CN107690565A - 三维影像系统及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种三维影像系统，包括结构光模块，用来发射结构光，所述结构光模块包括第一发光单元，所述第一发光单元接收第一脉冲信号并根据所述第一脉冲信号发射出第一光，其中所述第一脉冲信号的占空比小于一特定值，所述第一发光单元的发光功率大于一特定功率，所述第一光具有第一波长；以及感光像素阵列，用来接收对应于所述结构光的反射光。

Description

三维影像系统及电子装置
技术领域
本申请涉及一种三维影像系统，尤其涉及一种可抵抗背景光的三维影像系统及电子装置。
背景技术
随着科学与技术的飞速发展，物体三维信息的获取在很多应用领域都有着广泛的应用前景，如生产自动化、人机交互、医学诊断、逆向工程、数字化建模等。其中，结构光三维测量法作为一种非接触式的三维信息获取技术，因其实现简单、速度快和精度高等优点得到了广泛应用。
结构光三维测量法的基本思想是利用结构光投影的几何关系来获得物体的三维信息。首先通过投影设备将编码的结构光模版投射到待测物体上，并使用摄像机记录下投影图像，将所拍图像与所投影的结构光模版进行匹配，找到匹配点后，利用投影点、匹配点及物体的三角关系求解目标物体的三维信息。
然而，现有结构光的缺点在于其容易受到背景光的干扰，而降低其三维信息的精准度。因此，现有技术实有改进的必要。
发明内容
因此，本申请部分实施例的目的即在于提供一种可抵抗背景光的三维影像系统及电子装置，以改善现有技术的缺点。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种三维影像系统，包括结构光模块，用来发射结构光，所述结构光模块包括第一发光单元，所述第一发光单元接收第一脉冲信号并根据所述第一脉冲信号发射出第一光，其中所述第一脉冲信号的占空比小于一特定值，所述第一发光单元的发光功率大于一特定功率，所述第一光具有第一波长；以及感光像素阵列，用来接收对应于所述结构光的反射光。
例如，所述第一脉冲信号的占空比小于1/50。
例如，所述第一发光单元的发光功率大于4瓦特。
例如，所述结构光模块包括绕射单元，其中所述绕射单元对所述第一光形成绕射作用而产生所述结构光。
例如，所述绕射单元为绕射光学元件。
例如，所述感光像素阵列包括多个感光像素电路，多个感光像素电路中一感光像素电路包括感光元件；第一光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第一输出信号；以及第二光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第二输出信号；其中，对应所述感光像素电路的像素值为所述第一输出信号与所述第二输出信号的相减结果。
例如，所述第一光电读取电路包括第一传输闸，耦接于所述感光元件；第一输出晶体管，耦接于所述第一传输闸；以及第一读取晶体管，耦接于所述第一输出晶体管，用来输出所述第一输出信号；所述第二光电读取电路包括第二传输闸，耦接于所述感光元件；第二输出晶体管，耦接于所述第二传输闸；以及第二读取晶体管，耦接于所述第二输出晶体管，用来输出所述第二输出信号。
例如，所述第一传输闸于所述第一发光单元发光时导通，所述第二传输闸于所述第一发光单元不发光时导通，且所述第一传输闸的导通时间区间较所述第一发光单元的发光时间区间长。
例如，所述感光像素电路包括第一重置晶体管及第二重置晶体管，所述第一重置晶体管耦接于所述第一传输闸，所述第二重置晶体管耦接于所述第二传输闸。
例如，所述第一脉冲信号的占空比随时间变动。
例如，所述结构光模块包括至少一第二发光单元，所述至少一第二发光单元接收至少一第二脉冲信号并根据所述至少一第二脉冲信号发射出至少一第二光，其中所述至少一第二脉冲信号的占空比小于所述特定值，所述至少一第二发光单元的发光功率大于所述特定功率，所述至少一第二光分别具有至少一第二波长。
例如，所述感光像素阵列包括多个感光像素电路，多个感光像素电路中一感光像素电路包括感光元件；第一光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第一输出信号；至少一第二光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出至少一第二输出信号；以及第三光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第三输出信号；其中，对应所述感光像素电路的像素值为所述第一输出信号与所述至少一第二输出信号相加后，减去所述第三输出信号与所述第一输出信号和所述至少一第二输出信号的个数的乘积。
例如，所述第一光电读取电路包括第一传输闸，耦接于所述感光元件；第一输出晶体管，耦接于所述第一传输闸；以及第一读取晶体管，耦接于所述第一输出晶体管，用来输出所述第一输出信号；所述至少一第二光电读取电路中一第二光电读取电路包括第二传输闸，耦接于所述感光元件；第二输出晶体管，耦接于所述第二传输闸；以及第二读取晶体管，耦接于所述第二输出晶体管，用来输出所述第二输出信号；所述第三光电读取电路包括第三传输闸，耦接于所述感光元件；第三输出晶体管，耦接于所述第三传输闸；以及第三读取晶体管，耦接于所述第三输出晶体管，用来输出所述第三输出信号。
例如，所述第一传输闸于所述第一发光单元发光时导通，所述至少一第二光电读取电路的所述第二传输闸分别于所述至少一第二发光单元发光时导通，所述第三传输闸于所述第一发光单元及所述至少一第二发光单元不发光时导通，且所述第一传输闸的导通时间区间较所述第一发光单元的发光时间区间长，所述至少一第二传输闸的导通时间区间较所述至少一第二发光单元的发光时间区间长。
例如，所述感光像素电路包括第一重置晶体管、至少一第二重置晶体管及第三重置晶体管，所述第一重置晶体管耦接于所述第一传输闸，所述至少一第二重置晶体管耦接于所述至少一第二光电读取电路的第二传输闸，所述第三重置晶体管耦接于所述第三传输闸。
例如，所述第一传输闸导通的时间与所述第二传输闸导通的时间相隔一时间间隔。
例如，所述第一波长与所述至少一第二波长不同。
例如，所述第一脉冲信号及所述至少一第二脉冲信号的占空比随时间变动。
本申请结构光模块的发光单元接收以脉冲调制的脉冲信号，以发出瞬间强光，使得其所发射的结构光不易受到背景光干扰，以改善现有技术的缺点。
附图说明
图1为本申请实施例一三维影像系统的示意图；
图2为本申请实施例一感光像素电路的电路图；
图3为图2感光像素电路的时序图；
图4为本申请实施例一三维影像系统的示意图；
图5为本申请实施例一感光像素电路的电路图；
图6为图5感光像素电路的时序图；
图7为本申请实施例一结构光的示意图；
图8为本申请实施例一结构光的示意图；
图9为本申请实施例一电子装置的示意图；
图10为本申请实施例一结构光模块的示意图；
图11为一感光像素电路示意图；
图12为不同电子装置中的脉冲信号以及传输闸信号的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了解决现有技术结构光(Structured Light)容易受到背景光干扰的缺点，本申请利用/根据脉冲调制(Phase Modulated)信号来产生结构光。具体来说，请参考图1，图1为本申请实施例一三维影像系统10的示意图。三维影像系统10包括结构光模块12_t及摄像模块12_r，结构光模块12_t用来产生结构光SL，并将结构光SL投射(Project)在目标物上，其中结构光SL可具有条纹图案(Stripe Pattern)，如图7所示。而摄像模块12_r可撷取投射于目标物的结构光SL的影像，并根据结构光SL于目标物的弯曲程度，(利用三角测量法)计算目标物的深度信息，以取得关于目标物的三维影像。
具体来说，结构光模块12_t包括脉冲信号产生器120、发光单元122以及绕射单元124。发光单元122可为发光二极管(LED)或激光(Laser)发射单元，绕射单元124可为绕射光学元件(Diffraction Optical Element，DOE)。脉冲信号产生器120用来产生脉冲信号pm1，发光单元122耦接于脉冲信号产生器120以接收脉冲信号pm1，并根据脉冲信号pm1产生/发射出第一光L1至绕射单元124，第一光L1于绕射单元124成绕射作用而产生结构光SL。其中，脉冲信号pm1为以脉冲调制的信号，即脉冲信号pm1可视为具有较小占空比(Duty Ratio/Cycle)的方波，另外，当发光单元122发射第一光L1时，发光单元122具有较大的发光功率。具体来说，脉冲信号pm1的占空比一般来说可为1/1000，而不限于此，只要脉冲信号pm1的占空比小于1/50，皆满足本申请的需求。另外，发光单元122的发光功率一般来说可介于4瓦特到5瓦特，而不限于此，发光单元122的发光功率大于4瓦特，皆满足本申请的需求。换句话说，发光单元122可视为在瞬间发出强光(类似一般照相机的闪光灯)，即增强摄像模块12_r接收到关于结构光SL的光信号强度，使得关于结构光SL的光信号不易受到背景光干扰，以改善现有技术的缺点。
另一方面，摄像模块12_r具有感光像素阵列14及镜头(Lens)18，感光像素阵列14接收对应于结构光SL的反射光，其包括多个感光像素电路16，感光像素电路16的输出信号可对应摄像模块12_r所撷取影像的像素值。感光像素电路16的具体电路结构及操作机制并未有所限，举例来说，请参考图2及图3，图2为本申请实施例感光像素电路16的等效电路示意图，图3为感光像素电路16的时序图(Timing Diagram)。感光像素电路16包括感光元件PD以及光电读取电路16_1、16_2，光电读取电路16_1、16_2皆具有传输闸、重置晶体管、输出晶体管及读取晶体管，其传输闸皆耦接于感光元件PD，重置晶体管的栅极接收一重置信号Reset，读取晶体管的栅极接收一行选取(Row Select)信号ROW，光电读取电路16_1及16_2的传输闸分别接收信号TX1及TX2，光电读取电路16_1的传输闸、重置晶体管及输出晶体管连接于节点FD_1，光电读取电路16_2的传输闸、重置晶体管及输出晶体管连接于节点FD_2。另外，感光像素电路16亦包括防晕染(Anti-Blooming)晶体管，防晕染晶体管的栅极接收信号TX4。
感光像素电路16的操作机制简述如下。当脉冲信号pm1为高电位时，发光单元122发射第一光L1。当发光单元122发射第一光L1时，光电读取电路16_1的传输闸导通。于一实施例中，光电读取电路16_1传输闸的导通时间区间T1较脉冲信号pm1为高电位的时间区间T4宽，即光电读取电路16_1传输闸的导通时间区间较发光单元122的发光时间区间长。当光电读取电路16_1的传输闸导通(信号TX1为高电位)时，即于导通时间区间T1中，感光元件PD接收第一光L1以及背景光的光照，光电读取电路16_1的传输闸可将感光元件PD因接收第一光L1以及背景光而产生的光电子汲取至节点FD_1储存。另一方面，当发光单元122不发光(即脉冲信号pm1为低电位时)时，光电读取电路16_2的传输闸可短暂地导通(信号TX2为高电位)，此时感光元件PD仅接收背景光的光照，光电读取电路16_2的传输闸可将感光元件PD因接收背景光而产生的光电子汲取至节点FD_2储存。当光电读取电路16_1、16_2的读取晶体管导通时，光电读取电路16_1的读取晶体管输出输出信号Pout1(相关于第一光L1及背景光)，光电读取电路16_2的读取晶体管输出输出信号Pout2(仅相关于背景光)，对应于感光像素电路16的像素值即为输出信号Pout1与输出信号Pout2的相减结果(如Pout1－Pout2)，如此一来，感光像素电路16的像素值即可消除背景光的影响。除此之外，当光电读取电路16_1、16_2的传输闸皆不导通时，感光像素电路16的防晕染晶体管导通(信号TX4为高电位)，即感光像素电路16将感光元件PD因接收背景光而产生的光电子汲取出来，以免影响电路的正常运作。
由于发光单元122发射出瞬间强光后，需要休息一段时间才能再次发光。即脉冲信号pm1的占空比过小可能会导致摄像模块12_r接收对应结构光SL的光强度不足。因此，于一实施例中，结构光模块可包括二个发光单元，该二个发光单元可交替地发光，以增加摄像模块12_r所接收到对应结构光的光强度。更进一步地，该二个发光单元可发出不同波长的光，因不同波长的光具有不同的折射率，通过绕射单元后所产生的结构光可具有较密集的条纹图案，进一步增加三维影像的分辨率(Resolution)。
具体来说，请参考图4，图4为本申请实施例一三维影像系统40的示意图。三维影像系统40与三维影像系统10类似，故相同元件沿用相同符号。与三维影像系统10不同的是，三维影像系统40的结构光模块42_t除了发光单元122之外还包括另一发光单元422，发光单元422接收脉冲信号pm2以产生第二光L2，第二光L2与第一光L1可具有不同的波长。同样地，脉冲信号pm2的占空比可为1/1000(或小于1/50)，发光单元422的发光功率可介于4瓦特到5瓦特(或大于4瓦特)。另外，第一光L1与第二光L2于绕射单元124成绕射作用而产生结构光SL’。由于第一光L1与第二光L2具有不同波长，结构光SL’的条纹图案较为密集，如图8所示，条纹光sp1为对应第一光L1的结构光，而条纹光sp2为对应第二光L2的结构光。
除此之外，三维影像系统40的摄像模块42_r包括感光像素阵列44，感光像素阵列44包括多个感光像素电路46，感光像素电路46的具体电路结构及操作机制并未有所限，举例来说，请参考图5及图6，图5为本申请实施例感光像素电路46的等效电路示意图，图6为感光像素电路46的时序图。感光像素电路46与感光像素电路16类似，故相同元件沿用相同符号。与感光像素电路16不同的是，感光像素电路46还包括光电读取电路46_3，光电读取电路46_3的电路结构与光电读取电路16_1、16_2相同，其中光电读取电路46_3的传输闸接收信号TX3。同样地，当发光单元422发射第二光L2时，光电读取电路46_3的传输闸导通，感光元件PD接收第二光L2以及背景光的光照，光电读取电路46_3的传输闸可将感光元件PD因接收第二光L2以及背景光而产生的光电子汲取至节点FD_3储存。类似地，当发光单元122、422皆不发光(即脉冲信号pm1、pm2皆为低电位时)时，光电读取电路16_2的传输闸可短暂地导通(信号TX2为高电位)，此时感光元件PD仅接收背景光的光照，光电读取电路16_2的传输闸可将感光元件PD因接收背景光而产生的光电子汲取至节点FD_2储存。当光电读取电路16_1、16_2、46_3的读取晶体管导通时，光电读取电路16_1的读取晶体管输出输出信号Pout1(相关于第一光L1及背景光)，光电读取电路16_2的读取晶体管输出输出信号Pout2(仅相关于背景光)，而光电读取电路46_3的读取晶体管输出输出信号Pout3(相关于第二光L2及背景光)，对应于感光像素电路16的像素值即为输出信号Pout1与输出信号Pout3相加后，减去两倍的输出信号Pout2(即Pout1+Pout3－2*Pout2)，以消除背景光的影响。另外，光电读取电路16_1、16_2传输闸的导通时间区间较脉冲信号pm1、pm2的脉冲宽度还要宽，即光电读取电路16_1、16_2传输闸的导通时间区间较发光单元122、422的发光时间区间长。另外，光电读取电路16_1传输闸的导通时间区间T1与光电读取电路46_3传输闸的导通时间区间T8之间可视实际需要时间相隔一时间间隔T7。其余操作机制请参考前述相关段落，故于此不再赘述。
另外，本申请的三维影像系统可设置于电子装置中。请参考图9，图9为本申请实施例一电子装置9的示意图。电子装置9包括三维影像系统90，三维影像系统90可通过三维影像系统10或三维影像系统40来实现。
需注意的是，前述实施例用以说明本申请的概念，本领域具通常知识者当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，脉冲信号pm1、pm2的占空比可随机的变化(即脉冲信号pm1、pm2的占空比随时间变动(Time-Variant))，举例来说，脉冲信号产生器120产生一脉冲后可再过(N+n)个周期后，再产生下一个脉冲，其中N可为较大的整数，而n可为一随机数，如此一来，可避免电子装置之间的结构光相互干扰。请参考图12，图12为电子装置A、B中的脉冲信号pmA、pmB以及信号TXA、TXB的示意图。其中，脉冲信号pmA为电子装置A的发光单元所接收的脉冲信号，脉冲信号pmB为电子装置B的发光单元所接收的脉冲信号，信号TXA为电子装置A中感光像素电路的光电读取电路的传输闸所接收的信号，信号TXB为电子装置B中感光像素电路的光电读取电路的传输闸所接收的信号。如图12所示，当脉冲信号的占空比为随机产生时，电子装置A发光单元的发光时间与电子装置B发光单元的发光时间错开，电子装置A传输闸的导通时间也与电子装置B传输闸的导通时间错开，因此，电子装置A与电子装置B的相关于结构光的光信号不会互相彼此干扰。
另外，本申请的结构光模块可包含多个发光单元。请参考图10及图11，图10为本申请实施例一结构光模块c2_t的示意图，图11为对应结构光模块c2_t的一感光像素电路d6示意图。结构光模块c2_t包括发光单元122、122_1～122_K，其分别于不同时间发光，感光像素电路d6包括光电读取电路d6_1～d6_K’及d6_B，光电读取电路d6_1～d6_K’及d6_B的电路结构可与前述光电读取电路16_1、16_2、46_3相同，光电读取电路d6_1～d6_K’的传输闸的导通时间区间分别对应发光单元122、122_1～122_K的发光时间区间(K’可代表K+1)，光电读取电路d6_1～d6_K’输出输出信号Pout1～Pout K’，输出信号Pout1～Pout K’相关于发光单元122、122_1～122_K所发的光以及背景光。光电读取电路d6_B的传输闸于发光单元122、122_1～122_K皆不发光时导通，光电读取电路d6_B仅读取背景光造成的光电流，也就是说，光电读取电路d6_B输出的输出信号PoutB仅相关于背景光。在此情形下，对应于感光像素电路d6的像素值可为Pout1+…+PoutK’－K’*PoutB。
综上所述，本申请结构光模块的发光单元接收以脉冲调制的脉冲信号，以发出瞬间强光，使得其所发射的结构光不易受到背景光干扰，以改善现有技术的缺点。
以上所述仅为本申请的部分实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种三维影像系统，其特征在于，包括：
结构光模块，用来发射结构光，所述结构光模块包括第一发光单元，所述第一发光单元接收第一脉冲信号并根据所述第一脉冲信号发射出第一光，其中所述第一脉冲信号的占空比小于一特定值，所述第一发光单元的发光功率大于一特定功率，所述第一光具有第一波长；以及
感光像素阵列，用来接收对应于所述结构光的反射光。
2.如权利要求1所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一脉冲信号的占空比小于1/50。
3.如权利要求1所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一发光单元的发光功率大于4瓦特。
4.如权利要求1所述的三维影像系统，其特征在于，所述结构光模块包括绕射单元，其中所述绕射单元对所述第一光形成绕射作用而产生所述结构光。
5.如权利要求4所述的三维影像系统，其特征在于，所述绕射单元为绕射光学元件。
6.如权利要求1所述的三维影像系统，其特征在于，所述感光像素阵列包括多个感光像素电路，多个感光像素电路中一感光像素电路包括：
感光元件；
第一光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第一输出信号；以及
第二光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第二输出信号；
其中，对应所述感光像素电路的像素值为所述第一输出信号与所述第二输出信号的相减结果。
7.如权利要求6所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一光电读取电路包括：
第一传输闸，耦接于所述感光元件；
第一输出晶体管，耦接于所述第一传输闸；以及
第一读取晶体管，耦接于所述第一输出晶体管，用来输出所述第一输出信号；
所述第二光电读取电路包括：
第二传输闸，耦接于所述感光元件；
第二输出晶体管，耦接于所述第二传输闸；以及
第二读取晶体管，耦接于所述第二输出晶体管，用来输出所述第二输出信号。
8.如权利要求7所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一传输闸于所述第一发光单元发光时导通，所述第二传输闸于所述第一发光单元不发光时导通，且所述第一传输闸的导通时间区间较所述第一发光单元的发光时间区间长。
9.如权利要求7所述的三维影像系统，其特征在于，所述感光像素电路包括第一重置晶体管及第二重置晶体管，所述第一重置晶体管耦接于所述第一传输闸，所述第二重置晶体管耦接于所述第二传输闸。
10.如权利要求1所述的三维影像系统，其特征在于，所述结构光模块包括至少一第二发光单元，所述至少一第二发光单元接收至少一第二脉冲信号并根据所述至少一第二脉冲信号发射出至少一第二光，其中所述至少一第二脉冲信号的占空比小于所述特定值，所述至少一第二发光单元的发光功率大于所述特定功率，所述至少一第二光分别具有至少一第二波长。
11.如权利要求10所述的三维影像系统，其特征在于，所述感光像素阵列包括多个感光像素电路，多个感光像素电路中一感光像素电路包括：
感光元件；
第一光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第一输出信号；
至少一第二光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出至少一第二输出信号；以及
第三光电读取电路，耦接于所述感光元件，用来输出第三输出信号；
其中，对应所述感光像素电路的像素值为所述第一输出信号与所述至少一第二输出信号相加后，减去所述第三输出信号与所述第一输出信号和所述至少一第二输出信号的个数的乘积。
12.如权利要求11所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一光电读取电路包括：
第一传输闸，耦接于所述感光元件；
第一输出晶体管，耦接于所述第一传输闸；以及
第一读取晶体管，耦接于所述第一输出晶体管，用来输出所述第一输出信号；
所述至少一第二光电读取电路中一第二光电读取电路包括：
第二传输闸，耦接于所述感光元件；
第二输出晶体管，耦接于所述第二传输闸；以及
第二读取晶体管，耦接于所述第二输出晶体管，用来输出所述第二输出信号；
所述第三光电读取电路包括：
第三传输闸，耦接于所述感光元件；
第三输出晶体管，耦接于所述第三传输闸；以及
第三读取晶体管，耦接于所述第三输出晶体管，用来输出所述第三输出信号。
13.如权利要求12所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一传输闸于所述第一发光单元发光时导通，所述至少一第二光电读取电路的所述第二传输闸分别于所述至少一第二发光单元发光时导通，所述第三传输闸于所述第一发光单元及所述至少一第二发光单元不发光时导通，且所述第一传输闸的导通时间区间较所述第一发光单元的发光时间区间长，所述至少一第二传输闸的导通时间区间较所述至少一第二发光单元的发光时间区间长。
14.如权利要求12所述的三维影像系统，其特征在于，所述感光像素电路包括第一重置晶体管、至少一第二重置晶体管及第三重置晶体管，所述第一重置晶体管耦接于所述第一传输闸，所述至少一第二重置晶体管耦接于所述至少一第二光电读取电路的第二传输闸，所述第三重置晶体管耦接于所述第三传输闸。
15.如权利要求12所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一传输闸导通的时间与所述第二传输闸导通的时间相隔一时间间隔。
16.如权利要求10所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一波长与所述至少一第二波长不同。
17.如权利要求10所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一脉冲信号及所述至少一第二脉冲信号的占空比随时间变动。
18.如权利要求1所述的三维影像系统，其特征在于，所述第一脉冲信号的占空比随时间变动。
19.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1-18中任意一项所述的三维影像系统。
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