CN114502985A - 飞行时间深度检测的发射装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种飞行时间TOF深度检测的发射装置(300,600)及电子设备(1400,1500)，发射装置(300,600)用于以目标视场角向目标对象投射N个散斑组成的散斑阵列，N为正整数，发射装置(300,600)包括：光源(301,601)，具有N个发光单元，用于发射N束点光；投射镜头(302,602)，投射镜头(302,602)的视场角等于目标视场角，投射镜头(302,602)用于准直N束点光并将N束点光以目标视场角投射至目标对象以在目标对象上产生N个散斑组成的散斑阵列，每个N个散斑的功率等于产生每个散斑的发光单元的功率。仅使用两种光学元件即可投射出原本需要三种光学元件投射的散斑，在保证TOF深度检测发射装置(300,600)的散斑投射效果的同时，有效降低了装置的成本。

Description

飞行时间深度检测的发射装置及电子设备

技术领域

本申请涉及深度检测技术领域，并且更具体地，涉及一种飞行时间深度检测的发射装置及电子设备。

背景技术

飞行时间(Time of flight,TOF)深度检测是一种常见的三维深度检测方法，其原理为通过测量信号光在空间中的飞行时间来计算目标对象的距离。TOF深度检测装置具有发射装置和接收装置，由发射装置发射入射信号光，接收装置接收经目标对象反射的反射信号光，探测入射信号光与反射信号光的往返时间得到目标对象的距离信息。由于其具有精度高、测量范围大等优点因而在消费电子、无人架驶、增强现实或虚拟现实(AR/VR)等领域拥有巨大的发展前景。

TOF深度检测发射装置产生信号光并将信号光投射至目标对象，又称信号光投射器，这里特指Spot ToF的散斑投射器。是TOF深度检测装置的核心组件之一，决定了三维成像的精度。目前，由于信号光投射器的组成部件的成本较高，使得TOF深度检测装置的制造成本居高不下，限制了TOF深度检测装置的应用。因此，如何降低TOF深度检测装置的成本，是一项亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种飞行时间深度检测的发射装置及电子设备，在保证TOF深度检测的发射装置的散斑投射效果的同时，有效降低了装置的成本，扩展了深度检测装置的应用。

第一方面，本申请提供了一种飞行时间TOF深度检测的发射装置，所述发射装置用于以目标视场角向目标对象投射N个散斑组成的散斑阵列，N为正整数，所述发射装置包括：光源，所述光源具有N个发光单元组成的发光阵列，所述N个发光单元用于发射N束点光；投射镜头，所述投射镜头的视场角等于所述目标视场角，所述投射镜头用于准直所述N束点光并将所述N束点光以所述目标视场角投射至所述目标对象以在所述目标对象上产生所述N个散斑组成的散斑阵列，每个所述N个散斑的功率等于产生每个所述散斑的发光单元的功率。

本申请实施例的技术方案中，发射装置不包括造价高昂的光学衍射元件，仅通过光源和投射镜头两种光学元件、配置光源的发光单元数量与投射镜头的光学性质，即能向目标对象投射原本需要光源、准直镜、衍射元件三种光学元件才能投射出的散斑，在去掉衍射元件的情况下，仍能达到具有衍射元件相同的投射效果，有效降低了TOF深度检测发射装置整体的成本，扩展了TOF深度检测装置的应用范围。

应理解，在不考虑所述点光束在光路中的能量损失的理想情况下，散斑的功率等于发光单元的功率。

在本实施例中，发射装置不包括衍射元件，从每个发光单元发出的点光束不会被分束，而是直接经过投射镜头出射。因此，点光束能量不会因衍射元件的衍射效应而被分散，从而到达目标对象产生散斑的点光束能量与发光单元发出的点光束的能量相等。到达待检测物体的散斑的功率与发光单元的发光功率相等，使得发射装置的光路更加简单，光路效率更高，提高了能量使用效率。

在一种可能的实现方式中，所述光源为垂直腔面发射激光器。

在本实施例中，采用运行稳定的垂直腔面发射激光器作为光源，发射的光束发散角小、能量集中，形成的光斑质量更高。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列中靠近所述几何中心的发光单元的功率小于远离所述几何中心的发光单元的功率。

应理解，所述几何中心即光源中心，例如，若光源的发光阵列形成圆形发光区域，则光源中心为圆形的圆心；又例如，若光源的发光阵列形成矩形发光区域，则光源中心为矩形的对称中心。

本实施例中，在考虑点光束在光路中的能量损失的情况下，配置发光单元以不同的功率发光，使得远离光源中心区域的发光单元能以更大的功率发光，有效改善了远离发光中心的发光单元发出的点光经过接收镜头后由于边缘暗角，其亮度低于靠近发光中心的发光单元发出的点光的问题，使得N个散斑经目标对象后最终的成像图像的边缘区域的亮度相对提升，有效改善了暗角现象，提升了深度检测装置的成像效果。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列包括多个区域，所述多个区域中靠近所述几何中心的区域的发光单元的功率小于远离所述几何中心的区域的发光单元的功率。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列包括：靠近所述几何中心的第一区域和远离所述几何中心的第二区域，所述第一区域的发光单元和所述第二区域的发光单元分别以第一功率和第二功率发射点光，所述第一功率小于所述第二功率。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列为矩形发光区域，所述第一区域为以所述几何中心为圆心的椭圆形区域，所述第二区域为所述矩形发光区域除所述第一区域外的区域。

在一种可能的实现方式中，所述椭圆形区域与所述矩形区域相切。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列为矩形发光区域，所述第一区域为以所述几何中心为圆心的圆形区域，所述第二区域为所述矩形发光区域除所述第一区域外的区域。

在一种可能的实现方式中，所述圆形区域与所述矩形区域相切。

应理解，所述椭圆形、所述圆形及所述矩形为根据所述发光单元拟合的近似图形。

本申请实施例根据常用点光源的发光区域的形状与成像图像中暗角的形状设置光源的分区，不同区域内的发光单元以不同的功率同时发光，更加有效地补偿了远离光源中心、光路较长的点光在光路中的能量损失。

本申请实施例通过对光源的N个发光单元进行分区，使不同区域的发光单元同时以不同的功率发光，越远离光源中心的区域内的发光单元以越大的功率发光，使得对应成像图像的边缘区域的能量与中心区域的能量差距减小，有效改善暗角现象。

在一种可能的实现方式中，所述第一区域的发光单元与所述第二区域的发光单元的数量比为336:242。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列包括：靠近所述几何中心的第一区域和远离所述几何中心的第三区域，以及位于所述第一区域和所述第三区域之间的第二区域，所述第一区域的发光单元、所述第二区域的发光单元和所述第三区域的发光单元分别以第一功率、第二功率和第三功率发射点光，所述第一功率小于所述第二功率，所述第二功率小于所述第三功率。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列为矩形发光区域，所述第一区域为以所述几何中心为圆心的椭圆形区域，所述第二区域为以所述几何中心为中心且环绕所述椭圆形区域的环形区域，所述第三区域为所述矩形发光区域除所述第一区域与所述第二区域外的区域。

在一种可能的实现方式中，所述发光阵列为矩形发光区域，所述第一区域为以所述几何中心为圆心的圆形区域，所述第二区域为以所述几何中心为中心且环绕所述圆形区域的环形区域，所述第三区域为所述矩形发光区域除所述第一区域与所述第二区域外的区域。

应理解，所述椭圆形、所述圆形、所述环形以及所述矩形为根据所述发光单元拟合的近似图形。

本申请实施例通过进一步细化光源的分区，使得越靠近边缘的区域发光功率越大，以此分区同时向目标对象发射点光束时，不同区域的点光束经过不同光程最终达到更加相近的能量水平，能够进一步改善成像图像边缘区域的亮度情况，使得成像图像的全图相对照度更加一致，有效提升深度检测装置的成像质量。

在一种可能的实现方式中，所述发光单元的功率根据所述N个散斑经所述目标对象后产生的成像图像的相对照度确定。

在一种可能的实现方式中，所述发光单元的功率使得所述N个散斑经所述目标对象后产生的成像图像的相对照度差异小于预设阈值。

在一种可能的实现方式中，所述垂直腔面发射激光器的发光孔径为5-8μm。

在本实施例中，相比于一般的VCSEL，采用发光孔径更小的VCSEL作为光源，因为在没有衍射元件分束的情况下，要得到大视场角就要求更小的透镜焦距，采用孔径更小的VCSEL可以使得到达目标对象时形成的光斑不会因透镜焦距变小而变大。能够在降低发射装置成本的同时，进一步提高达到目标对象的散斑的质量。

在一种可能的实现方式中，所述投射镜头的焦距为1.2-1.4mm。

在本实施例中，相比于具有衍射元件的发射装置，采用焦距更小、视场角更大的投射镜头直接将光源发出的光束投射至目标对象，能够在不使用衍射元件的情况下，保证发射装置的视场角大小。通过配置投射镜头的焦距，发射装置的测量范围不再受衍射元件的衍射能力影响，有效保障了发射装置向目标对象发出的光斑的质量。

在一种可能的实现方式中，所述垂直腔面发射激光器采用单结工艺加工。

在本实施例中，由于发射装置光源的发光单元的功率相较于有衍射元件的发射系统较低，垂直腔面发射激光器可采用生产简单、成本较低的单结工艺进行加工，在不影响发射装置产生的散斑效果的同时，进一步节省了发射装置的成本。

在一种可能的实现方式中，所述投射镜头为塑胶材质。

在一种可能的实现方式中，所述投射镜头包括沿光轴方向前后排列的多个透镜，所述多个透镜用于准直所述N束点光并将所述N束点光投射至所述目标对象以在所述目标对象上产生所述N个散斑。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：陶瓷基板，所述光源设置于所述陶瓷基板上。

在一种可能的实现方式中，所述N个发光单元均匀分布于所述发光阵列中。

在一种可能的实现方式中，所述N个发光单元组成的所述发光阵列包括多个发光子阵列，每个所述发光子阵列包括在所述发光子阵列中均匀分布的至少部分所述N个发光单元，所述多个发光子阵列之间具有与预设阈值相等的间距，所述间距内没有发光单元分布。

在一种可能的实现方式中，所述多个发光子阵列的形状相同且每个所述发光子阵列包括数量相等的发光单元。

第二方面，提供一种电子设备，包括：如第一方面及第一方面任何一种可能的实现方式所提到的TOF深度检测的发射装置，所述发射装置用于以目标视场角在目标对象产生N个散斑，N为正整数，所述N个散斑用于投射至目标对象；传感器，用于接收所述散斑经所述目标对象返回的光信号，并将所述返回的光信号转换为对应的电信号；控制单元，用于所述电信号计算所述深度信息，以及根据所述深度信息对所述电子设备进行操作控制。

附图说明

图1是本申请一种Spot TOF深度检测发射装置的示意性结构图。

图2是本申请一种光信号经光准直元件后投射的散斑的示意性光场分布图。

图3是本申请一种TOF深度检测的发射装置示意性结构图。

图4本申请一种光信号经投射镜头后投射的散斑的示意性光场分布图。

图5是本申请一种成像图像的相对照度分布示意图。

图6是本申请另一种发射装置示意性结构图。

图7是本申请实施例一种发射装置中发光子阵列的示意图。

图8是本申请一种发射装置中光源的分区示意图。

图9是本申请另一种成像图像的相对照度分布示意图。

图10是本申请另一种成像图像的像高与相对照度的关系图。

图11是本申请另一种发射装置中光源的分区示意图。

图12是本申请又一种成像图像的相对照度分布示意图。

图13是本申请又一种成像图像的像高与相对照度的关系图。

图14是本申请一种电子装置的示意性结构图。

图15是本申请另一种电子装置的示意性结构图。

具体实施方式

为了使本申请实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面将结合附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

与双目深度检测、结构光深度检测一样，飞行时间(Time of flight,TOF)深度检测是一种较为主流的三维深度检测方法。根据信号光在检测目标上的连续状态，TOF深度检测可以分为面光飞行时间深度检测(Flood TOF)和点光飞行时间深度检测(Spot TOF)，其中Spot TOF深度检测具有量程大、精度高、功耗低的优点。在Spot TOF深度检测装置中，光源通常为点光源，到达目标对象的光信号为若干光点构成的散斑光，故Spot TOF中的深度检测发射装置又称散斑投射器，通常由光源、光准直元件、光复制元件等部件组成。由于Spot TOF深度检测装置中的散斑投射器造价过高，使得Spot TOF深度检测装置的成本居高不下，限制了Spot TOF深度检测装置的应用。

图1为一种Spot TOF深度检测发射装置的示意性结构图。Spot TOF深度检测发射装置100包括光源101、光准直元件102、光复制元件103。

以下，本申请所述TOF深度检测发射装置、TOF深度检测接收装置以及TOF深度检测装置均为应用于Spot TOF深度检测的装置。

其中，光源101受驱动电流激励发射光信号。Spot TOF深度检测装置通常采用主动光照明，根据Spot TOF深度检测装置的图像传感器的灵敏度波段选择合适波段的光源发射光信号。作为示例而非限定，考虑到可见光对光信号的影响，Spot TOF深度检测装置通常采用能够发射近红外、红外波段的高频调制脉冲光的设备作为光源。

可选地，光源101为垂直腔面发射激光器(Vertical cavity surface emittinglaser,VCSEL)。VCSEL是一种半导体二极管激光器，发射的激光束一般从顶表面并且以基本垂直的方式离开该器件，VCSEL光源具有体积小、功率大、光束发散角小、运行稳定等诸多优势，成深度检测系统光源的首选，本申请实施例以VCSEL为示例进行说明。具体的，光源可以是单芯片多点发光的VCSEL芯片，多个发光点呈二维矩阵排列，对应的发射出多束激光信号，形成矩阵式激光信号阵列。

可选地，光源101为边发射激光器(Edge emitting laser,EEL)或发光二极管(Light emitting diodes,LED)。

应理解，光源101可以是一种光源，也可以是上述多种光源的组合。光信号可以是经光学调制、处理或控制的携带空间光学图案的光信号，可以是经光学调制、处理或控制的分区域照明的光信号，也可以是经光学制、处理或控制的周期性照明的光信号，或上述光信号的组合。

光准直元件102为将光源101发射的光信号转化为高度准直的平行光的光学元件，常见于各种以点光作为光源的光学系统中，可搭配不同的光学元件准直光路，是激光雕刻机、焊接机等激光设备的核心元件之一。

可选地，光准直元件102为准直镜，采用玻璃或塑胶镜片。准直镜能够改变光源101发射的光信号的光束直径和发散角，使光束变为能量更为集中的准直平行光束，获得细小的高密度光斑。本申请实施例以准直镜为示例进行说明。应理解，光准直元件102也可以是其他能达到光束准直效果的单个光学元件或多个光学元件的组合。

图2是一种光信号经光准直元件后投射的散斑的示意性光场分布图。

如图2所示，当光源发射的光信号经过光准直元件102后不经光复制元件103直接进行投射时，光场中的光斑数量与光源中的发光单元数量一致，由于光准直元件102的视场角有限，从光准直元件102中出射的光信号形成的光斑无法填满整个光场，只集中于中心区域，将会限制Spot TOF深度检测装置的检测范围，因而需要光复制元件对光斑进行复制，得到能够填满整个光场的光斑。

光复制元件103用于将经过光准直元件102的准直平行光束进行分束。换言之，光复制元件103用于将经光准直元件102获得的高密度光斑进行复制。

示例性地，当光源101中具有30个发光单元，能够发射30个光斑构成光信号；光准直元件102的视场角为20°*15°，其中，20°为光准直元件的水平视场角，15°为光准直元件的竖直视场角，光信号经光准直元件102后转化为平行光信号，若光信号复制元件103能够对光斑实现3*3倍复制，那么经过光复制元件103的光信号将变为由270个光斑构成的散斑光信号投射至检测目标上，Spot TOF深度检测装置最终投射的光信号所形成的视场的视场角则为60°*45°。

可选地，光信号复制元件103为光衍射元件(Diffraction optical element,DOE)。本申请实施例以DOE为示例进行说明。DOE通常为玻璃或塑胶材质，用于将所述VCSEL光源发射的光束以一定的倍数复制后向外投射。可以向空间中投射稀疏以及密集的散斑图案，或者形成多种模式的结构光图案。DOE的衍射能力，或者说，复制能力决定了深度检测系统的测量范围。

可选地，光信号复制元件103为微透镜阵列(Micro lens array,MLA)或光栅(Diffraction grating,DG)。

应理解，光信号复制元件103可以是DOE、MLA或DG中的一种，也可以是多种光学元件的组合。

由此可知，光源、光准直元件以及光复制元件是Spot TOF深度检测装置的散斑投射器的重要组成部件，而上述三个部件的成本均较高，导致了Spot TOF深度检测装置居高不下的成本，一定程度上限制了Spot TOF深度检测装置的应用范围。

有鉴于此，本申请实施例提供一种TOF深度检测发射装置，应用于Spot TOF，在保证发射装置性能的前提下降低发射装置整体的成本，减少TOF深度检测装置的制造成本，扩大TOF深度检测装置的应用范围。

图3为本申请实施例一种Spot TOF深度检测发射装置的示意性结构图。

如图3所示，TOF深度检测的发射装置300包括：

光源301；所述光源具有N个发光单元，所述N个发光单元用于发射N束点光；

投射镜头302，所述投射镜头的视场角等于所述目标视场角，所述投射镜头用于准直所述N束点光并将所述N束点光以所述目标视场角投射至所述目标对象以在所述目标对象上产生N个散斑，每个所述N个散斑的功率等于产生每个所述散斑的发光单元的功率。

具体地，发射装置300不包括光复制元件103。在发射装置300工作时，VCSEL具有N个发光单元，被激励电流激励发射N束点光，N束点光经过投射镜头被准直处理后直接被投射至目标对象上形成N个散斑。换言之，VCSEL发出的、经过投射镜头准直过的N束点光不会被分束，投射镜头具有的视场角即是整个发射装置具有的视场角。由于没有衍射元件的衍射作用，到达目标对象的散斑数量与VCSEL发出的点光数量一致。

本申请实施例的TOF深度检测的发射装置仅通过两种光学元件即可向目标对象投射原本需要三种光学元件才能投射出的散斑，节省了造价高昂的光学衍射元件，降低了TOF深度检测的发射装置整体的成本。

具体地，由于发射装置不包括衍射元件，从每个发光单元发出的点光束不会被分束，而是直接经过投射镜头出射。因此，点光束能量不会因衍射元件的衍射效应而被分散，从而到达目标对象产生散斑的点光束能量与发光单元发出的点光束的能量相等。应理解，此过程不考虑点光束在光路中的能量损失。

示例性地，具有DOE的发射装置中，不考虑光路中的能量损失，VCSEL的每个发光单元的功率为90mW，1束点光依次经过准直镜、具有9倍分束效果的DOE后被分成9束点光，每束点光能量相等，到达目标对象产生9个散斑，每个散斑的功率为10mW。

示例性地，本申请实施例的发射装置中，不考虑光路中的能量损失，VCSEL的每个发光单元的功率为10mW，1束点光经过投射镜头后达到目标对象产生1个散斑，功率为10mW。

不难看出，发射装置不包括具有衍射作用的衍射元件，一方面使得光路更加简单，便于生产和校准，提高了光路效率和能量使用效率；另一方面，目标对象表面的散斑的功率等于VCSEL发光单元的功率，相比于具有衍射元件的深度检测发射装置，对VCSEL的发光单元的功率要求降低，一定程度上节省了TOF深度检测装置的成本。

可选地，VCSEL采用单结工艺加工。

具体地，在具有衍射元件的发射装置中，VCSEL的发光单元的功率要求较高，需要使用多结(多PN结)工艺才能实现。本申请实施例发射装置中VCSEL的单点功率较低，可以采用技术难度小、成本较低的单结工艺加工即可生产能够应用于TOF深度检测装置中的VCSEL光源，进一步降低了发射装置的成本。

可选地，VCSEL的发光孔径为5-8μm。

具体地，具有DOE的TOF深度检测发射装置中，VCSEL的发光孔径通常为12μm；而本申请的TOF深度检测发射装置中，采用发光孔径更小的VCSEL，例如，发光孔径为6μm的VCSEL，使得到达目标对象的散斑不会因透镜焦距变小而变大，直接使用发光孔径更小的VCSEL在省去衍射元件的同时，进一步提高了到达目标对象的散斑的质量，保证了发射装置在深度检测中的效果。

可选地，投射镜头302的焦距为1.2-1.4mm。

具体地，镜头的焦距与其视场角具有对应关系，焦距越小，视场角越大。相比于具有衍射元件的发射装置，由于本申请实施例的发射装置没有衍射元件，光线的发散角度将由投射镜头决定，即投射镜头的视场角即是整个投射装置的视场角。本申请实施例采用焦距较小、视场角较大的投射镜头，保证了发射装置投射散斑的视场角，进一步提升了发射装置向目标对象发出的光斑的质量。

示例性地，具有DOE的发射装置中，准直镜的焦距为2.6mm，对应的视场角为20°*15°，VCSEL发出的N/4束点光依次经过上述准直镜、具有4倍分束效果的DOE后，到达目标对象形成N个散斑，发射装置的视场角为40°*30°；而本申请的发射装置中，采用焦距更小的投射镜头，例如，焦距为1.3mm的投射镜头，对应的视场角为40°*30°，VCSEL发出N束点光经投射镜头直接被投射至目标对象上形成N个散斑，发射装置的视场角为40°*30°。

由此可知，相比于具有衍射元件的发射装置，采用焦距更小、视场角更大的投射镜头直接将光源发出的光束投射至目标对象，能够在不使用衍射元件的情况下，保证发射装置的视场角大小。通过配置投射镜头的焦距，发射装置的测量范围不再受衍射元件的衍射能力影响，有效保障了发射装置向目标对象发出的光斑的质量。

可选地，投射镜头为塑胶材质。采用塑胶材质的投射镜头能够在减轻装置的重量的同时进一步降低装置成本。

可选地，投射镜头包括沿光轴方向前后排列的多个透镜，用于准直N束点光并将N束点光投射至目标对象以在目标对象上产生所述N个散斑。

具体地，投射镜头可以是一个透镜，也可以是多个透镜的组合，多个透镜的组合满足投射N个散斑所需的视场角。

应理解，沿光轴前后排列的多个透镜组成一个透镜组，投射镜头也可以包括多个透镜组。可选地，发送装置还包括：陶瓷基板，发送装置的光源设置于陶瓷基板上。

可选地，与本申请实施例TOF深度检测的发射装置对应的TOF深度检测的接收装置包括：

成像镜头，所述成像镜头用于接收所述N个散斑经所述目标对象后形成的深度光信号；

光电传感器，所述光电传感器用于将所述深度光信号转化成电信号。

具体地，本申请实施例的发射装置不包括衍射元件，投射至目标对象上的散斑不会因衍射而产生畸变，畸变是相差的一种，将会导致图像变形，采集的信息失真。而发射装置从硬件上直接避免了这部分影响较大的畸变，使得与其配合使用的TOF深度检测的接收装置能够接收没有衍射畸变的N个散斑，有效提升了接收装置的成像质量。

可选地，成像镜头为不产生负畸变的成像镜头。

具体地，针对因发射装置产生的畸变，在包括衍射元件的深度检测系统中，通过配置成像镜头产生负畸变、软件处理等手段对发射装置中衍射元件导致的畸变进行补偿。本申请实施例的深度检测发射装置不包括衍射元件，从源头上避免了因衍射元件造成的畸变，在降低装置整体成本的同时，不需要在硬件上对畸变进行额外配置，能够间接降低接收装置的硬件成本。

图4是一种本申请实施例TOF深度检测的发射装置投射的散斑的示意性光场分布图。由图4可知，本申请实施例的发射装置能够在不包括衍射元件的情况下，以较大的视场角，向目标对象投射预设数量的散斑。

本申请实施例的发射装置使用简单的单结工艺即可制造的VCSEL作为光源，通过视场角较大的投射镜头将VCSEL发出的N束点光准直后直接投射至目标对象形成N个散斑，以更加简单的光路设计、更高的能量利用效率，实现了与包括衍射元件的高成本发射装置相同的散斑投射效果，有效降低了发射装置的成本以及生产难度。

可选地，所述N个发光单元中靠近所述光源中心的发光单元的功率小于远离所述光源中心的发光单元的功率。

应理解，所述光源中心即几何中心，例如，若光源的发光阵列形成圆形发光区域，则光源中心为圆形的圆心；又例如，若光源的发光阵列形成矩形发光区域，则光源中心为矩形的对称中心。

具体地，发射装置由于节省了造价高昂的光学衍射元件，能够有效降低发射装置的成本与造价，但需要使用视场角相对较大的投射镜头，这会导致从VCSEL发出的功率、能量相同的点光束从投射镜头中心出射时效率较高，能量损失较小；从投射镜头边缘出射时效率较低，能量损失较大，加上接收装置中接收镜头固有的照度分布暗角，最终投射至目标对象的边缘散斑能量小于中心散斑的能量，暗角现象显著。

在考虑点光束在光路中的能量损失的情况下，通过配置发光单元以不同的功率发光，使得远离光源中心区域的发光单元能以更大的功率发光，最终投射至目标对象的边缘散斑能量与中心散斑的能量相近，有效改善发射装置发射的散斑质量，提升深度检测装置的成像质量。

图5展示了本申请实施例一种成像图像的相对照度分布示意图。图5中X轴、Y轴为成像图像的成像平面，Z轴为成像图像的归一化能量表示。

由图5可知，上述TOF深度检测发射装置由于节省了造价高昂的光学衍射元件，能够有效降低发射装置的成本与造价，但需要使用视场角相对较大的投射镜头，这会导致从VCSEL发出的功率、能量相同的点光束从投射镜头中心出射时效率较高，能量损失较小；从投射镜头边缘出射时效率较低，能量损失较大，投射至目标对象的边缘散斑能量小于中心散斑的能量，加上接收镜头的固有照度分布暗角，最终使得成像图像的相对照度如图5所示，四周较暗而中心较亮。

有鉴于此，本申请提出一种飞行时间深度检测发射装置，能够通过对VCSEL的分区设计，有效改善暗角现象，提升深度检测装置的成像质量。

光源，具有N个发光单元，N个发光单元用于发射N束点光，N个发光单元中靠近光源中心的发光单元的功率小于远离光源中心的发光单元的功率；

投射镜头，用于准直N束点光并将N束点光投射至目标对象以在目标对象上产生N个散斑。

应理解，靠近光源中心的发光单元与远离光源中心的发光单元同时发光。

具体地，使用不同大小的电流同时激励光源中靠近光源中心的发光单元与远离光源中心的发光单元使其以不同的功率发出能量不同的点光束，使得远离光源中心的点光束以较大的能量通过投射镜头，靠近光源中心的点光束以较小的能量通过投射镜头，从而使得投射至目标对象的边缘散斑能量与中心散斑的能量相近，有效改善了对应的成像图像的暗角现象，提升了成像图像的相对照度的全局一致性，提高了深度检测装置的成像质量。

可选地，光源包括多个区域，多个区域同时以不同功率发射点光。

具体地，对光源的发光单元进行分区，不同区域的发光单元同时以不同的功率发射点光；同一区域内的发光单元同时以相同的功率发射点光。

可选地，光源包括：

靠近光源中心的第一区域和远离光源中心的第二区域；

第一区域和第二区域分别以第一功率和第二功率发射点光，第一功率小于第二功率。

应理解，本申请实施例所述的也可以应用于包含DOE的TOF深度检测发射装置，用于补偿TOF深度检测接收装置中由于接收镜头造成的暗角。

本申请实施例还提供一种飞行时间深度检测的发射装置，用于以目标视场角向目标对象投射N个散斑组成的散斑光阵列，如图6所示，TOF深度检测装置600包括：

光源601，具有N个发光单元组成的发光阵列，N个发光单元用于发射N束点光，发光阵列包括第一区域和第二区域，发光阵列的几何中心位于第一区域，第二区域环绕于第一区域，N个发光单元中的M个发光单元位于第一区域，其余的N-M个发光单元至少部分位于第二区域，其中，第一区域的发光单元和第二区域的发光单元分别以第一功率和第二功率同时发射点光，第一功率小于第二功率；

投射镜头602，具有投射镜头视场角，投射镜头用于准直N束点光并将N束点光投射至目标对象以在目标对象上产生N个散斑组成的散斑光阵列，目标视场角等于透视镜头的视场角。

本实施例中，采用不包含DOE的TOF深度检测发射装置，在降低了TOF深度检测发射装置整体的成本的同时，通过光源分区设计，使得不同区域的发光单元同时以不同功率发光，靠近几何中心的发光单元功率较小，远离光源中心的发光功率较大，一方面，能够补偿飞行时间深度检测装置接收镜头的固有照度分布暗角，另一方面，能够补偿点光在光路中的能量损失，使得用于成像的散斑阵列中的散斑达到相近的能量水平，最终对应的成像图像的边缘区域的亮度相对提升，有效改善了暗角现象，提升了成像图像的相对照度的全局一致性，提高了深度检测装置的成像质量。

可选地，N个发光单元均匀分布于发光阵列中。

具体地，光源中的所有发光单元可以组成一个发光阵列，所有发光单元均匀分布于这一个发光阵列中，投射至目标对象的散斑阵列也与发光阵列对应，为均匀分布的散斑阵列。

可选地，N个发光单元组成的发光阵列包括多个发光子阵列，每个发光子阵列包括在发光子阵列中均匀分布的至少部分N个发光单元，发光子阵列之间具有与预设阈值相等的间距，间距内没有发光单元分布。

具体地，光源中的所有发光单元可以组成多个发光阵列，即多个发光子阵列，每一个发光子阵列中均匀分布部分发光单元，所有发光子阵列中的发光单元等于所有发光单元。每个发光子阵列之间具有一定的间距，此间距等于预设阈值，预设阈值可根据对投射目标对象的散斑组成的散斑阵列的形状要求进行设定，在发光子阵列与发光子阵列的间距中没有发光单元分布。

示例性地，如图7所示，光源700包括10个发光子阵列，其中701-705为具有第一尺寸的发光子阵列，706-708为具有第二尺寸的发光子阵列，709-710为具有第三尺寸的发光子阵列，第一尺寸、第二尺寸与第三尺寸互不相同，发光子阵列之间具有相等的间距且间距中无发光单元分布。

可选地，多个发光子阵列的形状相同且包含相等数量的发光单元。

在本实施例中，可以对光源的发光阵列进行排布设置，示例性地，如图6所示，光源被设计成具有9个相同大小及形状的发光子阵列，模拟与有DOE时发射装置投射至目标对象的散斑排布。对光源的发光阵列的排布设置，可以使得光源更加灵活地满足深度检测的需求。

示例性地，图8示出了本申请实施例一种TOF深度检测装置中光源的分区示意图，光源601具有矩形的发光区域。

光源601中，第一区域801为以光源中心为圆心的椭圆形区域，包括M个发光单元，以第一功率发射M束点光；第二区域802为矩形发光区域除所述第一区域外的区域，包括N-M个发光单元，以第二功率发射N-M束点光。M为正整数，M＜N。

可选地，椭圆形区域与矩形区域相切。也就是第二区域802与矩形的发光区域相切。

可选地，第一区域801为以光源中心为圆心的圆形区域，包括M个发光单元，以第一功率发射M束点光；第二区域802为矩形发光区域除所述第一区域外的区域，包括N-M个发光单元，以第二功率发射N-M束点光。M为正整数，M＜N。

可选地，圆形区域与矩形区域相切。

应理解，椭圆形、圆形以及矩形为根据所述发光单元拟合的近似图形。

根据常用点光源的发光区域的形状与成像图像中暗角的形状设置光源的分区，将第一区域拟合成椭圆形区域，使得第二区域与实际暗角的区域形状更加一致，不同区域内的发光单元以不同的功率同时发光，更加有效地补偿了远离光源中心、光路较长的点光在发射装置的光路中的能量损失以及接收装置中接收镜头固有的边缘相对照度低于中心相对照度的光学特性。

示例性地，第一区域801具有336个发光单元，第二区域802具有242个发光单元，第一区域与第二区域的发光单元数量比为336:242。

可选地，光源还包括与光源的不同区域分别电连接的多个焊盘。

示例性的，椭圆形区域与矩形区域相切时，第二区域被第一区域分隔成第一子区域和第二子区域，第一子区域与第二子区域关于第一区域对称分布。如图7所示，光源601还包括：

第一焊盘8001，用于电连接第一区域中的所有发光单元；

第二焊盘8002，用于连接第二区域的第一子区域中的所有发光单元；

第三焊盘8003，用于电连接第二区域的第二子区域中的所有发光单元。

具体地，考虑到发光单元之间走线的二维性质，可将第二区域进一步细分成对称的两个子区域，使得被第一区域分隔开时，第二区域的第一子区域与第二区域的第二子区域能够同时以相同的激励电流激励第二区域内的N-M个发光单元能够以相同的功率发光，为了进一步拟合实际成像图像的暗角形状。子区域的划分便于发光单元的二维走线，对生产工艺没有特殊要求，便于光源的生产制备。

图9展示了本申请实施例另一种成像图像的相对照度分布示意图。使用本申请实施例TOF深度检测装置600后，成像图像四周能量显著变大，与中心的能量差距明显变小，成像图像整体的相对照度较为平均，有效改善暗角现象，提高TOF深度检测装置的成像质量。

图10展示了本申请实施例另一种成像图像的像高与相对照度的关系图。图中的数值均为归一化数值。曲线A代表不对VCSEL进行分区设计，VCSEL的发光单元均以相同的功率发光，对应的成像图像的相对照度随着像高增大而降低，即越靠近图像边缘，图像越暗；曲线B为将VCSEL的发光单元分为第一区域和第二区域并分别以第一功率、第二功率发光，对应的成像图像的相对照度，曲线B位于曲线A上方，曲线B对应的成像图像的相对照度明显高于曲线A对应的成像图像，特别是像高较大的位置，相对照度明显变大，暗角被改善。

可选地，光源601包括：

靠近光源中心的第一区域和远离光源中心的第三区域，以及位于第一区域和第三区域之间的第二区域；

第一区域的发光单元、第二区域的发光单元和第三区域的发光单元分别以第一功率、第二功率和第三功率发射点光，第一功率小于第二功率，第二功率小于第三功率。

示例性的，图11为本申请实施例另一种TOF深度检测装置中VCSEL的分区示意图，光源601具有矩形的发光区域。

光源601中，第一区域1101为以光源中心为圆心的椭圆形区域，包括M个发光单元，以第一功率发射M束点光；第二区域1102为以光源中心为中心的环形区域，环形区域环绕椭圆形区域，或环形区域的内环与椭圆形吻合，包括K个发光单元，以第二功率发射K束点光；第三区域1103为矩形发光区域除第一区域与第二区域外的区域，包括N-M-K个发光单元，以第三功率发射N-M-K束点光。M、K均为正整数且M+K＜N。

可选地，第一区域1101为以光源中心为圆心的圆形区域，包括M个发光单元，以第一功率发射M束点光；第二区域1102为以光源中心为中心的环形区域，环形区域环绕圆形区域，或环形区域的内环与圆形吻合，包括K个发光单元，以第二功率发射K束点光；第三区域1103为矩形发光区域除第一区域与第二区域外的区域，包括N-M-K个发光单元，以第三功率发射N-M-K束点光。M、K均为正整数且M+K＜N。

应理解，上述椭圆形、圆形、环形及矩形为根据所述发光单元拟合的近似图形。

将光源的边缘区域进一步分区，使得越靠近边缘的区域发光功率越大，根据进一步分区以不同功率同时向目标对象发射点光束时，不同区域的点光束经过不同光路最终达到更加相近的能量水平，能够进一步改善成像图像边缘区域的亮度情况，使得成像图像的全图相对照度更加一致，有效提升深度检测装置的成像质量。

示例性的，第二区域被划分为关于第一区域对称分布的第一子区域和第二子区域，第三区域被第一区域与第二区域分隔成关于第一区域对称的第三子区域和第四子区域。

光源601还包括：

第一焊盘1111，用于电连接第一区域中的所有发光单元；

第二焊盘1112，用于电连接第一子区域中的所有发光单元；

第三焊盘1113，用于电连接第二子区域中的所有发光单元

第四焊盘1114，用于电连接第三子区域中的所有发光单元；

第五焊盘1115，用于电连接第四子区域中的所有发光单元。

图12展示了本申请实施例又一种成像图像的相对照度分布示意图。在根据图11所示的分区同时以第一功率、第二功率以及第三功率向目标对象发射点光束形成N个散斑后，成像图像的能量分布明显更加平均，图像的整体亮度更加一致，暗角被进一步改善，成像质量进一步提升。

图13展示了本申请实施例又一种成像图像的像高与相对照度的关系图。

曲线A代表不对VCSEL进行分区设计，VCSEL的发光单元均以相同的功率发光，对应的成像图像的相对照度随着像高增大而降低；曲线B为将VCSEL的发光单元分为第一区域、第二区域和第三区域并分别以第一功率、第二功率以及第三功率发光，对应的成像图像的相对照度，曲线B位于曲线A上方，曲线B的相对照度差值进一步减小，相对照度随像高变化的显著程度进一步减小，暗角被进一步改善。

可选地，发光单元的功率根据所述N个散斑经所述目标对象后产生的成像图像的相对照度确定。

具体地，第一功率、第二功率以及第三功率根据N个散斑经目标对象后产生的成像图像的相对照度确定。当光源的第一区域、第二区域、第三区域以相同功率发光时，N个散斑经目标对象后产生的成像图像也具有与第一区域、第二区域、第三区域分别对应的中心区域、次边缘区域、边缘区域。将成像图像的中心区域的相对照度归一化为1后得到相应的次边缘区域、边缘区域的相对照度，根据次边缘区域、边缘区域与中心区域相对照度的比值确定对应的第二功率、第三功率与第一功率的比值，从而对第一功率、第二功率以及第三功率进行配置。

可选地，所述发光单元的功率使得所述N个散斑经所述目标对象后产生的成像图像的相对照度差异小于预设阈值。

示例性地，第二功率与第一功率的比值使得成像图像的边缘区域与中心区域相对照度的比值大于或等于0.6。

如图14所示，本申请实施例还提供一种电子设备1400，包括：

本申请实施例所述的发射装置300，用于以目标视场角产生N个散斑，N为正整数，所述N个散斑用于投射至目标对象；

传感器1401，用于接收所述散斑经所述目标对象返回的光信号，并将所述返回的光信号转换为对应的电信号；

控制单元1402，用于根据深度信息计算所述深度信息，以及根据所述深度信息对电子设备的功能进行操作控制。

本申请实施例还提供一种电子设备，图15为本申请实施例一种电子设备的示意性结构图。

电子设备1500包括：

TOF深度检测的发射装置600，用于在目标对象产生N个散斑，N为正整数，所述N个散斑用于使所述电子设备测量所述目标对象的深度信息；

图像传感器1401，用于接收N个散斑经目标对象反射产生的N个散斑反射光，并根据N个散斑反射光生成含有深度信息的多帧图像；

控制单元1502，用于根据所述多帧图像计算所述深度信息，并依据所述深度信息对所述电子设备的功能进行操作控制。

作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine，ATM)等其他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分的功能，例如：智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。

需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。

应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种飞行时间TOF深度检测的发射装置，其特征在于，所述发射装置用于以目标视场角向目标对象投射N个散斑组成的散斑阵列，N为正整数，所述发射装置包括：

光源，所述光源具有N个发光单元组成的发光阵列，所述N个发光单元用于发射N束点光；

投射镜头，所述投射镜头的视场角等于所述目标视场角，所述投射镜头用于准直所述N束点光并将所述N束点光以所述目标视场角投射至所述目标对象以在所述目标对象上产生所述N个散斑组成的散斑阵列，每个所述N个散斑的功率等于产生每个所述散斑的发光单元的功率。

2.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述光源为垂直腔面发射激光器。

3.根据权利要求1或2所述的发射装置，其特征在于，所述发光阵列中靠近几何中心的发光单元的功率小于远离所述几何中心的发光单元的功率。

4.根据权利要求3所述的发射装置，其特征在于，所述发光阵列包括多个区域，所述多个区域中靠近所述几何中心的区域的发光单元的功率小于远离所述几何中心的区域的发光单元的功率。

5.根据权利要求4所述的发射装置，其特征在于，所述发光阵列包括：靠近所述几何中心的第一区域和远离所述几何中心的第二区域，所述第一区域的发光单元和所述第二区域的发光单元分别以第一功率和第二功率发射点光，所述第一功率小于所述第二功率。

6.根据权利要求5所述的发射装置，其特征在于，所述发光阵列为矩形发光区域，所述第一区域为以所述几何中心为圆心的椭圆形区域或圆形区域，所述第二区域为所述矩形发光区域除所述第一区域外的区域。

7.根据权利要求6所述的发射装置，其特征在于，所述椭圆形区域或所述圆形区域与所述矩形区域相切。

8.根据权利要求6所述的发射装置，其特征在于，所述第一区域的发光单元与所述第二区域的发光单元的数量比为336:242。

9.根据权利要求4所述的发射装置，其特征在于，所述光源包括：靠近所述几何中心的第一区域和远离所述几何中心的第三区域，以及位于所述第一区域和所述第三区域之间的第二区域，所述第一区域的发光单元、所述第二区域的发光单元和所述第三区域的发光单元分别以第一功率、第二功率和第三功率发射点光，所述第一功率小于所述第二功率，所述第二功率小于所述第三功率。

10.根据权利要求9所述的发射装置，其特征在于，所述发光阵列为矩形发光区域，所述第一区域为以所述几何中心为圆心的椭圆形区域或圆形区域，所述第二区域为以所述几何中心为中心且环绕所述椭圆形区域或所述圆形区域的环形区域，所述第三区域为所述矩形发光区域除所述第一区域与所述第二区域外的区域。

11.根据权利要求4-10中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述光源还包括与所述发光阵列的不同区域分别电连接的多个焊盘。

12.根据权利要求11所述的发射装置，其特征在于，所述发光单元的功率使得所述N个散斑经所述目标对象后产生的成像图像的相对照度差异小于预设阈值。

13.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器的发光孔径为5-8μm。

14.根据权利要求1或2所述的发射装置，其特征在于，所述投射镜头的焦距为1.2-1.4mm。

15.根据权利要求2或13所述的发射装置，所述垂直腔面发射激光器采用单结工艺加工。

16.根据权利要求1或2中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述投射镜头为塑胶材质。

17.根据权利要求1或2中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述投射镜头包括沿光轴方向前后排列的多个透镜，所述多个透镜用于准直所述N束点光并将所述N束点光投射至所述目标对象以在所述目标对象上产生所述N个散斑。

18.根据权利要求1或2中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述装置还包括：陶瓷基板，所述光源设置于所述陶瓷基板上。

19.根据权利要求1-18中任意一项所述的发射装置，其特征在于，所述N个发光单元均匀分布于所述发光阵列中。

20.根据权利要求1-18中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述N个发光单元组成的所述发光阵列包括多个发光子阵列，每个所述发光子阵列包括在所述发光子阵列中均匀分布的至少部分所述N个发光单元，所述发光子阵列之间具有与预设阈值相等的间距，所述间距内没有发光单元分布。

21.根据权利要求20所述的发射装置，其特征在于，所述多个发光子阵列的形状相同且每个所述发光子阵列包括数量相等的发光单元。

22.一种电子设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-21所述的TOF深度检测的发射装置，所述发射装置用于以目标视场角产生N个散斑，N为正整数，所述N个散斑用于投射至目标对象；

传感器，用于接收所述散斑经所述目标对象返回的光信号，并将所述返回的光信号转换为对应的电信号；

控制单元，用于根据所述电信号计算所述深度信息，以及根据所述深度信息对所述电子设备进行操作控制。

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