CN217820839U - 3D-ToF发射模组及包含其的深度相机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种3D‑ToF发射模组及包含其的深度相机，属于三维测量的技术领域。该3D‑ToF发射模组包括辐射源阵列和超透镜；所述超透镜设置于所述辐射源阵列的出光侧，以使所述超透镜将所述辐射源阵列发出的辐射直接投影从而形成点云；所述超透镜包括基底和周期性排列在所述基底一侧的纳米结构。该3D‑ToF发射模组通过超透镜之间将辐射源阵列发出的辐射投影形成点云，省略了准直系统和衍射光学元件，大大减小了3D‑ToF发射模组的体积。

Description

3D-ToF发射模组及包含其的深度相机

技术领域

本申请涉及三维测量的技术领域，具体地，本申请涉及一种3D- ToF发射模组及包含其的深度相机。

背景技术

3D-ToF，即飞行时间法是三维测量技术的一种。其原理是发射模组发射光脉冲到被测物体上，然后接收从物体返回的光脉冲，通过计算光脉冲的飞行时间来计算被测物体的深度信息。

现有技术中3D-ToF发射模组包括辐射源和光学系统。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。准直系统负责汇聚辐射，衍射光学元件用于将准直后的辐射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。

实用新型内容

有鉴于此，为解决现有3D-ToF发射模组体积大的技术问题，本申请实施例如下技术方案。本实用新型技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种3D-ToF发射模组，所述3D- ToF发射模组包括辐射源阵列和超透镜；

其中，所述超透镜设置于所述辐射源阵列的出光侧，以使所述超透镜将所述辐射源阵列发出的辐射直接投影从而形成点云；

所述超透镜包括基底和周期性排列在所述基底一侧的纳米结构。

可选地，所述辐射源阵列包括阵列排布的辐射源；

所述辐射源为垂直腔面发射激光器阵列或边缘发射激光器阵列；

任一所述垂直腔面发射激光器阵列或任一所述边缘发射激光器阵列包括多个点辐射源。

可选地，所述辐射源阵列包括奇数个所述辐射源。

可选地，所述辐射源阵列中的辐射源全部相同。

可选地，所述辐射源阵列中的辐射源部分相同。

可选地，所述辐射源阵列的点亮方式为分区点亮。

可选地，当所述辐射源阵列的辐射源全部相同时，所述点亮方式包括S形点亮、螺旋形点亮或工字形点亮。

可选地，当所述辐射源阵列中的辐射源部分相同时，所述点亮方式为相同的辐射源同时点亮，不同的辐射源分时点亮。

可选地，所述超透镜为透射式超透镜。

可选地，所述超透镜为反射式超透镜。

可选地，所述超透镜的焦距为0.1mm-6mm，口径为0.1mm至 10mm。

可选地，所述3D-ToF发射模组还包括底座和支架；所述底座用于安装辐射源阵列和支架，所述支架用于支撑所述超透镜。

另一方面，本申请实施例还提供了一种深度相机，所述深度相机包括如上述任一实施例提供的3D-ToF发射模组、至少一个接收模组、主板和处理器。

本申请实施例提供的技术方案，至少取得了以下有益效果：

本申请实施例提供的3D-ToF发射模组通过超透镜直接投影点云，省略了准直系统和衍射光学元件，大大减小了3D-ToF发射模组的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了本申请实施例提供的3D-ToF发射模组的一种可选的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的辐射源阵列的一种可选的结构示意图；

图3示出了图2所示的辐射源阵列的一种可选的点亮方式；

图4示出了图2所示的辐射源阵列的又一种可选的点亮方式；

图5示出了本申请实施例提供的辐射源阵列的又一种可选的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的辐射源阵列的又一种可选的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的3D-ToF发射模组的一种可选的结构示意图；

图8示出了本申请实施例提供的深度相机的又一种可选的结构示意图；

图9示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的结构示意图；

图10示出了本申请实施例提供的纳米结构的一种可选的结构示意图；

图11示出了本申请实施例提供的纳米结构的又一种可选的结构示意图；

图12示出了本申请实施例提供的纳米结构的一种可选的排布示意图；

图13示出了本申请实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布示意图；

图14示出了本申请实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布示意图。

图中附图分别表示：

10-底座；20-辐射源阵列；30-超透镜；40-支架；

201-辐射源；2011-点辐射源；301-基底；302-纳米结构层；3021- 纳米结构；3022-填充物。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。现有技术中的3D-ToF发射模组包括准直系统和衍射光学元件，并且准直系统采用多片折射透镜，导致其体积大，不利于小型化和轻量化。现有技术中存在一种用超透镜作为准直元件和点云生成元件的技术。这种结构虽然一定程度上促进了3D-ToF发射模组的小型化，但是这种结构需要将两种不同功能的超透镜集成在同一基底上，这种双功能超透镜的设计复杂，成本高且良品率低。

本申请实施例提供了一种3D-ToF发射模组，如图1和图7所示，该发射模组包括辐射源阵列20以及设置于所述辐射源阵列20出光侧的超透镜30。根据本申请的实施方式，辐射源阵列的工作波段可以为红外波段，也可以为可见光波段。优选地，辐射源阵列的工作波段为近红外波段。辐射源阵列20发出的辐射，经超透镜30直接投影以形成点云。换言之，辐射源阵列20发出的辐射不经过复制或分束，直接形成与辐射源阵列20形状相似的点云。示例性地，如图1所示，辐射源阵列20与超透镜30同光轴设置，且辐射源阵列20位于超透镜30的焦平面。

根据本申请的实施方式，如图2至图7所示，辐射源阵列20包括多个阵列排布的辐射源201。一般地，辐射源201选用垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser)阵列。在一些实施例中，辐射源201还可以选用边缘发射激光器(EEL，EdgeEmitting Laser)阵列。上述任一激光器阵列中的均包括多个点辐射源。这些点辐射源呈阵列排布。为了使该3D-ToF投射的点云保持对称为了确保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，优选地，如图2所示，辐射源201呈奇数×奇数的阵列排布。也就是说，辐射源阵列20中的辐射源201排成1X1、3X3、5X5、7X7,…，或(2k-1)X(2k-1)的阵列，其中k为大于0的自然数。

根据本申请的实施方式，辐射源阵列20以分区点亮的方式进行扫描。在一些可选的实施方式中，如图3和图4所示，本申请实施例提供的辐射源阵列20中的辐射源201全部相同。图3中示出了辐射源阵列20的点亮路径呈S形。图4示出了辐射源阵列20的点亮路径呈螺旋形。可以理解的是，辐射源阵列20还可以用本领域技术人员容易想到的其他扫描方式进行分区点亮，例如工字型点亮或Z字型点亮。

在又一些可选的实施方式中，如图5和图6所示，辐射源阵列20 中的辐射源201部分相同。例如，图5和图6中示出了辐射源阵列20 中包括多组辐射源，图5和图6中的字母A到E分别代表不同的辐射源分组。其中，任一组中的辐射源相同，而不同组中的辐射源不同。如图5所示，多组辐射源呈规则排布或标准排列，例如，同一组中的相同辐射源的间距具有均一性。如图6所示，不同的辐射源呈随机排布。对于上述分组排布的辐射源，当辐射源阵列分区点亮时，相同的辐射源同时点亮，不同的辐射源按分组分时点亮。

根据本申请的实施方式，超透镜30可以是透射式超透镜。当辐射源阵列20发出辐射时，超透镜30对辐射的调制形成类似折射的直接投影，使该辐射形成与辐射源阵列形状相似的点云。为了增加该3D- ToF发射模组的探测距离，超透镜30可选地采用长焦型透射式超透镜。

然而，长焦型透射式超透镜由于其焦距过长，导致该3D-ToF发射模组沿光轴方向的长度无法减小。为了进一步促进该3D-ToF发射模组的小型化，如图7所示，超透镜30可以是反射式超透镜。辐射源阵列20发出的辐射经超透镜30的反射后形成点云。

需要说明的是，上述任一实施例提供的3D-ToF发射模组还包括底座10和支架40，其中底座10用于安装辐射源阵列20和支架40，支架40则用于支撑超透镜。支架40还可用于屏蔽环境光从侧面进入该模组。

另一方面，本申请实施例提供了一种深度相机，如图8所示，该深度相机包括上述任一实施例提供的3D-ToF发射模组、至少一个接收模组、主板和处理器。

接下来结合图9至图14详细介绍本申请实施例提供的超透镜。超透镜是超表面技术的一种具体应用，通过周期性排列在基底上的纳米结构对入射光线的振幅、频率、相位和偏振进行调制。如图9所示，本申请实施例提供的超透镜均包括基底层301和纳米结构层302。其中，纳米结构层302包括周期性排布于基底层301一侧的纳米结构 3021。

根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构层中，纳米结构的排列周期大于或等于0.3λ_c，且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构层中纳米结构的高度大于或等于0.3λ_c，且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。

图10和图11示出了超透镜中纳米结构的透视图。可选地，图10 中的纳米结构为纳米鳍。可选地，图11中的纳米结构为圆柱形结构。可选地，如图10和图11所示，超透镜还包括填充物3022，填充物填充于纳米结构3021之间，并且，填充物3022的材料对工作波段的消光系数小于0.01。可选地，填充物3022包括空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，填充物3022的材料的折射率与纳米结构3021的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。

本申请一些可选的实施例中，如图12至图14所示，纳米结构层 302中包括的纳米结构以可密堆积图形的形式阵列排布。该可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构3021。本申请实施例中，可密堆积图形指的是一种或多种可以无缝隙不重叠地填充整个平面的图形。

如图12所示，根据本申请的实施方式，纳米结构3021可以布置成阵列排布的扇形。如图13所示，根据本申请的实施方式，纳米结构3021可以布置成阵列排布的正六边形。此外，如图14所示，根据本申请的实施方式，纳米结构3021可以布置成阵列排布的正方形。本领域技术人员应认识到，纳米结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。

示例性地，本申请实施例提供的纳米结构可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。根据本申请的实施方式，纳米结构可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形棱柱、中空正方形棱柱等。

示例性地，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形柱和中空正方形柱。可选地，纳米结构被设置于超结构单元的中心位置。在本申请的可选实施例中，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形柱和中空正方形柱。可选地，纳米结构被设置于超结构单元的中心位置。

根据本申请的实施方式，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形柱和中空正方形柱。可选地，纳米结构为负纳米结构，如正方形孔柱、圆形孔柱、正方形环柱和圆形环柱。

在一种可选的实施方式中，本申请实施例提供的超透镜还包括增透膜。增透膜被设置于基底层远离纳米结构层的一侧；或者，增透膜被设置纳米结构层与空气相邻的一侧。增透膜的作用是对入射的辐射起到增透减反的作用。

根据本申请的实施方式，纳米结构的材质为对工作波段消光系数小于0.01的材料。例如，纳米结构的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。再例如，当超透镜的工作波段为近红外波段时，纳米结构的材质包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。再例如，当超透镜的工作波段为可见光波段时，纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石和碱性玻璃。再例如，当超透镜的工作波段为远红外波段时，纳米结构的材质包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种。

例如，基底层的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。再例如，当超透镜的工作波段为近红外波段时，基底层的材质包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。再例如，当超透镜的工作波段为可见光波段时，基底层的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石和碱性玻璃。再例如，当超透镜的工作波段为远红外波段时，基底层的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种。

在本申请的一些实施例中，纳米结构的材质与基底层的材料相同。在本申请的又一些实施例中，纳米结构的材质与基底层的材料不同。可选地，填充物的材料与基底层的材料相同。可选地，填充物的材料与基底层的材料不同。

应理解，在本申请又一些可选的实施方式中，填充物与纳米结构的材质不同。示例性地，填充物的材料为工作波段的高透过率材料，其消光系数小于0.01。示例性地，填充物的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。

根据本申请的实施方式，超透镜的相位至少满足下述公式(1-1) 至公式(1-6)之一：

其中，r为超透镜中心到任一纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与工作波长相关的相位，x，y为超透镜的镜面坐标，f为第一超透镜的焦距。

超透镜的相位可以用高次多项式表达，高次多项式包括奇次多项式和偶次多项式。为了不破坏超透镜相位的旋转对称性，通常只能对偶次多项式对应的相位进行优化，这大大降低了超透镜的设计自由度。而上述公式(1-1)至公式(1-6)中，公式(1-3)和公式(1-4)相比其余公式，能够对满足奇次多项式的相位进行优化而不破坏超透镜相位的旋转对称性，从而大大提高了超透镜的优化自由度。

本申请实施例提供的超透镜兼容半导体工艺，且可以和辐射源阵列进行晶圆级封装，增加了3D-ToF发射模组的装配精度以及系统鲁棒性，进一步减小了3D-ToF发射模组的整体体积。

综上所述，本申请实施例提供的3D-ToF发射模组通过超透镜以类似折射或反射的形式直接投影生成点云，省略了准直系统和衍射光学元件，大大减小了3D-ToF发射模组的体积。本申请实施例提供的 3D-ToF发射模组仅超透镜直接投影生成点云，相比现有技术中的双功能超透镜设计难度更低，且该超透镜仅有一侧具有纳米结构，加工工艺简单，成本低且量产良品率高。

本申请实施例提供的深度相机，采用上述3D-ToF发射模组，通过一片超透镜直接投影生成点云，大大减小了发射模组所占的安装空间，促进了深度相机的小型化。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种3D-ToF发射模组，其特征在于，所述3D-ToF发射模组包括辐射源阵列(20)和超透镜(30)；

其中，所述超透镜(30)设置于所述辐射源阵列(20)的出光侧，以使所述超透镜(30)将所述辐射源阵列(20)发出的辐射直接投影从而形成点云；

所述超透镜(30)包括基底(301)和周期性排列在所述基底(301)一侧的纳米结构(302)。

2.如权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述辐射源阵列(20)包括阵列排布的辐射源(201)；

所述辐射源(201)为垂直腔面发射激光器阵列或边缘发射激光器阵列；

任一所述垂直腔面发射激光器阵列或任一所述边缘发射激光器阵列包括多个点辐射源(2011)。

3.如权利要求2所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述辐射源阵列(20)包括奇数×奇数个所述辐射源(201)。

4.如权利要求2所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述辐射源阵列(20)中的辐射源(201)全部相同。

5.如权利要求2所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述辐射源阵列(20)中的辐射源(201)部分相同。

6.如权利要求1-5中任一所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述辐射源阵列(20)的点亮方式为分区点亮。

7.如权利要求6所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，当所述辐射源阵列(20)的辐射源(201)全部相同时，所述点亮方式包括S形点亮、螺旋形点亮或工字形点亮。

8.如权利要求6所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，当所述辐射源阵列(20)中的辐射源(201)部分相同时，所述点亮方式为相同的辐射源(201)同时点亮，不同的辐射源(201)分时点亮。

9.如权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述超透镜(30)为透射式超透镜。

10.如权利要求1所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述超透镜(30)为反射式超透镜。

11.如权利要求1、9或10所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述超透镜(30)的焦距为0.1mm-6mm，口径为0.1mm至10mm。

12.如权利要求1-5中任一所述的3D-ToF发射模组，其特征在于，所述3D-ToF发射模组还包括底座(10)和支架(40)；所述底座(10)用于安装所述辐射源阵列(20)和所述支架(40)；所述支架(40)用于支撑所述超透镜(30)。

13.一种深度相机，其特征在于，所述深度相机包括如权利要求1-12中任一所述的3D-ToF发射模组、至少一个接收模组、主板和处理器。

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