[發明專利]一種用于廣角飛行時間光學測距的紅外發射模塊及其模組

在審

• 申請號: 202010638142.6
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111830485A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 郎歡標
• 申請（專利權）人: 東莞市美光達光學科技有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G01S7/484;G01S17/10;G02B1/00;G02B1/04;G02B3/00;G02B27/09
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 韓國勝;孫曉淑

本發明公開了一種用于廣角飛行時間光學測距的紅外發射模塊，包括基座、基板、垂直腔面發射激光器VCSEL芯片和廣角擴束透鏡系統，所述廣角擴束透鏡系統由至少一片鏡片構成，所述廣角擴束透鏡系統中至少一個鏡片為中間凹下的凹透鏡，所述凹透鏡的其中一個曲面輪廓為中間凹下且逐漸向外側作弧狀坡形延伸并位于垂直腔面發射激光器VCSEL芯片發光表面對應面的另一側，所述廣角擴束透鏡系統的光束擴大全角在60°至150°之間，本發明結構簡單，實現大角度的均勻配光，將光束角度擴大到60°至150°之間，大大提高了光學效率，另外本發明還提供了一種用于廣角飛行時間光學測距的紅外發射模組，通過廣角接收器組件能獲得大視場角的3D圖像。

技術領域

本發明涉及飛行時間TOF傳感技術領域，特別涉及一種用于廣角飛行時間光學測距的紅外發射模塊及其模組。

背景技術

飛行時間傳感技術(英文名：Time of Fly，簡稱：TOF，)是當前重要的圖像傳感技術，它是通過給目標連續發送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測這些發射和接收光脈沖的飛行往返時間來得到目標物距離。TOF傳感技術推動了3D攝像頭在新一代移動設備中的應用，并將在未來幾年推動3D圖像傳感應用市場的快速增長。飛行時間傳感技術采用紅外光源就直接測量每個像素中的深度和幅度信息，發射調制紅外光到整個場景，通過TOF成像器捕獲物體的反射光。通過計算發射光脈沖和接收光脈沖之間測量到之間差，或光學信號的相位差以及幅度值可以得到高度可靠的距離信息以及完整場景的3D圖像。

飛行時間傳感技術在許多領域有廣泛的應用，如智能手機的接近傳感器、人臉識別、手勢識別、車載趨近警告傳感器、激光雷達Lidar、無人機的地面迫近雷達、室內無人機的大花接近雷達、機器人通用的AT深度傳感器、機器人真空吸塵器的墻壁邊清掃和避障傳感器、智能貨架等。

早期的TOF傳感器基本上是單光源的，其光源為紅外激光二極管，波長為940nm或者850nm。其缺點為功率比較低，通常探測角度比較小，一般為二三十度。近年來，隨著VCSEL垂直腔表面發射激光器陣列技術的成熟，以及發射功率的進一步提升，TOF傳感器的照射光源漸漸演變成VCSEL陣列光源，探測距離進一步增加，探測角度也進一步擴大。如美國微軟公司在2015年公布的專利號US20150229912A1的TOF技術。

該專利中的發射組件采用了一片擴散片(diffuser 421)來進行均勻照明和擴束，其將VCSEL垂直腔表面發射激光器陣列發射的角度較小的紅外激光，經過擴散之后形成相對均勻、角度較大的發射光，照射到被測物體上。但由于紅外光線經過擴散片之后的出射光是雜亂無章的，損耗比較大，透過率一般都比較低，一般只能達到60％-70％，導致照射到被測物的輻射度比較低。

另外該專利的接收器組件則通過一個凸透鏡424、帶通濾波器BPF、以及深度圖像傳感器來探測被測物體的3D深度信息。由于單個凸透鏡的視場角一般比較小，一般只能在四十度以內才能成相對清晰的3D圖像。因此專利US20150229912A1所述的這種類型的該傳感器模組，都存在視場角較小，光學效率較低的問題。

現有及未來新一代的智能手機，一般是采用三攝或多攝的，其中一個攝像頭就是TOF 3D攝像頭，其與其它兩個可見光攝像頭一起搭配使用。由于智能手機攝像頭的一個發展趨勢為廣角及魚眼鏡頭，攝像頭的視場角超過90°，有的魚眼攝像頭拍攝的視場角甚至高達140°以上，對于智能手機這種發展趨勢，現有較小視場角的TOF 3D攝像頭，由于與其他廣角可見光攝像頭的拍攝范圍不匹配，已經滿足不了需求。開發更大視場角度的TOF 3D攝像頭，迫在眉睫。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的上述缺陷，提供一種用于廣角飛行時間光學測距的紅外發射模塊，其結構簡單，實現大角度的均勻配光，將光束角度擴大到60°至150°之間，大大提高了光學效率，另外本發明還提供了一種用于廣角飛行時間光學測距的紅外發射模組，通過廣角接收器組件能獲得大視場角的3D圖像。