求的范围内。