CN217543380U - 飞行时间模组和成像设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种飞行时间模组和成像设备。飞行时间模组包括：发射端组件，发射端组件包括VCSEL光源和光学扩散器，光学扩散器位于VCSEL光源的出光侧；引光柱，引光柱设置在发射端组件的出口处，且位于光学扩散器远离VCSEL光源的一侧，引光柱远离光学扩散器的一侧的表面积小于光学扩散器朝向引光柱一侧的表面积，引光柱为实心结构。本实用新型解决了现有技术中的飞行时间模组存在出口孔径大的问题。

Description

飞行时间模组和成像设备

技术领域

本实用新型涉及三维成像设备技术领域，具体而言，涉及一种飞行时间模组和成像设备。

背景技术

目前人工智能行业内实现3D成像的方式主要有双目、结构光和飞行时间模组，其中双目精度较低，结构光结构复杂且成本高，而飞行时间模组有足够的精度且成本稍低，已有流行推广的趋势。现有技术中的飞行时间模组其发射端的出口和接收端的入口孔径相对较大，这样将飞行时间模组应在产品上时的占用面积过大，屏幕占有率低，这是实现全面屏产品中亟待解决的问题。

也就是说，现有技术中的飞行时间模组存在出口孔径大的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种飞行时间模组和成像设备，以解决现有技术中的飞行时间模组存在出口孔径大的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种飞行时间模组，包括：发射端组件，发射端组件包括VCSEL光源和光学扩散器，光学扩散器位于VCSEL光源的出光侧；引光柱，引光柱设置在发射端组件的出口处，且位于光学扩散器远离VCSEL光源的一侧，引光柱远离光学扩散器的一侧的表面积小于光学扩散器朝向引光柱一侧的表面积，引光柱为实心结构。

进一步地，飞行时间模组还包括接收端组件，引光柱为多个，多个引光柱包括第一引光柱和第二引光柱，第一引光柱设置在发射端组件的出口处，第二引光柱设置在接收端组件的入口处，发射端组件的出口与接收端组件的入口位于同一平面。

进一步地，接收端组件沿光线入射方向依次包括聚焦透镜、滤波片和探测器，第二引光柱位于聚焦透镜远离滤波片的一侧。

进一步地，第二引光柱远离聚焦透镜的一侧的表面积小于聚焦透镜朝向第二引光柱的一侧的表面积。

进一步地，光学扩散器包括：主体部；微透镜阵列层，主体部的至少一个表面设置有微透镜阵列层，微透镜阵列层包括多个微透镜，各微透镜的表面均为自由曲面。

进一步地，微透镜阵列层远离主体部的一侧表面为入光面或出光面。

进一步地，引光柱的材料为全反射材料。

进一步地，引光柱的形状包括圆锥体、圆柱体、长方体、自由曲面旋转体中的一种。

进一步地，引光柱的材料包括金属、玻璃和塑料中的一种。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种成像设备，包括：上述的飞行时间模组；显示屏，显示屏具有间隔设置的光线出射孔和光线入射孔，飞行时间模组的发射端组件的出口与光线出射孔对应，飞行时间模组的接收端组件的入口与光线入射孔对应。

应用本实用新型的技术方案，飞行时间模组包括发射端组件和引光柱，发射端组件包括VCSEL光源和光学扩散器，光学扩散器位于VCSEL光源的出光侧；引光柱设置在发射端组件的出口处，且位于光学扩散器远离VCSEL光源的一侧，引光柱远离光学扩散器的一侧的表面积小于光学扩散器朝向引光柱一侧的表面积，引光柱为实心结构。

引光柱设置在发射端组件的出口处，这样设置使得引光柱起到了聚光的作用，使得VCSEL光源发射的光线通过光学扩散器进行扩散后，大部分光线汇聚到引光柱内，光线在引光柱内经过多次反射后从小孔出射，从而减小发射端组件出口处的孔径，缩小了出光面积，进而缩小屏幕的开孔面积，大大提高了屏幕占有率。通过将引光柱设置成实心结构，有利于光线在引光柱内无损的全反射传输，减小了光能量的损失，有利于保证发射端组件的光线出射效率。另外，该引光柱还能够增加匀光设计的自由变量，有利于提高发射端组件的照度均匀性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的一个可选实施例的飞行时间模组的结构示意图；

图2示出了图1中的飞行时间模组的发射端组件的结构示意图；

图3示出了图1中的飞行时间模组的接收端组件的结构示意图；

图4示出了本实用新型的飞行时间模组的引光柱的多种形态；

图5示出了一个可选实施例的飞行时间模组的发射端组件的实心的引光柱的光路示意图；

图6示出了一个可选实施例的飞行时间模组的接收端组件的实心的引光柱的光路示意图；

图7示出了本实用新型的一个可选实施例的成像设备的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、发射端组件；11、VCSEL光源；12、光学扩散器；20、接收端组件；21、聚焦透镜；22、滤波片；23、探测器；30、引光柱；31、第一引光柱；32、第二引光柱；40、显示屏；41、光线出射孔；42、光线入射孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

为了解决现有技术中的飞行时间模组存在出口孔径大的问题，本实用新型提供了一种飞行时间模组和成像设备。

如图1至图7所示，飞行时间模组包括发射端组件10和引光柱30，发射端组件10包括VCSEL光源11和光学扩散器12，光学扩散器12位于VCSEL光源11的出光侧；引光柱30设置在发射端组件10的出口处，且位于光学扩散器12远离VCSEL光源11的一侧，引光柱30远离光学扩散器12的一侧的表面积小于光学扩散器12朝向引光柱30一侧的表面积，引光柱30为实心结构。

引光柱30设置在发射端组件10的出口处，这样设置使得引光柱30起到了聚光的作用，使得VCSEL光源11发射的光线通过光学扩散器12进行扩散后，大部分光线汇聚到引光柱30内，光线在引光柱30内经过多次反射后从小孔出射，从而减小发射端组件10出口处的孔径，缩小了出光面积，进而缩小屏幕的开孔面积，大大提高了屏幕占有率。通过将引光柱30设置成实心结构，有利于光线在引光柱30内无损的全反射传输，减小了光能量的损失，有利于保证发射端组件10的光线出射效率。另外，该引光柱30还能够增加匀光设计的自由变量，有利于提高发射端组件10的照度均匀性。

如图1和图3所示，飞行时间模组还包括接收端组件20，引光柱30为多个，多个引光柱30包括第一引光柱31和第二引光柱32，第一引光柱31设置在发射端组件10的出口处，第二引光柱32设置在接收端组件20的入口处，发射端组件10的出口与接收端组件20的入口位于同一平面。接收端组件20沿光线入射方向依次包括聚焦透镜21、滤波片22和探测器23，第二引光柱32位于聚焦透镜21远离滤波片22的一侧。发射端组件10发射的光照射到外部的被探测物上后，然后被探测物将光反射回接收端组件20中，返回的光线依次通过聚焦透镜21聚焦、滤波片22滤波后到达探测器23处，然后通过图像算法处理，然后获得被探测物的信息，从而实现三维成像。通过将第二引光柱32设置在接收端组件20的入口处，这样设置使得第二引光柱32起到了聚光的作用，使得外部被探测物反射回的光线能够由小孔大部分汇聚到第二引光柱32内，进而在第二引光柱32内经过多次反射后输出，进而到达聚集透镜后继续进行传输，从而减小接收端组件20入口处的孔径，缩小了入光面积，进而缩小屏幕的开孔面积，大大提高了屏幕占有率。另外，该第二引光柱32能够充当遮光罩的作用，能够减小入射到聚焦透镜21的杂散光，有利于提高3D成像精度。

具体的，第一引光柱31位于发射端组件10的出口处，第二引光柱32位于接收端组件20的入口处，第一引光柱31远离光学扩散器12的一侧的表面积小于光学扩散器12朝向第一引光柱31的一侧的表面积；第二引光柱32远离聚焦透镜21的一侧的表面积小于聚焦透镜21朝向第二引光柱32的一侧的表面积。

具体的，光学扩散器12包括主体部和微透镜阵列层，微透镜阵列层为一个或多个，至少一个微透镜阵列层设置在主体部的一侧表面上，微透镜阵列层包括多个微透镜，各微透镜的表面为自由曲面。本申请的光学扩散器12可以是单面的结构，也可以是双面的结构，可根据具体情况进行选择，单面的光学扩散器12为仅主体部的一侧表面设置了微透镜阵列层，此时微透镜阵列层远离主体部的一侧表面可以是入光面也可以是出光面；双面的光学扩散器12为主体部的两侧表面均设置的一层微透镜阵列层。多个微透镜采用随机阵列的排布方式设置在主体部上，各微透镜远离主体部的一侧表面均为自由曲面，通过设置自由曲面，也可以改变光线传输方向，使得出射的光线更加均匀。

具体的，图1中的第一引光柱31和第二引光柱32均为圆锥体的引光柱30，且第一引光柱31和第二引光柱32的尺寸大小不同。第一引光柱31远离光学扩散器12的一侧的表面积小于第一引光柱31靠近光学扩散器12的一侧的表面积，这样设置使得VCSEL光源11发射的光线通过光学扩散器12进行扩散后，大部分光线通过面积大的一侧汇聚到第一引光柱31内，光线在第一引光柱31内经过多次反射后从小面积出射，以实现小孔出射，从而减小发射端组件10出口处的孔径，缩小了出光面积，进而缩小显示屏40上光线出射孔41的开孔面积，大大提高了屏幕占有率，且第一引光柱31能够增加匀光设计的自由变量，有利于提高发射端组件10的照度均匀性。第二引光柱32远离聚焦透镜21的一侧的表面积小于第二引光柱32靠近聚焦透镜21的一侧的表面积，由发射端组件10出射的光线照射到外部的被探测物上，然后外部被探测物反射回的光线能够大部分由第二引光柱32小面积的一侧汇聚到第二引光柱32内，进而在第二引光柱32内经过多次反射后由大面积的一侧输出，从而减小接收端组件20入口处的孔径，实现小孔入射，进而缩小了显示屏40上光线入射孔42的开孔面积，大大提高了屏幕占有率，同时第二引光柱32还能够起到遮光的作用，能够有效减少入射到聚焦透镜21上的杂散光，有利于提高飞行时间模组的3D成像精度。

需要说明的是，在一个可选实施例中，第一引光柱31和第二引光柱32的尺寸也可相同，第一引光柱31靠近光学扩散器12的一侧的表面积与光学扩散器12的尺寸有关，进一步与VCSEL光源11的点阵光源的大小有光；第二引光柱32的靠近聚集透镜的一侧的表面积与聚焦透镜21的尺寸有关，进一步与探测器23的尺寸有关，可根据具体情况进行调整，需保证第一引光柱31的光线出射侧的口径较小、第二引光柱32的光线入射侧的口径较小。

如图4所示，第一引光柱31的形状包括圆锥体、圆柱体、长方体、自由曲面旋转体中的一种，包括但不限于这些；第二引光柱32的形状包括圆锥体、圆柱体、长方体、自由曲面旋转体中的一种，包括但不限于这些；可根据具体情况进行选择，第一引光柱31与第二引光柱32的形状可以相同也可以不同；图中(a)为圆锥体，图中(b)为圆柱体，图中(c)为长方体，图中(d)为自由曲面旋转体。

具体的，第一引光柱31和第二引光柱32均为实心结构，且第一引光柱31的材料为全反射材料，第二引光柱32的材料为全反射材料，这样设置保证了光线在引光柱30内的无损全反射传输，从能能够避免光能量的损失，保证光线的传输效率。第一引光柱31和第二引光柱32的材料折射率应满足全反射条件，其表达式为：n＝n0/sinθ；n表示材料的折射率，n0表示空气折射率，θ表示光束的入射角度。

具体的，第一引光柱31的材料包括金属、玻璃和塑料中的一种，包括但不限于这些，经过光学扩散器12的光线通过在第一引光柱31内发生全反射，然后无损的由第一引光柱31远离光学扩散器12的一侧表面出射。第二引光柱32的材料包括金属、玻璃和塑料中的一种，包括但不限于这些，外部被测物反射回的光线通过第二引光柱32在其内部发生全反射，然后无损的入射到聚焦透镜21上进一步进行传输。

如图5所示，为第一引光柱31为实心结构时的光路示意图，由图可知光线在第一引光柱31的内部经多次无损全反射后由左侧出射，出射的光线具有一定的发散角。如图6所示，为第二引光柱32为实心结构时的光路示意图，由图可知光线在第二引光柱32的内部经多次无损全反射后由右侧出射，出射的光线具有一定的发散角。

如图7所示，本实用新型还提供了一种成像设备，包括上述的飞行时间模组和显示屏40，显示屏40具有光线出射孔41和光线入射孔42，飞行时间模组的发射端组件10的出口与光线出射孔41对应，飞行时间模组的接收端组件20的入口与光线入射孔42对应。通过在本申请的飞行时间模组中增加两个引光柱30，使得引光柱30能够将大面积光线汇聚到自身中，通过光线在引光柱30中经过多次无损反射，从小孔出射，有效缩小了发射端组件10的出口处的孔径和接收端组件20的入口处的孔径，进而缩小了出射面积和入射面积，进一步缩小了光线出射孔41和光线入射孔42的尺寸，缩小了显示屏40上的开孔面积，大大提高了屏幕占有率，提高了屏占比。

需要说明的是，本申请的飞行时间模组可应用在3D传感、人脸识别、机器视觉、自动驾驶等三维成像领域中。本申请的飞行时间模组应用场景可以包括类似手机前端和后端摄像的3D成像模组，类似激光雷达的测距模组，应用装置包括但不限于这些。上述成像设备可以是手机、平板、笔记本、手表等。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞行时间模组，其特征在于，包括：

发射端组件(10)，所述发射端组件(10)包括VCSEL光源(11)和光学扩散器(12)，所述光学扩散器(12)位于所述VCSEL光源(11)的出光侧；

引光柱(30)，所述引光柱(30)设置在所述发射端组件(10)的出口处，且位于所述光学扩散器(12)远离所述VCSEL光源(11)的一侧，所述引光柱(30)远离所述光学扩散器(12)的一侧的表面积小于所述光学扩散器(12)朝向所述引光柱(30)一侧的表面积，所述引光柱(30)为实心结构。

2.根据权利要求1所述的飞行时间模组，其特征在于，所述飞行时间模组还包括接收端组件(20)，所述引光柱(30)为多个，多个所述引光柱(30)包括第一引光柱(31)和第二引光柱(32)，所述第一引光柱(31)设置在所述发射端组件(10)的出口处，所述第二引光柱(32)设置在所述接收端组件(20)的入口处，所述发射端组件(10)的出口与所述接收端组件(20)的入口位于同一平面。

3.根据权利要求2所述的飞行时间模组，其特征在于，所述接收端组件(20)沿光线入射方向依次包括聚焦透镜(21)、滤波片(22)和探测器(23)，所述第二引光柱(32)位于所述聚焦透镜(21)远离所述滤波片(22)的一侧。

4.根据权利要求3所述的飞行时间模组，其特征在于，所述第二引光柱(32)远离所述聚焦透镜(21)的一侧的表面积小于所述聚焦透镜(21)朝向所述第二引光柱(32)的一侧的表面积。

5.根据权利要求1所述的飞行时间模组，其特征在于，所述光学扩散器(12)包括：

主体部；

微透镜阵列层，所述主体部的至少一个表面设置有所述微透镜阵列层，所述微透镜阵列层包括多个微透镜，各所述微透镜的表面均为自由曲面。

6.根据权利要求5所述的飞行时间模组，其特征在于，所述微透镜阵列层远离所述主体部的一侧表面为入光面或出光面。

7.根据权利要求1所述的飞行时间模组，其特征在于，所述引光柱(30)的材料为全反射材料。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的飞行时间模组，其特征在于，所述引光柱(30)的形状包括圆锥体、圆柱体、长方体、自由曲面旋转体中的一种。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的飞行时间模组，其特征在于，所述引光柱(30)的材料包括金属、玻璃和塑料中的一种。

10.一种成像设备，其特征在于，包括：

权利要求1至9中任一项所述的飞行时间模组；

显示屏(40)，所述显示屏(40)具有间隔设置的光线出射孔(41)和光线入射孔(42)，所述飞行时间模组的发射端组件(10)的出口与所述光线出射孔(41)对应，所述飞行时间模组的接收端组件(20)的入口与所述光线入射孔(42)对应。

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