CN214098104U - 一种3D-ToF模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种3D‑ToF模组，包括发射模组，其包括第一底座、设置于第一底座上的光源、设置于光源外围的第一支架、设置于第一支架中部将所述光源密封的第一超透镜以及设置于所述第一支架顶部的衍射光学元件或点云生成器；所述第一超透镜包括第一基底和第一超表面微纳结构；接收模组，与所述发射模组对应，其包括第二底座、设置于所述第二底座上的图像传感器、设置于所述图像传感器外围的第二支架以及设置于第二支架上的第二超透镜；所述第二超透镜包括第二基底和第二超表面微纳结构。发射模组和接收模组均采用单片超透镜，可以有效减小体积；采取面阵光源结合分区点亮的方式，可以有效降低能耗，提升光能利用率。

Description

一种3D-ToF模组

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体为一种3D-ToF模组。

背景技术

3D-ToF发射模组包括光源和光学系统。在光学系统中，主要包括两个分立元件：准直系统及衍射光学元件。准直系统负责准直光束，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，再加上衍射光学元件，使得整个光学系统具有体积大、重量沉、片数多、成本高等缺陷；对于光源来说，当前主要采用大面积的面光源，发光方式为持续发光，使得系统功耗高，光能利用率低。与3D-ToF发射模组对应的3D-ToF接收模组包括会聚透镜和图像传感器，现有技术的会聚透镜采用传统镜头，具有体积大、重量沉、片数多、成本高等缺陷。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种3D-ToF模组，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种3D-ToF模组，包括：

发射模组，其包括第一底座、设置于所述第一底座上的光源、设置于所述光源外围的第一支架、设置于所述第一支架中部将所述光源密封的第一超透镜以及设置于所述第一支架顶部的衍射光学元件或点云生成器；所述第一超透镜包括第一基底和设置于所述第一基底顶面或底面的第一超表面微纳结构；

接收模组，与所述发射模组对应，其包括第二底座、设置于所述第二底座上的图像传感器、设置于所述图像传感器外围的第二支架以及设置于所述第二支架上的第二超透镜；所述第二超透镜包括第二基底和设置于所述第二基底顶面或底面的第二超表面微纳结构。

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中的一种或多种，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；

所述第二超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱或拓扑结构中的一种或多种，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，所述第一超透镜的焦距为0.1-6mm，所述第一超透镜的口径为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第一超透镜准直后，光线的发散角为0.1-18度。

进一步的是，所述第二超透镜的焦距为0.1-5mm，所述第二超透镜的口径为0.1-15mm。

进一步的是，所述点云生成器包括第三基底和设置于所述第三基底顶面或底面的第三超表面微纳结构，所述第三超表面微纳结构为圆柱或者方柱或者正多边棱柱结构的一种或多种，且所述第三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3D-ToF模组还包括与第一支架连接的第一安装座、与第二支架连接的第二安装座，所述第一基底安装于所述第一安装座上，所述第二基底安装于所述第二安装座上。

进一步的是，当所述第一支架顶部为所述点云生成器时，所述第一支架与上下两组第一安装座连接，所述第一超透镜和所述点云生成器分别固定于一组第一安装座上。

本实用新型的有益效果是：

(1)发射模组采用单一第一超透镜进行准直，可以替代传统透镜，将发射模组的高度大大降低，减小体积；

(2)接收模组的会聚透镜采用第二超透镜替代传统透镜或透镜组，可以将接收模组的体积减小；

(3)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实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型的3D-ToF模组的发射模组示意图；

图1B为本实用新型另一实施例的3D-ToF模组的发射模组示意图；

图2A为本实用新型的3D-ToF模组的光源面阵排列方式及分区发光方式示意图；

图2B为本实用新型的3D-ToF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3为本实用新型的3D-ToF模组的接收模组示意图；

图4A为本实用新型的3D-ToF模组的第一超透镜、第二超透镜采用第一超表面微纳结构、第二超表面微纳结构透过率与直径的关系图；

图4B为本实用新型的3D-ToF模组的第一超透镜、第二超透镜采用第一超表面微纳结构、第二超表面微纳结构相位与直径的关系图；

图5为本实用新型的3D-ToF模组的第一超透镜、第二超透镜相位与第一超透镜、第二超透镜表面半径的关系图(含理论和实际)；

图6A为本实用新型的3D-ToF模组在0度视场下的点扩散函数图；

图6B为本实用新型的3D-ToF模组在4.62度视场下的点扩散函数图；

图6C为本实用新型的3D-ToF模组在9.24度视场下的点扩散函数图；

图6D为本实用新型的3D-ToF模组在11.55度视场下的点扩散函数图；

图7为本实用新型的3D-ToF模组的第一超透镜、第二超透镜的调制传递函数图；

图8为本实用新型的3D-ToF模组的发射模组光学系统的光路图；

图9为本实用新型的3D-ToF模组点云产生的相位图；

图10为本实用新型的3D-ToF模组等晕条件下的点云仿真图；

图11为本实用新型的3D-ToF模组DOE靠近超透镜移动时某位置的点云仿真图

图中标记为：

发射模组1，第一底座11，光源12，第一支架13，第一超透镜14，衍射光学元件15，点云生成器16，第三基底161，第三超表面微纳结构162，第一超表面微纳结构17，第一安装座18，第一基底19，

接收模组2，第二底座21，图像传感器22，第二支架23，第二超透镜24，第二超表面微纳结构25，第二安装座26，第二基底27。

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实用新型而不限于限制本实用新型的范围。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-图9，本实用新型提供一种3D-ToF模组，包括发射模组1和与所述发射模组1对应的接收模组2。发射模组1包括第一底座11、设置于所述第一底座11上的光源12、设置于所述光源12外围的第一支架13、设置于所述第一支架13中部将所述光源12密封的第一超透镜14以及设置于所述第一支架13顶部的衍射光学元件15或点云生成器16；所述第一超透镜14包括第一基底19和设置于所述第一基底顶面或底面的第一超表面微纳结构17；所述接收模组2与所述发射模组1对应，其包括第二底座21、设置于所述第二底座21上的图像传感器22、设置于所述图像传感器22外围的第二支架23以及设置于所述第二支架23上的第二超透镜24；所述第二超透镜24包括第二基底27和设置于所述第二基底27顶面或底面的第二超表面微纳结构25。

具体地，所述第一基底19、所述第二基底27均是高透光性的石英玻璃或硅材，所述第一超表面微纳结构17和所述第二超表面微纳结构25分别设置在所述第一基底19、所述第二基底27的顶面或者底面均可，本实用新型以保护第一超表面微纳结构17和所述第二超表面微纳结构25，防止外漏划伤原则进行设置。

作为本实用新型的优选实施例，参见图1A和图1B,所述第一超表面微纳结构17设置于所述第一基底19远离所述光源12的一面；参见图3，所述第二超表面微纳结构25设置于所述第二基底27靠近所述图像传感器22的一面。

所述光源12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，如此选择可以确保所述点云生成器16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。

所述光源12的点亮方式为分区点亮。具体的，所述光源12的点亮方式为S形点亮或者螺旋形点亮或者工字形点亮。图2A为所述光源12面阵排列方式及点亮方式的示意图，点亮方式可以为S型；图2B的点亮方式为螺旋形。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。

所述第一超表面微纳结构17可以为多种微纳结构，包括包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构中的一种或多种，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，第二超表面微纳结构25包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱或拓扑结构中的一种或多种，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，示例性地，所述第一超表面微纳结构17可以为纳米圆柱和纳米方柱，第二超表面微纳结构25为以纳米方柱为基础，另包括正多边棱柱。

作为本实用新型的优选实施例，所述第一超透镜14的焦距f1为0.1-6mm，所述第一超透镜14的口径为0.1-10mm；所述光源12的发射波长为800-2000nm，所述光源12发出的光线经所述第一超透镜14准直后，光线的发散角为0.1-18度。

作为本实用新型的另一实施例，参见附图1B，所述点云生成器16包括第三基底161和设置于所述第三基底161顶面或底面的第三超表面微纳结构162，作为本实用新型的优选实施例，所述第三超表面微纳结构162设置于所述第三基底161远离于所述第一超透镜14的一面；同样地，第三基底161的材质可以是高透光性的石英玻璃或硅材，所述第三超表面微纳结构162为圆柱或者方柱或者正多边棱柱结构的一种或多种，且所述第三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，所述第三超表面结构162可以为方柱和正多边棱柱。

下面再结合图1A、图1B及图3，本实用新型的3D-ToF模组还包括与第一支架13连接的第一安装座18、与第二支架23连接的第二安装座26，第一基底19安装于第一安装座上，第二基底27安装于第二安装座26上，另外，当第一支架13顶部为所述点云生成器时，第一支架13与上下两组第一安装座18连接，所述第一超透镜14和所述点云生成器16分别固定于一组第一安装座18上。

至于第一安装座18及第二安装座26的具体设置方式不做特别限定，示例性地，首先参见图1A，第一安装座18可分别设置于两侧第一支架13的内侧壁上，第一超透镜14固定于第一安装座18上，且第一安装座18位于第一超透镜14靠近第一底座11的一侧；再参见图3，第二安装座26可分别设置于两侧第二支架23的内侧壁上，第二超透镜24固定于第二安装座26上，且第二安装座26位于第二超透镜24远离第二底座21的一侧。再参见图1B,当第一支架13顶部为点云生成器16时，两侧第一支架13的顶部内侧壁设有另一组第一安装座18，点云生成器16固定于该顶部的第一安装座18上，且该第一安装座18位于点云生成器16靠近所述第一底座11的一侧。

另外，在其它实施例中，所述第一安装座18也可设置于两侧第一支架13的内侧壁，但位于第一超透镜14或点云生成器16远离第一底座11的一侧；所述第二安装座26也可设置于两侧第二支架23的内侧壁，但位于第二超透镜24靠近第二底座21的一侧，或者第一安装座18亦可设置于第一基底19两端、第三基底161两端，并与两侧第一支架13的接触面附近，第二安装座26亦可设置于第二基底27两端与两侧第二支架23的接触面附近。

所述发射模组1采用第一超透镜14作为准直透镜，可有效减小发射模组1的体积和重量，并且成本也会得到降低。所述光源12为奇数排列的面阵光源，具体可以是基于VCSEL的面阵光源或者基于EEL的面阵光源，所述光源12的发光方式为分区点亮的方式，可以有效降低能耗、提升光能利用率。

所述接收模组2采用所述第二超透镜24取代传统透镜，实现会聚功能，可有效减小所述接收模组2的体积，并且成本也会得到降低。

本实施例为所述发射模组1所用准直超透镜的详细参数。对于所述接收模组2会聚超透镜，也可用相同参数，包括所采用纳米结构的特性、相位与半径的关系等，接收模组2的第二超透镜24的焦距为f2，具体地，第二超透镜24的焦距f2为0.1-5mm，第二超透镜24的口径为0.1-15mm。

所述第一超透镜14设计相位与所述第一超透镜14表面半径的关系如图5所示。所用公式为：

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，λ_d为光波波长，Φ(r)表示超透镜表面相位。

从图5中可以看出，理论上需要达到的相位分布，和我们设计选择微纳结构所达到的实际相位分布，符合的很好，说明纳米结构设计和优化成功。

不同视场下的点扩散函数如图6A-6D所示。从点扩散函数可以看出，在不同的入射角度下(0度、4.62度、9.24度、11.55度)，光斑大小满足设计要求.

所述第一超透镜14的调制传递函数如图7所示。从调制传递函数看出，在不同的入射角度下(0度、4.62度、9.24度、11.55度)，其调制传递函数值都在0.8左右，满足设计要求。

关于所述衍射光学元件15(DOE)或所述点云生成器16，其负责对于准直后的光的幅度和相位进行调制，最终生成点云图。点云对应的相位图如图9所示。该点云图是正六边形排布的光斑图所生成的相位分布。

超透镜与VCSEL的距离即为超透镜的设计焦距。对于DOE或基于超表面的所述点云生成器16，其与所述第一超透镜14之间的距离，当距离为所述第一超透镜14焦距f1时，满足等晕条件，产生的点云图如图10所示。

当距离在所述第一超透镜14焦距f1以内，像质会受到影响。DOE靠近所述第一超透镜14过程中，在其中一个位置时，产生的点云仿真图如图11所示。

实际工作距离可以满足等晕条件，也可以不满足。以实际成像需求为参考进行设计。

上述实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D-ToF模组，其特征在于，包括：

发射模组，其包括第一底座、设置于所述第一底座上的光源、设置于所述光源外围的第一支架、设置于所述第一支架中部将所述光源密封的第一超透镜以及设置于所述第一支架顶部的衍射光学元件或点云生成器；所述第一超透镜包括第一基底和设置于所述第一基底顶面或底面的第一超表面微纳结构；

接收模组，与所述发射模组对应，其包括第二底座、设置于所述第二底座上的图像传感器、设置于所述图像传感器外围的第二支架以及设置于所述第二支架上的第二超透镜；所述第二超透镜包括第二基底和设置于所述第二基底顶面或底面的第二超表面微纳结构。

2.根据权利要求1所述的3D-ToF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模组，其特征在于：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中的一种或多种，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；

所述第二超表面微纳结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱或拓扑结构中的一种或多种，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。

6.根据权利要求1所述的3D-ToF模组，其特征在于：所述第一超透镜的焦距为0.1-6mm，所述第一超透镜的口径为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第一超透镜准直后，光线的发散角为0.1-18度。

7.根据权利要求1所述的3D-ToF模组，其特征在于：所述第二超透镜的焦距为0.1-5mm，所述第二超透镜的口径为0.1-15mm。

8.根据权利要求1所述的3D-ToF模组，其特征在于：所述点云生成器包括第三基底和设置于所述第三基底顶面或底面的第三超表面微纳结构，所述第三超表面微纳结构为圆柱或者方柱或者正多边棱柱结构的一种或多种，且所述第三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模组，其特征在于：所述3D-ToF模组还包括与第一支架连接的第一安装座、与第二支架连接的第二安装座，所述第一基底安装于所述第一安装座上，所述第二基底安装于所述第二安装座上。

10.根据权利要求9所述的3D-ToF模组，其特征在于：当所述第一支架顶部为所述点云生成器时，所述第一支架与上下两组第一安装座连接，所述第一超透镜和所述点云生成器分别固定于一组第一安装座上。

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