基于微透镜的光投射器的制作方法

1.本发明涉及深度相机，具体地，涉及一种基于微透镜的光投射器。


背景技术：

2.微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。
3.微透镜阵列可分为折射型微透镜阵列与衍射型微透镜阵列两类。衍射微透镜列阵利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换，具有轻而薄、设计灵活等特点。作为功能元件，在波前传感、光聚能、光整形等多种系统可得到广泛应用。
4.微透镜阵列系统广泛应用于光学成像，光学非成像系统及其他光学系统中，能通过表面微结构实现光线会聚，光束整形等功能。然而受限于微结构，光束聚焦往往伴随着像差和次级衍射，如向外投射散斑时，平行光入射单个透镜会聚成一点，但是当微透镜孔径较小时，衍射效应会变得明显。当有衍射和像差存在时，平行光束会在焦平面形成弥散圆，影响整个散点图的对比度，不利于后续算法的处理。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微透镜的光投射器。
6.根据本发明提供的基于微透镜的光投射器，包括光源、微透镜器件以及投射镜头；
7.所述光源，设置在所述微透镜器件的入光侧，用于向所述微透镜器件投射光束；
8.所述微透镜器件，设置在所述投射镜头的入光侧，用于接收所述光束并将所述光束分成随机分布的多束离散准直光束后投射至所述投射镜头；
9.所述投射镜头，用于接收所述离散准直光束，并将所述离散准直光束投射出。
10.优选地，所述微透镜器件包括基板、无机层、掩模层以及微透镜阵列；
11.所述基板的一侧面上形成所述无机层，所述无机层上与所述基板相背离的一侧面上形成所述掩模层；所述掩模层上与所述基板相背离的一侧面上形成所述微透镜阵列；
12.所述掩模层上的镂空与所述微透镜阵列上的微透镜一一对应；所述掩模层位于所述微透镜阵列入射光方向的焦点深度位置。
13.优选地，所述投射镜头包括第一透镜组件和第二透镜组件；
14.所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜组件；
15.所述第一透镜组件，用于接收离散准直光束，对所述离散准直光束进行会聚，以使所述离散准直光束会聚于第二透镜组件的光阑位置；
16.所述第二透镜组件，用于接收所述离散准直光束，并投射成像。
17.优选地，所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
18.所述第一透镜的像侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的像侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的像侧面布置有第四透镜。
19.优选地，所述第一透镜具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构。
20.所述第二透镜具有正的光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
21.所述第三透镜具有正的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
22.所述第四透镜具有负的光焦度，物侧面为凹面，像侧面为凸面。
23.优选地，所述镂空为圆形，所述镂空的直径a与所述微透镜的焦距和通光孔径之间的关系，需满足如下条件式：
[0024][0025]
其中，λ为入射光的波长，f为微透镜的焦距，d为微透镜的通光孔径。
[0026]
优选地，所述微透镜的厚度与所述微透镜的焦距相等。
[0027]
优选地，在所述光源和所述微透镜器件之间设置有准直镜组件；
[0028]
所述准直镜组件，用于光源出射的光束进行准直后投射至所述微透镜器件。
[0029]
优选地，所述微透镜的曲面面型为非球面，每一所述微透镜的曲面面型公式z为：
[0030][0031]
其中，c是曲面的曲率，r是微透镜的径向坐标，k是圆锥系数。
[0032]
优选地，所述无机层采用二氧化硅层；
[0033]
所述基板采用光学玻璃或光学塑料。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0035]
本发明中的光投射器，包括光源、微透镜器件以及投射镜头，其中微透镜器件中在基板的一侧面上形成掩模层，在掩模层上与基板相背离的一侧面上形成所述微透镜阵列，同时控制连续微透镜表面的面型，能够使得经过微透镜阵列系统的光束得到约束，有效地过滤掉次级衍射和杂散光，进而提高有效光的利用率，提高了散斑状结构光投射后中光斑点的对比度，便于在光斑点图像中进行光斑点的提取。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0037]
图1为本发明实施例中基于微透镜的光投射器的结构示意图；
[0038]
图2为本发明实施例中微透镜器件的结构示意图；
[0039]
图3(a)为本发明实施例中微透镜阵列满铺式排列的示意图；
[0040]
图3(b)为本发明实施例中微透镜阵列非满铺式排列的示意图；
[0041]
图4为本发明实施例中基于微透镜的光投射器生成散斑状结构光的单点光路示意图；
[0042]
图5为本发明实施例中第一透镜组件、第二透镜组件的调焦原理示意图。
[0043]
图中：
[0044]
1为光源；2为准直镜组件；3为微透镜器件；301为基板；302为无机层；303为掩模层；304为微透镜阵列；305为虚焦点；4为第一透镜；5为第二透镜；6为第三透镜；7为第四透镜；8为第一透镜组件；9为第二透镜组件。
具体实施方式
[0045]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0046]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
[0047]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。
[0048]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0049]
在本发明中的基于微透镜的光投射器，包括光源、微透镜器件以及投射镜头；
[0050]
所述光源，设置在所述微透镜器件的入光侧，用于向所述微透镜器件投射光束；
[0051]
所述微透镜器件，设置在所述投射镜头的入光侧，用于接收所述光束并将所述光束分成随机分布的多束离散准直光束后投射至所述投射镜头；
[0052]
所述投射镜头，用于接收所述离散准直光束，并将所述离散准直光束投射出。
[0053]
本发明中的光投射器，包括光源、微透镜器件以及投射镜头，其中微透镜器件中在基板的一侧面上形成掩模层，在掩模层上与基板相背离的一侧面上形成所述微透镜阵列，同时控制连续微透镜表面的面型，能够使得经过微透镜阵列系统的光束得到约束，有效地过滤掉次级衍射和杂散光，进而提高有效光的利用率，提高了散斑状结构光投射后中光斑点的对比度，便于在光斑点图像中进行光斑点的提取。
[0054]
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0055]
图1为本发明实施例中基于微透镜的光投射器的结构示意图，如图1所示，本发明
提供的基于微透镜的光投射器，包括光源1、微透镜器件3以及投射镜头；
[0056]
所述光源1，设置在所述微透镜器件3的入光侧，用于向所述微透镜器件3投射光束；
[0057]
所述微透镜器件3，设置在所述投射镜头的入光侧，用于接收所述光束并将所述光束分成随机分布的多束离散准直光束后投射至所述投射镜头；
[0058]
所述投射镜头，用于接收所述离散准直光束，并将所述离散准直光束投射出。
[0059]
在本发明实施例中，在所述光源1和所述微透镜器件3之间设置有准直镜组件，所述准直镜组件，用于光源1出射的光束进行准直后投射至所述微透镜器件。
[0060]
图2为本发明实施例中微透镜器件的结构示意图，如图2所示，所述微透镜器件3包括基板301、无机层302、掩模层303以及微透镜阵列304；
[0061]
所述基板301的一侧面上形成所述无机层302，所述无机层302上与所述基板301相背离的一侧面上形成所述掩模层303；所述掩模层303上与所述基板301相背离的一侧面上形成所述微透镜阵列304；
[0062]
所述掩模层303上的镂空与所述微透镜阵列304上的微透镜一一对应；所述掩模层位于所述微透镜阵列304入射光方向的焦点深度位置。
[0063]
在本发明实施例中，所述镂空为圆形，所述镂空的直径a与所述微透镜的焦距和通光孔径之间的关系，需满足如下条件式：
[0064][0065]
其中，λ为入射光的波长，f为微透镜的焦距，d为微透镜的通光孔径。
[0066]
在本发明实施例中，掩模层的镂空直径不能过大或过小，当镂空直径过大时，非有效光会经过镂空透射出来，影响成像效果；当微透镜用于生成圆形光斑时，过多的杂光会影响光斑的对比度。当镂空圆形直径过小时，有效光会被遮挡，降低整个光学系统的光学效率。
[0067]
在本发明实施例中，所述微透镜的厚度与所述微透镜的焦距相等，能够使微透镜焦点位置落在掩模层的同一深度。
[0068]
所述微透镜的制作方法如下：
[0069]
将设计镂空图案的掩模层形成之后，在掩模层的基础上镀上一层厚度与微透镜焦距相同的二氧化硅膜，在镀膜时精准控制微透镜的厚度。再通过压印，光刻或刻蚀方式对所镀膜层进行加工，得到与镂空图案匹配的微透镜阵列304。
[0070]
在本发明实施例中，每一所述微透镜与对应镂空之间的对准偏差不超所述镂空直径的10％。
[0071]
图3(a)为本发明实施例中微透镜阵列满铺式排列的示意图，图3(b)为本发明实施例中微透镜阵列非满铺式排列的示意图，如图3所示，所述微透镜阵列304中微透镜排列方式包括满铺式和非满铺式；
[0072]
如图3(a)所示，所述满铺式为相邻的微透镜之间不具有间隙，所述微透镜阵列304的整个入光面均为有效区域。如图3(b)所示，所述非满铺式为相邻的微透镜之间具有间隙。非满铺式中每个微透镜的通光孔径为圆形，微透镜间具有空隙，所述微透镜阵列304的有效区域仅为每个微透镜通光孔的圆形区域。
[0073]
在本发明一实施例中，所述微透镜阵列304的排布方式包括三角形、四边形、六边形以及八边形中的任一形状。
[0074]
在本发明一实施例中，所述微透镜的曲面面型为非球面，每一所述微透镜的曲面面型公式z为：
[0075][0076]
其中，c是曲面的曲率，r是微透镜的径向坐标，k是圆锥系数。其中，微透镜的曲率决定微透镜的焦距，微透镜的圆锥系数决定了在该曲率基础上对面型的调整。
[0077]
所述微透镜的曲面面型能够改善由于球面聚焦产生的非理想像点的尺寸和出射光线的球面度。
[0078]
在本发明一实施例中，所述无机层302采用二氧化硅层。二氧化硅层先于掩模层镀在基板301上，用于为金属制成的掩模层打底，提高掩模层的附着力，所述二氧化硅层也可以采用多种无机膜层制成。
[0079]
在本发明一实施例中，所述基板301采用光学玻璃或光学塑料。所述基板301具有韧性不易碎并且易于无机层302附着。
[0080]
图4为本发明实施例中基于微透镜的光投射器生成散斑状结构光的单点光路示意图，如图4所示，所述微透镜阵列304使得入射的所述准直光束聚焦于所述掩模层的镂空内，以通过所述掩模层进行次级衍射光和杂散光的过滤，从而提高了散斑状结构光投射后中光斑点的对比度，便于在光斑点图像中进行光斑点的提取。
[0081]
当使用本发明提供的所述的基于微透镜的光投射器进行光束投射时，包括如下步骤：
[0082]
将多束准直光束入射所述微透镜阵列304；
[0083]
所述微透镜阵列304使得所述准直光束聚焦于所述掩模层的镂空内，以通过所述掩模层进行次级衍射光和杂散光的过滤；
[0084]
过滤后的所述准直光束从基板301中出射。
[0085]
从基板301中出射光线为发散光线，其虚焦点305位于基板301中，比微透镜形成的焦点更靠近光线的出射面。后续如将激光散点图放大投射，则应在基板301的出光侧匹配所需规格的成像镜头，该成像镜头的物面即为出射发散光线的虚焦点305所在面。
[0086]
图5为本发明实施例中第一透镜组件、第二透镜组件的调焦原理示意图，如图5所示，所述第二透镜组件9能够沿光轴方向移动，从而能够进行焦距调整；
[0087]
如当微透镜器件3位于虚线处时，第一透镜组件8与微透镜器件3之间发生相对位移失去对焦，即产生如图5中示出的水平方向位移，则可通过图4中示出的竖直方向移动调整第二透镜组件9的位置来补偿，进行重新对焦。
[0088]
具体的调焦方向为，当微透镜器件3相对于第一透镜组件8的距离减小时，则将第二透镜组件9向相对于第一透镜组件8靠近的方向移动；当微透镜器件3相对于第一透镜组件8距离增大时，则将第二透镜组件9向相对于第一透镜组件8远离的方向移动。
[0089]
本发明实施例中，所述光投射器，包括光源、微透镜器件以及投射镜头，其中微透镜器件中在基板的一侧面上形成掩模层，在掩模层上与基板相背离的一侧面上形成所述微透镜阵列，同时控制连续微透镜表面的面型，能够使得经过微透镜阵列系统的光束得到约
束，有效地过滤掉次级衍射和杂散光，进而提高有效光的利用率，提高了散斑状结构光投射后中光斑点的对比度，便于在光斑点图像中进行光斑点的提取。
[0090]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0091]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。