CN107885023A - 图像投影设备中用于亮度和自动聚焦控制的飞行时间感测 - Google Patents

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Abstract

一种诸如超微型投影仪或LCD投影仪等的图像投影设备，包括被配置成用于生成具有一定功率的光束的图像投影电路。该图像投影电路将该光束投影到并且将该光束聚焦在位于与该图像投影电路相距成像距离处的投影表面上。飞行时间传感器被配置成用于感测该图像投影电路与该投影表面之间的该成像距离，并且用于生成指示该感测到的成像距离的成像距离信号。控制电路耦合至该图像投影电路和该飞行时间传感器，并且被配置成用于基于该成像距离信号来调节该光束的功率和焦点。

Description

图像投影设备中用于亮度和自动聚焦控制的飞行时间感测
技术领域
本公开总体上涉及飞行时间感测，并且更具体地涉及在移动图像投影设备(诸如超微型投影仪)中利用飞行时间感测进行亮度和自动聚焦控制。
背景技术
常规的图像投影设备将数字图像(静止图像或视频图像)投影到附近的观看表面(诸如墙壁、屏幕或其他合适的平坦表面)上。常规的图像投影设备可以包括例如组合操作以便将数字图像投影到观看表面上的照明源或灯以及液晶显示器(LCD)。这种图像投影设备的一种类型是超微型投影仪，该超微型投影仪通常还可以被称为手持投影仪、袖珍投影仪或移动投影仪。超微型投影仪是包括图像投影仪的便携式图像投影设备，该图像投影仪用于将数字图像(静止图像或视频图像)投影到附近的观看表面(诸如墙壁或其他平坦表面)上。超微型投影仪通常包括与空间调制设备组合操作的激光二极管或发光二极管(LED)(通常采用微机电系统(MEMS)扫描反射镜的形式)以便将数字图像投影到观看表面上。由这些激光二极管生成的光束被调制以便对被投影的数字图像中的像素的红色、绿色和蓝色信息进行编码，并且这些光束被组合成单个组合光束，该单个组合光束然后由MEMS扫描反射镜扫描到观看表面上。
常规的超微型投影仪通常以开环方式进行操作，这意味着用户必须手动调节投影仪中的光学器件以便对被投影到观看表面上的数字图像进行聚焦。除了需要手动聚焦之外，这种开环操作还可能导致被投影到观看表面上的数字图像的亮度的不期望变化。例如，当超微型投影仪越靠近观看表面时，投影图像可能太亮，并且相反，当越远离观看表面时，投影图像可能太暗。
超微型投影仪通常使用2类激光二极管或等效的LED来生成组合光束。2类激光二极管或LED意指由超微型投影仪投影的组合光束可以投影到人眼睛里而不会造成损害(由于正常人类眨眼反射所提供的保护)，如本领域技术人员将认识到的。因此，在使用2类激光二极管或LED的常规超微型投影仪中，依赖于正常的眨眼反射以便提供保护免受由投影光束造成的眼损伤。结果是，具有对发生眼损伤的担忧。例如，一种担忧是：当非常年轻的孩子在投影仪的操作过程中在超微型投影仪与观看表面之间行走时，该孩子的眨眼反射是否将充分地保护该孩子的眼睛。
类似的担忧也存在于在其他应用(诸如在飞行时间感测应用中)中使用2类激光二极管或LED的情况中。至少部分地由于这种担忧，在这种飞行时间感测应用中通常使用1类激光二极管或LED。如果在飞行时间感测应用中使用2类设备，则出现对眼损伤的担忧，因为由2类设备产生的电磁辐射或光通常不是可见光谱中的光。而是，通常在飞行时间感测应用中使用红外线(IR)中的光或人类眼睛不可见的光谱中的其他部分。结果，人眼可能未感测到这种IR光束的照明并且未触发眨眼反射，这可导致对眼睛的损害。
需要对来自常规图像投影设备(诸如超微型投影仪)的投影光束的改进控制、以及图像投影设备(像超微型投影仪)中的改进的安全保护、以及在其他类型的电子设备中使用2类设备来生成投影光束。
发明内容
在本公开的一个实施例中，图像投影设备(诸如超微型投影仪、LCD投影仪、或其他类型的投影设备)包括被配置成用于生成具有一定功率的光束的图像投影电路。该图像投影电路将该光束投影到并且将该光束聚焦到位于与该图像投影电路相距成像距离处的投影表面上。飞行时间传感器被配置成用于感测该图像投影电路与该投影表面之间的该成像距离，并且用于生成指示该感测到的成像距离的成像距离信号。控制电路耦合至该图像投影电路和该飞行时间传感器，并且被配置成用于基于该成像距离信号来调节该光束的功率和焦点。
附图说明
通过参照附图对以说明性而非限制性方式给出的实施例的以下详细描述，前述及其他特征和优点将变得明显，在附图中：
图1A是根据本公开的一个实施例的包括用于控制图像投影设备的飞行时间(TOF)传感器的超微型投影仪图像投影设备的功能框图；
图1B是根据本公开的另一实施例的包括用于控制图像投影设备的飞行时间(TOF)传感器的另一种类型的图像投影设备的功能框图；
图2是根据本公开的一个实施例的简图，展示了基于由TOF传感器感测到的检测成像距离来控制来自图1A和图1B的图像投影设备的投影光束的功率；
图3是根据本公开的另一实施例的两个简图，展示了基于由图1A和图1B的TOF传感器感测到的检测成像距离的功率中断安全特征；
图4是根据本公开的另一实施例的简图，展示了基于由TOF传感器感测的环境光水平来控制来自图1A和图1B的图像投影设备的投影光束的功率；
图5是图1A和图1B的TOF传感器的一个实施例的更为详细的功能框图；
图6A是包含在图5的TOF传感器中的目标单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的单区实施例的功能图；
图6B是包含在图5的TOF传感器中的目标SPAD阵列的多区实施例的功能图；
图7是功能图，展示了当TOF传感器包括图6A的单区SPAD阵列时图1A和图1B的图像投影设备在生成焦点调节信号以调节被投影的图像的聚焦时的操作；
图8是简图，展示了作为由图7的实施例中的TOF传感器感测到的检测距离的函数的焦点调节信号的值；
图9A和图9B是功能图，展示了当TOF传感器包括图6B的多区SPAD阵列时图1A和图1B的图像投影设备在生成焦点调节信号以调节被投影的图像的聚焦时的操作；以及
图10A和图10B是根据本公开的进一步实施例的功能图，展示了可以与图5的TOF传感器中的多区SPAD阵列组合使用的两种可能的空间投影图案。
具体实施方式
图1A是图像投影设备100的功能框图，该图像投影设备包括用于控制图像投影设备的投影参数(该投影参数在一个实施例中包括投影图像的亮度)并且用于控制将投影图像聚焦到投影表面104(诸如墙壁或另一种合适的平坦表面)上的飞行时间(TOF)传感器102。在操作中，TOF传感器102使用基于TOF的测量来感测与图像投影设备100与投影表面104之间的距离相对应的成像距离DTOF，其中，然后利用确定的成像距离DTOF来控制投影图像的亮度和聚焦，如以下将更详细描述的。
在以下描述中，结合所描述的实施例阐述了某些细节，以便提供对本公开的充分理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些特定细节的情况下实践本公开。而且，本领域技术人员将认识到，以下描述的示例实施例不限制本公开的范围并且还将理解所公开的实施例的各种修改、等效物和组合，并且这样的实施例的部件在本公开的范围内。虽然以下未详细明确描述，但是包括少于相应的描述的实施例中的任何实施例的所有部件的实施例也可以在本公开的范围内。最后，以下尚未详细示出或描述公知部件和/或过程的操作，以避免不必要地模糊本公开。
TOF传感器102发射朝投影表面104传播的光学信号，并且检测所发射的光学信号传播到投影表面并且被投影表面反射且返回至TOF传感器所需的时间。这些发射和反射的光学信号在图1A中总体地被指示为光学信号106。根据检测时间，TOF传感器102能够检测或感测图像投影设备100与投影表面104之间的成像距离DTOF。TOF传感器生成具有指示所感测到的成像距离DTOF的值的成像距离信号IDS。在一个实施例中，TOF传感器102还感测入射到TOF传感器上的环境光水平，这意味着环境光存在于图像投影设备100与投影表面104所存在的环境中。TOF传感器102生成具有指示所感测到的环境光水平的值的环境光信号ALS。虽然以下将参考图5至图10来更详细地描述可以用于图像投影设备100中的TOF传感器的若干更详细的实施例，但是本领域技术人员能够很好地理解TOF传感器的操作原理，并且因此在此将不对其进行更详细的描述。
图像投影设备100进一步包括从TOF传感器102接收成像距离信号IDS和环境光信号ALS并且控制图像投影设备100的整体操作的处理和控制电路108。处理和控制电路108(在本说明书中其可以被简单地称为“控制电路”)还从外部源(未示出)接收输入视频数据VIDEO_IN并对此视频数据进行处理以由图像投影设备100将其显示在投影表面104上作为投影图像。更具体地，控制电路108对VIDEO_IN数据进行处理并且生成激光驱动信号LDS、驱动控制信号DCS以及焦点调节信号FAS，这些信号被应用于控制图像投影设备100中的图像投影电路110。图像投影电路110基于LDS、DCS和FAS信号将图像投影到投影表面104上，如以下将更详细描述的。TOF传感器102、控制电路108、和图像投影电路110中的每一者可以由图像处理设备100的实施例中的硬件电路、软件、固件、或硬件电路、软件和固件的任何组合来形成。
图像处理电路110包括激光驱动器112，该激光驱动器接收激光驱动信号LDS并且响应于所接收的激光驱动信号而对包括多个激光二极管114的光学引擎113进行控制。在图1A的示例实施例中，光学引擎113包括三个激光二极管114，一个用于生成红色激光光束，一个用于生成绿色激光光束，并且一个用于生成蓝色激光束。由激光二极管114生成的这些激光光束在图1A中被标示为116并且被供应给将这三个激光光束组合成单个组合激光光束120的光束组合器118。来自光束组合器118的这一组合激光光束120被引导至微机电系统(MEMS)镜122上，该微机电系统镜进而生成光束124，该光束124被供应穿过可调投影透镜126以便提供投影光束128。来自控制电路108的焦点调节信号FAS控制可调投影透镜126的聚焦，如以下将更详细描述的。投影光束128被投影到投影表面104上以便由此将期望的投影图像投影到投影表面上。图像投影电路110中的MEMS驱动器130从控制电路108接收驱动控制信号DCS，并且响应于所接收的驱动控制信号而控制MEMS反射镜122以便形成期望的光束124。
图像投影电路110可以采用各种不同的形式，并且图1A的实施例仅作为示例呈现。例如，当图像投影设备100是超微型投影仪时，图像投影电路110可以是当前正用于超微型投影仪的三种主要技术中的任何技术，即数字光处理(DLP)技术、硅基液晶(LCoS)技术、或激光控制(LBS)技术。因此，图像投影电路110可以利用这些技术中的任何技术或任何其他合适的技术来生成投影光束128，该投影光束被投影到投影表面104上以便由此将期望的图像投影到投影表面上。以下将参考图1B更详细地描述根据本公开的另一实施例的图像投影设备。
在操作中，控制电路108接收输入视频数据VIDEO_IN并且对此数据执行图像处理以便生成激光驱动信号LDS和驱动控制信号DCS，这些信号用于控制图像投影电路110来投影光束120，从而在投影表面104上形成期望的图像。在图像投影电路110将光束128投影到投影表面104上之前，TOF传感器102感测图像TOF传感器与投影表面104之间的成像距离DTOF并且向控制电路108提供指示此成像距离的成像距离信号IDS。TOF传感器102与投影表面104之间的成像距离DTOF指示图像投影设备100与投影表面之间的距离，并且因此距离DTOF可以在此交替地被称为指示TOF传感器与投影表面之间或图像投影设备与投影表面之间的距离。TOF传感器102还感测存在于图像投影设备100与投影表面104所存在的环境中的环境光水平，并且向控制电路108提供指示此检测到的环境光水平的环境光信号ALS。控制电路108基于从TOF传感器102接收的成像距离信号IDS和环境光信号ALS来控制图像投影电路110，如现将更详细描述的。
控制电路108在生成被供应以便控制激光驱动器112的激光驱动信号LDS时利用环境光信号ALS。更具体地，控制电路调节激光驱动信号LDS以便控制由激光二极管114生成的光束106的功率或亮度，并且以此方式控制由图像投影电路110生成的投影光束128的功率或亮度。当环境光信号ALS指示在包含图像投影设备100和投影表面104的环境中的环境光水平较高时，控制电路108调节激光驱动信号LDS以便增大由激光二极管114生成的光束106的功率。相反，当ALS信号指示环境中的环境光水平较低时，控制电路108调节LDS信号以便减小光束106的功率。以此方式，当环境中的环境光水平较高时，控制电路108提高投影光束128的亮度并且由此提高投影表面104上的投影图像的亮度，以便帮助观看者观看投影图像。在具有低环境光水平的环境中，将易于观看者看到投影表面104上的投影图像并且因此控制电路降低投影光束128的亮度。
在生成用于控制可调投影透镜126的焦点调节信号FAS并由此将投影光束128聚焦到投影表面104上时，控制电路108利用来自TOF传感器102的成像距离信号IDS。成像距离信号IDS和焦点调节信号FAS的具体特性以及在控制可调投影透镜126时所使用的参数在图像投影设备100的不同实施例中有所不同，如以下将更详细描述的。而且，在图像投影设备100的一些实施例中，在控制将投影光束128聚焦到投影表面104上时，可以利用数字梯形失真校正。在这些实施例中，控制电路108生成被应用于MEMS反射镜驱动器130或其他类型的驱动器的数字梯形失真校正信号DKC以便基于来自TOF传感器102的成像距离信号IDS来调节投影光束128，如以下还将更详细描述的。
图1B是根据本公开的另一实施例的包括用于控制图像投影设备的飞行时间(TOF)传感器102的另一种类型的图像投影设备100’的功能框图。图像投影设备100’中的部件已经被给予了与图1A的图像投影设备100中的对应部件相同的参考号(在这些部件完全相同的情况下)，并且在这些部件类似但不完全相同的情况下具有用上撇号(’)标示的相同参考号。图像投影设备100’是LCD投影仪并且包括TOF传感器102、处理和控制电路108’以及图像投影电路110’，该图像投影电路将投影光束128’投影到投影表面104上。图像投影电路110’包括灯驱动器112’，该灯驱动器从控制电路108’接收照明控制信号ICS并且基于ICS信号生成用于控制光学引擎113’的灯控制信号LCS。更具体地，光学引擎113’包括用作投影光束128’的光源的灯115。灯115基于LCS信号生成光束117，并且可以例如包括共同形成光束117的红色、绿色、和蓝色光源。在生成用于对由灯115生成的光束117的功率或亮度进行控制的照明控制信号ICS时，控制电路108’利用来自TOF传感器102的环境光信号ALS。
来自灯115的光束117被供应给受到图像投影电路110’中的LCD驱动器130’控制的LCD 119。控制电路108’向LCD驱动器130’供应包含待投影到投影表面104上的图像数据的视频信号VS。控制电路108’还向LCD驱动器130’供应驱动控制信号DCS’和数字梯形失真校正DKC’信号。在操作中，LCD驱动器130’基于VS、DCS’和DKC’信号生成视频控制信号VCS并且应用VCS信号以控制LCD 119。VCS控制信号控制LCD 119生成包括多个像素的图像光束121，该多个像素共同形成有待投影到投影表面104上的图像。LCD 119基于VCS信号以及来自灯115的光束117来生成每个图像光束121。虽然LCD 119在图1B的实施例中被示出为透射型LCD设备，但是LCD也可以是反射型或其他适当类型的LCD设备。图像光束121被供应至可调透镜123，该可调透镜将图像光束投影为投影光束128’，从而在投影表面104上形成所期望的投影图像。可调透镜123基于由控制电路108’提供的焦点调节信号FAS将投影光束128’聚焦到投影表面104上，该控制电路基于来自TOF传感器102的成像距离信号IDS生成FAS信号。以此方式，控制电路108’基于由TOF传感器102感测到的检测成像距离DTOF来控制透镜123将投影光束128’聚焦到投影表面上104。
现在将参考图2至图4对控制电路108在基于由TOF传感器102生成的成像距离信号IDS和环境光信号ALS来控制图像投影电路110过程中的操作进行更详细的描述。图2是根据图1A和图1B的成像投影设备100和100’的一个实施例的简图，展示了基于由TOF传感器102感测到的检测成像距离DTOF来控制来自图像投影设备110的投影光束128的功率。在图2的简图中，竖直轴线对应于投影光束128的功率或亮度并且在该图中被标示为轴线投影功率PP。水平轴线是检测成像距离DTOF。
在图2的实施例中，控制电路108、108’调节激光驱动信号LDS或照明控制信号LCS以便根据检测成像距离DTOF将投影光束128、128’的亮度PP线性地上调至最大功率水平PPMAX。以下讨论将通过示例的方式来描述图1A的实施例中的控制电路108，并且通过此描述，本领域技术人员将理解图1B的实施例中的控制电路108’的类似操作。图2的实施例假设检测成像距离DTOF的变化相对较慢，如可以发生在设置图像投影设备100以用于将图像投影到投影表面104上的正常使用过程中。以此方式，控制电路108根据检测成像距离DTOF自动调节投影光束128的亮度，从而使得由投影光束生成的投影图像具有由图像投影设备100的用户观看的合适亮度。投影表面104距离图像投影设备100越远，令人满意的观看所需的投影光束128的亮度就越高，并且反之，投影表面距离图像投影设备越近，所需的亮度就越低。图2还示出了最小成像距离阈值DTOF_MIN，该最小成像距离阈值表示图像投影设备100与投影表面104或与人或动物之间应该保持的最小安全距离。在此实施例中，控制电路108根据低于阈值DTOF_MIN的距离DTOF线性地控制投影光束128的亮度PP，其中，亮度大小在此区域中被控制在足够低水平处以便使得来自投影光束128的损害在这种情况下是不可能的。
图3是根据图像投影设备100和100’的另一实施例的两个简图，展示了基于由图1A和图1B的TOF传感器102感测到的检测成像距离DTOF的功率中断安全特征。控制在图3的实施例中所展示的投影光束128的功率或亮度提供保护免受由投影光束造成的伤害。这可能例如发生在小孩在图像投影设备100与图像投影设备附近的投影表面104之间穿过的情况下或者在小孩拿起图像投影设备并将投影光束128指向他或她的眼睛的情况下。图2的实施例通过由TOF传感器102感测到的检测成像距离DTOF的迅速减小来检测这种情况。当检测成像距离DTOF小于等于最小成像距离阈值DTOF_MIN时，控制电路108非常快速地将投影光束128的功率降至最小中断功率水平PPINT。最小中断功率水平PPINT可以为零，这意味着控制电路108设置LDS信号以使得激光驱动器112关闭激光二极管114。通过这种控制，控制电路108防止或者显著地降低了投影光束128在此情况中对孩子、宠物、或任何其他个体的眼睛造成损害的可能性。
图4是根据本公开的另一实施例的简图，展示了基于由TOF传感器102感测到的环境光水平来控制来自图1A和图1B的图像投影设备100和100’的投影光束128的功率或亮度。回想起，如以上提及的，TOF传感器102生成具有指示所感测到的入射到TOF传感器102上的环境光水平的值的环境光信号ALS，这意味着存在于包含图像投影设备100与投影表面104的环境中的环境光水平。控制电路108、108’控制LDS信号或ICS信号，以便由此根据由来自TOF传感器102的环境光信号ALS指示的环境光水平来控制投影光束128、128’的功率。在图4的实施例中，控制电路108将投影光束128的亮度维持在最小功率水平PPMIN处，直到环境光信号ALS指示环境光水平已经达到环境光阈值ALTH。一旦ALS信号达到环境光阈值ALTH，控制电路108然后就根据由环境光信号指示的环境光水平线性地控制投影光束128的亮度上升至最大功率水平PPMAX。
图5是图1A和图1B的TOF传感器102的一个实施例的更为详细的功能框图。在此实施例中，TOF范围检测电路104包括光源200，该光源例如是激光二极管，以用于生成发射光学脉冲信号202，该发射光学脉冲信号通过投影透镜204被传输至投影表面104上的图像场景中。投影表面104上的图像场景包括TOF传感器102的视场(FOV)以及图像投影电路110的FOV，如以下关于图7、图9和图10将更详细讨论的。
作为发射光学脉冲信号202的反射部分的返回或反射光学脉冲信号206穿过反射透镜208在TOF传感器102中被接收。透镜208将反射光学脉冲信号206引导至范围估计电路210以用于估计TOF传感器102与投影表面104之间的成像距离DTOF，如之前参考图1A总体上讨论的。范围估计电路210包括目标单光子雪崩二极管(SPAD)阵列212，该目标SPAD阵列经由透镜208接收返回光学脉冲信号206。目标SPAD阵列212通常包括大量的SPAD单元(未在图5中示出)，每个单元包括用于感测反射光学脉冲206的光子的SPAD。在TOF传感器102的一些实施例中，透镜208将来自投影表面104上的某些空间区域的反射光学脉冲信号206引导至目标SPAD阵列212中的某些SPAD单元分组或SPAD单元区域，如以下参考图6A、图6B、图9和图10将更详细描述的。
当采用返回光学脉冲信号206形式的光子被目标SPAD阵列212中的那个单元检测到时，SPAD阵列208中的每个SPAD单元将提供输出脉冲或SPAD事件。延迟检测电路214确定发射光学脉冲信号202与来自SPAD阵列212的SPAD事件之间的延迟时间，其对应于反射光学脉冲信号206至SPAD阵列的返回。以此方式，通过检测这些SPAD事件，可估计返回或反射光学脉冲信号206的到达时间。延迟检测电路214基于发射光学脉冲信号202的发射时间与如由SPAD阵列212感测到的返回光学脉冲信号206的到达时间之差来确定飞行时间。
在发射该发射光学脉冲信号时，参考SPAD阵列216从透镜204接收发射光学脉冲信号202的内反射218。在发射该发射光学脉冲信号的同时，参考SPAD阵列216有效地接收发射光学脉冲信号202的内反射218。响应于这一接收的内反射218，参考SPAD阵列216生成指示该发射光学脉冲信号202的发射的对应SPAD事件。延迟检测电路214包括合适的电路(诸如，时间至数字转换器或时间至模拟转换器)以便确定发射该发射光学脉冲信号202的发射与接收该反射光学脉冲信号208之间的时间或飞行时间TOF。延迟检测电路214然后利用此TOF来确定投影表面104的成像距离DTOF。范围估计电路210进一步包括驱动光源200的激光调制电路220。延迟检测电路214生成激光控制信号LC，该激光控制信号被供应至激光调制电路222，以便控制激活激光器200并由此发射该发射光学脉冲信号202。
图6A是图5的目标SPAD阵列212的单区实施例的功能图。在此实施例中，目标SPAD阵列212包括包含多个SPAD单元SC的SPAD阵列600，其中一些SPAD单元在SPAD阵列的左上部被展示并被标记。这些SPAD单元SC中的每个SPAD单元具有输出端，其中，在附图中通过示例的方式示出了两个SPAD单元的被标记为SPADOUT1、SPADOUT2的两个输出端。每个SPAD单元SC的输出端耦合至OR树电路602的对应输入端。在操作中，当任一个SPAD单元SC从所反射光学脉冲信号206接收到光子时，该SPAD单元在其输出端提供有效脉冲。因此，例如，如果具有在附图中被标示为SPADOUT2的输出端的SPAD单元SC从反射光学脉冲信号206接收到光子，则那个SPAD单元将对该输出端SPADOUT2施以有效脉冲。响应于SPADOUT2上的有效脉冲，OR树电路602将在其输出端上提供有效SPAD事件输出信号SEO。因此，每当阵列600中的任一SPAD单元SC检测到光子时，OR树电路602都在其输出端上提供有效SEO信号。
图6B是图5的目标SPAD阵列212的多区实施例的功能图。在此实施例中，目标SPAD阵列212包括具有四个阵列区域ZONE1-ZONE4的SPAD阵列604，每个阵列区域包括多个SPAD单元。通过示例的方式示出了四个区域ZONE1-ZONE4，并且SPAD阵列604可以包括更多或更少的区域。SPAD阵列604中的区域是整个SPAD阵列中的SPAD单元SC的一部分。每个区域ZONE1-ZONE4中的SPAD单元SC使其输出端耦合到对应OR树电路606-1至606-4。图6B中未示出SPAD单元SC以及耦合到对应OR树电路606-1至606-4的这些单元的输出端，以便简化附图。
在操作中，当给定区域ZONE1-ZONE4中的任一SPAD单元SC从反射光学脉冲信号206接收到光子时，该SPAD单元在其输出端提供有效脉冲，该有效脉冲被供应给对应OR树电路606-1至606-4。因此，例如，当区域ZONE1中的SPAD单元SC之一检测到SPAD单元提供的光子及其输出端上的有效脉冲时，OR树电路606-1进而在其输出端上提供有效SPAD事件输出信号SEO1。以此方式，区域ZONE1-ZONE4中的每个区域独立操作以便检测SPAD事件(即在图5中从反射光学脉冲信号206接收光子)。在此实施例中，透镜208(图5)将来自投影表面104上的单独空间区域的反射光学脉冲信号206引导至不同的阵列区域ZONE1-ZONE4，从而使得TOF传感器102可感测到投影表面104上的多个距离，如以下将参考图9和图10更详细描述的。
在题为“测距装置(RANGING APPARATUS)”的美国专利申请号15/168,535中更详细地描述了如在本申请中描述的利用多个阵列区域和多个空间区域的TOF传感器102的实施例，并且该申请通过引用以其全文结合在此。
图7是功能图，展示了当TOF传感器包括图6A的单区SPAD阵列212时图1A和图1B的TOF传感器102和控制电路108在生成用于调节将投影图像聚焦到投影表面104上的焦点调节信号时的操作。现在将参照图1、图5和图7来描述这一操作。图7展示了投影表面104，连同在投影表面上的成像视场FOVIM。成像视场FOVIM是来自图像投影电路110的投影光束128的成像视场并且因此是投影表面104上的投影图像的视场。图7还展示了指示TOF传感器102的视场的TOF传感器视场FOVTOF。视场FOVTOF包含在成像视场FOVIM内并且在一些实施例中与成像视场的尺寸大致相同，尽管为便于说明在图7中被示出为更小。
图7表示与投影表面104相邻的图像投影设备100，并且在该图中展示了框700中的TOF传感器102的功能操作以及框702中的控制电路108的功能操作。TOF传感器102照亮了投影表面104上的视场FOVTOF，其投影图案是通过发射光学信号202形成的(图5)，并且此信号然后如前所述被目标SPAD阵列212(图5)反射并感测。TOF传感器102然后计算图像投影设备100与投影表面104之间的成像距离DTOF，并且将此成像距离供应给控制电路108，该控制电路进而生成用于对可调投影透镜126的焦点进行设置的FAS信号以便将投影图像恰当地聚焦到投影表面上的成像视场FOVIM内。在此实施例中，框702中的控制电路108可以计算成像距离DTOF随时间推移的平均值以便生成平均成像距离DTOF_AVG，并且然后使用此平均成像距离来生成用于调节可调投影透镜126的FAS信号以便基于平均成像距离来对投影光束128进行聚焦。
图8是简图，展示了作为由图7的实施例中的TOF传感器102感测到的检测距离DTOF的函数的焦点调节信号FAS的值。FAS信号的值与检测成像距离DTOF具有反比关系，并且控制电路108可以包括用于实现此实施例的查找表LUT。LUT将包括多个FAS信号和成像距离DTOF值，FAS信号的每个值与对应成像距离值相关联。控制电路108基于来自TOF传感器102的检测成像距离DTOF从LUT中生成FAS信号，并且此FAS信号被应用于可调投影透镜126以便由此调节透镜来将投影图像聚焦到投影表面104上。
图9A和图9B是功能图，展示了当TOF传感器102包括图6B的多区SPAD阵列212时图1A和图1B的图像投影设备100和100’在生成焦点调节信号FAS以控制被投影到投影表面104上的投影图像的聚焦时的操作。在此实施例中，通过投影透镜204发射该发射光学脉冲信号202以便形成照亮投影表面104上的成像视场FOVIM内的四个不同空间区域SZ1-SZ4的四个投影图案，其中，在此示例中，该成像视场被假设为与TOF视场FOVTOF相同。如图6中示出的，空间区域SZ的数量将与目标SPAD阵列212中的阵列区域ZONE1-ZONE4的数量相同。当目标SPAD阵列212包括不同数量的阵列区域和/或不同的阵列区域安排时，则投影表面104上的空间区域SZ的数量和安排也将同样地变化。
如先前描述的，每个阵列区域ZONE1-ZONE4输出对应的SPAD事件输出信号SEO1-SEO4，并且TOF传感器102相应地计算四个不同的成像距离DTOF1-DTOF4，一个成像距离针对空间区域SZ1-SZ4的一个空间区域。因此，在此实施例中，由TOF传感器102生成的成像距离信号IDS包括针对这四个不同的检测成像距离DTOF1-DTOF4的四个不同的值。这些检测成像距离DTOF1-DTOF4中的每个检测成像距离在图9A中被示出为具有值5。值5是任意选择的，仅用于表示每个检测成像距离DTOF1-DTOF4的值并且用于展示在图9A的示例中这些检测成像距离中的每个检测成像距离都具有相同的值。因此，在这种情形下，投影表面104关于图像投影设备100被恰当对准，并且控制电路108生成焦点调节信号FAS以便基于如包含在IDS信号中的检测成像距离DTOF1-DTOF4将可调投影透镜126移动朝向或远离投影表面从而将投影图像恰当聚焦到投影表面上。控制电路108可以例如计算随时间推移的平均值成像距离DTOF_AVG以便从距离DTOF1-DTOF4生成平均成像距离DTOF_AVG，并且然后使用此平均值来调节可调投影透镜126以便基于平均成像距离对投影光束128进行聚焦。
图9B展示了投影表面104相对于图像投影设备100的位置偏离的情形。表面104还可以是曲面，从而使得从图像投影设备到实际表面的距离取决于表面上的位置而不同。由于投影表面104的这一偏离，TOF传感器102感测到空间区域SZ1-SZ4的检测成像距离DTOF1-DTOF4的不同值。这些检测成像距离DTOF1-DTOF4被示出为具有值7并且针对空间区域SZ1和SZ3具有7检测成像距离DTOF1和DTOF3。空间区域SZ2的检测成像距离DTOF2具有值5，而空间区域SZ4的检测成像距离DTOF4具有值4。因此，在此情形下，投影表面104关于图像投影设备100未被恰当对准，并且控制电路108通过检测成像距离DTOF1-DTOF4的这些不同值来检测这种情形。
控制电路108然后生成用于控制可调投影透镜126的焦点调节信号FAS以便补偿偏离的投影表面104并且将投影图像恰当聚焦到此投影表面上。这种控制通过表示可调投影透镜的圆形126以及表示通过LAS信号对此透镜进行调节的拱形箭头得以展示。可替代地或者除了控制可调投影透镜126恰当地聚焦投影图像之外，控制电路108、108’还可以生成数字梯形失真校正信号DKC、DKC’，这些数字梯形失真校正信号被应用于MEMS反射镜驱动器130或LCD驱动器130’以便对投影图像应用数字梯形失真校正从而补偿投影表面104的偏离，如以上提及的。这通过图9B中的DKC框表示。本领域技术人员将理解投影图像的数字梯形失真校正，并且因此在此将不对其进行详细描述。
图10A和图10B是根据本公开的进一步实施例的功能图，展示了可以与图5的TOF传感器中的多区SPAD阵列组合使用的两种可能的空间投影图案。图10A的实施例包括安排在TOF视场FOVTOF内的五个空间区域SZ1-SZ5，如在此附图的顶部示出的。在此情形下，图6B的多区SPAD阵列212将包括五个阵列区域，每个阵列区域包括对应的输出端，从而使得TOF传感器102提供五个检测成像距离DTOF1-DTOF5，如在此附图中示出的。这些检测成像距离DTOF1-DTOF5中的每个检测成像距离的值被示出为仅用于展示控制电路108处理用于控制投影图像的聚焦的这五个距离值，如通过附图中的框LAS/DKC所表示的。图10B仅为图6B的SPAD阵列212中的阵列区域以及投影表面104上的TOF视场FOVTOF中的对应空间区域SZ的可能安排的另一示例。此实施例包括9个空间区域SZ1-SZ9和图6B的SPAD阵列212中的九个对应阵列区域，其中，控制电路108使用用于控制投影图像的聚焦的这九个检测成像距离DTOF1-DTOF9再次控制将投影图像聚焦到投影表面上。
虽然在本说明书中，实施例被描述为包括包含SPAD阵列的TOF测距设备，但是在此描述的用于计算到投影表面或其他物体的距离的电路和方法的原理可应用于由其他类型的光子检测设备形成的阵列。
以上所描述的各实施例可以被组合以提供进一步的实施例。鉴于以上的详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。总之，在以下权利要求书中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求书局限于本说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。相应地，权利要求书并不受本公开的限制。

Claims (23)

1.一种图像投影设备，包括：
图像投影电路，所述图像投影电路被配置成用于生成具有一定功率的光束，并且用于将所述光束投影到并将所述光束聚焦在位于与所述图像投影电路相距成像距离处的投影表面上；
飞行时间传感器，所述飞行时间传感器被配置成用于感测所述图像投影电路与所述投影表面之间的所述成像距离，并且用于基于所述感测到的成像距离来生成成像距离信号；以及
控制电路，所述控制电路耦合至所述图像投影电路和所述飞行时间传感器，所述控制电路被配置成用于基于所述成像距离信号来调节所述光束的所述功率以及焦点。
2.如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述飞行时间传感器进一步被配置成用于感测入射到所述飞行时间传感器的环境光水平并且用于基于所述感测的环境光水平来生成环境光信号，并且其中，所述控制电路进一步被配置成用于基于所述环境光信号来调节所述光束的所述功率。
3.如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述控制电路进一步被配置成用于响应于所述成像距离信号达到最小距离阈值而将所述光束的所述功率调节至功率中断阈值。
4.如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述图像投影电路包括光学引擎，所述光学引擎包括多个激光二极管。
5.如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述控制电路进一步包括查找表，所述查找表包括多个焦点值和成像距离值，每个焦点值与对应的成像距离值相关联，并且其中，所述控制电路被配置成用于使用与由所述成像距离信号指示的成像距离值相关联的所述焦点值来调节所述光束的焦点。
6.如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述飞行时间传感器包括单区单光子雪崩二极管阵列。
7.如权利要求6所述的图像投影设备，其中，所述控制电路进一步被配置成用于计算所述成像距离信号随着时间推移的平均值以便生成平均成像距离值，并且进一步被配置成用于基于所述平均成像距离值来调节所述光束的焦点。
8.如权利要求1所述的图像投影设备，其中，所述飞行时间传感器包括多区单光子雪崩二极管阵列。
9.如权利要求8所述的图像投影设备，
其中，所述图像投影电路被配置成用于将所述光束投影到所述投影表面上在所述投影表面上的图像投影视场内以便生成在所述图像投影视场中的投影图像；
其中，所述飞行时间传感器进一步被配置成用于投影所述光束以便生成多个投影图案，每个投影图案被投影到所述投影表面上的多个空间区域中的对应空间区域上；
其中，所述多区光子雪崩二极管阵列包括多个阵列区域，所述多个阵列区域中的每个阵列区域被配置成用于感测所述多个空间区域中的对应空间区域对所述投影光束的反射，并且所述多区光子雪崩二极管阵列被配置成用于针对所述多个阵列区域中的每个阵列区域基于所述感测到的所述对应空间区域对所述投影光束的反射来生成对应的区域感测事件信号；并且
其中，所述飞行时间传感器被配置成用于生成多个区域成像距离信号，所述多个区域成像距离信号中的每个区域成像距离信号基于所述多个阵列区域中的对应阵列区域的所述区域感测事件信号并且指示所述飞行时间传感器与所述多个空间区域中的所述对应空间区域之间的成像距离。
10.如权利要求9所述的图像投影设备，其中，所述控制电路被配置成用于基于所述多个区域成像距离信号来控制所述图像投影电路来调节所述投影图像的焦点。
11.如权利要求10所述的图像投影设备，其中，所述控制电路被配置成用于通过数字梯形失真校正来控制所述图像投影电路来调节焦点。
12.如权利要求10所述的图像投影设备，其中，所述图像投影电路进一步包括被配置成用于基于焦点调节信号来调节所述投影图像的焦点的可调投影透镜，并且其中，所述控制电路被配置成用于基于所述多个区域成像距离信号来生成所述焦点调节信号以便调节所述投影图像的焦点。
13.如权利要求9所述的图像投影设备，其中，所述多个空间区域包括在所述投影表面上在飞行时间传感器视场内以行和列安排的多个空间区域。
14.如权利要求13所述的图像投影设备，其中，每一行空间区域包括相同数量的空间区域，并且每一列空间区域包括相同数量的列。
15.如权利要求13所述的图像投影设备，其中，所述飞行时间传感器视场与所述图像投影视场大致相同。
16.一种控制投影光束的方法，所述方法包括：
将图像投影到定位在成像距离处的投影表面上，所述图像具有一定亮度；
将光学信号发射至所述投影表面上的空间区域上；
感测响应于所述发射的光学信号而被所述空间区域反射的反射光学信号；
基于对所述发射和反射的光学信号的飞行时间测量来确定所述成像距离；
基于所述确定的成像距离来控制所述投影图像的所述亮度；以及
基于所述确定的成像距离来对所述投影图像进行聚焦。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
基于所述发射和反射的光学信号的飞行时间测量来感测环境光水平；以及
基于所述感测到的环境光水平来控制所述投影图像的所述亮度。
18.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
判定所述成像距离是否已经达到最小距离阈值；以及
响应于所述成像距离达到所述最小距离阈值而将所述投影图像的所述亮度降至亮度中断阈值。
19.如权利要求16所述的方法，其中，将光学信号发射至所述投影表面上的空间区域上包括将红外光学信号发射至所述空间区域上。
20.如权利要求16所述的方法，其中，基于所述确定的成像距离来控制所述投影图像的所述亮度包括根据所述确定的成像距离线性地提高和降低所述投影图像的所述亮度。
21.一种图像投影设备，包括：
图像投影电路，所述图像投影电路被配置成用于生成光束，并且用于将所述光束投影到位于与所述图像投影电路相距成像距离处的投影表面上；
飞行时间传感器，所述飞行时间传感器被配置成用于感测所述图像投影电路与所述投影表面之间的所述成像距离，并且用于基于所述感测到的成像距离来生成成像距离信号；以及
控制电路，所述控制电路耦合至所述图像投影电路和所述飞行时间传感器，所述控制电路被配置成用于基于所述成像距离信号来调节所述光束的投影参数。
22.如权利要求21所述的图像投影设备，其中，所述投影参数包括所述投影光束的功率。
23.如权利要求21所述的图像投影设备，其中，所述投影参数包括所述光束的焦点。
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