CN105940669B - 摄影机装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施方式的摄影机装置包括：光输出单元，其输出IR(红外)光；光输入单元，其包括多个像素并且具有在光被光输出单元输出之后被物体反射、然后输入其中的光，所述多个像素分别具有第一接收单元和第二接收单元；以及计算单元，其利用输入至光输入单元的第一接收单元和第二接收单元的光量之差来计算距物体的距离。该摄影机装置进一步包括设置在光输出单元与物体之间的第一透镜和第二透镜，其中，第一透镜使从光输出单元输出的光沿着第一方向折射，并且第二透镜使从光输出单元输出的光沿着第二方向折射。

Description

摄影机装置
技术领域
本公开内容涉及摄影机装置，并且更具体地，涉及飞行时间(TOF)摄影机的深度信息抽取。
背景技术
利用捕捉装置来获取三维图像的技术正在进步。需要深度信息(深度图)来获取三维图像。深度信息是表明空间距离的信息，并且示出在二维图像中一个点相对于另一个点的透视信息。
将红外(IR)结构光投射到物体并对由物体反射的光进行解析以抽取深度信息的方法是获取深度信息的方法之一。根据利用IR结构光的方法，存在针对运动物体难以获得期望水平的深度分辨率的问题。
飞行时间(TOF)方法作为一种用于取代利用IR结构光的方法的技术而受到关注。根据TOF方法，通过测量飞行时间(即发射的光被反射所花费的时间)来计算距物体的距离。
通常，根据TOF方法的摄影机(下文中，TOF摄影机)包括调整朝着物体引导的光的角度的扫描仪和调整光路的反射镜。因为在TOF摄影机中光不得不被多次反射，所以存在结构复杂并且难以以小尺寸实现的问题。此外，尽管从光源输出的光的折射率不得不调整为使扫描仪具有快速的响应速度来扫描物体的前表面，但是存在关于扫描仪具有快速的响应速度的技术限制。
发明内容
【技术问题】
本公开内容旨在提供一种抽取深度信息的TOF摄影机装置。
【技术解决方案】
根据本公开内容的实施方式，摄影机装置包括：光输出单元，其输出IR(红外)光；光输入单元，光输入单元包括多个像素，并且输入有从光输出单元输出、然后从物体反射的光，所述多个像素均具有第一接收单元和第二接收单元；以及计算单元，计算单元利用输入至光输入单元的第一接收单元和第二接收单元的光量之差来计算距物体的距离，其中，摄影机装置可以进一步包括设置在光输出单元与物体之间的第一透镜和第二透镜，第一透镜使从光输出单元输出的光沿着第一方向折射，而第二透镜使从光输出单元输出的光沿着第二方向折射。
摄影机装置可以进一步包括：电源单元，其向第一透镜和第二透镜施加电压。
可以向第一透镜和第二透镜施加不同的电压。
第一透镜和第二透镜中的至少之一可以包括玻璃基板、布置在玻璃基板上的聚合物、布置在聚合物上的玻璃膜以及布置在玻璃膜上的压电元件。
电源可以被连接至压电元件。
聚合物的形状可以根据施加至压电元件的电压而变化，并且透镜的折射率和折射方向中的至少之一可以根据聚合物的形状而变化。
第一方向和第二方向可以形成90°的角。
第一接收单元可以在接通光源时被激活，而第二接收单元可以在断开光源时被激活。
摄影机装置可以进一步包括：光传输构件，其布置在光输出单元与第一透镜之间，以将从光输出单元输出的光传输至第一透镜。
根据本公开内容的实施方式，摄影机装置包括：光输出单元，其输出IR(红外)光；光输入单元，光输入单元输入有从光输出单元输出、然后从物体反射的光；以及计算单元，计算单元利用输入至光输入单元的光量来计算距物体的距离，其中，摄影机装置可以进一步包括多个透镜，多个透镜依次布置在光输出单元与物体之间，并且多个透镜的折射率和折射方向中的至少之一可以被调整为根据施加至多个透镜中的每一个的电压而彼此不同。
所述多个透镜可以包括可调透镜。
所述多个透镜可以以预定的间隔固定在透镜保持器中。
【有益效果】
根据本公开内容的实施方式，TOF摄影机可以以小的尺寸简单地实现，并且由于容易组装而能够提高批量生产。另外，由于高的光学效率而能够精确地抽取深度信息，并且能够降低功耗。特别地，即使在没有使用扫描仪的情况下，也可以用光以快的速度对物体的前表面进行辐射。
附图说明
图1是根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置的框图。
图2是根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置的光输出单元的框图。
图3示出了根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置的光输入单元的结构。
图4是用于描述通过根据本公开内容的实施方式的TOF装置的计算单元来计算距物体的距离的方法的图。
图5示出了根据本公开内容的实施方式的TOF装置。
图6和图7是包括在根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置中的透镜的截面图。
图8和图9示出了分别施加至包括在根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置中的两个透镜的电压。
图10是用于描述由于施加至包括在TOF摄影机装置中的两个透镜的不同电压而沿着x轴方向和y轴方向进行扫描的图。
具体实施方式
由于可以对本公开内容作出各种修改，并且本公开内容可以具有各种实施方式，因此将在附图中示出和描述特定的实施方式。然而，这不是将本公开内容限制于特定的实施方式，并且包括在本公开内容的精神和范围内的所有的变型、等同和替代应该被理解为属于本公开内容。
虽然可以使用包括序数词(诸如第一和第二)的术语来描述各种元件，但是元件不受术语的限制。术语仅用于区分一个元件与另一元件的目的。例如，在不脱离本公开内容的范围的情况下，第二元件可以被称为第一元件，同样，第一元件也可以被称为第二元件。术语“和/或”包括多个相关描述项的组合或者在多个相关描述项之中的任一项。
当提及某个元件被“连接”或“链接”至另一元件时，尽管所述某一元件可以直接连接或链接至其它元件，但是应该理解的是，在这两个元件之间可以存在另一元件。另一方面，当提及某一元件“直接连接”或“直接链接”至另一元件时，应该理解的是，在这两个元件之间不存在其它元件。
在本申请中所使用的术语仅用于描述特定的实施方式，而非旨在限制本公开内容。单数表达包括复数表达，除非在上下文中清楚地另外指出。在本申请中，术语(例如“包括”或“具有”)应该被理解为表明特征、数目、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，而非预先排除一个或更多个其它的特征、数目、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在或增加的可能性。
除非另外地定义，否则本文中所使用的包括技术术语或科学术语的所有的术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。例如在常用字典中所定义的那些术语应该被理解为具有与相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应该被理解为理想化或者过分形式化的意思，除非在本文中这样限定。
下文中，将参照附图来详细描述实施方式，同时将相同的附图标记给予相同或相应的元件，尽管在附图和重复描述中将省略这些相同或相应的元件。
图1是根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置的框图，图2是根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置的光输出单元的框图，图3示出了根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置的光输入单元的结构，以及图4是用于描述通过根据本公开内容的实施方式的TOF装置的计算单元来计算距物体的距离的方法的图。
参照图1，TOF摄影机装置100包括光输出单元110、光调整单元120、光输入单元130和计算单元140。
光输出单元110输出红外(IR)光。IR光可以例如是具有800nm或更长的波段的光。参照图2，光输出单元110包括光源112和光转换单元114。光源可以包括激光二极管(LD)或投射红外线的发光二极管(LED)中的至少之一。另外，光转换单元114可以对从光源112输出的光进行调制。例如，光转换单元114可以对从光源112输出的光执行脉冲调制或者相位调制。因此，光输出单元110可以输出光同时使得光源以每隔预定的时间间隔闪烁。
再次参照图1，光调整单元120调整光的角度，使得从光输出单元110输出的光朝着物体的前表面辐射。
同时，光输入单元130输入有从光输出单元110输出、然后从物体反射的光。光输入单元130可以将输入光转换成电信号。光输入单元130可以是包括光电二极管(PD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器。
参照图3，光输入单元130包括所布置的多个像素132。每个像素可以包括同相接收单元132-1和异相接收单元132-2。参照图4，同相接收单元132-1可以在接通光源时被激活，而异相接收单元132-2可以在断开光源时被激活。这样，当同相接收单元132-1和异相接收单元132-2以不同的时间差被激活时，根据距物体的距离所接收的光量产生差。例如，当物体在TOF摄影机装置的正前方(即当距离＝0)时，从光输出单元110输出的光被反射所花费的时间是0，使得光源的闪烁周期变成光接收周期而没有变化。因此，仅同相接收单元132-1接收光，而异相接收单元132-2不接收光。在另一示例中，当物体与TOF摄影机装置间隔开预定的距离时，从光输出单元110输出的光被反射所花费的时间使得光源的闪烁周期变得与光接收周期不同。因此，在通过同相接收单元132-1和异相接收单元132-2接收的光量之间产生差。
再次参照图1，计算单元140利用在输入至同相接收单元132-1和异相接收单元132-2的光量之间的差来计算距物体的距离。
通常，光调整单元120可以包括对朝着物体辐射的光的角度进行调整的扫描仪。从光源输出的光可以到达扫描仪，并且光可以根据扫描仪的旋转而被朝着物体的前表面辐射。从物体辐射的光可以被扫描仪反射，并且然后再次输入至光输入单元130中。同时，致动器可以连接至扫描仪，并且扫描仪可以通过致动器来旋转。这里，致动器可以包括微机电系统(MEMS)。MEMS指的是集成有微观层面的机械结构和电子电路的系统。根据本公开内容的实施方式，MEMS致动器可以利用电信号来细微地调整对物体进行扫描的光的角度。
这样，当TOF摄影机装置包括扫描仪时，部件的数目增加，并且难以以小尺寸实现该装置。
根据本公开内容的实施方式，TOF摄影机装置的光调整单元包括布置在光源与物体之间的用于对光进行折射的两个或更多个透镜。因此，从光源输出的光可以在即使没有扫描仪的情况下朝着物体的前表面进行辐射。
图5示出了根据本公开内容的实施方式的TOF装置。
参照图5，光源500输出IR光。输出的IR光可以是在光转换单元中被脉冲调制或被相位调制的光。例如，光源500可以包括输出具有短波长的光的激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、具有多单元结构的LED等。
从光源500输出的IR光通过穿过第一透镜510而沿着第一方向被折射。另外，穿过第一透镜510的光通过穿过第二透镜520而沿着第二方向被折射。这里，第一透镜510和第二透镜520可以布置在从光源500输出的IR光的光轴上。第一透镜510和第二透镜520可以依次布置在光源500与物体之间。为此，第一透镜510和第二透镜520可以以预定的间隔固定在透镜保持器中，并且透镜保持器的中心和光源的中心可以布置在一条直线上。光源500、第一透镜510和第二透镜520也可以以预定的间隔依次容纳在一个保持器中。
此外，第一方向和第二方向可以是彼此不同的方向。例如，当第一方向是x轴方向时，第二方向可以是y轴方向。因此，已经穿过第一透镜510和第二透镜520的光可以被辐射至屏幕的x轴线和y轴线两者。
这里，电源可以被连接至第一透镜510和第二透镜520，并且电源可以向第一透镜510和第二透镜520中的每一个施加电压。施加至第一透镜510和第二透镜520的电压可以调整第一透镜510和第二透镜520的折射率和折射方向中的至少之一。也就是说，可以向第一透镜510和第二透镜520施加不同的电压来调整光的折射率和折射方向。为此，第一透镜510和第二透镜520中的至少之一可以是可调(T)透镜。
辐射至物体的前表面的光被物体反射，并且到达光输入单元530。例如，光输入单元530可以包括光电二极管(PD)。已经到达光输入单元530的光被转换成电信号，并且计算单元540利用经转换的电信号来计算距物体的距离。
同时，将从光源500输出的IR光传输至第一透镜510的光传输构件550也可以设置在光源500与第一透镜510之间。光传输构件可以例如是聚光透镜。
图6和图7是包括在根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置中的透镜的截面图。图6示出了没有向透镜施加电压的情况，而图7示出了向透镜施加电压的情况。另外，图8和图9示出了分别施加至包括在根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置中的两个透镜的电压，以及图10是用于描述由于施加至包括在TOF摄影机装置中的两个透镜的不同电压而沿着x轴方向和y轴方向进行扫描的图。
参照图6和图7，包括在根据本公开内容的实施方式的TOF摄影机装置中的透镜600包括玻璃基板610、设置在玻璃基板的一个表面处的聚合物620、设置在聚合物的一个表面处的玻璃膜630以及设置在玻璃膜的一个表面处的压电膜640。压电膜可以例如是压电薄膜(piezo-film)。
此外，电源被连接至压电膜640。当向压电膜640施加电压时，压力被施加至压电膜640，并且聚合物620的形状可以发生变形。聚合物620的厚度、形状等可以根据施加至压电膜640的电压的大小而变化，并且穿过透镜的光的折射率和折射方向可以根据聚合物620的厚度、形状等而变化。透镜600可以例如是可调透镜。
参照图8至图10，可以向包括在TOF摄影机装置中的两个透镜施加不同的电压，以扫描包括物体的区域。例如，可以向一个透镜施加预定的电压来对光进行折射，使得能够沿着x轴方向扫描。另外，可以向剩余的透镜施加不同的电压来对光进行折射，使得能够沿着y轴方向扫描。
同时，也可以利用施加至包括在TOF摄影机装置中的两个透镜的电压来调整扫描区域的范围。例如，可以向透镜对较窄的要被扫描的区域(即包括物体的区域)施加较低的电压，以及向透镜对较宽的要被扫描的区域施加较高的电压。聚合物的形状可以由于施加至透镜的较低的电压而变形较小的程度，使得光可以在较窄的范围内折射，以及聚合物的形状可以由于施加至透镜的较高的电压而变形较大的程度，使得光可以在宽的范围内折射。
尽管已经参照本公开内容的示例性实施方式描述了本公开内容，但是本领域技术人员应该理解的是，可以在不脱离在所附权利要求中所描述的本公开内容的精神和领域的范围内以各种方式对本公开内容作出各种修改和改变。

Claims (11)

1.一种摄影机装置，包括：
光输出单元，其被配置为输出IR(红外)光；
光输入单元，其包括多个像素并且被配置为输入有从所述光输出单元输出、然后从物体反射的光，每个像素具有第一接收单元和第二接收单元；以及
计算单元，其被配置为利用输入至所述光输入单元的第一接收单元和第二接收单元的光量之差来计算距所述物体的距离，
其中，所述摄影机装置进一步包括设置在所述光输出单元与所述物体之间的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜被配置为使从所述光输出单元输出的光沿着第一方向折射，并且所述第二透镜被配置为使从所述光输出单元输出的光沿着第二方向折射，
其中，所述第一接收单元是同相接收单元，其在接通光源时被激活，而所述第二接收单元是异相接收单元，其在断开所述光源时被激活。
2.根据权利要求1所述的摄影机装置，进一步包括：电源单元，其被配置为向所述第一透镜和所述第二透镜施加电压。
3.根据权利要求2所述的摄影机装置，其中，不同的电压被施加至所述第一透镜和所述第二透镜。
4.根据权利要求3所述的摄影机装置，其中，所述第一透镜和所述第二透镜中的至少之一包括玻璃基板、布置在所述玻璃基板上的聚合物、布置在所述聚合物上的玻璃膜以及布置在所述玻璃膜上的压电元件。
5.根据权利要求4所述的摄影机装置，其中，所述电源被连接至所述压电元件。
6.根据权利要求5所述的摄影机装置，其中，所述聚合物的形状根据施加至所述压电元件的电压而变化，并且透镜的折射率和折射方向中的至少之一根据所述聚合物的形状而变化。
7.根据权利要求1所述的摄影机装置，其中，所述第一方向和所述第二方向形成90°的角。
8.根据权利要求1所述的摄影机装置，进一步包括：光传输构件，其布置在所述光输出单元与所述第一透镜之间，以将从所述光输出单元输出的光传输至所述第一透镜。
9.一种摄影机装置，包括：
光输出单元，其被配置为输出IR(红外)光；
光输入单元，其被配置为输入有从所述光输出单元输出、然后从物体反射的光；以及
计算单元，其被配置为利用输入至所述光输入单元的光量来计算距所述物体的距离，其中：
所述摄影机装置进一步包括：多个透镜，其依次布置在所述光输出单元与所述物体之间；并且
所述多个透镜的折射率和折射方向中的至少之一被调整为根据施加至所述多个透镜中的每一个的电压而彼此不同，
其中，所述计算单元被配置为利用输入至所述光输入单元的第一接收单元和第二接收单元的光量之差来计算距所述物体的距离，其中所述第一接收单元是同相接收单元，其在接通光源时被激活，而所述第二接收单元是异相接收单元，其在断开所述光源时被激活。
10.根据权利要求9所述的摄影机装置，其中，所述多个透镜包括可调透镜。
11.根据权利要求9所述的摄影机装置，其中，所述多个透镜以预定的间隔被固定在透镜保持器中。
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