CN113905222A - 结构光模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结构光模组，包括结构光投射器、红外接收相机和彩色相机，所述结构光投射器、红外接收相机和彩色相机均至少包括一调光元件，其中至少一调光元件为超表面结构。本发明还公开一种电子设备，所述电子设备安装有所述的结构光模组。本发明采用超表面结构替代了原始传统的调光元件，并在超表面结构上集成了其它光学元件的功能，简化结构光模组的结构，较少加工难度和成本，同时具有小型化、便携化高分辨率的特点。

Description

结构光模组及电子设备

技术领域

本发明涉及人工智能领域，具体涉及一种基于光学超表面的超薄3D结构光模组及电子设备。

背景技术

人工智能已开始慢慢渗透到人们的日常生活中，机器人、自动驾驶、无人机、智能门锁、人脸支付等都给我们生活带来了诸多的便利，未来智能产品也将赢来爆发式增长。作为机器的“眼睛”——视觉感知也成为人工智能最重要的一个组成部分，其中3D结构光技术因其高精度、计算简单快速，能获知被测物的三维信息等优势被广泛地应用在刷脸支付、安防安检、服务机器人等领域。当然，从工业应用逐渐向消费电子的迁移也对3D结构光技术的小型化、低成本等提出了更高的要求。

常见的3D结构光模组主要包含：结构光投射器、红外接收相机、彩色相机；红外接收相机接收到投射在待测物体上的结构光，成像得到红外散斑图，散斑图经算法转换得到待测物的深度图，彩色相机接收到待测物体反射的可见光，成像得到彩色图像。其中结构光投射器通常包含光源、准直镜、DOE；红外接收相机通常包含：成像芯片、红外窄带滤光片、成像透镜；彩色相机通常包含：成像芯片、红外截止滤光片和成像透镜。

现有公开号CN108462774B的专利申请文件提供一种结构光模组，所述结构光模组包括：光源组件、支架和扩散光学元件；光源组件、支架和扩散光学元件连接形成的密闭腔体。以及公开号CN108594460A的专利申请文件提供的一种结构光模组，包括沿激光射出方向顺次设置的激光光源、光学衍射元件、以及保护元件；激光光源用于发射第一激光；光学衍射元件用于将第一激光衍射为第二激光。

上述现有技术中的准直镜、成像透镜、光学衍射元件(或扩散光学元件)都是传统的光学元件，通过调控界面的几何形状或折射率改变光束光程，实现对光束的调控，因此体积较大，难集成化；另外结构光投射器、红外接收相机和彩色相机各部分包含的光学元件较多，实际生产中对各元件的组装精度要求很高，使得3D结构光模组整体难小型化，且加工成本较高，怎样将光学元件小型化集成化、降低3D结构光模组生产成本是目前面临的一大问题。

发明内容

本发明提出一种基于光学超表面的超薄3D结构光模组，该模组用超表面结构替代了原始传统的调光元件，并在超表面结构上集成了其它光学元件的功能，大大简化了传统3D结构光模组的结构，较少加工难度和成本，同时具有小型化、便携化高分辨率的特点。

为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种结构光模组，包括结构光投射器、红外接收相机和彩色相机，所述结构光投射器、红外接收相机和彩色相机均至少包括一调光元件，其中至少一调光元件为超表面结构。

本申请的结构光投射器、红外接收相机和彩色相机三个模块内，均包括有至少一个调光元件，且至少有一个模块内的调光元件为超表面结构；同理，也可以是两个或者三个模块内的调光元件均为超表面结构。采用超表面结构替代传统的透镜，可以使模组实现小型化和集成化。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为可选的，所述结构光投射器包括激光光源和位于激光光源出光测的调光元件，所述调光元件为用于光束准直并复制扩束的超表面结构。此处的超表面结构相当于传统投射器中准直镜和DOE(衍射光学元件)，具有将光束准直并复制扩束的作用。

作为可选的，所述红外接收相机包括红外成像芯片和位于红外成像芯片入光侧的调光元件，所述调光元件为用于光束会聚并滤光的红外超表面结构。此处的红外超表面结构相当于传统红外接收相机中的红外成像透镜+红外窄带滤光片，具有光束会聚并滤光的作用。

作为可选的，所述彩色相机包括可见光成像芯片和位于可见光成像芯片入光侧的调光元件，所述调光元件为用于光束会聚并滤光的可见光超表面结构。此处的可见光超表面结构相当于传统红外接收相机中的可见光成像透镜+红外截止滤光片，具有光束会聚并滤光的作用。

本申请中利用超表面结构集成两个或多个光学元件的效果，减少模块内光学元件数量，降低了光学元件之间的对准难度，进而降低模组加工成本，利于小型化集成化。

作为可选的，设有固定所述超表面结构的支撑件，撑件为支架或支撑所述超表面结构的胶层。支撑件用于固定超表面结构的位置，该支撑件可以是单独的支架，也可是通过浇水固定形成的支撑胶层。

作为可选的，所述超表面结构包括至少一超表面结构的基底和至少一超表面结构的微结构面，所述超表面结构的微结构面上有按规律排列的多个亚波长微结构单元。通过引入表面亚波长尺度单元结构，产生突变相位，可以在二维平面内调控光场的相位、振幅和偏振。

作为可选的，微结构单元的尺寸可以相同或不同；多个亚波长微结构单元的尺寸不同，通过改变微结构单元的尺寸或形状对波前进行调控；或多个亚波长微结构单元的尺寸相同，但倾斜角度不一样，通过改变倾斜角度对波前进行调控。

作为可选的，所述超表面结构包括超表面结构的基底，和分布所述超表面结构的基底两侧的第一超表面结构的微结构面和第二超表面结构的微结构面。

作为优选的，所述超表面结构为具有不同作用的多层，每层均包括一表面结构的微结构面和超表面结构的基底。

作为优选的，所述超表面结构的基底和超表面结构的微结构面采用可形变的材料，根据形变量调整所述超表面结构的焦距。

本发明还一种电子设备，其特征在于，所述电子设备上述的结构光模组。

相较于现有技术中，本发明采用超表面结构替代了原始传统的调光元件，并在超表面结构上集成了其它光学元件的功能，简化结构光模组的结构，较少加工难度和成本，同时具有小型化、便携化高分辨率的特点。

附图说明

图1为本发明提供的超薄3D结构光模组的示意图；

图2为本发明提供的另一种超薄3D结构光模组的示意图；

图3为本发明提供的是一种结构光投射器的示意图；

图4为本发明提供的一种结构光投射器中超表面结构的示意图；

图5为本发明提供的一种超表面结构的正视图；

图6为本发明提供的另一种超表面结构的正视图。

图7为本发明提供的另一种结构光投射器中超表面结构的示意图；

图8为本发明提供的又一种结构光投射器中超表面结构的示意图；

图9为本发明提供的一种红外相机中超表面结构的示意图；

图10为本发明提供的另一种红外相机中超表面结构的示意图；

图11为本发明提供的一种彩色相机中超表面结构的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的结构光模组，包括结构光投射器1(a)、红外接收相机2(a)和彩色相机3(a)，结构光投射器1(a)、红外接收相机2(a)和彩色相机3(a)均至少包括一调光元件，其中至少一调光元件为超表面结构。在结构光模组的三个模块中，每个模块内至少具有一个调光元件(透镜)，一个或者多个模块内的调光元件(透镜)可以采用超表面结构。

在另一个实施例中，结构光投射器1(a)包括激光光源11和位于激光光源11出光测的调光元件，该调光元件为用于光束准直并复制扩束的超表面结构12。此处的超表面结构12相当于传统投射器中准直镜和DOE(衍射光学元件)，具有将光束准直并复制扩束的作用。

在另一个实施例中，红外接收相机2(a)包括红外成像芯片21和位于红外成像芯片入光侧的调光元件，该调光元件为用于光束会聚并滤光的红外超表面结构22。此处的红外超表面结构22相当于传统红外接收相机中的红外成像透镜+红外窄带滤光片，具有光束会聚并滤光的作用。

在另一个实施例中，彩色相机3(a)包括可见光成像芯片31和位于可见光成像芯片31入光侧的调光元件，该调光元件为用于光束会聚并滤光的可见光超表面结构32。此处的可见光超表面结构32相当于传统红外接收相机中的可见光成像透镜+红外截止滤光片，具有光束会聚并滤光的作用。

需要说明的是，在不同的实施例中，可以是一个模块内的调光元件(透镜)为超表面结构，也可是两个或三个模块内的调光元件(透镜)为超表面结构。

具体如图1所示的实施例中，结构光投射器1(a)、红外接收相机2(a)和彩色相机3(a)内均设有超表面结构。结构光投射器1(a)包含激光光源11、超表面结构12和第一支架13；红外接收相机2(a)包含红外成像芯片21、红外超表面结构(红外超透镜)22和第二支架23；彩色相机3(a)包含可见光成像芯片31、可见光超表面结构(可见光超透镜)32和第三支架33。结构光投射器1(a)发出带结构特征的结构光，红外成像芯片21接收到投射在待测物体上的结构光，成像得到红外散斑图，散斑图经算法转换得到待测物的深度图，可见光成像芯片31接收到待测物体反射的可见光，成像得到彩色图像。其中，结构光投射器1(a)包含激光光源11、超表面结构12和第一支架13，超表面结构12通过胶水固定在第一支架13上，激光光源11一般有垂直腔面发射激光器(vcsel)、水平腔面发射激光器(hcsel)等，出光面上包含N个随机分布的发光孔，所有发光孔发出的光经超表面结构12后，被复制并扩束为M*N(M≥2)个均匀分布的光点，即是最终得到的带特征信息的结构光，超表面结构12的作用相当于传统投射器中准直镜+DOE(衍射光学元件)，能将光束准直并复制扩束；红外接收相机2(a)包含红外成像芯片21、红外超表面结构(红外超透镜)22和第二支架23，红外超表面结构22通过胶水固定在第二支架23上，经物体反射的红外光经过红外超表面结构22后直接聚焦在红外成像芯片21上，得到红外散斑图，此处的红外超表面结构22相当于传统红外接收相机中的红外成像透镜+红外窄带滤光片；彩色相机3(a)包含可见光成像芯片31、可见光超表面结构(可见光超透镜)32和第三支架33，可见光超表面结构32通过胶水固定在第三支架33上，经物体反射的可见光经过可见光超表面结构32后直接聚焦在可见光成像芯片31上，得到彩色图像，此处的可见光超表面结构32相当于传统红外接收相机中的可见光成像透镜+红外截止滤光片；可以看到单个相机由原来大于等于3个的光学元件减少到现在得两个光学元件，降低了光学元件之间的对准难度，进而降低模组加工成本；另外超表面结构12、红外超表面结构22、可见光超表面结构32均为超表面结构，高度方向尺寸很小，结构光投射器1(a)、红外接收相机2(a)和彩色相机3(a)高度方向尺寸可以做得很小，大大压缩了整个3D结构光模组的高度，有利于模组小型化设计。

在另一个具体的实施例中，在装配时为更好固定超表面结构位置，设有固定所述超表面结构的支撑件，撑件为支架(如图1中的支架)或支撑所述超表面结构的胶层。具体如图2所示，图中包括：结构光投射器1(b)、激光光源11、超表面结构12、第一支撑件13；红外接收相机2(b)、红外成像芯片21、红外超透镜22、第二支撑件23；彩色相机3(b)、可见光成像芯片31、可见光超透镜32、第三支撑件33。第一支撑件13可以是胶水(胶层)，将超表面结构12直接贴在激光光源11上，也可以是环形支架，通过环形支架的高度改变超表面结构12和激光光源11之间的距离。第二支撑件23可以是胶水，将红外超透镜22直接贴在红外成像芯片21上，也可以是环形支架，通过环形支架的高度改变红外超透镜22和红外成像芯片21之间的距离；第三支撑件33可以是胶水，将可见光超透镜32直接贴在可见光成像芯片31上，也可以是环形支架，通过环形支架的高度改变可见光超透镜32和可见光成像芯片31之间的距离。较上一种方案的差异是超表面可以直接贴在光源或成像芯片上，超表面生产工艺可以借用半导体芯片的生产工艺，这样，超表面可以与vcsel或芯片在一起生产、封装，大大降低结构光模组生产成本和体积。

在另一个实施例中，替代传统调光元件的超表面结构上可以集成一个或多个光学元件的作用。如图3所示的结构光投射器；图中包括：结构光投射器1(c)、激光光源11、超表面结构12、第一支撑件13和微透镜阵列14。激光光源11可以是vcsel、hcsel等，上面包含N个随机分布的发光孔，每个发光孔上对应一个微透镜，多个微透镜组成微透镜阵列14，激光光源11发出的光有一定的发散角，经微透镜阵列14后被准直为平行光，再经超表面结构12后被复制扩散为结构光。较图2中的投射器多了一层微透镜阵列14，微透镜阵列14可以直接在激光光源11上加工，此时超表面结构12设计时只需要考虑衍射复制功能，在光学设计上会更简单点。

在另一个实施例中，超表面结构包括至少一超表面结构的基底和至少一超表面结构的微结构面，所述超表面结构的微结构面上有按规律排列的多个亚波长微结构单元。具体如图4所示的结构光投射器中超表面结构的示意图；图中包括超表面结构12(a)、超表面结构的微结构面121(a)和超表面结构的基底122(a)；超表面基于广义斯涅尔定律，通过引入表面亚波长尺度单元结构，产生突变相位，可以在二维平面内调控光场的相位、振幅和偏振，基于超表面所设计的光学器件具有小型化、轻量化、集成化的特点，超表面被视为光学领域的一项革命性技术，有望彻底颠覆传统光学系统中繁琐的透镜组，成为下一代主流的光学元件。超表面结构的微结构面121(a)上由多个亚波长尺度单元按一定规律排列，常用的材料有铜、铝、金、钛等金属，或是硅、氮化硅、TiO2、砷化铝等介质材料；超表面结构的基底122(a)具有高透过率，常用材料有：石英、SiO2、聚合物材料、PC等，本发明不限于如上列举的材料。

通过定义好输入场和输出场的光场分布，即可求出超表面在不同位置下的相位，通过调整超表面单元的结构和分布得到所需的相位分布。设计时超表面结构的微结构面121(a)的设计尺寸需大于激光在其上的光斑面积，另外在生产的时候最好超表面结构的微结构面121(a)面对着光源方向贴附，这样组装的时候可以保护微结构面，以免因接触碰撞，损伤或污染微结构面，影响最终成像效果。

在另一个实施例中，在超表面结构中，微结构单元的尺寸可以相同或不同。

如图5所示，多个亚波长微结构单元的尺寸不同，通过改变微结构单元的尺寸或形状对波前进行调控；需要说明的是，微结构单元的形状不限于附图5中画图的矩形，也可以是圆形、V形、H型、C型等各种形状。图中包括超表面结构22(a)、超表面结构的微结构单元221(a)和超表面结构的基底222(a)，超表面结构的微结构单元221(a)中不同微结构单元的尺寸不一样，且单元尺寸小于设计波长λ的值，通过改变超表面结构的微结构单元221(a)的尺寸或形状对波前进行调控，且设计时超表面结构的微结构单元221(a)按一定规律分布在超表面结构的基底222(a)上。

如图6所示，多个亚波长微结构单元的尺寸相同，但倾斜角度不一样，通过改变倾斜角度对波前进行调控。图中包括超表面结构22(b)、超表面结构的微结构单元221(b)和超表面结构的基底222(b)，超表面结构的微结构单元221(b)中不同微结构单元的尺寸一样，且单元尺寸小于设计波长λ的值，但倾斜角度不一样，通过改变超表面结构的微结构单元221(b)的倾斜角度对波前进行调控，且设计时超表面结构的微结构单元221(b)按一定规律分布在超表面结构的基底222(b)上。

在另一个实施例中，超表面结构为具有不同作用的多层，每层均包括一表面结构的微结构面和一超表面结构的基底。即超表面结构有多层，每层具有不同的效果。具体如图7所示的结构光投射器中超表面结构的示意图，采用两层超表面结构，图中包括：超表面结构12(b)、第一超表面结构的微结构面121(b1)、第一超表面结构的基底122(b1)、第二超表面结构的微结构面123(b2)、第二超表面结构的基底124(b2)；与图4的差异是多了一块超表面结构，其中第一超表面结构的微结构面122(b1)的功能是将激光光源发出的带一定角度的光束准直为平行光，第二超表面结构的微结构面123(b2)的功能是将输入的平行光扩束复制形成结构光，这个方案中超表面设计较图4中提到的要简单。

在另一个实施例中，两层超表面结构可以共用同一基底，第一超表面结构的微结构面和第二超表面结构的微结构面分布在超表面结构的基底两侧。图8为本发明提供的又一种结构光投射器中超表面结构的示意图；图中包括：超表面结构121(c)、第一超表面结构的微结构面122(c)、超表面结构的基底122(c)、第二超表面结构的微结构面123(c)；与图7中两个超表面的差异是这个方案中的两个超表面的微结构面共用一个基底。

图9为本发明提供的红外相机中超表面结构的示意图；图中包括红外超表面结构22、红外超表面结构的微结构面221和红外超表面结构的基底222，红外超表面结构22的功能相当于传统红外相机的红外成像透镜+红外窄带滤光片，红外成像透镜的作用是将物体反射的红外光聚焦在成像芯片上，使相机输出红外图像，红外窄带滤光片的作用是将物体反射的除与投射器同样波段的光截止掉，使得成像芯片上能清晰地成红外散斑图，红外超表面结构的微结构面221的相位分布根据实际等效透镜的f来设计，一般参考公式：

是超表面结构上任意一点的相位值，λ对应的是投射器激光发光波长，红外超表面结构的基底222一般用的是石英或是肖特玻璃，在基底上镀有特殊的膜层(使与投射器同样波段的光通过，其它波段的光截止)。当然一般成像芯片为了让更多的光线聚集到光电二极管上，芯片设计时会在表面贴一层微透镜阵列，实际这个微透镜阵列的聚光功能也可以集成在红外超表面结构22中。

在另一个实施例中，超表面结构的基底和超表面结构的微结构面采用可形变的材料，根据形变量调整所述超表面结构的焦距。具体如图10所示，图中包括红外超表面结构22(c)、红外超表面结构的微结构面221(c)和红外超表面结构的基底222(c)，与图9的区别是，红外超表面结构的微结构面221(c)和红外超表面结构的基底222(c)用的是可形变的材料，如石墨烯，可以通过改变外界的电场、温度、压力等因素来调整红外超表面结构22的形变量，从而改变整个红外超表面结构22的焦距，起到调焦作用，这样通过控制改变红外超表面结构22的焦距，使得红外相机能在远近距离都能成像清晰。

图11为本发明提供的一种彩色相机中超表面结构的示意图；图中包括：可见光超表面结构32、可见光超表面结构的微结构面321和可见光超表面结构的基底322，可见光超表面结构32的功能相当于传统彩色相机的可见光成像透镜+红外截止滤光片，可见光成像透镜的作用是将物体反射的可见光聚焦在成像芯片上，使相机输出彩色图像，红外截止滤光片的作用是将物体反射的可见光波段之外的光截止掉，使得相机能输出清晰无色偏的彩色图，可见光超表面结构的微结构面321的相位分布根据实际等效透镜的f来设计，一般参考公式：

是超表面结构上任意一点的相位值，λ对应的是可见光波长，可见光超表面结构的基底322一般用的是石英或是肖特玻璃，在基底上镀有特殊的膜层(使可见光波段之外的光截止)。当然超表面结构的材料也可以参考图10中的设计，用可形变的材料使彩色相机有调焦功能。

在另一个实施例中，一种电子设备，该电子设备中安装有上述实施例中的结构光模组。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种结构光模组，包括结构光投射器、红外接收相机和彩色相机，其特征在于，所述结构光投射器、红外接收相机和彩色相机均至少包括一调光元件，其中至少一调光元件为超表面结构。

2.根据权利要求1所述的结构光模组，其特征在于，所述结构光投射器包括激光光源和位于激光光源出光测的调光元件，所述调光元件为用于光束准直并复制扩束的超表面结构。

3.根据权利要求1所述的结构光模组，其特征在于，所述红外接收相机包括红外成像芯片和位于红外成像芯片入光侧的调光元件，所述调光元件为用于光束会聚并滤光的红外超表面结构。

4.根据权利要求1所述的结构光模组，其特征在于，所述彩色相机包括可见光成像芯片和位于可见光成像芯片入光侧的调光元件，所述调光元件为用于光束会聚并滤光的可见光超表面结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的结构光模组，其特征在于，设有固定所述超表面结构的支撑件，撑件为支架或支撑所述超表面结构的胶层。

6.根据权利要求1-4任一项所述的结构光模组，其特征在于，所述超表面结构包括至少一超表面结构的基底和至少一超表面结构的微结构面，所述超表面结构的微结构面上有按规律排列的多个亚波长微结构单元。

7.根据权利要求6所述的结构光模组，其特征在于，多个亚波长微结构单元的尺寸不同，通过改变微结构单元的尺寸或形状对波前进行调控；

或多个亚波长微结构单元的尺寸相同，但倾斜角度不一样，通过改变倾斜角度对波前进行调控。

8.根据权利要求6所述的结构光模组，其特征在于，所述超表面结构包括超表面结构的基底，和分布所述超表面结构的基底两侧的第一超表面结构的微结构面和第二超表面结构的微结构面。

9.根据权利要求6所述的结构光模组，其特征在于，所述超表面结构为具有不同作用的多层，每层均包括一表面结构的微结构面和超表面结构的基底。

10.根据权利要求6所述的结构光模组，其特征在于，所述超表面结构的基底和超表面结构的微结构面采用可形变的材料，根据形变量调整所述超表面结构的焦距。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备安装有权利要求1-10任一项所述的结构光模组。

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