技术摘要：
本发明描述改良解析度及减少用于3D成像及手势辨识之微型广角VCSEL阵列投影模组中之结构光投影之失真的技术。投影器模组包括一主射线校正器光学元件，该主射线校正器光学元件沿着投影器透镜主射线路径导引VCSEL光束。VCSEL结构照明投影器使用该主射线光学元件校正器可在  全部
背景技术：
一些微型光学投影系统将一VCSEL阵列之一影像投影至一场景上，以形成场景中 之物体之一结构照明。可以各种方式组态VCSEL阵列，其等包括规则或非规则阵列，以形成 投影点阵列或其他形式之影像。一摄影机或其他类型之感测器用于记录入射于场景中之物 体上之照明影像。可对此影像进行分析，且可判定物体之性质(诸如3D位置、移动及其他特 性)。 许多照明应用需要110°或甚至更大之投影角的广角照明。为在适于行动电子装置 或类似应用之一小或微型模组中达成此照明，通常需要一短焦距透镜。此外，为获得具有良 好结构解析度之大角照明，通常需要比透镜孔径更大之侧向尺寸之一VCSEL阵列。VCSEL阵 列发射垂直于VCSEL阵列平面之窄光束；因此，许多外光束将不穿过透镜且被阻挡。被阻挡 之光束将不被作为照明图案之一部分而成像至场景上。 在广角投影中，解决上述问题之一种已知解决方案是在一透镜之物体平面附近放 置一场透镜，以使来自物体之光射线通过透镜孔径聚焦。此方法亦可用于投影由VCSEL发射 之光束。在此配置中，在VCSEL阵列附近放置一会聚光学元件，以使来自VCSEL阵列之光束通 过透镜孔径聚焦。 然而，广角透镜通常产生显着影像失真。失真改变影像相对于物体图案之侧向形 式，且亦影响影像解析度。当使用非相干光来投影影像时，来自物体之不同部分之射线填充 透镜孔径，使得影像中之各点接收已穿过透镜孔径之所有部分之光。透镜之失真导致此等 射线偏离理想投影位置，导致影像失真及减少影像解析度两者。 来自VCSEL阵列之光束相对窄，且因此该等光束不填充透镜孔径。其等行为类似于 单一射线，且来自各VCSEL元件之光束穿过透镜孔径之一受限区域。当一场透镜用于通过透 镜孔径聚焦光束时，亦将发生此结果。此配置之结果是，由于透镜失真，光束被投影至取决 于光束通过透镜孔径之实际光学路径之位置。此外，光束本身失真，取决于光束传播通过透 镜孔径之位置而增加光束发散。因为3D判定之准确度取决于照明图案结构之准确度，所以 图案之失真将导致误差。
技术实现要素：
本发明描述包括一主射线校正器光学元件之照明器。例如，本发明描述基于VCSEL 之投影器，该基于VCSEL之投影器可有助于藉由沿着投影透镜之主射线角传播VCSEL光束而 缓解或克服上文论述之VCSEL投影问题。如本发明中所使用，透镜之主射线是自物体点通过 3 CN 111602303 A 说　明　书 2/6 页 透镜之光学中心(即，入射光瞳)传播至设计影像点之一射线。自物体点通过透镜之其他区 域传播之其他射线经设计以入射于相同影像点上，但归因于透镜失真而会偏离此位置。藉 由沿着主射线导引窄VCSEL光束，光束经定位于透镜设计影像位置处。此外，因为VCSEL光束 具有窄发散，实质上整个光束传播于主射线附近，使得减少或最小化透镜失真之效应。 例如，在一个态样中，本发明描述一种VCSEL阵列结构光照明器，该VCSEL阵列结构 光照明器包括可操作以产生光束之一VCSEL阵列。照明器亦包括具有主射线角之一投影透 镜，及安置于VCSEL阵列与投影透镜之间之一光学元件。光学元件可操作以使由VCSEL产生 之光束弯曲以与投影透镜之对应主射线角匹配，该投影透镜可操作以投影自光学元件接收 之光束，以产生一结构照明图案。 在另一态样中，本发明描述一种包括VCSEL阵列结构光照明器之一成像设备。一摄 影机被安装在照明器之轴外，并可操作以记录由一或多个物体反射或散射之一结构照明图 案。一运算装置包括一或多个处理器，并可操作以基于记录图案来运算一或多个物体之一 各自位置或移动。 根据另一态样，本发明描述一种方法，该方法包括由发光元件之一阵列产生光束， 导致该等光束被一光学元件弯曲，以与一投影透镜之对应主射线角匹配，且随后使该等光 束穿过投影透镜，以将一结构照明图案投影至一或多个物体上。在一些例项中，方法进一步 包括记录由一或多个物体反射或散射之一结构照明图案，使用一运算装置来分析记录图案 以判定一或多个物体之一各自位置及/或移动。 一些实施方案包括以下优点之一或多者。例如，3D量测系统通常需要可操作以在 一大距离上量测深度。此距离通常长于投影透镜之聚焦深度。然而，由于VCSEL投影器正传 播窄发散光束，故图案解析度可经维持在比影像之聚焦深度更长之一距离上。取决于光束 传播通过投影透镜之位置，光束将自主射线位移直至到达影像焦点处。因此，远离影像焦点 之区域将引起结构图案失真，即使光束大小仍保持很小，以获得良好图案解析度。藉由沿着 主射线角传播光束，可消除此失真源。图案结构可在进行3D量测之整个深度上维持。 如本发明中所述，主射线光学元件校正器经设计以沿着投影透镜之主射线导引 VCSEL阵列光束，以形成高解析度低失真结构光图案。可将校正器元件放置于VCSEL阵列附 近。取决于具体应用需求及光学组态，校正器元件可采取若干形式中之任一者。在一些情况 中，校正器元件包括一会聚折射透镜。表面可为球面或非球面，以在光学上将VCSEL阵列光 束与投影透镜主射线之特性匹配。 在一些例项中，用于主射线校正器之光学元件包括一菲涅尔透镜。此类型之透镜 之一优点是其厚度可小于一折射透镜。替代地，由于VCSEL输出具有一窄波长，可使用一绕 射透镜。此一透镜可提供与绕射透镜同样小之厚度益处。 可提供同样小厚度益处之另一类型之校正器光学元件是一微透镜阵列。微透镜阵 列可经组态以与VCSEL阵列匹配，除此之外，微透镜位置与VCSEL阵列元件位置渐进偏移。因 此，在VCSEL阵列之中心处之微透镜与VCSEL光束轴对准。接着，微透镜被渐进偏移于向阵列 之周边更远之位置处。偏移微透镜使外部VCSEL光束向投影透镜之中心弯曲。偏移是专门针 对VCSEL阵列元件设计，使得光束与投影透镜之主射线角对准。 在一些情况中，微透镜阵列可为与VCSEL阵列对准之一分开之光学元件。微透镜阵 列亦可被直接制造至VCSEL阵列上。此具有许多益处，包括藉由将微透镜之制造与VCSEL制 4 CN 111602303 A 说　明　书 3/6 页 造程序整合而减少组装成本。 自以下详细描述、附图及申请专利范围将容易明白其他态样、特征及优点。 附图说明 图1绘示与一些VCSEL阵列结构光照明器相关之一问题。 图2绘示与一些VCSEL阵列结构光照明器相关之另一问题。 图3绘示一VCSEL阵列结构光照明器之一实例，该VCSEL阵列结构光照明器包括定 位于VCSEL阵列附近之一折射透镜，以使VCSEL光束弯曲并将其与一主射线角对准。 图4绘示一VCSEL阵列结构光照明器之另一实例，该VCSEL阵列结构光照明器包括 一绕射透镜，以使VCSEL光束弯曲并将其与投影透镜之一主射线角对准。 图5绘示一VCSEL阵列结构光照明器之一实例，该VCSEL阵列结构光照明器包括一 偏移微透镜阵列，以将VCSEL光束与投影透镜之主射线角对准。 图6A是无主射线角校正器之一结构光影像之一相片；图6B展示使用主射线角校正 器实现之一改良。