CN217466052U - 基于超透镜ToF模组的触觉传感器 - Google Patents
基于超透镜ToF模组的触觉传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请是一种基于超透镜ToF模组的触觉传感器，包括沿竖直方向依次设置的反射层、弹性体层、支撑层和ToF模组，所述ToF模组包括发射模组和接收模组；所述发射模组包括光源模块和第一超透镜，所述接收模组包括光探测模块和第二超透镜,所述第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；所述第一超透镜被配置为将来自光源模块的调制光波照射至所述反射层，所述第二超透镜被配置为将来自反射层的反射光波会聚至所述光探测模块。通过超透镜替代了现有技术中的双目视觉传感器及光学透镜，且不需照明元件，体积小结构紧凑，适用于机械臂手指等应用场景。还可作为阵列使用，扩大触觉面积。
Description
技术领域
本申请涉及传感器领域，具体涉及一种基于超透镜ToF模组的触觉传感器。
背景技术
触觉感知是设备获取外部信息的重要组成部分，赋予机器人触觉对于机器人的操作技能学习具有非常重要的意义。国内外设计了许多不同的触觉传感与感知系统，用于机器人感知和操作任务，比如物体特性识别、滑动检测、抓取稳定性评估、机械手的灵巧操作等。其中的视触觉传感器可以获得高分辨率的触觉信息，是通过图像感知元件捕捉压力层的形变，从而计算出触觉数据。
现有技术中常用的双目立体视觉方案存在体积大，成本高，并且需要侧方LED照明，整体系统复杂的缺陷。而现有技术中的另一种方案，ToF(飞行时间测距法)模组存在体积大的缺陷，无法应用于所需场景，比如机械臂手指上。
实用新型内容
本申请提供一种基于超透镜ToF模组的触觉传感器，以解决现有技术中存在的体积大，成本高，整体系统复杂的缺陷，尤其适用于机械臂手指等较小的应用场景。
本申请提供的触觉传感器，包括沿竖直方向依次设置的反射层、弹性体层、支撑层和ToF模组，所述ToF模组包括发射模组和接收模组；
其中，所述发射模组包括光源模块和第一超透镜，所述接收模组包括光探测模块和第二超透镜,所述第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；以及
其中，基于纳米结构的相位分布，所述第一超透镜被配置为将来自光源模块的调制光波照射至所述反射层，所述第二超透镜被配置为将来自反射层的反射光波会聚至所述光探测模块。
优选地，所述第一超透镜配置为将来自光源模块的调制光波准直并生成投射至反射层的点云。
优选地，所述第一超透镜基底的两侧分别设置不同的纳米结构及其组成的结构单元；
其中，所述第一超透镜靠近光源模块的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：对来自光源模块的调制光波准直；
其中，所述第一超透镜靠近反射层的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：基于准直后的调制光波，生成投射至反射层的点云。
优选地，所述光源模块包括基于VCSEL的面阵光源，以及
其中，所述第一超透镜被配置为将所述面阵光源投影至远场。
优选地，所述支撑层为丙烯酸板。
优选地，所述纳米结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构中的一种或多种。
优选地，所述第一超透镜和第二超透镜中的纳米结构不同。
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，所述第一超透镜和第二超透镜设置在同一基底的不同区域上。
优选地，所述ToF模组为多个并组成阵列。
上述技术方案通过超透镜替代了现有技术中的双目视觉传感器及光学透镜，且不需照明元件，体积小结构紧凑，适用于机械臂手指等应用场景。还可作为阵列使用，扩大触觉传感的面积。其中的发射模组，将准直和形成点云的功能集中于一片超透镜上，减小体积，降低了成本。
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为本申请触觉传感器示意图；
图2为触觉传感器工作原理示意图；
图3为触觉传感器阵列示意图；
图4为超透镜结构单元示意图；
图5为纳米结构示意图。
图中标注：
1反射层，2弹性体层，3支撑层，4ToF模组，5计算模块；
11反射层被投射的点云；
41第一超透镜，42第二超透镜，43光源模块，44光探测模块。
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。
应当理解的是，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。
本申请涉及的是一种触觉传感器，具体地说是一种基于深度传感、进而得到触觉传感数据的传感器。在现有的相似技术思想的产品中：
其一，采用了双目视觉的原理，即通过双目立体视觉，测量接触面与基准之间的距离，判断接触面的形变，得出触觉数据。这种方法没有主动光，依赖于对接触面的照明，需要加装侧面的LED照明元件，受摄像头性能、光照和基线长度影响，算法复杂，在应用上会有很多限制，其难以在纵向尺寸上缩小，且因为基线长度的要求，横向尺寸方面也难以缩小，导致整体体积较大，结构复杂难以精简。
其二，基于ToF法，需要设置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。
有鉴于此，本申请实施例涉及了一种基于超透镜ToF模组的触觉传感器，如图1所示，包括沿竖直方向依次设置的反射层1、弹性体层2、支撑层3和ToF模组4，所述ToF模组包括发射模组和接收模组；其作用机制如图2所示，外界接触力使弹性体发生形变，主要为法向形变，使其高度不一，通过ToF模组得到这一系列高度信息，通过高度信息反馈为法向力信息，从而得到触觉信息。高度h和法向力F的关系可如下式：
h＝BF
其中B为高度与法向力的转换系数，单位为m/N，其与各层材料相关。
在基于ToF模组的触觉传感器中，其触觉感知的分辨率取决于ToF模组的深度分辨率，而ToF模组的深度分辨率取决于CPU单元的处理速度，CPU的处理能力用ν表示，深度分辨率为σ，二者的关系需满足如下关系式：
ν≥c/(2σ)
其中c为光速。
本实施例中，发射模组包括光源模块和第一超透镜，所述接收模组包括光探测模块和第二超透镜,所述第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；应理解的是，所述的第一超透镜和第二超透镜为调制不同的超透镜，分别实现光线的发送和接收两种功能。
上述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。本例中，纳米结构是全介质结构单元，在目标波段具有高透过率，示例性的，其材料可以是：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。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，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。
基于纳米结构的相位分布，所述第一超透镜被配置为将来自光源模块的调制光波照射至所述反射层，所述第二超透镜被配置为将来自反射层的反射光波会聚至所述光探测模块。
在优选实施例中，所述第一超透镜配置为将来自光源模块的调制光波准直并生成投射至反射层的点云。
在优选实施例中，所述第一超透镜基底的两侧分别设置不同的纳米结构及其组成的结构单元；
其中，所述第一超透镜靠近光源模块的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：对来自光源模块的调制光波准直；
其中，所述第一超透镜靠近反射层的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：基于准直后的调制光波，生成投射至反射层的点云。
上述优选实施例将准直和形成点云的功能集中于一片超透镜上，减小体积，降低了成本。
在优选实施例中，起到准直作用的第一超透镜或起到汇聚作用的第二超透镜，其相位满足：
式中，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。
在优选实施例中，所述ToF模组周围填充有：光刻胶、PMMA及PDMS中的一种或多种混合，也可填充其他高折射率的材料，其作用在于减小CPU的运算负荷。
在优选实施例中，所述光源模块包括基于VCSEL的面阵光源，以及
其中，所述第一超透镜被配置为将所述面阵光源投影至远场。
在优选实施例中，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。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。
在优选实施例中，还包括用于计算触觉传感信息的计算模块5。
在优选实施例中，所述支撑层为丙烯酸板。直到支撑和隔离作用。
在优选实施例中，所述纳米结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构中的一种或多种。
在优选实施例中，所述第一超透镜和第二超透镜中的纳米结构不同。
上述的超透镜中纳米结构的周期性排布具体包括矩形、正方形、扇形、多边形等规律性的排布方式。
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4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4左侧中示出的一个实施例，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4右侧中示出的一个实施例，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。
对上述实施例的补充说明是，超表面单元的基底和纳米结构的选择，为工作波段的高透过率材料。超表面单元的基底和纳米结构的选择，为工作波段的高透过率材料：当工作波段是可见光时，基底材料可选用熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石等可见光透明材料，纳米结构可选氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、蓝宝石和氧化硅等材料；当工作波段是远红外(8-12μm)时，基底材料可选用硫系玻璃、硫化锌、硒化锌、晶体锗和晶体硅等材料，纳米结构可选用晶体硅、晶体锗等材料。
在优选实施例中，所述第一超透镜和第二超透镜设置在同一基底的不同区域上。其中，超透镜的生产兼容半导体的生产工艺，可在同一基底上加工不同位置、相位不同的多组结构单元，如图1中，分别形成实施例中所述的第一超透镜和第二超透镜。在更进一步的实施方式中，可使用晶圆级加工，在同一片晶圆上，加工出阵列式的第一超透镜和第二超透镜，然后切割出所需大小或所需形状，并可将上述晶圆级加工的超透镜与同样晶圆级加工的传感器-光源阵列进行晶圆级封装，依照使用场景对封装后的晶圆进行切割，即可得到符合大小、形状需求触觉传感器模组。
上述实施例中，纳米结构可为偏振相关的结构，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；纳米结构也可以是偏正无关结构，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。示例性的，如图5所示，可以为纳米鳍或纳米方柱。
在优选实施例中，如图3所示，所述ToF模组为多个并组成阵列。扩大了触觉传感的面积。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，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和范围。
Claims (12)
1.一种基于超透镜ToF模组的触觉传感器，其特征在于，包括沿竖直方向依次设置的反射层、弹性体层、支撑层和ToF模组，所述ToF模组包括发射模组和接收模组；
其中，所述发射模组包括光源模块和第一超透镜，所述接收模组包括光探测模块和第二超透镜,所述第一超透镜和第二超透镜均包括基底和阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；以及
其中，基于纳米结构的相位分布，所述第一超透镜被配置为将来自光源模块的调制光波照射至所述反射层，所述第二超透镜被配置为将来自反射层的反射光波会聚至所述光探测模块。
2.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一超透镜配置为将来自光源模块的调制光波准直并生成投射至反射层的点云。
3.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一超透镜基底的两侧分别设置不同的纳米结构及其组成的结构单元；
其中，所述第一超透镜靠近光源模块的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：对来自光源模块的调制光波准直；
其中，所述第一超透镜靠近反射层的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：基于准直后的调制光波，生成投射至反射层的点云。
4.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述光源模块包括基于VCSEL的面阵光源，以及
其中，所述第一超透镜被配置为将所述面阵光源投影至远场。
5.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述支撑层为丙烯酸板。
6.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述纳米结构包括圆柱、环柱、方柱、正多边棱柱结构或拓扑结构中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一超透镜和第二超透镜中的纳米结构不同
和/或
所述第一超透镜和第二超透镜中的结构单元不同。
8.根据权利要求1所述的触觉传感器，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。
9.根据权利要求1所述的触觉传感器，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。
10.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一超透镜和第二超透镜设置在同一基底的不同区域上。
11.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述ToF模组为多个并组成阵列。
12.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述ToF模组周围填充有：光刻胶、PMMA及PDMS中的一种或多种。
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| CN202220230242.XU CN217466052U (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 基于超透镜ToF模组的触觉传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN217466052U true CN217466052U (zh) | 2022-09-20 |
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| CN202220230242.XU Active CN217466052U (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 基于超透镜ToF模组的触觉传感器 |
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|---|---|
| CN (1) | CN217466052U (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116256827A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-06-13 | 东北石油大学三亚海洋油气研究院 | 一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线 |
| US11927769B2 (en) | 2022-03-31 | 2024-03-12 | Metalenz, Inc. | Polarization sorting metasurface microlens array device |
| US11978752B2 (en) | 2019-07-26 | 2024-05-07 | Metalenz, Inc. | Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems |
| US11988844B2 (en) | 2017-08-31 | 2024-05-21 | Metalenz, Inc. | Transmissive metasurface lens integration |
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2022
- 2022-01-27 CN CN202220230242.XU patent/CN217466052U/zh active Active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11988844B2 (en) | 2017-08-31 | 2024-05-21 | Metalenz, Inc. | Transmissive metasurface lens integration |
| US11978752B2 (en) | 2019-07-26 | 2024-05-07 | Metalenz, Inc. | Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems |
| US11927769B2 (en) | 2022-03-31 | 2024-03-12 | Metalenz, Inc. | Polarization sorting metasurface microlens array device |
| CN116256827A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-06-13 | 东北石油大学三亚海洋油气研究院 | 一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线 |
| CN116256827B (zh) * | 2023-05-16 | 2023-08-15 | 东北石油大学三亚海洋油气研究院 | 一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线 |
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