CN109756654A - Tof摄像模组及其制造方法和tof深度图像成像方法以及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组包括一光源模块和一感光控制模块。所述光源模块用于提供具有预设波长的激光。所述感光控制模块包括一TOF传感器和一控制器，其中所述控制器包括至少一数据处理模块，其中所述TOF传感器和所述数据处理模块可通电地相连接，其中所述TOF传感器被设置能够接收被被测目标反射的激光，并生成感应信号。
Description
技术领域
本发明设计TOF(飞行时间，Time of Flight)技术领域，尤其涉及一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备。
背景技术
飞行时间法(Time Of Flight，TOF)通过测量测量仪器发出的脉冲信号从发射到接收的时间间隔t(常被称为脉冲测距法)或激光往返被测物体一次所产生的相位(相位差测距法)来实现对被测物体(或被测物体检测区域)的三维结构或三维轮廓的测量。TOF测量仪器可同时获得灰度图像和距离图像，广泛应用在体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3D建模等诸多领域。
然而，TOF测量仪器，如TOF相机，对被测物体的深度或三维结构的测量主要是基于脉冲信号或激光的相位差的测量。其通常包括一光源发射模块和一感光接收模块，所述光源发射模块与所述感光接收模块相配合，并基于TOF深度测量生成被测目标的深度信息。更具体地说，所述光源发射模块发射一特定波段的光波，所述发射光波在被测目标的表面发射反射，以被所述感光接收模块所接收，进而，所述感光接收模块根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差计算出被测目标的深度信息。所述TOF测量仪器不仅能够获取被测目标的深度信息，同时，还能如传统摄像模组板获取被测目标的灰度信息和亮度信息。
然而现有的TOF测量仪器，如TOF相机等大多价格昂贵，体积较大，这限制了TOF测量技术的广泛应用，尤其是限制了其在电子消费品的普及。
更具体地说，对于TOF测量仪器而言，主动光源是必不可少的核心元件之一，在现有技术中，主动光源通常为一附加的设备，比如提供一LED光源。不难想象，额外附加的主动光源会使得所述TOF测量仪器的体积增大。同时，考虑到外加的光源需要与所述感光接收模块之间相协调配合，额外附加的主动光源无疑会增加TOF测量仪器的布局难度，影响深度信息测量的精度。
其次，在通过所述TOF测量仪器采集被测目标的深度信息的过程中，所述主动光源所发射的主动光波的特性，从源头上影响着所述TOF测量仪器的测量精度。因此，选择具有更高聚焦度且能在外界环境中具有一定抗干扰性的合适波段的光波，尤为重要，基于上述考量，选择激光发射器作为主动光源为较优的选择。然而，如果控制不当，发射的激光会对人眼造成损伤；其次，所述激光主动光源在工作过程中，需要维持于一定的温度范围内，才能正常工作，因此，所述TOF测量仪器的散热问题也是在采用激光主动光源时急需解决的问题。
此外，TOF测量仪器要求所述光源模块的主动光源与所述感光接收模块的感光接收元件，近可能地靠近，以减少由于发射光与接收光路的光线传输路径不同所产生的误差。然而，由于现有的封装工艺的局限，现有的TOF测量仪器的所述光源模块和所述感光结构模块通常在同一平面内铺设布局，占据相对较大的空间，导致其无法被广泛地应用于其他电子设备，尤其无法适应当下电子设备轻薄化的发展潮流。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组的整体结构被优化，以使其具有更小的体积和便于使用者使用。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述摄像模组包括一光源模块和一感光控制模块，所述光源模块和所述感光控制模块共同设置于一线路板，也就是说，本发明所提供的所述TOF摄像模组具有较高的集成性，以利于所述TOF摄像模组的整体布局优化，缩小其体型尺寸。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组采用紧凑型结构化堆叠设计，以使得所述光源模块和所述感光控制模块被邻近地设置，以减少由于发射光与接收光路径不同所述产生的误差，从而获取更高精度的深度测量信息。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述光源模块能发出具有一预设波长的激光，其具有更高聚焦度且较高的抗外界干扰性的特征，以从源头上提供优化所述TOF摄像模组的测量精度的基础。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述光源模块包括一激光发射器和一电源供给，其中所述电源供给与所述激光发射器间隔地设置，以便于所述激光发射器散热。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述光源模块的所述激光发射器所处环境的最高温度被限制在适宜范围内，例如50°，以保证所述激光发射器在工作时的可靠性。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组的所述线路板的背面(与所述光源模块所在面的相对一面)，被设置暴露在空气中，以便于散热。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述光源模块进一步地包括至少一导热件，其中所述导热件被设置于所述激光发射器，并通过一通孔穿过所述线路板和延伸至所述线路板的背面，以进一步地利于所述激光发射器的散热，保持所述TOF摄像模组工作温度和性能稳定。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述光源模块具有安全防护结构，以防止所述激光发射器发射的激光对人眼安全造成伤害。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组能智能地调节所述激光发射器的工作模式，以使得通过所述激光发射器产生的激光始终处于安全范围内。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述光源模块包括一金属保护罩和一衍射光学元件，所述衍射光学元件被设置于所述激光发射器和所述金属保护罩之间，其中所述金属保护罩被用作导通电路的一部分，从而一方面所述金属保护罩可防止所述衍射光学元件脱落，和防止所述激光发射器所发出的激光束伤害到人的眼睛，另一方面，金属保护罩还能在自身脱落时，断开向所述激光发射器提供电能的电路，以终止所述激光发射器的发光，通过这样的方式，特别有利于保证所述TOF摄像模组的安全性。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组还包括一温度传感器，其中所述温度传感器能够感应所述光源模块的所述激光发射器的温度，并以所述温度信号作为控制信号，控制对所述光源模块的供电情况，以确保发射的激光处于人眼安全范围内。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组的结构允许制造商采用简化的生产工艺制造。进一步地，本发明TOF摄像模组的机构使其更易于被自动化制造工艺制造，从而使其具有更低的制造成本。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组所得到的TOF图像(或深度图像)具有较高的测量精度和/或良好的分辨率。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中本发明小型化TOF摄像模组更易于用于便携式电子设备，如智能手机、平板电脑、便携式电脑或其它便携式电子设备。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可组装于一电子设备，以通过所述TOF摄像模组采集深度信息，并与所述电子设备本体相结合，以使得所述电子设备能实现增强现实等功能。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可组装于一电子设备，以通过所述TOF摄像模组采集被测目标的在不同时间点的相位变化或位置变化，并与所述电子设备相结合，以使得所述电子设备实现体感控制或智能行为分析等功能。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可组装于一电子设备，以改变所述电子设备与人之间的交互方式，例如，手势控制，虹膜解锁等功能。
本发明的另一目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可被应用于影视图像采集仪器中，例如摄影机，照相机等，从而在后期的视频图像处理中，通过简单的后期处理，就能将特效道具插入视频图像中的任一位置，通过这样方式，一方面能加强特效的逼真程度，另一方面，使得拍摄不再受拍摄地点的限制，大大降低了制作成本。
本发明的另一发明目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可配置于家居设备中，例如空调，冰箱，电视机等，以改变使用者与所述家居设备之间的交互模式，例如实现家居设备的手势控制等功能。
本发明的另一发明目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可被组装于机器人设备中，为所述机器人设备提供三维视觉能力，从而所述机器人设备能够实现空间定位，路径规划，路障规避，手势操控等功能，以让机器人设备更好地服务于人类，其中所述机器人包括娱乐休闲机器人，医疗机器人，家庭机器人，场地机器人等。
本发明的另一发明目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可被组装于一安防监控设备，例如监控设备中，以提高所述安防监控设备分析的精确度，增加行为分析等智能化应用。
本发明的另一发明目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可被组装于一物联网终端设备中，以通过所述TOF摄像模组采集其他终端设备的深度信息，以加强物联网网络中不同终端之间通信的准确程度和全面程度，换言之，基于所述TOF摄像模组，可进一步改变物与物之间的交互方式，而不仅仅是人机交互方式。
本发明的另一发明目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可被应用于一无人驾驶设备中，例如无人驾驶汽车，无人机，无人驾驶轮船等，通过所述TOF摄像模组为所述无人驾驶设备提供三维视觉基础，以为无人驾驶提供技术上的保障。
本发明的另一发明目的在于提供一TOF摄像模组及其制造方法和TOF深度图像成像方法以及电子设备，其中所述TOF摄像模组可被组装于一医学设备，例如内窥镜，肠镜等，以使得所述医学设备能够对人体器官进行三维观测，以获取人体器官更为全面的信息。
通过下面的描述，本发明的其它优势和特征将会变得显而易见，并可以通过权利要求书中特别指出的手段和组合得到实现。
依本发明，前述以及其它目的和优势可以通过一种TOF摄像模组被实现，其包括：
一光源模块，用于提供具有预设波长的激光；和
一感光控制模块，所述感光控制模块包括一TOF光强传感器和一控制器，其中所述控制器包括至少一数据处理模块，其中所述TOF光强传感器和所述数据处理模块可通电地相连接，其中所述TOF光强传感器被设置能够接收被被测目标反射的激光，并生成感应信号，其中所述数据处理模块被设置以自所述TOF光强传感器接收所述感应信号，其中所述数据处理模块被设置能够处理所述感应信号和生成原始图像数据。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块包括一电源供给和一用于发射激光的激光发射器，所述电源供给和所述激光发射器被间隔地设置。
根据本发明的一个实施例，所述激光发射器被实施为一垂直腔面激光发射器。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还包括一控制模块，所述控制模块被设置用以控制所述TOF光强传感器运行。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还包括一数据接口，所述控制模块和所述数据接口被可通电地连接，以通过所述数据接口传输原始图像数据。
根据本发明的一个实施例，所述TOF摄像模组进一步地包括一线路板，所述光源模块和所述感光控制模块均被设置于所述线路板。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块邻近地设置于所述感光控制模块。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块的底部和所述感光控制模块的底部具有高度差。
根据本发明的一个实施例，所述线路板具有一光源模块组装区和一感光控制模块组装区，所述光源模块组装区和所述感光控制模块组装区通过一挠性连接板相连，以使得所述光源模块和所述感光控制模块可叠层地设置。
根据本发明的一个实施例，所述线路板的背面部分区域被设置暴露于外界。
根据本发明的一个实施例，所述线路板还包括一导热板，所述导热板重叠地设置于所述线路板的背面，并且可导通地连接于所述光源模块。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块进一步包括一金属保护罩，所述金属保护罩被设置于所述激光发射器的外侧，且被用作导通电路的一部分，通过这样的方式，以使得当所述金属保护罩自所述激光发射器的外侧脱落时，用于向所述光源模块的激光发射器供电的电路被断开，从而使所述光源模块的所述激光发射器的光激发或发光被终止。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块进一步包括一衍射光学元件，其中所述衍射光元件被设置于所述金属保护罩和所述激光发射器之间以用于改变所述激光发射器所产生光波的相位和空间强度。
根据本发明的一个实施例，所述TOF摄像模组进一步包括一温度传感器，所述温度传感器可通信地连接于所述控制器，其中所述温度传感器能够感应所述光源模块的所述激光发射器的温度，以在所述激光发射器的工作温度超过一预设温度后，所述感光控制模块的所述控制器的所述控制模块能够降低甚至切断对所述光源模块的所述激光发射器的供电。
根据本发明的一个实施例，所述感光控制模块进一步包括一镜头，所述镜头被设置在所述感光控制模块的所述TOF光强传感器的外侧，且对应于所述TOF光强传感器的感光路径，以通过所述镜头采集被测目标表面所反射的激光。
根据本发明的一个实施例，所述感光控制模块进一步地包括一保持架，其中所述保持架被设置用于保持所述镜头处于一适当的位置。
根据本发明的一个实施例，所述感光控制模块还包括一滤光元件，所述滤光元件被设置于所述TOF光强传感器和所述镜头之间。
根据本发明的一个实施例，述TOF摄像模组进一步包括一支架，其中所述线路板被设置在所述支架，以使所述线路板和组装于所述线路板的所述光源模块及所述感光控制模块的位置被固定。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一TOF摄像模组，其包括：
一线路板；
一光源模块，其中所述光源模块包括一电源供给和被电连接于所述电源供给的一激光发射器，其中所述电源供给和所述激光发射器相互间隔地被设置于所述线路板；以及
一感光控制模块，其中所述感光控制模块包括一TOF光强传感器和一镜头，其中所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板，所述镜头被保持在所述TOF光强传感器的感光路径，其中所述TOF光强传感器和所述激光发射器相邻。
根据本发明的一个实施例，所述线路板具有一光源模块组装区、一感光控制模块组装区以及一挠性连接板，所述激光反射器被设置于所述线路板的所述光源模块组装于，所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板的所述感光控制模块组装区，所述挠性连接板导通地连接所述光源模块组装区和所述感光控制模块组装区。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块进一步包括一金属保护罩，所述金属保护罩以被贴装于所述线路板的方式被设置于所述激光发射器的外侧，并且所述金属保护罩用于导通所述电源供给和所述激光发射器，在所述金属保护罩自所述线路板脱离的同时，所述金属保护罩使所述电源供给停止向所述激光发射器供电。
根据本发明的一个实施例，所述光源模块包括一衍射光学元件，其中所述衍射光学元件被设置在所述金属保护罩和所述激光发射器之间，并且所述衍射光学元件被保持在所述激光发射器的光学路径。
根据本发明的一个实施例，所述线路板的背面设有开窗，所述开窗对应所述激光发射器。
根据本发明的一个实施例，所述线路板的背面贴装有一导热板。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一电子设备，其包括一电子设备本体和被设置于所述电子设备本体的至少一TOF摄像模组，其中所述TOF摄像模组包括：
一光源模块，用于提供具有预设波长的激光；和
一感光控制模块，所述感光控制模块包括一TOF光强传感器和一控制器，其中所述控制器包括至少一数据处理模块，其中所述TOF光强传感器和所述数据处理模块可通电地相连接，其中所述TOF光强传感器被设置能够接收被被测目标反射的激光，并生成感应信号，其中所述数据处理模块被设置以自所述TOF光强传感器接收所述感应信号，其中所述数据处理模块被设置能够处理所述感应信号和生成原始图像数据。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一电子设备，其包括一电子设备本体和被设置于所述电子设备本体的至少一TOF摄像模组，其中所述TOF摄像模组包括：
一线路板；
一光源模块，其中所述光源模块包括一电源供给和被电连接于所述电源供给的一激光发射器，其中所述电源供给和所述激光发射器相互间隔地被设置于所述线路板；以及
一感光控制模块，其中所述感光控制模块包括一TOF光强传感器和一镜头，其中所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板，所述镜头被保持在所述TOF光强传感器的感光路径，其中所述TOF光强传感器和所述激光发射器相邻。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一TOF深度图像成像方法，其中所述方法包括步骤：
S1：发射一具有预设波长的激光；
S2：一感光控制模的一TOF光强传感器接收被测目标反射的激光，以进行光电转化；和
S3：所述感光控制模块的一数据处理模块接收并处理来自所述TOF光强传感器的感应信号，以生成原始图像数据，从而获得被测目标的所述TOF深度图像。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一TOF摄像模组的散热方法，其中所述散热方法包括如下步骤：
(a)将一电源供给和被电连接于所述电源供给的一激光发射器以相互间隔的方式设置于一线路板；
(b)邻近所述激光发射器设置一TOF光强传感器于所述线路板；以及
(c)将一镜头保持在所述TOF光强传感器的感光路径，以制得所述TOF摄像模组。
根据本发明的一个实施例，在上述方法中，所述线路板具有一光源模块组装区、一感光控制模块组装区以及一挠性连接板，所述激光反射器被设置于所述线路板的所述光源模块组装于，所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板的所述感光控制模块组装区，所述挠性连接板导通地连接所述光源模块组装区和所述感光控制模块组装区。
根据本发明的一个实施例，在上述方法中，在所述线路板的背面开窗，并使所述开窗对应于所述激光发射器。
根据本发明的一个实施例，在上述方法中，在所述线路板的背面贴装一导热板。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1是根据本发明较佳实施例的TOF摄像模组的立体示意图。
图2是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的背面立体示意图。
图3是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的爆炸立体示意图。
图4是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的俯视示意图。
图5是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的横断面示意图。
图6是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的主动光源的剖视图。
图7是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的感光接收模组的立体图。
图8是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的被测目标深度信息采集示意图。
图9是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的模块框图示意图。
图10是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组的成像方法流程图。
图11是根据上述本发明较佳实施例的TOF摄像模组应用于一电子设备的示意图。
图12是根据上述本发明较佳实施例的该电子设备的模块框图示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一或多个”，即在一实施例中，一元件的数量可以为一，而在另外的实施例中，所述元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考说明书附图之图1至图9，依本发明较佳实施例的TOF摄像模组1被阐明，其中本发明TOF摄像模组1包括至少一用于提供具有预设波长激光的光源模块10和至少一感光控制模块20，其中所述感光控制模块20包括至少一TOF光强传感器21和一控制器22，其中所述控制器22包括至少一数据处理模块221，其中所述TOF光强传感器21和所述数据处理模块221可通电地相连接，其中所述光源模块能产生具有预设波长激光至被测目标，所述TOF光强传感器21被设置能够接收由被测目标反射的激光，并生成感应信号，其中所述数据处理模块221被设置以自所述TOF光强传感器21接收所述感应信号，其中所述数据处理模块221被设置能够处理所述感应信号和生成初始图像数据。可以理解的是，所述TOF光强传感器21被设置用于接收和/或感应被测物体或被测目标反射的激光，并生成相应初始图像数据。
值得注意的是，本文中的所述光源模块10和所述感光控制模块20形成深度检测系统，用以检测被测物体(或被测目标)的表面深度，从而得到被测物体深度成像数据所需的深度信息初始图像数据。可以理解的是，本发明的所述TOF摄像模组1的所述光源模块10发射的激光被被测目标反射后，进一步被所述TOF光强传感器21感应和检测到。因此，所述TOF光强传感器21检测到的每个激光点数据均具有深度(值)信息。本领域技术人员可知，本发明的所述TOF摄像模组1的所述光源模块10发出(发射)的激光可以是红外光。优选地，所述光源模块10发出的激光为具有一预设波长的激光。本领域技术人员可知，本发明的所述TOF摄像模组1的所述控制器22可以是可编程SOC芯片，或包括至少一可编程SOC芯片。
如附图之图9所示，依本发明较佳实施例的TOF摄像模组1的所述控制器22包括一控制模块222，其中所述控制模块222被设置能够根据控制指令，如来自上位机或处理器的控制指令，控制所述TOF光强传感器21运行。也就是说，所述控制器22的所述控制模块222和所述TOF光强传感器21可通电地相连接，其中所述TOF光强传感器21的工作状态能够被所述控制模块222控制。所述控制模块222也可根据预设程序控制所述TOF光强传感器21运行。进一步地，所述控制模块222被设置能够控制所述控制器22的其它功能模块的运行，如控制所述控制器22的所述数据处理模块221对所述TOF光强传感器21所感应的感应信号进行处理以生成相应的初始图像数据。也就是说，所述数据处理模块221能够被可控制地连接于所述控制模块222，从而所述控制模块222能够通过控制所述数据处理模块221的方式对所述TOF光强传感器21所感应的感应信号进行处理以生成相应的初始图像数据。进一步地，所述初始图像数据可进一步地传输给一上位机或处理器，其中所述上位机能够结合深度信息提取方法将初始图像数据进行转化得出所述被测目标的深度信息。也就是说，所述上位机可通信地连接于所述数据处理模块中所存储的被测目标的初始图像数据，以通过进一步地分析计算得出所述被测目标的深度信息。
优选地，所述控制器22的所述控制模块222被设置能够根据TOF标定参数，校正TOF光强传感器21生成的初始图像数据。例如，为了减小本发明TOF摄像模组1所成图像的偏差和失真，需要去除TOF检测数据中与相邻激光(点)存在较大差异(过高或过低)的激光。这些光(点)可被视作TOF成像中的飞点。
如附图之图9所示，依本发明较佳实施例的所述感光控制模块的所述控制器22进一步包括一数据接口223，其中所述数据处理模块221和所述数据接口223可通电地相连接，以使所述控制器22中的所述初始图像数据可被传输给上位机或处理器。例如，通过一MIPI数据接口，将所述初始图像数据传输给上位机或嵌入式芯片处理器。
如附图之图5和图6所示，依本发明较佳实施例的TOF摄像模组1的光源模块10包括一电源供给11和一用于发射激光的激光发射器12，其中所述激光发射器12被电连接于所述电源供给11，其中所述激光发射器12在被提供电能后，激发发射激光。优选地，在本发明该优选实施例中，所述光源模块10被实施为一垂直腔面发射器(VCSEL)10’，其包括一垂直腔面发射激光器的所述电源供给11和被电连接于所述电源供给11的所述激光发射器12。
本领域的技术人员应知晓，所述垂直腔面发射器(VCSEL)10’需维持于特定的温度范围才能正常工作，也就是说，需考虑所述TOF摄像模组1的散热问题，维持所述垂直腔面发射器(VCSEL)10’具有稳定的工作性能。相应地，在本发明的该优选实施中，所述电源供给11和所述激光发射器12被相间隔地设置，通过这样的方式，一方面增大所述光源模块11的总共散热面积，另一方面，避免所述电源供给11和所述激光发射器12所产生的热量相互影响，以利于所述光源模块10散热，通过这样的方式，能够将所述激光发射器12所处的环境的温度控制在适宜范围内，例如50°，以保证所述激光发射器12在工作时的可靠性。
如附图之图1至图7所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组1进一步包括一线路板30，其中，优选地，所述光源模块10和所述感光控制模块20均被设置于所述线路板30。也就是，在本发明的该优选实施例中，所述光源模块10与所述感光控制模块20被集成地设置于所述线路板30，一方面使得所述TOF摄像模组1具有紧凑性结构，另一方面，利于提高所述TOF摄像模组1的深度测量精度。
更具体地说，所述光源模块10的所述激光发射器12邻近地设置于所述线路板30，以使得所述激光发射器12至被测目标之间的所形成的发射光路，与被测目标至所述TOF光强传感器21所形成的接收光路尽可能平行且相近地设置，以减少由于发射光路和接收光路路径不同所产生的误差，提高所述TOF摄像模组1的测量精度。
所述线路板30包括但不限于硬式电路板，挠性电路板，软硬结合板，以及陶瓷电路板和PCB板。在本发明的该优选实施例中，所述线路板30为PCB板，其具有一光源模块组装区31和一感光控制模块组装区32，其中所述光源模块组装区31和所述感光控制模块组装区32通过一挠性连接板33相连，以使得所述光源模块10和所述感光控制模块20可相对自由移动，优化所述TOF摄像模组1的整体结构。特别地，在本发明中，所述TOF摄像模组1采用堆叠化设计模式，即，所述光源模块10和所述感光控制模块20处于不同的高度空间中，通过这样的方式，使得所述TOF摄像模组1的尺寸减小，同时各部件之间安装公差也相对减小。另外，通过将所述光源模块10和所述感光控制模块20保持在不同的高度空间的方式，能够避免所述光源模块10在工作时产生的热量和所述感光控制模块20在工作时产生的热量相互影响，从而进一步有利于控制所述光源模块10的所述激光发射器12所处的环境的温度。
值得一提的是，为了便于光源模块10甚至是整个TOF摄像模组1的散热，本发明TOF摄像模组1的所述线路板30的背面部分区域(与所述光源模块10所在面的相对一面)被设置暴露在空气中，以便于散热。也就是说，所述线路板30的背面部分区域可以设有开窗，以增强所述TOF摄像模组1的散热能力。
进一步地，在本发明的一实施例中，设置于所述线路板30背面的金属导电层被部分地裸露，所述裸露区域对应于光源模块10，以进一步加强所述线路板的散热效果。
在本发明的另一实施例中，所述线路板30还包括一导热板34，所述导热板34重叠地设置于所述线路板30的背面(与所述光源模块10所在面的相对一面)，并且可导通地连接于所述光源模块10和所述感光控制模块20，以通过所述所述导热板34加强所述TOF摄像模组1的散热性能。
此外，在本发明的另一实施例中，所述光源模块10进一步包括至少一导热件13，其中所述导热件13被设置于所述激光发射器12，并通过一通孔301穿过所述线路板30和延伸至所述线路板30的背面。
本领域的技术人员应了解，本发明的所述TOF摄像模组1采用了激光作为测量光，故，其模块电路设计必须满足人眼激光安全要求，且通过国际认证标准。为了确保在所述TOF摄像模组的制造和使用过程中，激光不会伤害到人的眼睛，本发明的所述TOF摄像模组1进一步地提供了一安全防护结构，以保护人的眼睛。更具体地说，本发明的所述TOF摄像模组的所述光源模块10进一步包括一金属保护罩14，其中所述金属保护罩14被设置在所述激光发射器12的外侧121，且被用作导通电路的一部分。换句话说，当所述金属保护罩14自所述激光发射器12的外侧121脱落时，用于向所述光源模块10的所述激光发射器12供电的电路被断开，从而使所述光源模块10的所述激光发射器12的光激发或发光被终止，这对于保证本发明的所述TOF摄像模组1的安全性来说是特别重要的。此外，所述金属保护罩14被设置在所述激光发射器12的所述外侧121，作为所述激光发射器12的外壳体，还进一步为所述激光发射器12提供一定的保护作用。
如附图之图1至图7所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组的所述光源模块10进一步包括一衍射光学元件15(DOE)，其中所述衍射光学元件15被设置在所述激光发射器12的光线路径上，其中所述衍射光学元件15用以改变所述激光发射器12所产生光波的相位和空间强度，以获取具有较为理想的光能密度。本领域的技术人员应了解，经过调制的发射激光，不仅具有更高的抗环境干扰性能，利于提高所述TOF摄像模组1的测量精度，而且经过调制的发射光波对人眼不会造成伤害。
特别地，在本发明的该优选实施例中，所述衍射光元件15被设置于所述金属保护罩14和所述激光发射器12之间，因此，所述金属保护罩14一方面可防止所述衍射光学元件15脱落而使所述衍射光学元件15被可靠地保持在所述激光发射器12的光线路径上，和防止激光发射器12发出的激光束伤害到人的眼睛，另一方面，所述金属保护罩14还能在自身脱落时，断开向所述激光发射器12提供电能的电路，以终止所述激光发射器12的发光。特别地，所述金属保护罩14被安装于所述线路板30，以于所述线路板30和所述金属保护罩14之间形成一隔离腔141，其中所述激光发射器12和所述衍射光元件15被收容于所述隔离腔141，并通过设置于所述金属保护罩14顶端的一光窗142，控制该激光的出射方向。所述隔离腔141配合所述光窗142，一方面，隔离所述激光发射器12，防止产生辐射污染，另一方面，所述激光发射器12所产生的激光仅能通过所述光窗142抵至外界，以有限地限定该激光的出射方向。
如附图之图9所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组1进一步包括一温度传感器40，其中所述温度传感器40能够感应所述光源模块10的所述激光发射器12的温度，以在所述激光发射器12的工作温度超过一预设温度后，所述感光控制模块20的所述控制器22的所述控制模块222能够降低甚至切断对所述光源模块10的所述激光发射器12的供电，以确保所述光源模块10的所述激光发射器12工作在安全范围内，不会被损坏掉。
如附图之图9所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组1的所述光源模块10进一步包括一驱动电路16，其中所述驱动电路16被设置在所述电源供给11和所述激光发射器12之间，以控制所述电源供给11对所述激光发射器12的供电。优选地，所述驱动电路16与所述控制器22的所述控制模块222可通电地相连通，以使所述电路能够根据所述控制模块222的控制指令控制向所述电源供给11对所述激光发射器12的供电。
如附图之图1至图7所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组1的所述感光控制模块20进一步包括一镜头23，其中所述镜头23包括至少一透镜231，其中所述镜头23被设置在所述感光控制模块20的所述TOF光强传感器21的外侧，并且对应于所述TOF光强传感器21的感光路径，以通过所述镜头23采集被测目标表面所反射的激光。也就是说，被测目标表面发射的激光在穿过所述镜头23的所述透镜231之后，能够被所述TOF光强传感器21接收和进行光电转化。
如附图之图1至图7所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组的所述感光控制模块20进一步包括一保持架24，其中所述保持架24被设置用于保持所述镜头23处在一适当的位置。优选地，所述镜头23被设置在所述保持架24形成的一位置固定孔240中，以确保所述镜头23处在一预设位置。例如，在本发明的所述TOF摄像模组1的这个具体的示例中，所述保持架24被贴装于所述线路板30，并且所述保持架24环绕在所述TOF光强传感器21的四周，所述镜头23被设置在所述保持架24的所述位置固定孔240，以藉由所述保持架24使所述镜头23被保持在所述TOF光强传感器21的感光路径。
如附图至图1至图7所示，依本发明较佳实施的所述TOF摄像模组1的所述感光控制模块20还包括一滤光元件25，其中所述滤光元件25设置于所述TOF光强传感器21和所述镜头23之间，以通过所述滤光元件25过滤杂光，提高所述TOF摄像模组1的测量精度。优选地，所述滤光元件25被设置只允许所述激光发射器12所产生的激光透过，并最终辐射至所述TOF光强传感器21进行光电反应，将带有被测目标深度信息的光信号转化为电信号。值得一提的是，在本发明的一实施例中，所述滤光元件25被设置于所述保持架24，并处于所述镜头23和所述TOF传感器25之间。可选地，在本发明的另一实施例中，所述感光控制模块20还包括一滤光元件支架，其中所述滤光元件25组装于所述滤光元件支架，所述滤光元件支架组装于所述保持架24，以通过所述滤光元件支架改变所述滤光元件25的支撑方式。
如附图之图1至图7所示，依本发明较佳实施例的所述TOF摄像模组进一步包括一支架50，其中所述线路板30被设置在所述支架50，以使所述线路板30的位置被固定。进一步地，被设置在所述线路板30的各个电子元件的位置也被固定，以实现TOF摄像模组1的预设布局。优选地，所述支架50是一金属支架，通过这样的方式，能够进一步提高所述TOF摄像模组1的散热能力。
相应地，如图8和如图10所示，本发明还提供一种TOF深度图像成像方法，其中所述方法包括步骤：
S1发射一具有预设波长的激光；
S2所述感光控制模块20的所述TOF光强传感器21接收被测目标反射的激光，以进行光电转化；和
S3所述感光控制模块20的所述数据处理模块221接收并处理来自所述TOF光强传感器21的感应信号，以生成初始图像数据。
在所述激光发射的步骤中，该激光由一垂直腔面发射器10’提供，并且所述激光经由一衍射光学元件15进行调制，以使得该激光符合人眼激光安全要求。
在所述接收反射激光的步骤中，所述发射激光被以滤光元件25过滤，以将杂光从该激光中去除。
特别地，在信息处理的步骤中，为了减小本发明的所述TOF摄像模组1所成图像的偏差和失真，需要去除TOF检测数据中与相邻激光(点)存在较大差异(过高或过低)的激光。
可以理解的是，所述初始图像数据包含激光照射区域所返回的每个点的强度值进一步地，当所述TOF光强传感器21在不同时间对被测目标进行检测时，可以通过软件解析出被测目标的各个部位在不同时间的深度值，以使得在信息处理的步骤中，所述数据处理模块可以根据计算得到被测目标，甚至是被测目标的各个部位的位置变化，以实现动态分析和动态感应识别。举例来说，如，根据使用者的身体各部位的位置变化、预测使用者的行为，以实现体感控制。
值得一提的是，信息处理步骤之后，所述TOF深度图像成像方法还包括步骤：
S4将所述初始图像数据信息传输给上位机。如，将所述初始图像数据信息传输给上位机，并经过上位机的软件处理，并显示于一显示装置，以通过所述显示屏幕呈现被软件解析出来的该被测目标的深度图像信息。
进一步地，本发明所提供的TOF摄像模组1可同时获得灰度图像信息和距离图像信息，以传输给所述上位机，其中所述上位机能够根据所述灰度信息和所述距离图像信息，进行信息呈现或对信息进行再加工，以辅助实现其他功能。
例如，在本发明的所述TOF摄像模组1一具体应用中，参考附图11，所述上位机被实施为一电子设备80，其中所述电子设备包括但不限于智能手机，平板电脑，便携式电脑，或其他便携电子设备，其中所述电子设备80包括一电子设备本体83，所述电子设备本体83具有一处理模块81和一显示模块82，所述处理模块81可通信地连接于所述TOF摄像模组1的所述数据接口223，以接收并处理所述TOF摄像模组1所采集的深度检测信息。进而，所述电子设备80通过所述显示模块82，例如显示屏，直接将被测目标的深度信息图像显示于所述显示屏，以实现3D建模，AR等功能。特别地，一些电子设备还包括一常规摄像模组，以同步地采集带有彩色信息的被测目标图像，其中所述被测目标色彩图像信息和所述被测目标的深度检测信息均被传输至所述处理模块，并通过所述处理模块进行图像合成，以实现彩色3D建模，增强现实(AR)等功能。也就是说，所述TOF摄像模组1可以被设置在所述电子设备80的所述电子设备本体83，并且所述数据接口223被可通信地连接于所述处理模块81。
特别地，所述TOF摄像模组1能采集不同时间点该被测目标的深度信息，并传输至所述电子设备80的所述处理模块82中，其中所述处理模块82根据不同时间点的该被测目标的深度信息，计算分析得出该被测目标的各部分相位变化数据，以进行动作分析并产生相应的控制信号，控制所述电子设备80的其他模块进行相应动作。如，所述TOF摄像模组1采集使用者的手部深度信息，并传输至所述处理模块82，其中所述处理模块82根据手部深度信息分析计算得出手势移动信息，以控制所述电子设备80的其他模块，例如音量控制模块，以实现所述电子设备80的手势控制音量调节功能。进一步地，基于此技术特征，可开发电子设备App，例如体感交互游戏(切水果等)。
在本发明另一具体的应用中，所述TOF摄像模组1配置于一家居设备中，其中所述家居设备包括但不限于空调，电视机，冰箱等，以改变使用者与所述家居设备之间的交互模式，例如实现家居设备的手势控制等功能。如，根据使用者的手势动作信号，控制空调的温度升降功能。
在本发明另一具体的应用中，所述TOF摄像模组1配置于一无人驾驶设备中，其中所述无人驾驶设备根据所述TOF传感器检测到的路上的移动物体和道路两旁的固定物体相对自动驾驶汽车相位变化，帮助自动驾驶汽车躲避道路上的移动物体，以实现机动车的自动驾驶，其中所述无人驾驶设备包括无人驾驶轮船，无人机器。
在本发明另一具体的应用中，所述TOF摄像模组1配置于一医学设备中，其中所述医学设备根据所述TOF传感器检测到的人体器官的深度信息对人体器官进行三维建模，以进行模拟手术等功能，其中所述医学设备包括但不限于，内窥镜，肠镜。
在本发明另一具体的应用中，所述TOF摄像模组1配置于以机器人设备中，以扫地机器人威力，其中所述扫地机器人设备根据TOF传感器所检测到的家中固定物体相对扫地机器人的相位变化，帮助扫地机器人进行路径规划，以实现自动完成清扫，自动充能等功能。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一TOF摄像模组1的制造方法，其中所述制造方法包括如下步骤：
(a)将一电源供给11和被电连接于所述电源供给11的一激光发射器12以相互间隔的方式设置于一线路板30；
(b)邻近所述激光发射器12设置一TOF光强传感器21于所述线路板30；以及
(c)将一镜头23保持在所述TOF光强传感器21的感光路径，以制得所述TOF摄像模组。由此可以看到本发明目的可被充分有效完成。用于解释本发明功能和结构原理的所述实施例已被充分说明和描述，且本发明不受基于这些实施例原理基础上的改变的限制。因此，本发明包括涵盖在附属权利要求书要求范围和精神之内的所有修改。
Claims (30)
1.一TOF摄像模组，其特征在于，包括：
一光源模块，用于提供具有预设波长的激光；和
一感光控制模块，所述感光控制模块包括一TOF光强传感器和一控制器，其中所述控制器包括至少一数据处理模块，其中所述TOF光强传感器和所述数据处理模块可通电地相连接，其中所述TOF光强传感器被设置能够接收被被测目标反射的激光，并生成感应信号，其中所述数据处理模块被设置以自所述TOF光强传感器接收所述感应信号，其中所述数据处理模块被设置能够处理所述感应信号和生成原始图像数据。
2.如权利要求1所述TOF摄像模组，其中所述光源模块包括一电源供给和一用于发射激光的激光发射器，所述电源供给和所述激光发射器被间隔地设置。
3.如权利要求2所述的TOF摄像模组，其中所述激光发射器被实施为一垂直腔面激光发射器。
4.如权利要求1所述的TOF摄像模组，其中所述控制器还包括一控制模块，所述控制模块被设置用以控制所述TOF光强传感器运行。
5.如权利要求4所述的TOF摄像模组，其中所述控制器还包括一数据接口，所述控制模块和所述数据接口被可通电地连接，以通过所述数据接口传输原始图像数据。
6.如权利要求1至4任一所述的TOF摄像模组，其中所述TOF摄像模组进一步地包括一线路板，所述光源模块和所述感光控制模块均被设置于所述线路板。
7.如权利要求6所述的TOF摄像模组，其中所述光源模块邻近地设置于所述感光控制模块。
8.如权利要求7所述的TOF摄像模组，其中所述光源模块的底部和所述感光控制模块的底部具有高度差。
9.如权利要求8所述的TOF摄像模组，其中所述线路板具有一光源模块组装区和一感光控制模块组装区，所述光源模块组装区和所述感光控制模块组装区通过一挠性连接板相连，以使得所述光源模块和所述感光控制模块可叠层地设置。
10.如权利要求7所述的TOF摄像模组，其中所述线路板的背面部分区域被设置暴露于外界。
11.如权利要求7所述的TOF摄像模组，其中所述线路板还包括一导热板，所述导热板重叠地设置于所述线路板的背面，并且可导通地连接于所述光源模块。
12.如权利要求8所述的TOF摄像模组，其中所述光源模块进一步包括一金属保护罩，所述金属保护罩被设置于所述激光发射器的外侧，且被用作导通电路的一部分，通过这样的方式，以使得当所述金属保护罩自所述激光发射器的外侧脱落时，用于向所述光源模块的激光发射器供电的电路被断开，从而使所述光源模块的所述激光发射器的光激发或发光被终止。
13.如权利要求12所述的TOF摄像模组，其中所述光源模块进一步包括一衍射光学元件，其中所述衍射光元件被设置于所述金属保护罩和所述激光发射器之间以用于改变所述激光发射器所产生光波的相位和空间强度。
14.如权利要求13所述的TOF摄像模组，其中所述TOF摄像模组进一步包括一温度传感器，所述温度传感器可通信地连接于所述控制器，其中所述温度传感器能够感应所述光源模块的所述激光发射器的温度，以在所述激光发射器的工作温度超过一预设温度后，所述感光控制模块的所述控制器的所述控制模块能够降低甚至切断对所述光源模块的所述激光发射器的供电。
15.如权利要求6所述的TOF摄像模组，其中所述感光控制模块进一步包括一镜头，所述镜头被设置在所述感光控制模块的所述TOF光强传感器的外侧，且对应于所述TOF光强传感器的感光路径，以通过所述镜头采集被测目标表面所反射的激光。
16.如权利要求15所述的TOF摄像模组，其中所述感光控制模块进一步地包括一保持架，其中所述保持架被设置用于保持所述镜头处于一适当的位置。
17.如权利要求15所述的TOF摄像模组去，其中所述感光控制模块还包括一滤光元件，所述滤光元件被设置于所述TOF光强传感器和所述镜头之间。
18.如权利要求6所述的TOF摄像模组，其中所述TOF摄像模组进一步包括一支架，其中所述线路板被设置在所述支架，以使所述线路板和组装于所述线路板的所述光源模块及所述感光控制模块的位置被固定。
19.一TOF摄像模组，其特征在于，包括：
一线路板；
一光源模块，其中所述光源模块包括一电源供给和被电连接于所述电源供给的一激光发射器，其中所述电源供给和所述激光发射器相互间隔地被设置于所述线路板；以及
一感光控制模块，其中所述感光控制模块包括一TOF光强传感器和一镜头，其中所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板，所述镜头被保持在所述TOF光强传感器的感光路径，其中所述TOF光强传感器和所述激光发射器相邻。
20.如权利要求19所述的TOF摄像模组，其中所述线路板具有一光源模块组装区、一感光控制模块组装区以及一挠性连接板，所述激光反射器被设置于所述线路板的所述光源模块组装于，所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板的所述感光控制模块组装区，所述挠性连接板导通地连接所述光源模块组装区和所述感光控制模块组装区。
21.如权利要求20所述的TOF摄像模组，其中所述光源模块进一步包括一金属保护罩，所述金属保护罩以被贴装于所述线路板的方式被设置于所述激光发射器的外侧，并且所述金属保护罩用于导通所述电源供给和所述激光发射器，在所述金属保护罩自所述线路板脱离的同时，所述金属保护罩使所述电源供给停止向所述激光发射器供电。
22.如权利要求21所述的TOF摄像模组，其中所述光源模块包括一衍射光学元件，其中所述衍射光学元件被设置在所述金属保护罩和所述激光发射器之间，并且所述衍射光学元件被保持在所述激光发射器的光学路径。
23.如权利要求19至22中任一所述的TOF摄像模组，其中所述线路板的背面设有开窗，所述开窗对应所述激光发射器。
24.如权利要求19至22中任一所述的TOF摄像模组，其中所述线路板的背面贴装有一导热板。
25.一电子设备，其特征在于，包括：
一电子设备本体，和
如权利要求1至权利要求24任一所述的至少一TOF摄像模组，所述TOF摄像模组被设置于所述电子设备本体。
26.一TOF深度图像成像方法，其中所述方法包括步骤：
S1：发射一具有预设波长的激光；
S2：一感光控制模的一TOF光强传感器接收被测目标反射的激光，以进行光电转化；和
S3：所述感光控制模块的一数据处理模块接收并处理来自所述TOF光强传感器的感应信号，以生成原始图像数据，从而获得被测目标的所述TOF深度图像。
27.一TOF摄像模组的制造方法，其特征在于，所述散热方法包括如下步骤：
(a)将一电源供给和被电连接于所述电源供给的一激光发射器以相互间隔的方式设置于一线路板；
(b)邻近所述激光发射器设置一TOF光强传感器于所述线路板；以及
(c)将一镜头保持在所述TOF光强传感器的感光路径，以制得所述TOF摄像模组。
28.如权利要求27所述的制造方法，其中在上述方法中，所述线路板具有一光源模块组装区、一感光控制模块组装区以及一挠性连接板，所述激光反射器被设置于所述线路板的所述光源模块组装于，所述TOF光强传感器被贴装于所述线路板的所述感光控制模块组装区，所述挠性连接板导通地连接所述光源模块组装区和所述感光控制模块组装区。
29.如权利要求28所述的制造方法，其中在上述方法中，在所述线路板的背面开窗，并使所述开窗对应于所述激光发射器。
30.如权利要求28所述的制造方法，其中在上述方法中，在所述线路板的背面贴装一导热板。
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