CN112505713A - 距离测量装置及方法、计算机可读介质和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种距离测量装置及方法、计算机可读介质和电子设备，涉及激光测距技术领域。该装置包括：发射模块，包括光源阵列和第一光学元件，用于发射散斑投影阵列以反射生成反射散斑阵列；接收模块，包括像素阵列和第二光学元件，第二光学元件与第一光学元件是结构相同的光学元件，用于接收并还原反射散斑阵列；控制模块，与发射模块和接收模块电连接，用于输出飞行时间，以根据飞行时间计算与目标区域之间的真实距离。本公开不需要衍射分束元件，较少制造成本，简化了模组生产和组装的精度，提升了组装良率。
Description
技术领域
本公开涉及激光测距技术领域，具体涉及一种距离测量装置、距离测量方法、计算机可读介质和电子设备。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，飞行时间技术(Time of Flight，TOF)越来越得到人们的关注。TOF技术又可以分为直接飞行时间技术(Direct TOF，DTOF)和间接飞行时间技术(Indirect TOF，ITOF)。
目前，相关的DTOF技术中，发射模块通过衍射光学元件(Diffractive OpticalElements，DOE)将光源阵列的光路进行衍射得到散斑阵列，然后散斑阵列通过反射返回到接收模块，以使像素阵列接收反射返回的散斑阵列。但是，这种方案中，一方面，光源阵列的光路通过衍射光学元件衍射会出现畸变，产生畸变的散斑阵列会导致像素阵列的测量结果或者成像效果较差，同时产生畸变的散斑阵列无法全部被像素阵列接收，即部分散斑点落在像素阵列之外，导致光源阵列的功耗浪费；另一方面，由于DTOF技术中时间数字转换电路(Time to Digital Converter，TDC)的数量性还无法保证每个像素都可以连接一个TDC电路，因此，产生畸变的散斑阵列照射到像素阵列时，无法实现散斑追踪，导致TDC电路需要遍历每个像素的数据，使影响像素阵列的出图帧率。
发明内容
本公开的目的在于提供一种距离测量装置、距离测量方法、计算机可读介质和电子设备，进而至少在一定程度上避免相关技术方案中像素阵列的测量结果较差、功耗浪费、像素阵列的出图帧率较低的问题。
根据本公开的第一方面，提供一种距离测量装置，包括：
发射模块，包括光源阵列和第一光学元件，所述第一光学元件设置在所述光源阵列的光路上，用于向目标区域处发射散斑投影阵列，以使所述散斑投影阵列在所述目标区域处反射生成反射散斑阵列；
接收模块，包括像素阵列和第二光学元件，所述第二光学元件与所述第一光学元件是结构相同的光学元件，所述第二光学元件设置在所述反射散斑阵列到达所述像素阵列的光路上，用于接收并还原所述反射散斑阵列，以使所述反射散斑阵列能够完全被所述像素阵列接收；
控制模块，与所述发射模块和所述接收模块电连接，用于在所述发射模块发射所述散斑投影阵列时开始计时，并在所述接收模块接收到所述反射散斑阵列时停止计时，输出飞行时间，以根据所述飞行时间计算与所述目标区域之间的真实距离。
根据本公开的第二方面，提供一种距离测量方法，包括：
通过包含第一光学元件的发射模块向目标区域处发射散斑投影阵列，以使所述散斑投影阵列在所述目标区域处反射生成反射散斑阵列；
通过包含第二光学元件的接收模块接收并还原所述反射散斑阵列；其中，所述第二光学元件与所述第一光学元件是结构相同的光学元件；
通过与所述发射模块和所述接收模块连接的控制模块在所述发射模块发射所述散斑投影阵列时开始计时，并在所述接收模块接收到所述反射散斑阵列时停止计时，输出飞行时间；
根据所述飞行时间计算与所述目标区域之间的真实距离。
根据本公开的第三方面，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。
根据本公开的第四方面，提供一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；以及
存储器，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现上述的方法。
本公开的一种实施例所提供的距离测量装置，通过设置包含第一光学元件和光源阵列的发射模块，用于向目标区域处发射散斑投影阵列，并设置包含与第一光学元件相同结构的第二光学元件和像素阵列的接收模块，用于接收并还原散斑投影阵列发射生成的反射散斑阵列，以使反射散斑阵列能够完全被像素阵列接收；通过与发射模块和接收模块电连接的控制模块，用于输出飞行时间，并根据飞行时间计算与目标区域之间的真实距离。一方面，基于光路可逆原理，通过具有相同结构的第二光学元件接收并还原通过第一光学元件发射的散斑阵列，此时到达像素阵列的反射散斑阵列的形状结构与光源阵列相同，通过简单的光源阵列设计，能够使反射散斑阵列完全被像素阵列接收，提升像素阵列的测量结果的准确性，避免功耗(能量)的浪费；另一方面，由于像素阵列接收的反射散斑阵列的形状结构与光源阵列相同，能够较容易实现散斑的追踪，不需要遍历每个像素的数据，提升像素阵列的测量效率；再一方面，通过结构相同的第一光学元件和第二光学元件实现距离测量，不在需要衍射光学元件，降低了制造成本，简化了硬件结构，进而能够简化模组生产和组装的精度，提升组装良率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了可以应用本公开实施例的一种电子设备的示意图；
图2示意性示出本公开示例性实施例中一种相关技术方案中发射模块的结构示意图；
图3示意性示出本公开示例性实施例中一种距离测量装置的结构示意图；
图4示意性示出本公开示例性实施例中一种距离测量装置中发射模块与接收模块的结构示意图；
图5示意性示出本公开示例性实施例中一种对发射模块中光源阵列进行分组的结构示意图；
图6示意性示出本公开示例性实施例中一种对接收模块中像素阵列的结构示意图；
图7示意性示出本公开示例性实施例中另一种距离测量装置中发射模块与接收模块的结构示意图；
图8示意性示出本公开示例性实施例中又一种距离测量装置中发射模块与接收模块的结构示意图；
图9示意性示出本公开示例性实施例中一种距离测量方法的流程示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本公开的示例性实施方式提供一种应用距离测量装置或者用于实现距离测量方法的电子设备。该电子设备至少包括处理器和存储器，存储器用于存储处理器的可执行指令，处理器配置为经由执行可执行指令来执行距离测量方法。
下面以图1中的移动终端100为例，对电子设备的构造进行示例性说明。本领域技术人员应当理解，除了特别用于移动目的的部件之外，图1中的构造也能够应用于固定类型的设备。在另一些实施方式中，移动终端100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或软件和硬件的组合实现。各部件间的接口连接关系只是示意性示出，并不构成对移动终端100的结构限定。在另一些实施方式中，移动终端100也可以采用与图1不同的接口连接方式，或多种接口连接方式的组合。
如图1所示，移动终端100具体可以包括：处理器110、内部存储器121、外部存储器接口122、通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口130、充电管理模块140、电源管理模块141、电池142、天线1、天线2、移动通信模块150、无线通信模块160、音频模块170、扬声器171、受话器172、麦克风173、耳机接口174、传感器模块180、显示屏190、摄像模组191、指示器192、马达193、按键194以及用户标识模块(subscriber identification module，SIM)卡接口195等。其中传感器模块180可以包括深度传感器1801、压力传感器1802、陀螺仪传感器1803等。
处理器110可以包括一个或多个处理单元，例如：处理器110可以包括应用处理器(Application Processor，AP)、调制解调处理器、图形处理器(Graphics ProcessingUnit，GPU)、图像信号处理器(Image Signal Processor，ISP)、控制器、视频编解码器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、基带处理器和/或神经网络处理器(Neural-Network Processing Unit，NPU)等。其中，不同的处理单元可以是独立的器件，也可以集成在一个或多个处理器中。
NPU为神经网络(Neural-Network，NN)计算处理器，通过借鉴生物神经网络结构，例如借鉴人脑神经元之间传递模式，对输入信息快速处理，还可以不断的自学习。通过NPU可以实现移动终端100的智能认知等应用，例如：图像识别，人脸识别，语音识别，文本理解等。
处理器110中设置有存储器。存储器可以存储用于实现六个模块化功能的指令：检测指令、连接指令、信息管理指令、分析指令、数据传输指令和通知指令，并由处理器110来控制执行。
充电管理模块140用于从充电器接收充电输入。电源管理模块141用于连接电池142、充电管理模块140与处理器110。电源管理模块141接收电池142和/或充电管理模块140的输入，为处理器110、内部存储器121、显示屏190、摄像模组191和无线通信模块160等供电。
移动终端100的无线通信功能可以通过天线1、天线2、移动通信模块150、无线通信模块160、调制解调处理器以及基带处理器等实现。其中，天线1和天线2用于发射和接收电磁波信号；移动通信模块150可以提供应用在移动终端100上的包括2G/3G/4G/5G等无线通信的解决方案；调制解调处理器可以包括调制器和解调器；无线通信模块160可以提供应用在移动终端100上的包括无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)(如无线保真(Wireless Fidelity，Wi-Fi)网络)、蓝牙(Bluetooth，BT)等无线通信的解决方案。在一些实施例中，移动终端100的天线1和移动通信模块150耦合，天线2和无线通信模块160耦合，使得移动终端100可以通过无线通信技术与网络以及其他设备通信。
移动终端100通过GPU、显示屏190及应用处理器等实现显示功能。GPU为图像处理的微处理器，连接显示屏190和应用处理器。GPU用于执行数学和几何计算，用于图形渲染。处理器110可包括一个或多个GPU，其执行程序指令以生成或改变显示信息。
移动终端100可以通过ISP、摄像模组191、视频编解码器、GPU、显示屏190及应用处理器等实现拍摄功能。其中，ISP用于处理摄像模组191反馈的数据；摄像模组191用于捕获静态图像或视频；数字信号处理器用于处理数字信号，除了可以处理数字图像信号，还可以处理其他数字信号；视频编解码器用于对数字视频压缩或解压缩，移动终端100还可以支持一种或多种视频编解码器。
外部存储器接口122可以用于连接外部存储卡，例如Micro SD卡，实现扩展移动终端100的存储能力。外部存储卡通过外部存储器接口122与处理器110通信，实现数据存储功能。例如将音乐，视频等文件保存在外部存储卡中。
内部存储器121可以用于存储计算机可执行程序代码，可执行程序代码包括指令。内部存储器121可以包括存储程序区和存储数据区。其中，存储程序区可存储操作系统，至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能，图像播放功能等)等。存储数据区可存储移动终端100使用过程中所创建的数据(比如音频数据，电话本等)等。此外，内部存储器121可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件，闪存器件，通用闪存存储器(Universal Flash Storage，UFS)等。处理器110通过运行存储在内部存储器121的指令和/或存储在设置于处理器中的存储器的指令，执行移动终端100的各种功能应用以及数据处理。
移动终端100可以通过音频模块170、扬声器171、受话器172、麦克风173、耳机接口174及应用处理器等实现音频功能。例如音乐播放、录音等。
深度传感器1801用于获取景物的深度信息。在一些实施例中，深度传感器可以设置于摄像模组191。深度传感器1801可以是DToF镜头，能够根据脉冲激光的飞行时间测量真实距离，具体的，DToF镜头可以包括单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)像素阵列，用于接收反射光的光子产生电流并通过TDC电路进行计数，当然，本示例实施例不以此为限。
压力传感器1802用于感受压力信号，可以将压力信号转换成电信号。在一些实施例中，压力传感器1802可以设置于显示屏190。压力传感器1802的种类很多，如电阻式压力传感器，电感式压力传感器，电容式压力传感器等。
陀螺仪传感器1803可以用于确定移动终端100的运动姿态。在一些实施方式中，可以通过陀螺仪传感器1803确定移动终端100围绕三个轴(即，x，y和z轴)的角速度。陀螺仪传感器1803可以用于拍摄防抖、导航、体感游戏场景等。
此外，还可以根据实际需要在传感器模块180中设置其他功能的传感器，例如气压传感器、磁传感器、加速度传感器、距离传感器、接近光传感器、指纹传感器、温度传感器、触摸传感器、环境光传感器、骨传导传感器等。
移动终端100中还可包括其它提供辅助功能的设备。例如，按键194包括开机键，音量键等，用户可以通过按键输入，产生与移动终端100的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。再如，指示器192、马达193、SIM卡接口195等。
在相关DTOF技术中，参考图2所示，相关DTOF技术中的发射模块，通过垂直腔面激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)201发射光路，光路经过准直镜202准直后，入射到衍射光学元件203进行不同衍射角度的偏转，得到具有枕形畸变的散斑阵列204。但是，由于发射模块通过衍射光学元件203将垂直腔面激光器201的光路进行衍射得到散斑阵列，然后散斑阵列通过反射返回到接收模块，以使像素阵列接收反射返回的散斑阵列。但是，垂直腔面激光器201的光路通过衍射光学元件衍射会出现畸变，产生畸变的散斑阵列204会导致像素阵列的测量结果或者成像效果较差，同时产生畸变的散斑阵列204无法全部被像素阵列接收，即部分散斑点落在像素阵列之外，导致光源阵列的功耗浪费。
其次，由于DTOF中像素阵列和时间数字转换电路设计的难度和复杂性，当前SPAD阵列的方案还无法保证每个SPAD像素都可以连接一个时间数字转换电路。因此，会将整个SPAD像素阵列划分成M*N个微像素单元(Micro Pixels，MP)。每个微像素单元共用一个时间数字转换电路进行计时。因此，对于DTOF方案来说，如果继续采用泛光光源照明，那么即便泛光光源可以成像到每个微像素单元里的每个像素上，但是由于一微像素单元只有一个时间数字转换电路，那么每帧每个微像素单元中至多可以输出一个像素的深度数据。由于时间数字转换电路的数量严重不足，影响像素阵列的出图帧率，通过时间数字转换电路分时复用来遍历微像素单元内每个像素的深度数据，导致发光光源阵列的功耗浪费和DTOF图像帧率的下降。
基于上述一个或者多个问题，在本示例实施例中，首先提供了一种距离测量装置。图3示出了本示例性实施方式中一种距离测量装置的结构示意图，参考图3所示，本示例实施中的距离测量装置300可以包括发射模块310、接收模块320和控制模块330。其中：
发射模块310可以包括光源阵列311和第一光学元件312，第一光学元件312可以设置在光源阵列311的光路上，用于向目标区域处发射散斑投影阵列，以使散斑投影阵列在目标区域处反射生成反射散斑阵列；接收模块320可以包括像素阵列321和第二光学元件322，第二光学元件322与第一光学元件312可以是结构相同的光学元件，第二光学元件322可以设置在反射散斑阵列到达像素阵列321的光路上，用于接收并还原反射散斑阵列，以使反射散斑阵列能够完全被像素阵列321接收；控制模块330可以与发射模块310和接收模块320电连接，用于在发射模块310发射散斑投影阵列时开始计时，并在接收模块320接收到反射散斑阵列时停止计时，输出飞行时间，以根据飞行时间计算与目标区域之间的真实距离。
在一示例性实施例中，光源阵列311可以是由各类型的激光器构成的阵列，例如光源阵列可以是垂直腔面激光器的发射孔构成的阵列，也可以是边发射激光器(EdgeEmitting Lasers，EEL)，如分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)等，当然，光源阵列还可以是其他类型的激光器构成的阵列，本示例实施例对此不作特殊限定。
第一光学元件312和第二光学元件322可以是结构相同的非衍射光学元件DOE的光源元件，例如，第一光学元件312和第二光学元件322可以包括但不限于平场聚焦镜(即F-θ镜头，也简称为场镜)，当然，第一光学元件312和第二光学元件322还可以是其他结构相同的非衍射光学元件DOE的光源元件，本示例实施例对此不做特殊限定。
像素阵列321可以是用于接收反射的散斑阵列的感光像素构成的阵列，例如像素阵列321可以是由单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)构成的SPAD像素阵列(主要用于DTOF方案)，也可以是CMOS图像传感器构成的光电探测阵列(主要用于ITOF方案)，当然，还可以是其他能够用于接收反射的散斑阵列的感光像素构成的阵列，本示例实施例对此不做特殊限定。
具体的，以第一光学元件和第二光学元件是平场聚焦镜(即F-θ镜头)为例，图4示意性示出本公开示例性实施例中一种距离测量装置中发射模块与接收模块的结构示意图。
参考图4所示，本示例实施例中的距离测量装置可以包括发射模块410和接收模块420(需要说明的是，在实际应用中应该还包括控制模块，但由于本示例实施例的主要部分与控制模块关联较低，因此图4中与此处并未进行详细描述，控制模块的说明可以参见图3中对于控制模块的描述，此处不再赘述)。其中，发射模块410可以包括由垂直腔面激光器的发射孔构成的光源阵列411，以及预先设计的平场聚焦镜412；接收模块420可以包括由SPAD像素构成的像素阵列421，以及预先设计的平场聚焦镜422，该平场聚焦镜422与平场聚焦镜412是设计、结构，焦距等参数完全相同的平场聚焦镜。
可以通过发射模块410中的光源阵列411发射光路，光路通过平场聚焦镜412得到散斑投影阵列，该散斑投影阵列在目标区域处反射，得到反射散斑阵列返回到接收模块420时，反射散斑阵列经过平场聚焦镜422进行(基于光路可逆原理)还原，得到与光源阵列411结构相同的散斑阵列并入射到像素阵列421，在光源阵列411与像素阵列421的尺寸一致(或者略小于像素阵列421的尺寸)时，像素阵列421可以完全将反射散斑阵列接收，避免浪费散斑点(能量)，提升光源阵列411的功耗转换率。
其中，在将发射模块410以及接收模块420中的光学元件设计为完全相同的平场聚焦镜之后，根据视场角和镜头焦距之间的关系可知，光源阵列411的尺寸可以和像素阵列421的尺寸设计成一样大小，以保证像素阵列421可以完全接收发射模块410发射的散斑投影阵列。优选的，平场聚焦镜422与平场聚焦镜412的焦距可以设置为1.5mm～3mm，视场角可以设置为45°*60°，或者50°*64°，当然，此处仅是示意性举例说明，具体的取值可以根据像素阵列421的尺寸确定，本示例实施例对此不做特殊限定。
当然，平场聚焦镜422与平场聚焦镜412的焦距的选择不能过大，太大后可能导致模组体积增大，发射模块410和接收模块420的基线会变长，视差变大；同时，焦距也不能过小，像素阵列421的尺寸决定了平场聚焦镜422与平场聚焦镜412的焦距的取值下限。
本示例实施例中将发射模块410和接收模块420的镜头设置为平场聚焦镜的原因是，常规方案中的TOF发射模块一般具有匀光片(Diffuser)和衍射光学元件DOE，并且匀光片和衍射光学元件的匀光特性和衍射能量分布特性，一般需要根据视场角做能量补偿，通过提升边缘视场的能量可以保证VCSEL光斑投影在目标区域上的照度一致性。不同于常规的TOF发射模块设计方案，本示例实施例采用的发射模块不需要匀光片和衍射光学元件，仅需要一个平场聚焦镜(F-θ镜头)，该镜头的相对照度很低，可以保证边缘视场的照度和中心视场照度的一致性。通过这种设计方案，可以省略掉匀光片和衍射光学元件，极大简化了模组生产和组装的精度，提升了组装良率。
进一步的，可以将光源阵列311中的如垂直腔面激光器的发射孔划分为多个不同分组的激光发射孔(激光发射器)，例如，可以划分为4组激光发射孔(激光发射器)，也可以划分为6组激光发射孔(激光发射器)，具体可以根据像素阵列321的尺寸进行自定义设置，本示例实施例对此不作特殊限定。
图5示意性示出本公开示例性实施例中一种对发射模块中光源阵列进行分组的结构示意图。
参考图5所示，可以将光源阵列311划分为4个组，包括激光发射孔一组501(数字“1”对应表示的分组)、激光发射孔一组502(数字“2”对应表示的分组)、激光发射孔一组503(数字“3”对应表示的分组)和激光发射孔一组504(数字“4”对应表示的分组)，每个分组的激光发射孔(激光发射器)一般可以连接同一个开关，通过该开关可以在同一个时刻同时点亮同一组的激光发射孔。
进而，可以在将光源阵列311中的激光发射器进行分组之后，可以根据光源阵列311的分组设计，将像素阵列321分为多个微像素单元(Micro Pixels，MP)，其中，每个微像素单元共用一个时间数字转换电路TDC，以保证每个时刻像素阵列321的每个MP中有且只有一个散斑点，完成散斑追踪功能，避免由于时间数字转换电路TDC的数量的限制需要遍历像素阵列321中每个像素导致图像帧率下降的问题。
图6示意性示出本公开示例性实施例中一种对接收模块中像素阵列的结构示意图。
参考图6所示，图中的网格可以表示一个微像素单元601的大小，可以将像素阵列321分为M*N个微像素单元601，每个微像素单元601均连接一个时间数字转换电路602。微像素单元601中的四个散斑点603对应于图5中的光源阵列311中由相邻的“1”“2”“3”“4”的激光发射器形成的散斑点。此时可以在图5中的不同分组的激光发射孔在交叉分时点亮时，保证每个时刻像素阵列321的每个微像素单元601有且只有一个散斑点，便于微像素单元601连接的时间数字转换电路602锁定散斑点成像的像素，进行散斑追踪，不需要遍历全部的像素，提升测量效率，提高深度图像成像效率。
当然，像素阵列321的边缘处可以预留1行一列或者2行2列的微像素单元601，目的是考虑发射模块310和接收模块320的基线、视差以及组装公差导致的散斑点偏移，有效保证所有的散斑阵列均被像素阵列321所接收。
本示例实施例中简化的距离测量方案，模组设计更简单，光学器件更少，对模组组装公差的管控相对宽松。其次，通过光路逆向成像的原理，将发射模组和接收模组光路设计为相似性结构。采用两个一致的光学元件(如平场聚焦镜)，实现散斑点的精准投影和精准成像，实现散斑寻址方案，且整个散斑寻址的光学方案更简易、成本便宜、组装精度和管控门限比竞品更宽松，提升组装良率。
在另一示例实施例中，像素阵列321的尺寸和第二光学元件322的参数之间有以下关系式(1)：
2*EFL*tan(FOV/2)＝SPAD Size (1)
其中，SPAD Size可以表示像素阵列321的尺寸(或者对应的芯片)大小，FOV可以表示第二光学元件322的视场角，EFL可以表示第二光学元件322的有效焦距(EffectiveFocal Length)。由此可知，从缩短模组基线、模组尺寸以及模组成本的角度出发，由于接收模块320的像素阵列321的尺寸大小和对应的芯片大小是固定的，第二光学元件322的视场角是固定的，则第二光学元件322的有效焦距可以确定。但是，发射模块310中的第一光学元件312的尺寸(或者说有效焦距)可以按照接收模块320中的第二光学元件322的尺寸(或者说有效焦距)进行等比例缩放；同理，光源阵列311的尺寸大小也可以按照第一光学元件312的尺寸的缩放比例进行相同的比例缩放处理。最终可以实现发射模块310的小型化，不仅降低模组尺寸和成本，还降低了基线，减小基线视差对DTOF深度成像的影响。
图7示意性示出本公开示例性实施例中另一种距离测量装置中发射模块与接收模块的结构示意图。
参考图7所示，本示例实施例中的距离测量装置可以包括等比例缩放后的发射模块710和接收模块720(需要说明的是，在实际应用中应该还包括控制模块，但由于本示例实施例的主要部分与控制模块关联较低，因此图7中与此处并未进行详细描述，控制模块的说明可以参见图3中对于控制模块的描述，此处不再赘述)。其中，等比例缩放后的发射模块710可以包括由等比例缩放后的垂直腔面激光器的发射孔构成的光源阵列711，以及等比例缩放后的平场聚焦镜712；接收模块720可以包括由SPAD像素构成的像素阵列721，以及预先设计的平场聚焦镜722，该平场聚焦镜722与平场聚焦镜712是设计、结构、参数具有相同比例的平场聚焦镜。
可以通过等比例缩放后的发射模块710中的等比例缩放后的光源阵列711发射光路，光路通过等比例缩放后的平场聚焦镜712得到散斑投影阵列，该散斑投影阵列在目标区域处反射，得到反射散斑阵列返回到接收模块720时，反射散斑阵列经过具有相同比例的参数的平场聚焦镜722进行(基于光路可逆原理)还原，得到与光源阵列711结构相同，且与平场聚焦镜722的尺寸比例相对应的的散斑阵列，并入射到像素阵列721，在光源阵列711与像素阵列721的尺寸具有相同的比例关系时，像素阵列721可以完全将反射散斑阵列接收，避免浪费散斑点(能量)，提升等比例缩放后的光源阵列711的功耗转换率。
当然，在本示例实施例中同样也对光源阵列711以及像素阵列721进行相同的分组设计，不同分组的激光发射孔在交叉分时点亮时，保证每个时刻像素阵列721的每个微像素单元有且只有一个散斑点，便于微像素单元连接的时间数字转换电路锁定散斑点成像的像素，进行散斑追踪，不需要遍历全部的像素，提升测量效率，提高深度图像成像效率，详情参见前述说明，此处不再赘述。
在又一示例实施例中，第一光学元件312和第二光学元件322可以是普通的无畸变镜头，通过无畸变镜头进行投影和成像，可以保证散斑投影阵列中的散斑点没有畸变，像素阵列成像的散斑点图像也不会存在畸变，不需要后续精确的畸变矫正和标定流程，来映射物理空间精准的散斑投影点，减少测量误差的产生，提升测量结果的准确性。同时，可以在像素阵列的图像信号处理(Image Signal Processing，ISP)流程中执行相对照度(Shading)的校准，以避免普通的无畸变镜头的边缘视场散斑点的照度较低的问题。
图8示意性示出本公开示例性实施例中又一种距离测量装置中发射模块与接收模块的结构示意图。
参考图8所示，本示例实施例中的距离测量装置可以包括发射模块810和接收模块820(需要说明的是，在实际应用中应该还包括控制模块，但由于本示例实施例的主要部分与控制模块关联较低，因此图8中与此处并未进行详细描述，控制模块的说明可以参见图3中对于控制模块的描述，此处不再赘述)。其中，发射模块810可以包括由等比例缩放后的垂直腔面激光器的发射孔构成的光源阵列811，以及普通的无畸变镜头812；接收模块820可以包括由SPAD像素构成的像素阵列821，以及普通的无畸变镜头822，该无畸变镜头822与无畸变镜头812是设计、结构、参数完全相同的无畸变镜头。
可以通过发射模块810中的光源阵列811发射光路，光路通过无畸变镜头812得到散斑投影阵列，该散斑投影阵列在目标区域处反射，得到反射散斑阵列返回到接收模块820时，反射散斑阵列经过无畸变镜头822进行(基于光路可逆原理)还原，得到与光源阵列811结构相同的散斑阵列并入射到像素阵列821，在光源阵列811与像素阵列821的尺寸一致(或者略小于像素阵列821的尺寸)时，像素阵列821可以完全将反射散斑阵列接收，避免浪费散斑点(能量)，提升光源阵列811的功耗转换率。
当然，在本示例实施例中同样也对光源阵列811以及像素阵列821进行相同的分组设计，不同分组的激光发射孔在交叉分时点亮时，保证每个时刻像素阵列821的每个微像素单元有且只有一个散斑点，便于微像素单元连接的时间数字转换电路锁定散斑点成像的像素，进行散斑追踪，不需要遍历全部的像素，提升测量效率，提高深度图像成像效率，详情参见前述说明，此处不再赘述。
综上所述，本示例性实施方式中，通过设置包含第一光学元件和光源阵列的发射模块，用于向目标区域处发射散斑投影阵列，并设置包含与第一光学元件相同结构的第二光学元件和像素阵列的接收模块，用于接收并还原散斑投影阵列发射生成的反射散斑阵列，以使反射散斑阵列能够完全被像素阵列接收；通过与发射模块和接收模块电连接的控制模块，用于输出飞行时间，并根据飞行时间计算与目标区域之间的真实距离。一方面，基于光路可逆原理，通过具有相同结构的第二光学元件接收并还原通过第一光学元件发射的散斑阵列，此时到达像素阵列的反射散斑阵列的形状结构与光源阵列相同，通过简单的光源阵列设计，能够使反射散斑阵列完全被像素阵列接收，提升像素阵列的测量结果的准确性，避免功耗(能量)的浪费；另一方面，由于像素阵列接收的反射散斑阵列的形状结构与光源阵列相同，能够较容易实现散斑的追踪，不需要遍历每个像素的数据，提升像素阵列的测量效率；再一方面，通过结构相同的第一光学元件和第二光学元件实现距离测量，不在需要衍射光学元件，降低了制造成本，简化了硬件结构，进而能够简化模组生产和组装的精度，提升组装良率。
进一步的，参考图9所示，本示例的实施方式中还提供一种距离测量方法，具体可以包括步骤S910至步骤S940。其中：
步骤S910，通过包含第一光学元件的发射模块向目标区域处发射散斑投影阵列，以使所述散斑投影阵列在所述目标区域处反射生成反射散斑阵列；
步骤S920，通过包含第二光学元件的接收模块接收并还原所述反射散斑阵列；其中，所述第二光学元件与所述第一光学元件是结构相同的光学元件；
步骤S930，通过与所述发射模块和所述接收模块连接的控制模块在所述发射模块发射所述散斑投影阵列时开始计时，并在所述接收模块接收到所述反射散斑阵列时停止计时，输出飞行时间；
步骤S940，根据所述飞行时间计算与所述目标区域之间的真实距离。
在一示例性实施例中，接收模块可以包括像素阵列，该像素阵列可以包括多个微像素单元，发射模块可以包括不同分组的激光发射孔；具体的，可以对不同分组的激光发射孔进行交叉分时点亮，保证微像素单元在每个时刻仅接收一个反射散斑阵列中的散斑点，以实现散斑追踪。
上述方法中各步骤的具体细节在装置部分实施方式中已经详细说明，未披露的细节内容可以参见装置部分的实施方式内容，因而不再赘述。
需要注意的是，上述附图仅是根据本公开示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
所属技术领域的技术人员能够理解，本公开的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
本公开的示例性实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本公开的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种示例性实施方式的步骤，例如可以执行图9中任意一个或多个步骤。
需要说明的是，本公开所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
此外，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。
Claims (10)
1.一种距离测量装置，其特征在于，包括：
发射模块，包括光源阵列和第一光学元件，所述第一光学元件设置在所述光源阵列的光路上，用于向目标区域处发射散斑投影阵列，以使所述散斑投影阵列在所述目标区域处反射生成反射散斑阵列；
接收模块，包括像素阵列和第二光学元件，所述第二光学元件与所述第一光学元件是结构相同的光学元件，所述第二光学元件设置在所述反射散斑阵列到达所述像素阵列的光路上，用于接收并还原所述反射散斑阵列，以使所述反射散斑阵列能够完全被所述像素阵列接收；
控制模块，与所述发射模块和所述接收模块电连接，用于在所述发射模块发射所述散斑投影阵列时开始计时，并在所述接收模块接收到所述反射散斑阵列时停止计时，输出飞行时间，以根据所述飞行时间计算与所述目标区域之间的真实距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收光学元件与所述发射光学元件是平场聚焦镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收光学元件与所述发射光学元件是无畸变镜头。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的装置，其特征在于，所述像素阵列包括多个微像素单元，每个所述微像素单元共用一个时间数字转换电路。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光源阵列包括不同分组的激光发射孔，所述不同分组的激光发射孔用于在交叉分时点亮时，保证每个时刻在所述微像素单元仅接收到一个所述反射散斑阵列中的散斑点。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述距离测量装置包括等比例缩放后的发射模块，用于替换所述发射模块。
7.一种距离测量方法，其特征在于，包括：
通过包含第一光学元件的发射模块向目标区域处发射散斑投影阵列，以使所述散斑投影阵列在所述目标区域处反射生成反射散斑阵列；
通过包含第二光学元件的接收模块接收并还原所述反射散斑阵列；其中，所述第二光学元件与所述第一光学元件是结构相同的光学元件；
通过与所述发射模块和所述接收模块连接的控制模块在所述发射模块发射所述散斑投影阵列时开始计时，并在所述接收模块接收到所述反射散斑阵列时停止计时，输出飞行时间；
根据所述飞行时间计算与所述目标区域之间的真实距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接收模块包括像素阵列，所述像素阵列包括多个微像素单元，所述发射模块包括不同分组的激光发射孔；所述方法还包括：
对所述不同分组的激光发射孔进行交叉分时点亮，保证所述微像素单元在每个时刻仅接收一个所述反射散斑阵列中的散斑点，以实现散斑追踪。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7或8中任一项所述的方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；以及
存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求7或8任一项所述的方法。
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