CN112929519B - 深度相机、成像装置和电子设备 - Google Patents

深度相机、成像装置和电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种深度相机、成像装置和电子设备。深度相机包括发射模组和接收模组，发射模组用于向拍摄对象投射红外光线；接收模组用于接收拍摄对象反射的红外光线以获取拍摄对象的深度信息，接收模组包括由感光元件形成的像素阵列，像素阵列背面形成有算术逻辑单元，像素阵列包括具有部分像素的距离检测区域，算术逻辑单元连接距离检测区域的像素以获取拍摄对象的深度信息。深度相机使用距离检测区域获取拍摄对象的深度信息时，深度信息的计算量较少，可以在一定程度上提高深度相机采集深度信息的帧率，减少传感器的功耗，且不需要应用处理器耗费资源计算深度信息，可以满足用于更多的应用需求。

Description

深度相机、成像装置和电子设备
技术领域
本申请涉及图像采集技术领域，更具体而言，涉及一种深度相机、成像装置和电子设备。
背景技术
相关技术中，手机可以通过深度相机获取拍摄对象的深度信息。其中，基于飞行时间(Time Of Light，TOF)测距的深度相机可以通过向物体发射光线，通过检测发射模组发射光线与接收模组接收到拍摄对象反射对应光线之间的时间差来获取拍摄对象的深度信息。然而，飞行时间相机的功耗较高，接收模组采集的信号需要传输至手机处理器计算拍摄对象的深度信息，飞行时间相机采集深度信息的帧率受限，无法满足更多的应用需求。
发明内容
本申请实施方式提供一种深度相机、成像装置和电子设备。
本申请实施方式的深度相机包括发射模组和接收模组，所述发射模组用于向拍摄对象投射红外光线；所述接收模组用于接收所述拍摄对象反射的红外光线以获取所述拍摄对象的深度信息，所述接收模组包括具有像素阵列的图像传感器，所述像素阵列背面形成有算术逻辑单元，所述图像传感器包括具有部分像素的距离检测区域，所述算术逻辑单元电连接所述距离检测区域的像素以获取所述深度信息。
本申请实施方式的成像装置包括变焦相机和上述实施方式所述的深度相机；所述变焦相机根据所述算术逻辑单元计算的所述深度信息进行自动对焦。
本申请实施方式的电子设备包括壳体和上述实施方式所述的成像装置，所述成像装置设置在所述壳体。
本申请实施方式的深度相机、成像装置和电子设备中，深度相机的像素阵列背面集成有算术逻辑单元连接距离检测区域，深度相机使用距离检测区域获取拍摄对象的深度信息时，深度信息的计算量较少，可以由算术逻辑单元直接获取距离检测区域采集的红外信号计算拍摄对象与深度相机的距离，从而可以在一定程度上提高深度相机采集深度信息的帧率，减少传感器的功耗，且不需要应用处理器耗费资源计算深度信息，可以满足用于更多的应用需求。
本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施方式的电子设备的结构示意图。
图2是本申请实施方式的成像装置的结构示意图。
图3是本申请实施方式的图像传感器的结构示意图。
图4是本申请实施方式的深度相机的信号示意图。
图5是本申请实施方式的成像装置的另一结构示意图。
图6是本申请实施方式的彩色图像传感器的结构示意图。
图7是本申请实施方式的电子设备的模块示意图。
主要元件符号说明：
电子设备1000、成像装置100、深度相机10、发射模组12、光源122、接收模组14、图像传感器142、像素阵列1422、第一检测部14222、第二检测部14224、距离检测区域144、算术逻辑单元1426、镜头144、红外滤光片146、变焦相机20、变焦镜头22、彩色滤光片24、彩色图像传感器26、拜耳阵列262、壳体200、应用处理器300。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
请参阅图1至图3，本申请实施方式的电子设备1000包括壳体200和成像装置100，成像装置100可以设置在壳体200。壳体200可以承载成像装置100并为成像装置100提供保护，电子设备1000可以通过成像装置100获取拍摄对象的图像，例如，灰度图像、色彩图像、深度图像和/或红外图像等，实现拍摄功能，满足用户的拍摄需求。
在某些实施方式中，电子设备1000可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手环、可穿戴设备等。在图示的实施例中，电子设备1000是手机。
在某些实施方式中，成像装置100可以包括变焦相机20和深度相机10。变焦相机20可以通过自动对焦获取被摄物体清晰的图像。深度相机10可以用于采集拍摄对象的深度信息，通过对深度图像的处理可以实现识别用户人脸、去除/虚化背景图像、人像跟踪或物体三维建模等功能。
在某些实施方式中，深度相机10包括发射模组12和接收模组14。发射模组12用于向拍摄对象投射红外光线。接收模组14用于接收拍摄对象反射的红外光线以获取拍摄对象的深度信息。接收模组14包括具有像素阵列1422的图像传感器142，像素阵列1422背面形成有算术逻辑单元1426，图像传感器142包括具有部分像素的距离检测区域144，算术逻辑单元1426电连接距离检测区域144的像素以获取深度信息。
本实施方式的深度相机10、成像装置100和电子设备1000中，深度相机10的像素阵列1422背面集成有算术逻辑单元1426连接距离检测区域144，深度相机10使用距离检测区域144获取拍摄对象的深度信息时，深度信息的计算量较少，可以由算术逻辑单元1426直接获取距离检测区域144采集的红外信号计算拍摄对象与深度相机10的距离，从而可以在一定程度上提高深度相机10采集深度信息的帧率，减少传感器的功耗，且不需要应用处理器300耗费资源计算深度信息，可以满足用于更多的应用需求。
在某些实施方式中，图像传感器142可以是电荷耦合器件(Charged CoupledDevice，CCD)图像传感器142或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)图像传感器142等光电传感器。
图像传感器142一般通过半导体工艺在器件形成半导体感光单元，光线照射在图像传感器142的感光表面时，可以产生电荷变化，通过检测各个感光单元的电荷变化可以得到图像信号。本实施方式的图像传感器142可以在图像传感器142的背面(与感光表面相背的一面)通过半导工艺形成算术逻辑单元1426，并使得算术逻辑单元1426与距离检测区域144的像素电连接，从而将算术逻辑单元1426集成到图像传感器142中，算术逻辑单元1426直接获取距离检测区域144采集的红外信号计算拍摄对象与深度相机10的距离。
在某些实施方式中，距离检测区域144包括至少一个像素，距离检测区域144包括多个像素时，距离检测区域144可以呈方形、圆形、椭圆形或其他多边形等，距离检测区域144的大小可以根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。
在某些实施方式中，发射模组12包括光源122，光源122用于发射向拍摄对象发射红外光线。光源122包括红外发光二极管和红外发射激光器。发射激光器可以是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，垂直腔面发射激光器可以呈阵列分布以形成均匀的面光源122，使得投射光线均匀。
在某些实施方式中，接收模组14还包括镜头144和红外滤光片146。镜头144、红外滤光片146和图像传感器142沿接收模组14的光路依次设置。
如此，镜头144可以将光线汇聚到图像传感器142，并可以实现相应的视场角度，保证图像传感器142成像质量。红外滤光片146允许相应的红外光线通过，而阻止非红外光线通过，从而接收模组14可以避免其他光线的干扰，提高获取深度信息的准确性。
在其他实施方式中，红外滤光片146还可以设置在镜头144前，同样可以减少或避免其他光线的干扰。或者将红外滤光片146与镜头144制作成一个元件，例如，在镜头144上镀红外滤光膜层以可以减少或避免其他光线的干扰。
在某些实施方式中，深度相机10可以是飞行时间(Time Of Light，TOF)相机。算术逻辑单元1426可以根据发射端发射红外光线和图像传感器142接收拍摄对象反射的红外光线的时间差计算拍摄对象的深度信息。
可以理解，对于飞行时间模组而言，发射模组12可以通过周期性调制的红外光脉冲来照射拍摄对象，在红外光反射回到成像装置100时，接收模组14接收到的红外信号与发射模组12发射红外光的脉冲信号存在相位差，相位差的大小反应了红外光从发射到返回所经过的时间，也即是说，可以通过接收模组14接收到的红外信号与发射模组12发射红外光的脉冲信号之间的相位差实现对拍摄对象深度信息的检测。
在某些实施方式中，像素阵列1422的每个像素包括第一检测部14222和第二检测部14224。发射端以预设频率发射红外光线，第一检测部14222和第二检测部14224以预设频率接收拍摄对象反射的红外光线，第一检测部14222接收红外光线的相位与第二检测部14224接收红外光线的相位相反。
具体地，第一检测部14222接收红外光线的相位与第二检测部14224接收红外光线的相位相反指的是第一检测部14222采集红外信号的起始点与第二检测部14224采集红外信号的起始点相差180°相位角。通过第一检测部14222检测的红外信号以及第二检测部14224检测的红外信号进行对比从而获取接收模组14接收到的红外信号与发射模组12发射红外光的脉冲信号之间的相位差。
如图4所示的，发射模组12可以以一定的预设频率发射占空比为1/2的红外光脉冲信号，第一检测部14222可以以与发射模组12相同的预设频率、占空比和相位采集红外信号，第二检测部14224以与第一检测部14222相同的预设频率、占空比以及与第一检测部14222相反的相位采集红外信号。由于发射模组12发射的红外光脉冲信号与接收模组14接收到的红外信号存在相位差φ，如此，第一检测部14222与第二检测部14224随着该相位差φ的变化而采集到不同比例的红外信号，进而可以通过第一检测部14222和第二检测部14224采集的红外信号之间的比例来确定发射模组12发射的红外光脉冲信号与接收模组14接收到的红外信号之间的相位差，实现深度信息的测量。
在某些实施例中，预设频率可以是20MHz、60MHz、100MHz或120MHz等。
需要说明的是，在本申请的实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
在某些实施方式中，接收模组14以预设频率采集多个脉冲周期的红外信号。
也即是说，接收模组14采集的红外信号是以预设频率工作持续采集多个周期的光功率的总和。如此，通过多个周期的累积可以保证红外信号的强度。
在一个例子中，接收模组14采集红外信号的时长为500us。在预设频率下，接收模组14可采集多个周期的红外信号。例如，预设频率为100MHz，接收模组14可采集100个周期的红外信号，将100个周期的红外信号输出以计算拍摄对象的深度信息。
当然，在其他实施方式在，接收模组14采集的红外信号的时长不限于上述讨论的实施方式，而可以根据实际情况进行变换在此不做具体限定。
在某些实施方式中，算术逻辑单元1426分别获取距离检测区域144内的第一检测部14222和第二检测部14224采集的红外信号以计算深度信息。
如此，深度相机10可以由算术逻辑单元1426根据距离检测区域144内第一检测部14222和第二检测部14224采集的红外信号之间的比例来计算拍摄对象的深度信息。
在一些实施例中，图像传感器142将距离检测区域144中第一检测部14222以及第二检测部14224的行、列地址线以及电源线单独引出，并距离检测区域144单独工作时与算术逻辑单元1426电连接。
如此，距离检测区域144中可包括多个像素，图像传感器142可以将多个像素的第一检测部14222检测到的红外信号汇总到一起，以及将多个像素的第二检测部14224检测的红外信号汇总到一起作为一个像素的信号传输至算术逻辑单元1426以计算拍摄对象的深度信息。
在某些实施方式中，距离检测区域144可以是多个，多个距离检测区域144的像素分别连接算术逻辑单元1426。
如此，多个距离检测区域144可以检测场景中不同位置处拍摄对象的深度信息，深度相机10可以根据拍摄对象在场景中的位置控制相应的距离检测区域144来获取深度信息。
在某些实施方式中，算术逻辑单元1426通过合并读出(binning)的方式获取所述距离检测区域144的像素采集的红外信号。
如此，算术逻辑单元1426可以将距离检测区域144内相邻像素采集的红外信号加在一起以一个像素读出，从而提高接收模组14的灵敏度，输出速度，降低分辨率。
在本实施方式中，合并读出的方式可以是将距离检测区域144内的像素阵列1422中行像素采集的红外信号加在一起读出，或者是将距离检测区域144内的像素阵列1422中列像素采集的红外信号加在一起读出，或者是将距离检测区域144内的像素阵列1422中行像素和列像素按一定的比例读出。
成像装置100的变焦相机20可以通过改变镜头144的焦距适应不同距离的拍摄对象以获取清晰的图像，提高成像质量。变焦相机20自动变焦包括主动式自动对焦和被动式自动对焦，其中，主动式自动对焦可通过激光测距或超声波测距的方式拍摄物体与摄像头之间的距离来实现对焦。主动式对焦需要设置相应的激光发射器或超声波发射器，会使得摄像头的体积较大，且需要在手机壳体200上设置相应的开孔。
在某些实施方式中，变焦相机20可以根据算术逻辑单元1426计算的深度信息进行自动对焦。
如此，成像装置100可以通过深度相机10获取拍摄对象的深度信息以实现变焦相机20的自动对焦，使得变焦相机20可以获取清晰的图像，无需单独设置器件来检测距离来进行自动对焦。变焦相机20自动对焦过程中，深度相机10采用图像传感器142的部分像素获取拍摄对象的深度信息，可以减少传感器的功耗，且深度信息的计算量较少，从而可以由图像传感器142集成算术逻辑单元1426计算拍摄对象的深度信息，不需要应用处理器300耗费资源计算。
在本实施方式中，变焦相机20和深度相机10并排设置。变焦相机20和深度相机10拍摄相同方向的场景。
请参阅图5，在某些实施方式中，变焦相机20的视场与深度相机10的视场至少存在重叠区域，距离检测区域144对应视场位于重叠区域内。
如此，成像装置100可利用深度相机10以及变焦相机20的相对位置关系以及相机各自参数，找到深度相机10以及变焦相机20在重叠区域内各像素的一一对应关系。
在某些实施方式中，深度相机10的视场大于变焦相机20的视场，即变焦相机20的视场位于深度相机10的视场内。
如此，位于变焦相机20采集的图像内的拍摄对象均可以在深度相机10中找到相应的区域用于检测拍摄对象的深度信息。
在一个例子中，变焦相机20可以通过预定焦距获取拍摄场景的预览图像，通过对预览图像进行图像分析以获取图像中的拍摄对象，从而确定拍摄对象在拍摄场景中的位置。深度相机10可以根据拍摄场景中拍摄对象的位置控制相应的距离检测区域144获取拍摄对象的深度信息。
在另一个例子中，变焦相机20可以通过预定焦距获取拍摄场景的预览图像，用户可以在预览图像中选择拍摄对象所在的图像区域，从而确定拍摄场景中拍摄对象的位置。深度相机10可以根据拍摄场景中拍摄对象的位置控制相应的距离检测区域144获取拍摄对象的深度信息。
在又一个例子中，预览图像可以显示距离检测区域144对应的图像区域，用户可以根据需要移动成像装置100或电子设备1000，使得拍摄对象位于预览图像中距离检测区域144对应的图像区域内，从而深度相机10可以控制距离检测区域144获取拍摄对象的深度信息。
在某些实施方式中，变焦相机20可以是彩色相机，变焦相机20包括沿光路依次设置在变焦镜头22、彩色滤光片24和彩色图像传感器26。
具体地，算术逻辑单元1426计算的深度信息可以是拍摄对象到成像装置100的距离值。如此，变焦相机20获取算术逻辑单元1426计算的深度信息后，可以根据测物体到成像装置100的距离值控制变焦镜头22改变焦距，例如，通过驱动机构控制变焦镜头22的位置，以改变变焦相机20的焦距，使得变焦相机20获取清晰的彩色图像。彩色滤光片24可以使得可见光通过，而滤除红外光线，使得变焦相机20成像可以减少红外光线的干扰，变焦相机20成像接近人眼视觉效果。
请参阅图6，在某些实施方式中，彩色图像传感器26包括红色像素R、绿色像素G和蓝色像素B形成的拜耳阵列262。红色像素R、绿色像素G和蓝色像素B通过对应颜色的滤光单元采集相应颜色的彩色信号。
请参阅图7，在某些实施方式中，电子设备1000包括应用处理器300，成像装置100可以通过移动产业处理器接口(Mobile Industry Processor Interface，MIPI)与应用处理器300电连接。
如此，成像装置100可以将采集的大容量图像数据通过移动产业处理器接口输出至应用处理器300进行处理，从而生成相应的图像，保证成像数量和成像质量。同时，深度相机10获取拍摄场景整体的红外信号时，深度信息的计算量较大，深度相机10可以将红外信号通过移动产业处理器接口传输至应用处理器300进行处理，保证获取深度信息的速度。
在某些实施方式中，成像装置100还可以通过I2C总线与应用处理器300电连接。具体地，算术逻辑单元1426通过I2C总线与应用处理器300电连接。
如此，算术逻辑单元1426计算得到拍摄对象与成像装置100之间的距离值可以实现低功耗传输，应用处理器300可直接调用该距离值，无需应用处理器300以及深度相机10耗费移动产业处理器接口功耗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”或“一个例子”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种深度相机，其特征在于，包括：
发射模组，所述发射模组用于向拍摄对象投射红外光线；和
接收模组，所述接收模组用于接收所述拍摄对象反射的红外光线以获取所述拍摄对象的深度信息，所述接收模组包括具有像素阵列的图像传感器，所述像素阵列背面形成有算术逻辑单元，所述图像传感器包括具有部分像素的距离检测区域，所述算术逻辑单元电连接所述距离检测区域的像素以获取所述深度信息；
所述像素阵列的每个像素包括第一检测部和第二检测部，所述发射模组以预设频率发射红外光线，所述第一检测部和所述第二检测部以所述预设频率接收所述拍摄对象反射的红外光线，所述第一检测部接收红外光线的相位与所述第二检测部接收红外光线的相位相反；
根据所述第一检测部和所述第二检测部采集的红外信号之间的比例确定所述发射模组发射的红外光脉冲信号与所述接收模组接收到的红外信号之间的相位差，实现所述深度信息的测量。
2.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述深度相机包括飞行时间相机，所述算术逻辑单元根据所述发射模组发射红外光线和所述图像传感器接收所述拍摄对象反射的红外光线的时间差计算所述拍摄对象的深度信息。
3.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述算术逻辑单元分别获取所述距离检测区域内的所述第一检测部和所述第二检测部采集的红外信号以计算所述深度信息。
4.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述距离检测区域可以是多个，多个所述距离检测区域的像素分别连接所述算术逻辑单元。
5.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述算术逻辑单元通过合并读出的方式获取所述距离检测区域的像素采集的红外信号。
6.一种成像装置，其特征在于，包括：
变焦相机；和
权利要求1-5任一项所述的深度相机，所述变焦相机根据所述算术逻辑单元计算的所述深度信息进行自动对焦。
7.根据权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述变焦相机的视场与所述深度相机的视场至少存在重叠区域，所述距离检测区域对应视场位于所述重叠区域内。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
壳体；和
权利要求6-7任一项所述的成像装置，所述成像装置设置在所述壳体。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括应用处理器，所述算术逻辑单元通过I2C总线与所述应用处理器电连接。
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