[发明专利]一种直下式光学投射系统及光学投射方法

说明书

本发明公开了一种直下式光学投射系统，其包括：光源模组，其被设置为发射准直光束；复眼透镜，其被设置为：准直光束从复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光；远心投射镜组，从复眼透镜射出的光线射入并穿过远心投射镜组，从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。此外，本发明还公开了一种光学投射方法，其包括步骤：发射准直光束；使准直光束自复眼透镜的第一表面射入，从复眼透镜的第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在焦平面上形成点阵光；使从复眼透镜射出的光线射入并穿过远心投射镜组，以使从远心投射镜组射出的光线在成像面上形成散斑或面阵。

技术领域

本发明涉及一种光学设备及使用方法，尤其涉及一种光学投射系统及光学投射方法。

背景技术

3D深度视觉作为一个崭新的技术，已经出现在手机、体感游戏、支付等消费级产品中，并且逐步渗透到安防、自动驾驶等新的领域。随着硬件端技术的不断进步，算法与软件层面的不断优化，3D深度视觉的精度和实用性得到大幅提升。

在现有技术中，3D深度视觉主要使用的方案有双目立体视觉、3D结构光和TOF方案。其中，双目立体视觉一般采用双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。3D结构光的原理是发射衍射光斑到物体上，传感器接收发生形变的光斑，从而根据光斑形变的量来判断深度信息。3D结构光具有较高的精度，适用于近距离的信息采集，如人脸识别、人脸支付等功能。TOF方案则是通过向被测目标连续发送光信号，然后传感器接收返回的光信号，再通过计算一系列光信号的飞行时间来得到被测目标的距离。

在上述3D深度视觉采用的方案中，双目立体视觉虽然不需要发射端，但其存在不适用于暗环境的缺点。而3D结构光与TOF方案则都需要发射端来向被测物体上投射光线。

现有技术中的投射装置多采用基于垂直腔半导体激光器(以下简称VCSEL)提供准直光源，然后通过衍射光学元件(以下简称DOE)来实现光斑投射。然而，这种投射装置存在以下缺点：

(1)VCSEL+DOE的投射系统投射的光斑不稳定。VCSEL热阻较大，在高功率驱动时，主波长随温度变化漂移幅度较大，同时DOE的光学设计又与波长紧密相关，因此波长的大幅度漂移，容易导致匹配问题影响投射光斑的稳定性。

(2)VCSEL+DOE的投射系统无法满足更高探测精度对点阵数量的需求。由于VCSEL的准直度以及DOE的元件工艺精度限制，目前只能实现数万个点的投射，这就无法适应对更高的探测精度对点阵数量的需求。

(3)VCSEL+DOE的投射系统容易发生光生物安全问题。VCSEL+DOE投射系统采用直下式光路，依靠DOE器件表面的纹理直接形成散斑。而在实际应用中，DOE表面受潮时，纹理可能被水汽填平失效，导致激光直射逸出，从而会灼伤人眼。

基于此，期望获得一种新的光学投射系统，其可以作为3D深度视觉的发射端，采用该光学投射系统时，探测精度高，稳定性佳，可以很好地克服现有技术所存在的不足。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种直下式光学投射系统，该直下式光学投射系统可以稳定地将光斑或面阵投射到物体上，从而可以更精确、稳定地反映出物体表面的三维轮廓，并且这种直下式光学投射系统具有更好的使用安全性。该直下式光学投射系统配合光学采样仪器(例如摄像头)或TOF芯片进行处理后，可以利用算法精确计算出物体的表面形状，因此具有极好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提出了一种直下式光学投射系统，其包括：

光源模组，用于发射准直光束；

复眼透镜，包括第一表面和第二表面，其被设置为：能够使得所述准直光束能够从所述第一表面射入，从所述第二表面射出，并且会聚在复眼透镜的焦平面上以在所述焦平面上形成点阵光；