CN105681687B - 图像处理设备以及包括图像处理设备的移动相机 - Google Patents

图像处理设备以及包括图像处理设备的移动相机 Download PDF

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Abstract

公开了一种图像处理设备以及包括图像处理设备的移动相机，该图像处理设备包括：光投影单元，用于将具有预定图案的红外光投影到对象上；图像获取单元，用于吸收具有可见光波段的光，并且透射具有红外波段的光，以获取具有被投影到该对象上的目标图案的图像；以及图像处理单元，用于使用由图像获取单元获取的光来获得与该对象的3D距离有关的信息。

Description

图像处理设备以及包括图像处理设备的移动相机
技术领域
实施方式涉及图像处理设备以及包括图像处理设备的移动相机。
背景技术
三维(3D)对象识别技术是计算机视觉所关注的主要领域之一。基本上，这样的3D距离测量技术包括：将光图案投影到其中放置有要被识别的目标对象的对象场景上；获取被投影到对象场景上的图像，以对放置在对象场景中的目标对象以三维的方式重新存储；以及测量3D距离。
在这种情况下，具有红外波段的光被透射通过红外滤波器，并且具有可见光波段的光被红外滤波器阻挡，以获取所投影的图像。传统的红外滤波器的缺点在于：因为由于使用多层镀膜方法的红外带通滤波器的使用而造成入射光从垂直方向偏离，所以所透射的光的波长可能漂移。因此，由于相机模块应当被设计成使得相机模块的主光角(CRA)接近“0°”，所以可能难以减少光学透镜的总轨道长度(TTL)，这使得不能够制造纤薄的图像处理设备，并且还可能难以将图像处理设备与其它应用产品以内置的方式结合。
发明内容
实施方式提供了一种具有其范围被加宽的主光角(CRA)的图像处理设备以及包括该图像处理设备的移动相机。
在一种实施方式中，图像处理设备包括：光投影单元，用于将具有预定图案的红外光投影到对象上；图像获取单元，用于吸收具有可见光波段的光，并且透射具有红外波段的光，以获取具有被投影到对象上的目标图案的图像；以及图像处理单元，用于使用在图像获取单元处获取的光来获得与对象的三维(3D)距离有关的信息。
例如，红外光可以具有800纳米至850纳米的波段。
例如，光投影单元可以包括用于发出红外光的光源和图案生成单元，该图案生成单元用于对所发出的红外光提供预定图案，以对所发出的红外光进行投影。
例如，图案生成单元可以包括用于对从光源所发出的光进行漫射的光漫射板。
例如，图像获取单元可以包括：图像传感器，用于将光信号转换成电信号；透镜单元，用于将具有目标图案的图像聚焦到图像传感器上；以及红外滤波器，其被布置在图像传感器与透镜单元之间，以吸收具有可见光波段的光并且透射具有红外波段的光。
例如，用于透射具有第一波长至第二波长的波段的红外光的红外滤波器可以包括：第一染料，用于吸收具有小于第一波长的波段的光并且透射具有大于或等于第一波长的波段的光；以及第二染料，用于吸收具有第二波长至第三波长的波段的光并且透射具有小于第二波长或大于第三波长的波段的光。
例如，红外滤波器可以包括：衬底；以及第一染料层，其沿着图像被获取的方向被布置在衬底上，并且包括第一染料和第二染料。此处，第一染料层可以包括以混合形式的第一染料和第二染料。此外，第一染料层可以包括具有第一染料的第1-1染料层以及具有第二染料的第1-2染料层，并且第1-2染料层被布置成沿图像被获取的方向与第1-1染料层交叠。
例如，此外，红外滤波器可以包括具有第一染料和第二染料的衬底。
例如，红外滤波器还可以包括以多层薄膜的形式的第二染料层。
例如，第一染料层可以具有分别面向对象和衬底的前表面和后表面。第二染料层可以被布置在第一染料层的前表面上，并且还可以被设置在第一染料层的后表面上，使得第二染料层被布置在衬底与第一染料层之间。此外，衬底可以具有分别面向第一染料层和图像传感器的前表面和后表面。在这种情况下，第二染料层可以被布置在衬底的后表面上。
例如，衬底可以由选自由塑料和玻璃所组成的组中的至少一种材料组成。
例如，图像处理单元可以包括距离生成单元，用于使用由图像获取单元获取的光来获得与3D距离有关的信息，并且图像处理单元还可以包括映射生成单元，用于使用由距离生成单元获得的与3D距离有关的信息来生成对象的3D映射。
例如，图像处理设备还可以包括用于容纳光投影单元和图像获取单元的壳体。
在另一实施方式中，移动相机包括图像处理设备。
附图说明
可以参照以下附图来详细描述布置和实施方式，在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且在附图中：
图1是示出根据一种实施方式的图像处理设备的框图；
图2是示出量子效率根据光的波长的曲线图；
图3A至图3D是用于说明图1所示的红外滤波器的操作的曲线图；
图4A至图4F是示出图1所示的红外滤波器的实施方式的图；
图5是示出根据比较实施方式的图像处理设备中的透镜单元、红外滤波器和图像传感器的局部截面图；以及
图6是示出根据实施方式的图像处理设备中的透镜单元、红外滤波器和图像传感器的局部截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来描述实施方式。然而，应当理解，以下实施方式可以以各种形式进行变化，并且因此不意在限制本公开内容的范围。因此，如对本领域技术人员明显的，提供实施方式以更全面地描述本公开内容。
为了描述本公开内容，将理解的是，当元件被提及位于另一元件“上面”或“下面”时，该元件可以直接地位于另一元件上/下，并且还可以存在一个或更多个中间元件。
当元件被提及位于“上面”或“下面”时，基于该元件可以包括“元件的下面”以及“元件的上面”。
此外，本文中所使用的相关术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等仅可以用于对任何实体或元件彼此进行区分，而不要求或不包含实体或元件的顺序或者实体或元件之间的任何物理或逻辑关系。
图1是根据一种实施方式的图像处理设备100的框图。
图1所示的图像处理设备100可以包括光投影单元110、图像获取单元120、图像处理单元130和壳体140。
光投影单元110可以用于将具有预定图案的红外光投影到对象10上。例如，红外光可以具有800纳米至850纳米的波段，但实施方式不限于此。
光投影单元110可以包括光源112和图案生成单元114。
光源112可以用于发出红外光。例如，光源112可以为相干光源，并且可以使用激光器来实现，但实施方式不限制光源112的形状。
图案生成单元114用于向从光源112发出的红外光提供预定图案，并且对具有预定图案的红外光进行投影。为此，图案生成单元114可以例如包括光漫射板。光漫射板用于对从光源112发出的光进行漫射，以向红外光提供预定图案。图案可以采用点114A的形式，但实施方式不限于此。例如，可以将具有各种图案的红外光投影到对象10上。例如，可以使从光源112发出的光经由点114A通过光漫射板来生成发散光束170。
同时，图像获取单元120可以用于吸收具有可见光波段的光并且透射具有红外波段的光，以获取具有被投影到对象10上的目标图案的图像。为此，图像获取单元120可以包括图像传感器122、透镜单元124和红外滤波器126。
图像传感器122用于将光信号转换成电信号，并且将所转换的电信号输出至图像处理单元130。例如，图像传感器122可以为电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列，其中，检测装置被布置成矩阵图案。
透镜单元124用于将具有呈现在对象10上的目标图案的图像聚焦到图像传感器122上。透镜单元124可以包括光学物镜，但实施方式不限于此。根据另一实施方式，透镜单元124可以如随后将在图6中所示的包括多个透镜。透镜单元124包括入射光瞳124A，并且可以与图像传感器122一起使用，以限定图像相对于目标图案的视场172。图像处理设备100的感测量可以包括发散光束170和与视场172交叠的量174。
红外滤波器126被布置在图像传感器122与透镜单元124之间，以吸收和阻挡具有可见光波段的光，并且透射具有红外波段的光。此处，红外波段可以在第一波长λ1至第二波长λ2的范围内。例如，第一波长λ1可以为800纳米，而第二波长λ2可以为850纳米，但实施方式不限于此。
根据一种实施方式的红外滤波器126可以包括第一染料和第二染料。
第一染料用于吸收具有小于第一波长λ1(或者小于或等于第一波长λ1)的波段的光，并且用于透射具有大于或等于第一波长λ1(或大于第一波长λ1)的波段的光。
第二染料用于吸收和阻挡具有大于或等于第二波长λ2(或大于第二波长λ2)并且小于或等于第三波长λ3(或小于第三波长λ3)的波段的光，并且透射具有小于第二波长λ2(或者小于或等于第二波长λ2)并且大于第三波长λ3(或者大于或等于第三波长λ3)的波段的光。
图2是示出量子效率根据光的波长的曲线图。此处，纵轴表示量子效率，而横轴表示波长。
第三波长λ3被确定为落入低至可以忽略的波段内的任何值，并且在该波段内，光的量子效率非常低。例如，参照图2，当第三波长λ3大于或等于950纳米时，量子效率低至可以忽略。因此，第三波长λ3可以等于950纳米。例如，第三波长λ3可以大于或等于1100纳米，但实施方式不限于此。
图3A至图3D是用于说明图1中所示的红外滤波器126的操作的曲线图。图3A是用于借助于第一染料对光的吸收和透射进行说明的曲线图，图3B是用于借助于第二染料对光的吸收和透射进行说明的曲线图，图3C是用于借助于以混合形式的第一染料和第二染料对光的吸收和透射进行说明的曲线图，以及图3D是用于借助于红外滤波器126对光的吸收和透射进行说明的曲线图。在每个曲线图中，横轴表示波长，而纵轴表示透射率T。
参照图3A，第一染料可以吸收和阻挡具有小于第一波长λ1(例如800纳米)的波段的光，并且透射具有大于或等于800纳米的波段的光。参照图3B，第二染料可以吸收和阻挡具有落入大于或等于第二波长λ2(例如850纳米)且小于或等于第三波长λ3(例如1100纳米)的波段内的波长的光，并且透射具有落入小于850纳米或大于1100纳米的波段内的波长的光。当具有这样的特性的第一染料和第二染料如图3C所示被混合时，红外滤波器126可以透射具有落入从第一波长λ1至第二波长λ2(即从800纳米至850纳米的波段)的波段内的波长的红外光，并且如图3D中所示，通过吸收具有其它波长的光来阻挡具有其它波长的光。
当红外滤波器126如上所述包括第一染料和第二染料时，红外滤波器126可以透射具有落入所期望的红外波段内的波长的光，并且吸收和阻挡具有落入其它波段内的波长的光。第一染料和第二染料可以以各种形式被包括在红外滤波器126中。在下文中，将如下那样参照附图来详细描述红外滤波器126的各种实施方式。
图4A至图4F是示出图1中所示的红外滤波器126的实施方式(126A至126F)的图。
如图4A或图4B所示，红外滤波器126A或126B可以包括衬底126-1A以及第一染料层126-2A或126-B。此外，如图4C所示，红外滤波器126C可以仅包括衬底126-1B。另外，如图4D至图4F所示，红外滤波器126D至126F中的每个红外滤波器可以包括衬底126-1A、第一染料层126-2和第二染料层126-3。
将如下那样进一步详细描述红外滤波器126的实施方式(126A至126F)。
参照图4A和图4B，红外滤波器126A或126B可以包括衬底126-1A以及第一染料层126-2A或126-2B。第一染料层126-2A或126-2B可以沿图像被获取的方向(例如y轴方向)被布置在衬底126-1A上，并且可以包括第一染料和第二染料。
例如，如图4A所示，第一染料层126-2A可以包括以混合的形式的第一染料152和第二染料154。
或者，如图4B所示，第一染料层126-2B可以包括第1-1染料层126-2-1和第1-2染料层126-2-2。第1-1染料层126-2-1可以包括第一染料152，而第1-2染料层126-2-2可以包括第二染料154。在这种情况下，第1-1染料层126-2-1和第1-2染料层126-2-2可以沿图像被获取的方向(例如y轴方向)被布置在衬底126-1A上以彼此交叠。
图4B示出了第1-1染料层126-2-1被布置在衬底126-1A与第1-2染料层126-2-2之间的情况，但实施方式不限于此。也就是说，根据另一实施方式，第1-2染料层126-2-2可以被布置在衬底126-1A与第1-1染料层126-2-1之间。
此外，如图4C所示，可以仅使用包括第一染料152和第二染料154的衬底126-1B来实现红外滤波器126C。
另外，如图4D至图4F所示，红外滤波器126D至126F中的每个红外滤波器还可以包括以多层薄膜的形式的第二染料层126-3。
在图4D至图4F中，第一染料层126-2可以与图4A或图4B中所示的第一染料层126-2A或126-2B对应。或者，可以使用如图4C所示的省略第一染料层126-2A或126-2B而衬底126-1B包括第一染料152和第二染料154的配置来代替如图4D至图4F所示的具有衬底126-1A和第一染料层126-2的配置。
在图4D和图4E中，第一染料层126-2可以具有面向对象10的前表面121以及面向衬底126-1A的后表面123。在这种情况下，如图4D所示，第二染料层126-3可以被布置在第一染料层126-2的前表面121上。或者，如图4E中所示，第二染料层126-3可以被布置在第一染料层126-2的后表面123上，使得第二染料层126-3被布置在衬底126-1A与第一染料层126-2之间。
另外，在图4F中，衬底126-1A可以具有面向第一染料层126-2的前表面125以及面向图像传感器122的后表面127。在这种情况下，第二染料层126-3可以被布置在衬底126-1A的后表面127上。
第二染料层126-3可以具有以下形状，其中，具有不同的折射率的两种材料膜(或材料层)以交替的方式重复堆叠。例如，如图4D至图4F所示，第二染料层126-3可以包括第一层对126-3-P1和第二层对126-3-P2。此处，第一层对126-3-P1和第二层对126-3-P2中的每一个可以包括第一层126-3-1和第二层126-3-2。第一层126-3-1和第二层126-3-2可以由半导体材料或半导体材料的氧化物膜组成。例如，第一层126-3-1可以为硅膜，而第二层126-3-2可以为硅氧化膜。例如，作为硅膜的第一层126-3-1可以由多晶硅、无定形硅或单晶硅组成。第一层126-3-1优选地由多晶硅组成。
图4D至图4F示出了第二染料层126-3仅包括两对即第一层对126-3-P1和第二层对126-3-P2的情况，但实施方式不限于此。例如，第二染料层126-3可以包括一对或者两对或更多对。
如上所述的第一染料层126-2A、126-2B和126-2以及第二染料层126-3中的每一层可以以涂覆或施加的形式耦接至衬底126-1A，但实施方式不限于第一染料层126-2A、126-2B和126-2以及第二染料层126-3耦接至衬底126-1A。
图4A至图4F中所示的衬底126-1A和126-1B可以由选自由塑料和玻璃所组成的组中的至少一种材料组成，但实施方式不限于衬底126-1A和126-1B的特定材料。
同时，再次参照图1，图像处理单元130可以用于使用由图像获取单元120获取的光来获得与对象10的3D距离有关的信息。为此，图像处理单元130可以包括距离生成单元132。距离生成单元132可以用于使用由图像获取单元120获取的光来获得与对象10的3D距离有关的信息。
此外，图像处理单元130还可以包括映射生成单元134。此处，映射生成单元134可以用于使用由距离生成单元132获得的与3D距离有关的信息来生成对象10的3D映射。此处，术语“3D映射”可以指代表示对象10的表面的一系列3D坐标。例如，可以使用硬件实现映射生成单元134，并且还可以使用存储在与图像处理器关联的存储器中的软件来实现映射生成单元134。此处，存储器可以与查找表对应。因此，可以出于各种目的来使用所生成的3D映射。例如，可以向用户显示3D映射。所显示的图像可以为虚拟3D图像。
同时，壳体140可以用于容纳光投影单元110和图像获取单元120。可选地，图像处理设备100可以不包括壳体140。由于壳体140的布置，入射光瞳124A的中心可能与点114A的中心间隔开，并且通过入射光瞳124A和点114A的中心的轴可以与图像传感器122的轴中之一平行。
在下文中，将如下那样参照附图来详细描述根据比较实施方式和实施方式的图像处理设备。
图5是示出根据比较实施方式的图像处理设备中的透镜单元24、红外滤波器26和图像传感器22的局部截面图。
图6是示出根据实施方式的图像处理设备100中的透镜单元124、红外滤波器126和图像传感器122的局部截面图。
参照图5，首先，透镜单元24可以包括多个透镜24-1、24-2、24-3和24-4。如图5所示，透镜24-1、24-2、24-3和24-4用于对目标图案进行透射、折射和校准，以通过红外滤波器26输出目标图案。红外滤波器26可以被实现为红外带通滤波器，以便从通过透镜单元24的光中仅透过具有红外波段的光，并且将经过滤的光提供给图像传感器22。
然而，由于可以使用多层镀膜方法来制造这样的红外带通滤波器，所以光的波长可能会随着入射光从垂直方向偏离而漂移。因此，图像获取单元应当被设计成使得图像获取单元的主光角(CRA)接近“0°”。当CRA接近“0°”时，这可以用于限制图像获取单元的设计，使其难以减小光学透镜的总体轨道长度(TTL)。因此，由于可能难以减小TTL，所以可能不能制造纤薄的图像处理设备，并且还可能难以将图像处理设备内置于其它应用产品中。
此外，在被实现为红外滤波器26的多层薄膜滤波器的情况下，鉴于干涉效应的基本原理，在根据入射光的角度的干涉结果中存在差异。因此，可以通过光的入射角度来显著地改变入射在红外滤波器26上的光的特性。
另一方面，参照图6，根据一种实施方式的透镜单元124可以包括如图5所示的多个透镜124-1、124-2、124-3和124-4。此处，多个透镜124-1、124-2、124-3和124-4用于接收具有目标图案的图像，使图像的目标图案经受透射、折射或校准中的至少一个，并且然后通过红外滤波器126输出目标图案。
如上所述，红外滤波器126可以用于仅透射具有落入红外波段内的波长的光，并且吸收和阻挡具有落入可见光波段内的波长的光。也就是说，红外滤波器126可以用于仅透射具有800纳米至850纳米的波段的光，并且吸收和阻挡具有其它波段的光。如上所述，由于具有可见光波段的光被吸收和阻挡，所以就根据实施方式的图像处理设备而言，可以防止由根据图5所示的比较实施方式的图像处理设备的入射角引起的光的特性的变化。
因此，与根据图5所示的比较实施方式的图像处理设备相比，根据实施方式的图像处理设备可以通过扩大CRA范围来除去与纤薄的透镜单元124的设计有关的关键限制。例如，当图像处理设备100被应用于移动相机时，CRA可以处于约0°至45°的范围内，优选地处于5°至45°的范围内。例如，CRA可以为30°。
此外，由于制造了纤薄的透镜单元124，所以可以减小图像获取单元120(即图像处理设备100的相机)的厚度。
另外，可以增强图像获取单元120(例如相机模块)的设计灵活性，并且由于增加了公差界限，所以可以缩减制造成本。
另外，由于制造了纤薄的图像处理设备100，所以可以减少使用图像处理设备100的应用产品的厚度，并且因此，图像处理设备100可以与所应用的产品容易地结合。
根据上述实施方式的图像处理设备可以应用于电视机、计算机、平板PC、智能电话、运动感测模块、3D结构感测模块等。
如根据以上描述明显的是，根据实施方式的图像处理设备以及包括该图像处理设备的移动相机可以透射具有红外波段的光，同时吸收和阻挡具有可见光波段的光，并且因此可以具有以下作用：防止由入射角引起的光的特性的变化，其中，光的特性的变化已被认为是带通滤波器中发生的问题中之一；当与传统的图像处理设备相比时，扩大了CRA范围并且减少了图像处理设备的厚度；增强了图像获取单元(例如相机模块)的设计灵活性；由于公差界限的增加而缩减了制造成本；减少了应用图像处理设备的应用产品的厚度；以及以内置的方式使图像处理设备与应用产品容易地结合。
虽然已经参照本公开内容的许多说明性实施方式描述了实施方式，但是应当理解，本领域技术人员可以做出将落入本公开内容的原理的精神和范围内的许多其它变型和实施方式。更具体地，在本公开内容、附图和所附权利要求的范围内，主题组合布置的构成部件和/或布置中可以存在许多变体和变型。除了构成部件和/或布置的变体和变型之外，可替选用途对于本领域技术人员而言也将是明显的。

Claims (11)

1.一种图像处理设备，包括：
光投影单元，其将具有预定图案的红外光投影到对象上；
图像获取单元，其吸收具有可见光波段的光并且透射具有第一波长至第二波长的红外波段的光，以获取具有被投影到所述对象上的目标图案的图像；以及
图像处理单元，其使用由所述图像获取单元获取的光来获得与所述对象的三维(3D)距离有关的信息，
其中，所述图像获取单元包括：
红外滤波器，其吸收具有所述可见光波段的光，并且透射具有所述红外波段的光，
其中，所述红外滤波器包括：
第一染料，用于吸收具有小于所述第一波长的波段的光，并且透射具有大于或等于所述第一波长的波段的光；以及
第二染料，用于吸收具有所述第二波长至第三波长的波段的光，并且透射具有小于所述第二波长或大于所述第三波长的波段的光，并且
其中，所述红外滤波器包括衬底，所述衬底包括以混合形式的所述第一染料和所述第二染料。
2.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中，所述光投影单元包括：
光源，其发出所述红外光；以及
图案生成单元，其向所发出的红外光提供所述预定图案，以对所发出的红外光进行投影。
3.根据权利要求2所述的图像处理设备，其中，所述图案生成单元包括光漫射板，用于对从所述光源发出的光进行漫射。
4.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中，所述图像获取单元还包括：
图像传感器，其将光信号转换成电信号；以及
透镜单元，其将具有所述目标图案的图像聚焦到所述图像传感器上，并且
其中，所述红外滤波器被布置在所述图像传感器与所述透镜单元之间。
5.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中，所述红外光具有800纳米至850纳米的波段。
6.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中，所述红外滤波器还包括以多层薄膜的形式的第二染料层。
7.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中，所述衬底由选自由塑料和玻璃所组成的组中的至少一种材料组成。
8.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中，所述图像处理单元包括：
距离生成单元，其使用由所述图像获取单元获取的光来获得与三维距离有关的信息。
9.根据权利要求8所述的图像处理设备，其中，所述图像处理单元还包括映射生成单元，所述映射生成单元用于使用由所述距离生成单元获得的与3D距离有关的信息来生成所述对象的3D映射。
10.根据权利要求1所述的图像处理设备，还包括用于容纳所述光投影单元和所述图像获取单元的壳体。
11.一种包括由权利要求1至10中任一项限定的图像处理设备的移动相机。
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