CN216593224U - 基于超透镜的3d传感系统及包括其的手持终端 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于超透镜的3D传感系统及包括其的手持终端，其包括红外光发射器和红外光接收器；红外光发射器包括红外光源和第一超透镜；红外光接收器包括红外CMOS和第二超透镜；第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布的结构单元，结构单元由基底表面的纳米结构组成；其中，第一超透镜被配置为将红外光源发出的光进行准直并在远场生成点云；第二超透镜被配置为会聚目标物体反射的红外光至红外CMOS。本申请技术方案具备重量轻、体积小、易于生产和维护的特点。同时由于其结构简单，适用于工况较差，易受到震荡和冲击的应用场景，如手持设备、无人机、各种探头等，可以用于人脸识别，手势识别等多种功能。

Description

基于超透镜的3D传感系统及包括其的手持终端

技术领域

本申请属于光学设备领域，具体涉及一种基于超透镜的3D传感系统及包括其的手持终端。

背景技术

3D传感摄像头指能检测出拍摄空间的距离信息，从而获取图像三维空间坐标的成像设备。2D摄像头为平面成像，无法识别物理世界中的三维信息，如尺寸，体积，距离等，而3D传感摄像头为立体成像，可识别三维空间内每个点位的三维坐标信息，从而复原完整三维图像。3D传感摄像头可实现人脸识别、手势识别、三维测量等多项功能，广泛应用于电视、手机、无人机、安防和汽车驾驶辅助等领域。

现有技术中的3D传感系统，结构复杂且笨重，具体地说，在发射端需要应用扩束镜、准直镜头、衍射光栅、投射透镜等，在接收端则需要光学透镜组、滤光镜片等，加之光路所需的距离，整体体积较大，难以应用到手持设备或无人机等机体容量有限的装置中。

例如，CN113311644A公开了一种用于3D传感的结构光发射器，根据其文献的记载，包括有准直器、二维衍射光学器件、扩束透镜等多个光学器件，可知其不仅厚度重量大，装配精度要求也较高，易被震动、冲击损坏，不适用于安装在手机、无人机等设备上。

实用新型内容

针对上述现有技术中的缺陷，本申请第一方面提供一种基于超透镜的 3D传感系统,包括：

红外光发射器、红外光接收器、可见光摄像头和CMOS图像处理芯片；

所述红外光发射器包括红外光源和第一超透镜，所述第一超透镜被配置为将红外光源发出的光进行准直并在远场生成点云；

所述红外光接收器包括红外CMOS和第二超透镜，所述第二超透镜被配置为会聚目标物体反射的红外光至所述红外CMOS；

其中，所述第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由基底表面的纳米结构组成。

优选地，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述纳米结构为包括纳米鳍或纳米椭圆柱的偏振相关结构。

优选地，所述纳米结构为包括纳米圆柱或纳米方柱的偏振无关结构。

优选地，其特征在于，所述纳米结构之间设置有填充层；所述填充层折射率与纳米结构折射率差值的绝对值大于等于0.5。

优选地，所述CMOS图像处理芯片用于：

获取来自红外光接收器的目标物体空间信息，以及

获取来自可见光摄像头的目标物体色彩信息，并基于所述空间信息和色彩信息生成目标物体的三维图像。

优选地，所述红外光接收器还包括窄带滤波片；所述窄带滤波片设置在所述红外CMOS与第二超透镜之间。

优选地，所述红外光源包括发光二极管或激光二极管。

优选地，所述红外光源包括垂直腔面发射激光器。

本申请第二方面提供了一种手持终端，包括如前述技术方案任一项所述的基于超透镜的3D传感系统。

本申请实施例提供的技术方案中，在红外光发射器和红外光接收器方面，应用了超透镜替代传统光学器件模组。超透镜是一种平面光学元件，相比传统透镜更加轻薄；通过对超表面结构阵列的调制，实现所需效果。使用单片超透镜即可实现现有技术中多个光学器件所能达到的效果。具备重量轻、体积小、易于生产和维护的特点。同时由于其结构简单，适用于工况较差，易受到震荡和冲击的应用场景，如手持设备、无人机、各种探头等，进一步地说，可以用于人脸识别，手势识别和三维建模等多种功能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请总体结构示意图；

图2为本申请中各部分连接和工作逻辑框图；

图3为本申请应用于手机的实施例示意图；

图4为红外光发射器光路图；

图5为红外光摄像头光路图；

图6为实施例中六边形结构单元示意图；

图7为实施例中正方形结构单元示意图；

图8为实施例纳米柱示意图；

图9为实施例纳米鳍示意图。

图中标注：1红外发射器；2红外光接收器；3可见光摄像头；4手机屏幕侧；5手机后侧；

11第一超透镜；12红外光源；

21第二超透镜；22红外CMOS；23窄带滤波片；

31透镜组。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

实施例第一方面提供了一种基于超透镜的3D传感系统，其主要部件包括红外光发射器、红外光摄像头、可见光摄像头、CMOS处理芯片等。使用飞行时间法(TOF)将脉冲激光信号投射到物体表面，计算激光信号从发射到接收的飞行时间从而判断物体距离。具体的，用超透镜实现红外激光发射器中的光束准直和产生远场点云；并且用超透镜取代传统透镜组与窄带滤波片和红外CMOS构建红外光摄像头的接收模组。

实施例中的3D传感系统结构构成如图1和图2所示。其中的红外光发射器1包括红外光源12和第一超透镜11；其中的红外光接收器2包括红外 CMOS 22和第二超透镜21；应当理解的是，本文中的第一超透镜和第二超透镜是依据使用需求进行不同调制的超透镜。

其中的第一超透镜11和第二超透镜21均包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由基底表面的纳米结构组成；其中的基底需要对工作波段的光线透明，如本实施例中为红外光。所述第一超透镜11被配置为将红外光源12发出的光进行准直并在远场生成点云；所述第二超透镜21被配置为会聚目标物体反射的红外光至所述红外CMOS 22。其中，CMOS能够通过算法将红外光摄像头采集的空间信息和可见光摄像头采集的色彩信息相结合，生成具备空间信息的三维图像。

对实施例的补充说明是，本申请所应用的超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，在红外光(800nm—1000nm)波段具有高透过率，根据纳米结构在不同波长下所需的相位，在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。其中纳米结构单元呈阵列排布。可以理解的是，在具体实施中，可以根据光路的要求，选取一个超透镜或多个超透镜成组使用；也可根据具体光路和应用的需求，在超透镜与超透镜之间、超透镜与其他光学设备之间，增加滤镜、棱镜、偏光片等光学元件。

对实施例的补充说明是，相比现有透镜通过厚度的渐变来调制光线，本申请使用的超透镜是平面元件，利用其表面的阵列结构达到调制光线的效果。

对实施例的补充说明是，本实施例中的红外光发射器主要用于发射经过特殊调制的不可见红外光至拍摄物体，应用于3D传感系统的红外光波长范围约为800nm—1000nm。如图4，红外光发射器由红外光源和第一超透镜构成，第一超透镜将红外光源发出的光进行准直并在远场生成点云。本实施例中的红外光摄像头用于对被拍摄物体反射的红外光进行接收和处理，以获取被拍摄物体的空间信息，如图5所示。红外光摄像头包括特制红外CMOS22、第二超透镜21。优选实施例中还可以包括窄带滤光片23。在红外光发射端，红外光源发射波长在800nm—1000nm范围内的红外波长，红外光摄像头可通过窄带滤波片消除工作波长以为波长的环境光，使红外CMOS只接收到工作波长的红外光。例如当红外光源发射940nm的红外光时，选用 940nm的窄带滤波片消除940nm以外的波长，红外CMOS只接收到940nm 的红外光。

在优选实施例中，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图6、7所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图6中示出的一个优选实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图7中示出的一个优选实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

在优选实施例中，纳米结构可以为偏振相关结构或者是偏振无关结构，具体的，如图8和图9，偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；偏正无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

在优选实施例中，超表面的工作波段为近红外。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，用于保护基底上的纳米结构，使其避免损坏。需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。

在优选实施例中，还包括可见光摄像头3。可见光摄像头可以包括传统透镜组，也可包括有超透镜构成的镜头，用于拍摄2D彩色图片，采集物体的平面信息。

在优选实施例中，红外光接收器还包括窄带滤波片；所述窄带滤波片设置在所述红外CMOS与第二超透镜之间。红外光摄像头可通过窄带滤波片消除工作波长以为波长的环境光，使红外CMOS只接收到工作波长的红外光。例如当红外光源发射940nm的红外光时，选用940nm的窄带滤波片消除940nm以外的波长，红外CMOS只接收到940nm的红外光。

在优选实施例中，所述红外光源包括发光二极管(LED),激光二极管(LD)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。其中，发光二极管使用寿命长，光电转换效能高。激光二极管具有轻、薄、短、小、高寿命、耐震、方向性佳及输出功率高等特性。垂直腔面发射激光器(VCSEL)是半导体激光器的一种，当前以砷化镓半导体为基础材料的VCSEL居多，发射波长主要为近红外波段，是一种垂直于衬底面射出激光的激光器，有区别于传统的边发射半导体激光器，如F-P激光器、DFB，其可以在衬底上多个方向上排列多个激光器，从而形成并行光源或者面阵光源。

对上述优选实施例的补充说明是，垂直腔面发射激光器(VCSEL)能够以二维阵列进行，使单个芯片可以包含数百个、数千个单独的光源，以增加最大输出功率和提升长远的可靠性；LED(发光二极管)在早期阶段通常用于3D感应技术。但是由于缺少谐振腔，LED激光束比VCSEL更为分散，耦合效率相对较低。而且VCSEL具有更高的精度，更小的尺寸，更低的功耗和更高的可靠性，更加适合与3D摄像、3D传感方面的应用。

本申请第二方面的实施例涉及一种手持终端，包括如第一方面实施例及其各项优选实施例中所述的基于超透镜的3D传感系统。应当理解，所述的手持终端设备可以是智能手机、平板电脑、PDA等。利用实施例中 3D传感系统的尺寸优势，有效利用机体内部空间，在不挤占其他元件空间的前提下使设备具备3D传感功能。进一步地，所述的基于超透镜的3D传感系统可以设置在上述设备朝向使用者的方向，如图1所示，其红外光发射方向和接收端均位于手机屏幕侧4。适用于对使用者进行面部识别。

本申请第三方面的实施例涉及一种汽车内部的面部或手势识别模组，包括如第一方面实施例及其各项优选实施例中所述的基于超透镜的3D传感系统。可以用于识别汽车驾驶员的手势动作、面部动作等。相比现有技术，更加适用于汽车上震动、颠簸频繁的工作环境，且成本较低。

本申请第四方面的实施例涉及一种用于无人机的航拍、遥感测绘模组，包括如第一方面实施例及其各项优选实施例中所述的基于超透镜的3D 传感系统。相比现有技术，重量较轻，适用于小型无人机，可以避免影响无人机的飞行重心，安装位置较为灵活，也更加兼顾耐用。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神。

Claims (11)

1.一种基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，包括：

红外光发射器、红外光接收器、可见光摄像头和CMOS图像处理芯片；

所述红外光发射器包括红外光源和第一超透镜，所述第一超透镜被配置为将红外光源发出的光进行准直并在远场生成点云；

所述红外光接收器包括红外CMOS和第二超透镜，所述第二超透镜被配置为会聚目标物体反射的红外光至所述红外CMOS；

其中，所述第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由基底表面的纳米结构组成。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

3.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

4.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述纳米结构为包括纳米鳍或纳米椭圆柱的偏振相关结构。

5.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述纳米结构为包括纳米圆柱或纳米方柱的偏振无关结构。

6.根据权利要求1～5任一项所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述纳米结构之间设置有填充层；所述填充层折射率与纳米结构折射率差值的绝对值大于等于0.5。

7.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述CMOS图像处理芯片用于：

获取来自红外光接收器的目标物体空间信息，以及

获取来自可见光摄像头的目标物体色彩信息，并基于所述空间信息和色彩信息生成目标物体的三维图像。

8.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述红外光接收器还包括窄带滤波片；所述窄带滤波片设置在所述红外CMOS与第二超透镜之间。

9.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述红外光源包括发光二极管或激光二极管。

10.根据权利要求1所述的基于超透镜的3D传感系统,其特征在于，所述红外光源包括垂直腔面发射激光器。

11.一种手持终端，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的基于超透镜的3D传感系统。

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