CN113472995B - 一种基于spad传感器接收模组的动态自动对焦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统和方法，包括：照明光源，用于发出照明光束；接收模组，用于接收所述的照明光束；所述的接收模组包括SPAD传感器、接收成像透镜和光敏胶层；固化照射灯，用于照射所述光敏胶层产生预固化；控制计算模块，用于控制所述接收成像透镜微移动，同时根据所述SPAD传感器输出的最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开所述的固化照射灯对光敏胶层预固化，固定所述SPAD传感器和接收成像透镜的相对位置。本申请还公开一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法。本发明提出的动态自动对焦方法及系统，以使这种类型的接收模组在制造过程中能够快速、准确的完成对焦工序，顺利量产。

Description

一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统及方法

技术领域

本发明涉及3D光电成像技术领域，具体涉及一种基于SPAD传感器接收模组的自动对焦系统及方法。

背景技术

能获取深度信息，也即物体与拍摄设备的距离信息，这样的成像装置我们称为3D成像装置。3D成像装置在市场上已经开始应用于一些电子消费产品，如体感游戏的动作识别、新一代iphone的结构光3D人脸识别。3D成像装置可以大大地丰富用户的体验，提升产品竞争力，尤其是3D人脸识别，相对于2D的人脸识别，由于增加了一维的信息，在体验和安全性等方面是后者无法比拟的。相对于传统的生物识别，如指纹识别，3D人脸识别的可靠性和安全性要高出一个台阶。

TOF技术是实现3D成像的一种关键主流技术，TOF的全称是Time-Of-Flight，即飞行时间，是通过测量发射光从发射时刻到被物体反射至接收端的时间间隔，根据光速不变原理，可以实现距离测定。TOF技术分为I-TOF和D-TOF两种，目前市场上成熟且常用的是I-TOF技术，即Indirect Time-Of-Flight，I-TOF通过激光发射装置发射一束时间上周期性调制激光到物体表面上，返回光则在时序上产生一个相对于入射光的时间延迟，具体表现为相位延迟，相位延迟的大小与光的飞行时间具有对应的计算关系，即通过测量相位延迟来“间接”得到光的飞行时间，进而实现距离测量。D-TOF(Direct Time-Of-Flight)技术则是直接对光飞行时间进行测量，而不是通过其他手段间接获得，目前该技术在科研测试设备、大型工业测量设备、激光雷达等领域有一些应用，因技术上还未实现小型化，并未在消费电子领域有所应用。

SPAD是Single Photon Avalanche Diode的缩写，即单光子雪崩二极管，工作在盖革模式下的APD(Avalanche Photon Diode)，具有对单个光子产生感应的超强感光能力，通常还包含单光子雪崩后的淬灭电路集成。SPAD阵列传感器作为一种新技术，其生产制造技术的日趋成熟，为D-TOF技术的小型化带来了希望。

已有公开号为CN 109831609 A和CN 110095078 A的专利申请文件提供基于TOF深度相机的对焦方法，均是适用于拍摄移动对象时的自动对焦。而基于SPAD传感器的D-TOF技术方案中必然包含一个集成了SPAD传感器的光线采集接收模组，该模组在制造过程会面临如何实现自动对焦的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，包括：

照明光源，用于发出照明光束；

接收模组，用于接收所述的照明光束；所述的接收模组包括SPAD传感器、接收成像透镜和光敏胶层；

固化照射灯，用于照射所述光敏胶层产生预固化；

控制计算模块，用于控制所述接收成像透镜微移动，同时根据所述SPAD传感器输出的最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开所述的固化照射灯对光敏胶层预固化，固定所述SPAD传感器和接收成像透镜的相对位置。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各优选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个优选方式之间进行组合。

作为优选的，所述的照明光源包括发射模组和漫反射板，发射模组发出的光束经漫反射板反射至所述的接收模组。

作为优选的，所述的光敏胶层涂覆在SPAD传感器边缘，接收成像透镜放置在具有六自由度的移动部件上并与所述光敏胶层接触。

作为优选的，所述的接收模组还包括放置所述SPAD传感器的基板，光敏胶层涂覆在基板上。

作为优选的，所述的SPAD传感器为由多个SPAD像素单元组成的SPAD阵列。

作为优选的，所述的控制计算模块建立基于最大光子计数值的评价函数，在评价函数取最大值时开启所述的固化照射灯。

作为优选的，所述的评价函数为Sum＝A₁₁+A₁₂+...A_mn，A_mn为感光像素nm的最大光子计数值。

本申请还提供一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法，包括：

利用照明光源用于发出照明光束；

利用接收模组接收所述的照明光束，照明光束经接收成像透镜到达SPAD传感器；

控制所述的接收成像透镜微移动，同时根据所述SPAD传感器的输出最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开所述的固化照射灯对光敏胶层预固化，固定所述SPAD传感器和接收成像透镜的相对位置。

作为优选的，根据基于最大光子计数值建立的评价函数，在评价函数取最大值时开启所述的固化照射灯。

作为优选的，所述的评价函数为Sum＝A₁₁+A₁₂+...A_mn，A_mn为感光像素nm的最大光子计数值。

本发明提出的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法及系统，以使这种类型的接收模组在制造过程中能够快速、准确的完成对焦工序，顺利量产。

附图说明

图1为基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统示意图；

图2为D-TOF模组示意图；

图3为SPAD传感器阵列像素示意图；

图4为评价函数Sum的搜索曲线示意图；

图5为基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法流程图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1～5，一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，包括：

照明光源，用于发出照明光束；

接收模组，用于接收照明光束；接收模组包括SPAD传感器101、接收成像透镜103和光敏胶层102；

固化照射灯50，用于照射光敏胶层102产生预固化；

控制计算模块30，用于控制接收成像透镜103微移动，同时根据SPAD传感器101的输出最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开固化照射灯50对光敏胶层102预固化，固定SPAD传感器101和接收成像透镜103的相对位置。

照明光源可以根据应用需求使用不同波长的内部光源，如可见光、紫外光、红外光等，照明光束可以是均匀的面照明光束，也可以是散斑、条纹等具有形状特征的照明光束。

接收模组内的SPAD传感器将光信号转换为电信号，输出其上面每个感光像素的最大光子计数值。控制计算模块根据基于输出最大光子计数值建立的评价函数进行对焦评价，在满足判定对焦完成的条件后，启动固化照射灯20使光敏胶层102预固化，使SPAD传感器101和接收成像透镜103的相对位置固定。

在另一个实施例中，光敏胶层102涂覆在SPAD传感器101边缘，接收成像透镜103放置在具有六自由度的移动部件上并与光敏胶层102接触。移动部件可以为具有三周六自由度的机械运动夹爪40或三维移动平台，带动接收成像透镜103在SPAD传感器101上方微移动来调整方位和距离，进行对焦。

根据图1所示，接收成像透镜103在移动部件的驱动下沿箭头向下移动，直至与光敏胶层102接触，在接触时微移方位和距离来进行细调，对焦后光照固化实现位置固定。

在另一个实施例中，接收模组还包括放置SPAD传感器101的基板，光敏胶层102涂覆在基板上。其中，光敏胶层102优选采用光敏AA胶水。

如图1所示，在另一更具体实施例的自动对焦系统示意图中，该系统包含基于SPAD传感器的D-TOF模组10，漫反射板20，控制计算模块30，机械运动夹爪40和固化照射灯50。其中D-TOF模组10又包含发射模组104和接收模组两部分，SPAD传感器101和接收成像透镜103组装到一起后共同构成基于SPAD传感器的接收模组。SPAD传感器在设计时保留了TDC模拟电路的原始数据输出功能，可以输出其上面每个感光像素的最大光子计数值peak count。

其中，发射模组104和漫反射板20组成上述的照明光源，发射模组104发出的照明光束经漫反射板20反射进入接收模组。

启动该系统的动态自动对焦后，在控制计算模块30的控制下，D-TOF模组10中的发射模组104会发出照明光束105，使上方的漫反射板20被充分照明，同时D-TOF模组10中的SPAD传感器101处于点亮工作状态，并且与发射模组104是同步触发工作的。漫反射板20上的部分反射(包含镜面反射和漫反射)光束经过机械运动夹爪40上夹持的接收成像透镜103后，进入D-TOF模组10中的接收模组的SPAD传感器101上，光束中的光子进而触发雪崩二极管的光电效应，由光信号转化为电信号。SPAD传感器101周围有一圈光敏胶层102，开始处于未固化状态，在动态自动对焦过程中，机械运动夹爪40上夹持着接收成像透镜103在SPAD传感器101上方不断细微的调整方位和距离，即六自由度调节，该过程中接收成像透镜103通过光敏胶层102与SPAD处于“活动的微接触状态”，因为胶水未固化，具备一定的粘稠性，接收成像透镜103可以跟随机械运动夹爪40做微小移动调节。在六自由度调节过程中，SPAD传感器101始终保持动态的输出最大光子计数值，给到控制计算模块30，根据基于输出最大光子计数值的对焦评价算法标准，当评价值满足一定条件后，即判断对焦完成，控制计算模块30停止机械运动夹爪40的六自由度调节，同时打开固化照射灯50，光敏胶层102在对应光线的照射下产生预固化，使接收成像透镜103与SPAD传感器101的相对空间位置固定，该相对位置也是最终正确的对焦位置，至此完成了基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦。

图2是另一个实施例所采用的D-TOF模组10示意图，包含了发射模组104和接收模组两个主要部分，SPAD传感器101、接收成像透镜103和光敏胶层102共同构成基于SPAD传感器的接收模组，图示的模组处于未完成接收成像透镜103的对焦组装状态。发射模组104与接收模组可以是共PCB基板，也可以是互相分离的独立模组。发射模组104可以根据应用需求使用不同波长的内部光源，如可见光、紫外光、红外光等，照明光束105可以是均匀的面照明光束，也可以是散斑、条纹等具有形状特征的照明光束。接收成像透镜103在一些应用中还会包含滤光片，用以滤除环境光中的干扰成分。

在另一些实施例中，动态自动对焦系统的使用对象可以是单独的基于SPAD传感器的接收模组，而发射模组作为系统中一个固定不动的组成部分。此时本系统只对单独的接收模组进行动态自动对焦，而非整个D-TOF模组。对焦完成后的接收模组在后续生产工序中再与发射模组组装成为一个整体的D-TOF模组。

图3是本申请另一个实施例的SPAD传感器示意图，本实施例采用的SPAD阵列传感器，水平方向有n个感光像素，垂直方向有m个感光像素，即分辨率为n*m。在动态自动对焦过程中，A₁₁代表感光像素1011对外输出的最大光子计数值，可以构建函数Sum来作为对焦评价函数，如下：

Sum＝A₁₁+A₁₂+...A_mn

具体到图1，机械运动夹爪40夹持着接收成像透镜103在SPAD传感器101上方进行细微的六自由度调节时(距离方位x y z，角度方位αβγ)，评价函数Sum的大小会随之动态变化，图4表示的是一种变化曲线情况，当控制计算模块30找到了使Sum值最大的位置处B时，将停止夹爪的运动，并打开固化照射灯50进行预固化。以上寻找Sum值最大的过程可称为动态搜索。

在另一些实施例中，评价函数Sum中还可以在一些边缘感光像素的peak count上加权重因子，用以补偿实际发射模组的照明光束的不均匀问题。评价函数Sum还可以用其他形式的公式来表达，但只要是基于最大光子计数值peak count构建的评价函数，均不脱离本发明的实施例保护范围。

如图5所示，在另一个实施例中，基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法，包括：

利用照明光源用于发出照明光束；

利用接收模组接收照明光束，照明光束经接收成像透镜到达SPAD传感器101；

控制接收成像透镜微移动，同时根据SPAD传感器101输出的最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开固化照射灯50对光敏胶层102预固化，固定SPAD传感器101和接收成像透镜103的相对位置。

在另一个实施例中，根据基于最大光子计数值建立的评价函数，在评价函数取最大值时开启所述的固化照射灯。

在另一个实施例中，所述的评价函数为Sum＝A₁₁+A₁₂+...A_mn，A_mn为感光像素nm的最大光子计数值。

更具体地，结合图1的自动对焦系统，实现动态自动对焦的过程如下：

(a)在SPAD传感器101周围完成光敏AA胶水(光敏胶层102)的画胶；

(b)打开发射模组，发出照明光束到SPAD传感器101上方的漫反射板20上，同步触发点亮SPAD传感器101；

(c)控制机械运动夹爪40夹持接收成像透镜103，在SPAD传感器101上方进行细微的六自由度调节，同时动态搜索评价函数Sum的最大值；

(d)找到评价函数Sum值的最大位置处，停止机械运动夹爪40的位置调节；

(e)打开固化照射灯，完成预固化；

(f)固定SPAD传感器101和接收成像透镜103的相对位置，动态自动对焦完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，包括：

照明光源，用于发出照明光束；

接收模组，用于接收所述照明光束；所述接收模组包括SPAD传感器、接收成像透镜和光敏胶层；

固化照射灯，用于照射所述光敏胶层产生预固化；

控制计算模块，用于控制所述接收成像透镜微移动，同时根据所述SPAD传感器输出的最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开所述固化照射灯对光敏胶层预固化，固定所述SPAD传感器和接收成像透镜的相对位置。

2.如权利要求1所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，所述照明光源包括发射模组和漫反射板，发射模组发出的光束经漫反射板反射至所述的接收模组。

3.如权利要求1所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，所述光敏胶层涂覆在SPAD传感器边缘，接收成像透镜放置在具有六自由度的移动部件上并与所述光敏胶层接触。

4.如权利要求1所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，所述接收模组还包括放置所述SPAD传感器的基板，光敏胶层涂覆在基板上。

5.如权利要求1所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，所述SPAD传感器为由多个SPAD像素单元组成的SPAD阵列。

6.如权利要求5所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，所述控制计算模块建立基于最大光子计数值的评价函数，在评价函数取最大值时开启所述固化照射灯。

7.如权利要求6所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦系统，其特征在于，所述评价函数为

，

为感光像素nm的输出最大光子计数值。

8.一种基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法，其特征在于，包括：

利用照明光源用于发出照明光束；

利用接收模组接收所述照明光束，照明光束经接收成像透镜到达SPAD传感器；

控制所述接收成像透镜微移动，同时根据所述SPAD传感器输出的最大光子计数值进行对焦评价，并根据评价结果打开固化照射灯对光敏胶层预固化，固定所述SPAD传感器和接收成像透镜的相对位置。

9.如权利要求8所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法，其特征在于，根据基于最大光子计数值建立的评价函数，在评价函数取最大值时开启固化照射灯。

10.如权利要求9所述的基于SPAD传感器接收模组的动态自动对焦方法，其特征在于，所述评价函数为

，

为感光像素nm的最大光子计数值。

Images