CN110954917A - 一种深度测量装置和深度测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种深度测量装置和方法，该装置包括：发射模组，其包含由多个子光源组成的光源阵列，以具有多个斑点的投影图案提供输出光来照射目标物体；采集模组，其检测包括所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光；控制与处理电路，被配置为根据所述输出光和所述反射光的相位差获取所述目标物体的距离；其中，所述光源阵列包含多个分立的子光源阵列，各子光源阵列被配置为可控制独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案。本发明可以灵活适应各种深度测量应用下对目标物体的测量需求，并降低测量装置的功耗。

Description

一种深度测量装置和深度测量方法
技术领域
本发明涉及一种深度测量的技术领域，尤其涉及一种深度测量装置和深度测量方法。
背景技术
基于时间飞行(ToF)原理的深度测量装置为基于从目标反射的光来标识和映射目标物体，核心部件包括光源和感光器，光源被配置为朝向目标物体发射光，感光器用于接收由目标物体反射回来的反射光。
ToF测量精度及测量距离会受到光源强度的影响，而在现有的ToF深度测量装置中，光源采用单一形式的泛光照明，将光源发出的能量进行均匀分布，这样会导致所需的功耗较大，测量距离较小，并且功能上也单一受限，不利于广泛使用。
发明内容
为了克服现有技术存在上述缺陷中的至少一种，本发明提供一种深度测量装置和深度测量方法。
本发明的第一方面提供一种深度测量装置，包括：
发射模组，其包含由多个子光源组成的光源阵列，所述发射模组被配置为以具有多个斑点的投影图案提供输出光来照射目标物体；
采集模组，其包含由至少一个像素组成的图像传感器，所述图像传感器被配置为检测包括所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光；
控制与处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，所述控制与处理电路被配置为根据所述输出光和所述反射光的相位差获取所述目标物体的距离；
其中，所述光源阵列包含多个分立的子光源阵列，各子光源阵列被配置为可控制独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案。
进一步地，所述光源阵列的子光源规则排列或不规则排列。
进一步地，所述光源阵列的多个子光源阵列分开排列。
进一步地，所述光源阵列的多个子光源阵列交叉排列。
进一步地，所述光源阵列的多个子光源阵列具有不同的排列密度。
本发明的第二方面提供一种深度测量方法，包括：
发射模组向目标物体投射输出光以形成具有不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案；
采集模组检测所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光；
控制与处理电路控制所述发射模组向所述目标物体投射具有不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案，以及控制所述采集模组检测所述反射光，并根据所述输出光和所述反射光的相位差以获取所述目标物体的距离。
进一步地，所述发射模组包含由多个子光源组成的光源阵列，所述光源阵列包含多个分立的子光源阵列，所述控制与处理电路控制所述各子光源阵列独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案。
进一步地，所述采集模组包括图像传感器，所述图像传感器被配置为检测包括所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光。
进一步地，所述控制与处理电路控制所述发射模组对近距离目标物体采用稀疏投影，对远距离目标物体采用密集投影。
进一步地，所述控制与处理电路控制所述发射模组对近距离目标物体采用小视场角投影，对远距离目标物体采用大视场角投影。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供了一种深度测量装置和方法，其中发射模组的光源阵列包含多个分立的子光源阵列，各子光源阵列被配置为可控制独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案，由此，可以根据待测目标物体的尺寸、待测目标物体的距离远近以及测量分辨率的需要，来控制独立开启各子光源阵列中的一者，或者同步开启各子光源阵列中的多者的组合。例如，若待测物体尺寸较大，可控制子光源阵列提供较大的视场角，从而可以对待测物体采集到更多的有效深度值的数据；若待测物体尺寸较小，则可控制子光源阵列提供较小的视场角，从而减小发射模组的功率，降低功耗。若需要较高的测量分辨率，可控制子光源阵列以实现密集投影，从而提升有效深度值的数量；若不需要较高的测量分辨率，则可控制子光源阵列采用稀疏投影，从而减小发射模组的功率，降低功耗。若需要进行近距测量，可控制子光源阵列以实现稀疏投影，减小发射模组的功率，降低功耗；若需要进行远距测量，可控制子光源阵列实现密集投影，从而可以采集到更多有效深度数据。总之，本发明可以灵活适应各种深度测量应用下对目标物体的测量需求，并降低测量装置的功耗。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的深度测量装置示意图。
图2a是根据本发明一个实施例的光源阵列的示意图。
图2b是根据本发明另一实施例的光源阵列的示意图。
图2c是根据本发明又一实施例的光源阵列的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的深度测量方法的流程图
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
图1是根据本发明一个实施例的深度测量装置示意图。深度测量装置10包括发射模组11、采集模组12以及控制与处理电路13；其中，发射模组11包含由多个子光源组成的光源阵列，发射模组11被配置为以具有多个斑点的投影图案提供输出光30，输出光30可以在多个斑点处照射目标物体20，其中，该光源阵列包含多个分立的子光源阵列，控制与处理电路13可以控制多个分立的子光源阵列独立开启或者多个同步开启，以使得发射模组11提供不同的视场角和/或不同斑点密度的投影图案；采集模组12包含由至少一个像素组成的图像传感器121，图像传感器121被配置为检测包括输出光30经目标物体20反射回的至少一部分反射光40；控制与处理电路13与发射模组11以及采集模组12连接，控制与处理电路13被配置为计算输出光30和反射光40的相位差，并根据该相位差计算目标物体20的距离。
发射模组11包括光源阵列、光学元件(未图示)。光源阵列由多个子光源组成，子光源可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，优选地采用VCSEL阵列作为光源，由于VCSEL拥有尺寸小、光源发射角小、稳定性好等特点，同时可以在半导体衬底上布置多个VCSEL光源，由此构成的VCSEL光源阵列芯片不仅尺寸小、功耗低，同时更加有利于生成斑点图案光束。
光源阵列包含多个分立的子光源阵列，且各个分立的子光源阵列可以被分组控制，即可以在控制与处理电路13的控制下独立开启或者多个同步开启。
在一个实施例中，多个子光源阵列在空间上被分开设置或交叉设置以实现不同应用需求。
在一个实施例中，多个子光源阵列的排列方式可以根据需要进行合理的设置，比如规则排列或不规则排列，子光源阵列之间的排列方式可以相同也可以不同。比如第一子光源阵列采用规则排列、第二子光源阵列采用不规则排列；也可以第一子光源阵列的排列密度高于第二子光源阵列的排列密度。排列方式的不同会导致输出不同区域的投影图案，比如投影图案中斑点的排列规则或不规则、斑点的排列密度是否密集等。
在一个实施例中，多个子光源阵列中子光源的数量可以根据需要进行设置，比如第一子光源阵列的数量高于第二子光源阵列的数量。子光源数量的不同会导致投影图案中斑点的数量不同，从而影响测量的深度图像中有效点的数量。
总之，可以通过对多个子光源阵列中子光源排列方式、子光源数量、子光源属性等进行合理的设置，以及对多个子光源阵列进行合理的控制，可以实现不同的应用需求。后面将利用图2给出几个详细的示例说明。
光学元件接收来自光源的光束，并将光束进行光学调制，比如衍射、透射等调制，随后向目标物体20发射被调制后的光束。光学元件可以是透镜、衍射光学元件、微透镜阵列等形式中的一种或多种组合。优选地，光学元件包括衍射光学元件，衍射光学元件能够将一束光扩散成多束光以增加斑点投影的数量从而增加投影密度或者扩大斑点投影的视场角。
在一个实施例中，发射模组11包括VCSEL光源阵列、透镜以及衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)，VCSEL光源阵列通过透镜以及DOE后将在视场区域产生一个复制斑点图案。
在一个实施例中，发射模组11包括VCSEL光源阵列和透镜，子光源阵列通过透镜后将在视场区域产生一个斑点图案。
在一个实施例中，发射模组11包括VCSEL光源阵列和DOE，子光源阵列通过DOE后将在视场区域产生一个复制斑点图案。
在一个实施例中，发射模组11包括VCSEL光源阵列和微透镜阵列(MicrolensArray Optics Films，MLA)，VCSEL光源阵列通过MLA后将在视场区域产生一个斑点图案。
采集模组12包括ToF图像传感器121。ToF图像传感器121可以是电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS)、雪崩二极管(Avalanche Diode，AD)、单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)等组成的图像传感器121。
一般地，ToF图像传感器121可以包含至少一个像素，这里每个像素则包含两个以上的抽头(tap，用于在相应电极的控制下存储并读取或者排出由入射光子产生的电信号)，比如包含两个抽头、三个抽头、四个抽头等，在单个帧周期(或单次曝光时间内)内以一定的次序依次切换抽头以采集相应的光子，以用于接收光信号并转换成电信号。
控制与处理电路13与发射模组11以及采集模组12连接，该控制与处理电路13与发射模组11和采集模组12进行数据通信。控制与处理电路13提供ToF图像传感器121各像素中各抽头的解调信号(采集信号)，抽头在解调信号的控制下采集由包含目标物体20反射回的反射光束40所产生的电信号，控制与处理电路13基于该电信号计算出相位差，并基于该相位差计算目标物体20的距离。
图2a是根据本发明一实施例的VCSEL光源阵列的示意图。在图2a所示的实施例中，由多个子光源201(空心所示的光源)共同组成第一子光源阵列，第一子光源阵列形成了第一二维图案，可发射第一光束阵列；由多个子光源202(黑点所示的光源)共同组成第二子光源阵列，第二子光源阵列形成了第二二维图案，可发射第二光束阵列，且第一子光源阵列和第二子光源阵列在空间上分开排列。
在一个实施例中，若待测物体尺寸较大，优选地控制同步开启第一子光源阵列和第二子光源阵列，提供更大的视场角，可以对待测物体采集到更多的有效深度值的数量；若待测物体尺寸较小，优选地可以控制打开第一子光源阵列或第二子光源阵列，如此相对于同步开启第一子光源阵列和第二子光源阵列，减小了发射模组11的功率，从而降低功耗。
图2b是根据本发明又一实施例的VCSEL光源阵列的示意图。在图2b所示的实施例中，由多个子光源201(空心所示的光源)共同组成第一子光源阵列，第一子光源阵列形成了第一二维图案，可发射第一光束阵列；由多个子光源202(黑点所示的光源)共同组成第二子光源阵列，第二子光源阵列形成了第二二维图案，可发射第二光束阵列，且第一子光源阵列和第二子光源阵列在空间上交叉排列。
在一个实施例中，若测量装置需要较高的测量分辨率，优选地可以控制同时打开第一子光源阵列和第二子光源阵列以实现密集投影从而提升有效深度值的数量；若测量装置不需要较高的测量分辨率，优选地可以控制打开第一子光源阵列或第二子光源阵列采用稀疏投影，如此相对于同步开启第一子光源阵列和第二子光源阵列，减小了发射模组11的功率，从而降低功耗。
在一个实施例中，若测量装置需要进行近距测量，优选地可以控制仅打开第一子光源阵列或第二子光源阵列以实现稀疏投影，从而可以减小发射模组11的功率，从而降低功耗；若测量装置需要进行远距测量，优选地可以控制同时打开第一子光源阵列和第二子光源阵列以实现密集投影，从而可以采集到更多有效深度数据。
图2c是根据本发明另一实施例的VCSEL光源阵列的示意图。在图2c所示的实施例中，多个子光源201(空心所示的光源)共同组成第一子光源阵列，第一子光源阵列形成了第一二维图案，可发射第一光束阵列；由多个子光源202(黑点所示的光源)共同组成第二子光源阵列，第二子光源阵列形成了第二二维图案，可发射第二光束阵列，且第一子光源阵列和第二子光源阵列构成中间密集，周边稀疏的斑点图案。可以理解的是，在该实施例中发射模组11可以包括VCSEL光源阵列和透镜，也可以包括VCSEL光源阵列和MLA。
在一个实施例中，若待测物体较近、尺寸较小，优选地可以控制打开第二子光源阵列采用小视场角投影，相比第一子光源阵列，第二子光源斑点较为密集，可以采集到更多有效深度数据；若待测物体较远、尺寸较大，优选地可以控制打开第一子光源阵列采用大视场角投影，能采集到更多有效深度数据。可以理解的是，根据测量装置需要较高的测量分辨率，也可以控制同时打开第一子光源阵列和第二子光源阵列。
在一个实施例中，若待测物体较远、尺寸较小，优选地可以控制打开第二子光源阵列采用小视场角投影，第二子光源阵列的斑点较为密集，能采集到更多有效深度数据；若待测物体较近、尺寸较大，优选地可以控制打开第一子光源阵列采用大视场角投影，能采集到更多有效深度数据。可以理解的是，根据测量装置需要较高的测量分辨率，也可以控制同时打开第一子光源阵列和第二子光源阵列。
可以理解的是，在图2a至图2c的实施例中，图中空心点201和黑点202仅以示区别，实际上二者均为光源，在光源关闭时，二者也可以无法分辨，并且所有的空心点201被共同控制，所有的黑点202被共同控制，即可以独立的控制黑点与空心点所代表的子光源阵列。
可以理解的是，上述实施例中可以根据场景和需求不同可以控制打开不同的子光源阵列，也可以控制同时打开多个子光源阵列，在此不做任何的限制。光源可以由多个子光源阵列构成，且子光源可以呈规则排列，也可以呈不规则排列，在此不做任何的限制。
图3是根据本发明一个实施例的深度测量方法的流程图，该深度测量方法包括如下步骤：
S301，发射模组向目标物体投射输出光以形成具有不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案；
S302，采集模组检测所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光；
S303，控制与处理电路控制所述发射模组向所述目标物体投射具有不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案，以及控制所述采集模组检测所述反射光，并根据所述输出光和所述反射光的相位差以获取所述目标物体的距离。
在一个实施例中，所述发射模组包含由多个子光源组成的光源阵列，所述光源阵列包含多个分立的子光源阵列，所述控制与处理电路控制所述各子光源阵列独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案影。
在一个实施例中，所述控制与处理电路控制所述发射模组的各子光源阵列，对近距离目标物体采用稀疏投影，对远距离目标物体采用密集投影。
在另一个实施例中，所述控制与处理电路控制所述发射模组的各子光源阵列，对近距离目标物体采用小视场角投影，对远距离目标物体采用大视场角投影。
深度测量的方法原理与上述深度测量系统的原理相同，在此不再赘述。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种深度测量装置，其特征在于，包括：
发射模组，其包含由多个子光源组成的光源阵列，所述发射模组被配置为以具有多个斑点的投影图案提供输出光来照射目标物体；
采集模组，其包含由至少一个像素组成的图像传感器，所述图像传感器被配置为检测包括所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光；
控制与处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，所述控制与处理电路被配置为根据所述输出光和所述反射光的相位差以获取所述目标物体的距离；
其中，所述光源阵列包含多个分立的子光源阵列，各子光源阵列被配置为可控制独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案。
2.如权利要求1所述的深度测量装置，其特征在于，所述光源阵列的子光源规则排列或不规则排列。
3.如权利要求1所述的深度测量装置，其特征在于，所述光源阵列的多个子光源阵列分开排列。
4.如权利要求1所述的深度测量装置，其特征在于，所述光源阵列的多个子光源阵列交叉排列。
5.如权利要求1所述的深度测量装置，其特征在于，所述光源阵列的多个子光源阵列具有不同的排列密度。
6.一种深度测量方法，其特征在于，包括：
发射模组向目标物体投射输出光以形成具有不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案；
采集模组检测所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光；
控制与处理电路控制所述发射模组向所述目标物体投射具有不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案，以及控制所述采集模组检测所述反射光，并根据所述输出光和所述反射光的相位差以获取所述目标物体的距离。
7.如权利要求6所述的深度测量方法，其特征在于，所述发射模组包含由多个子光源组成的光源阵列，所述光源阵列包含多个分立的子光源阵列，所述控制与处理电路控制所述各子光源阵列独立开启或者同步开启以使得所述发射模组提供不同视场角和/或不同斑点密度的投影图案。
8.如权利要求6所述的深度测量方法，其特征在于，所述采集模组包括图像传感器，所述图像传感器被配置为检测包括所述输出光经所述目标物体反射回的至少一部分反射光。
9.如权利要求6所述的深度测量方法，其特征在于，所述控制与处理电路控制所述发射模组对近距离目标物体采用稀疏投影，对远距离目标物体采用密集投影。
10.如权利要求6所述的深度测量方法，其特征在于，所述控制与处理电路控制所述发射模组对近距离目标物体采用小视场角投影，对远距离目标物体采用大视场角投影。
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