CN114740631A - 一种3D-ToF发射模组 - Google Patents

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朱健
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Abstract

本发明提供一种3D‑ToF发射模组，包括底座、设置于所述底座上的光源、设置于所述光源外围的安装支架、设置于所述安装支架上的基底、设置于所述基底靠近所述光源一面的超透镜以及设置于所述基底另一面的点云生成器；所述超透镜用于对光束准直，所述点云生成器用于对准直后光的相位和幅度进行调制，生成点云图。将所述超透镜和所述点云生成器集成在所述基底的两面，将两个功能集中在一个光学元件中，可有效减小3D‑ToF发射模组的体积；采取面阵光源结合分区点亮的方式，可以有效的降低能耗，提升光能利用率。

Description

一种3D-ToF发射模组
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体为一种3D-ToF发射模组。
背景技术
3D ToF发射模组包括激光器和光学系统。光学系统主要包括两个分立元件：准直系统及衍射光学元件。准直系统负责汇聚光束，衍射光学元件用于将准直后的光束所包含的幅度和相位信息进行调制，最终生成点云图。现有准直系统使用的透镜为传统透镜，具有体积大、片数多、成本高等缺陷，再加上分立的衍射光学元件，导致整个3D ToF发射模组的体积很大。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种3D-ToF发射模组，以解决上述背景技术中提出问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种3D-ToF发射模组，包括底座、设置于所述底座上的光源、设置于所述光源外围的安装支架、设置于所述安装支架上的基底、设置于所述基底靠近所述光源一面的超透镜以及设置于所述基底另一面的点云生成器；所述超透镜用于对光束准直，所述点云生成器用于对准直后光的相位和幅度进行调制，生成点云图。
进一步的是，所述光源为基于VCSEL的面阵光源或者基于EEL的面阵光源，且面阵光源的数量为奇数。
进一步的是，所述光源的点亮方式为分区点亮。
进一步的是，所述光源的点亮方式为S形点亮或者螺旋形点亮或者工字形点亮。
进一步的是，所述基底为平面透镜或者反射棱镜。
进一步的是，所述反射棱镜的横截面呈直角三角形，所述超透镜位于所述反射棱镜与所述底座平行的一面，所述点云生成器位于所述反射棱镜与所述底座垂直的一面。
进一步的是，所述发射模组还包括安装座，所述安装座与所述安装支架连接，所述基底安装于所述安装座上。
进一步的是，所述超透镜包括设置于所述基底上的第一超表面微纳结构，所述第一超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构的一种或多种，所述第一超表面微纳结构为周期性排列或者准周期性排列的若干纳米柱。
进一步的是，所述点云生成器包括设置于所述基底上的第二超表面微纳结构，所述第二超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构的一种或多种，所述第二超表面微纳结构为周期性排列或者准周期性排列的若干纳米柱，所述第二超表面微纳结构与所述第一超表面微纳结构不同。
进一步的是，所述超透镜的焦距为0.1-6mm，口径为0.1-10mm；所述光源的发射波长为800-2000nm，所述光源发出的光线经所述超透镜准直后，光线的发散角为0.1-18度。
本发明的有益效果是：
1.将所述超透镜和所述点云生成器集成在所述基底的两面，使得用于对光束进行准直和用于生成点云的不同功能集成在同一个光学元件中，大大减小了3D-ToF发射模组的体积；
2.采取面阵光源结合分区点亮的方式，可以有效的降低能耗，提升光能利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为本发明的3D-ToF发射模组的示意图；
图1B为本发明另一实施例的3D-ToF发射模组的示意图；
图2A为本发明的3D-ToF发射模组的光源面阵排列方式及分区发光方式示意图；
图2B为本发明的3D-ToF发射模组另一实施例的光源面阵排列方式及分区发光方式示意图；
图3A为为本发明的3D-ToF发射模组的超透镜的光相位与波长的关系图；
图3B为本发明的3D-ToF发射模组的超透镜的光透过率与波长的关系图；
图4为本发明的3D-ToF发射模组的超透镜相位与超透镜表面半径的关系图；
图5A为本发明的3D-ToF发射模组在0度入射点扩散函数图；
图5B为本发明的3D-ToF发射模组在6度入射点扩散函数图；
图5C为本发明的3D-ToF发射模组在8度入射点扩散函数图；
图6为本发明的3D-ToF发射模组的超透镜的调制传递函数图；
图7为本发明的3D-ToF发射模组的点云生成器的第二超表面微纳结构相位图；
图8为本发明的3D-ToF发射模组的远场点云的仿真图；
图中标记为：
底座1，光源2，安装支架3，安装座31，基底4，超透镜5，点云生成器6。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
请参阅图1A，本发明提供一种3D-ToF发射模组，包括底座1、设置于所述底座1上的光源2、设置于所述光源2外围的安装支架3、设置于所述安装支架3上的基底4、设置于所述基底4靠近所述光源2一面的超透镜5以及设置于所述基底4另一面的点云生成器6；所述超透镜5用于对光束准直，所述点云生成器6用于对准直后光的相位和幅度进行调制，生成点云图。
本发明将所述超透镜5和所述点云生成器6集成在所述基底4的两面，可以将两个功能集中在一个光学元件中，可有效减小3D-ToF发射模组的体积。
结合图2A、2B所示，作为本发明优选实施例，所述光源2为基于VCSEL的面阵光源或者基于EEL的面阵光源，且面阵光源的数量为奇数。面阵光源具体可以是3x3、5x5、7x7、9x9等。这样，可以确保所述点云生成器6生成的点云图正中间有完善的图像，得到更加准确的点云图，结合图8所示。
所述光源2的点亮方式为分区点亮，具体的，所述光源2的点亮方式为S形点亮或者螺旋形点亮或者工字形点亮。所述面阵光源分区依次点亮，其点亮频率取决于待测物体的变化速度，只要点亮频率大于待测物体的变化速度即可。
所述基底4为平面透镜或者反射棱镜，其材质可以为高透光性的石英玻璃或硅材。
进一步地，所述发射模组还包括安装座31，安装座31与安装支架3连接，基底4安装于所述安装座上，通过安装座31设置于安装支架3上，至于安装座31的具体设置方式不做特别限定，示例性地，参见图1A,当所述基底4为平面透镜时，所述安装座31可分别设置于两侧安装支架3的内侧壁上，且位于靠近所述光源2的一侧，所述基底4安装于所述安装座31上，这样便于所述基底4的安装固定；另外在其它实施例中，所述安装座31也可设置于两侧安装支架3的内侧壁上，但位于基底4的上方，即远离光源2的一侧，或者安装座亦可设置于基底4两端与两侧安装支架3的接触面附近。
下面结合图1B所示，作为本发明的另一实施例，所述基底4为反射棱镜。当所述基底4为反射棱镜时，所述反射棱镜的横截面呈直角三角形，所述超透镜5位于所述反射棱镜与所述底座1平行的一面，所述点云生成器6位于所述反射棱镜与所述底座1垂直的一面。优选地，在所述安装支架3的内侧壁上设置有安装座31，所述安装座31位于所述反射棱镜的两个锐角处，且位于远离所述光源2的一侧，便于将反射棱镜安装固定。
所述超透镜5包括设置于所述基底4上的第一超表面微纳结构，所述第一超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或者拓扑结构的一种或多种，第一超表面微纳结构为周期性排列或者准周期性排列的若干纳米柱，示例性地，例如所述第一超表面微纳结构为以圆柱结构为基础，另包括环柱及方柱。
所述点云生成器6包括设置于所述基底上的第二超表面微纳结构，所述第二超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构的一种或多种，第二超表面微纳结构为周期性排列或者准周期性排列的若干纳米柱。所述第二超表面微纳结构与所述第一超表面微纳结构不同，示例性地，例如所述第二超表面微纳结构为圆柱或方柱。
所述超透镜5的焦距f为0.1-6mm，口径为0.1-10mm；所述光源的发射波长为800-2000nm，所述光源2发出的光线经所述超透镜5准直后，光线的发散角为0.1-18度。
图3A中，横坐标为波长，纵坐标为数据库中的纳米结构(带编号)，颜色代表相位。图中表明了不仅在单波长下(例如940nm)，具备纳米结构满足从0到2π的全部相位；并且，在宽谱范围内(925-955nm)，其也可以满足。
图3B中，横坐标为波长，纵坐标为数据库中的纳米结构(带编号)，颜色代表透过率。图中表明了不仅在单波长下(例如940nm)，具备纳米结构满足0.85以上的透过率；并且，在宽谱范围内(925-955nm)，其也可以满足。
图4为本发明的3D-ToF发射模组的超透镜相位与超透镜表面半径的关系图，所用公式为：
Figure BDA0002888461840000061
其中，r表示各微纳结构中心至超表面中心距离，f为透镜焦距，λd为光波波长，Φ(r)表示超透镜表面相位。
根据图5A-5C，从点扩散函数可以看出，在不同的入射角度下，包括0度、6度、8度，光斑大小满足设计要求。
图6中，从MTF看出，在不同的入射角度下(0度、6度、8度)，其调制传递函数值都在0.4以上，满足设计要求。
本发明的3D-ToF发射模组，将所述超透镜5和所述点云生成器6集成在所述基底4的两面，可以将两个功能集中在一个光学元件中，可有效减小3D-ToF发射模组的体积。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D-ToF发射模组，其特征在于：包括底座、设置于所述底座上的光源、设置于所述光源外围的安装支架、设置于所述安装支架上的基底、设置于所述基底靠近所述光源一面的超透镜，以及设置于所述基底另一面的点云生成器；所述超透镜用于对光束准直，所述点云生成器用于对准直后光的相位和幅度进行调制，生成点云图。
2.根据权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述光源为基于VCSEL的面阵光源或者基于EEL的面阵光源，且面阵光源的数量为奇数。
3.根据权利要求2所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述光源的点亮方式为分区点亮。
4.根据权利要求3所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述光源的点亮方式为S形点亮或者螺旋形点亮或者工字形点亮。
5.根据权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述基底为平面透镜或者反射棱镜。
6.根据权利要求5所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述反射棱镜的横截面呈直角三角形，所述超透镜位于所述反射棱镜与所述底座平行的一面，所述点云生成器位于所述反射棱镜与所述底座垂直的一面。
7.根据权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述发射模组还包括安装座，所述安装座与所述安装支架连接，所述基底安装于所述安装座上。
8.根据权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述超透镜包括设置于所述基底上的第一超表面微纳结构，所述第一超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构的一种或多种，所述第一超表面微纳结构为周期性排列或者准周期性排列的若干纳米柱。
9.根据权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述点云生成器包括设置于所述基底上的第二超表面微纳结构，所述第二超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构的一种或多种，所述第二超表面微纳结构为周期性排列或者准周期性排列的若干纳米柱，所述第二超表面微纳结构与所述第一超表面微纳结构不同。
10.根据权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于：所述所述超透镜的焦距为0.1-6mm，口径为0.1-10mm；所述光源的发射波长为800-2000nm，所述光源发出的光线经所述超透镜准直后，光线的发散角为0.1-18度。
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