CN116567391A - 具有图像传感器和三维传感器的相机模块 - Google Patents

具有图像传感器和三维传感器的相机模块 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种具有图像传感器和三维传感器的相机模块。相机模块包括图像传感器、三维(3D)传感器、预处理器和致动器控制器。预处理器可以适合于从图像传感器接收图像信息，基于图像信息产生自动聚焦控制信号，以及将自动聚焦控制信号提供给致动器控制器。致动器控制器可以适合于接收自动聚焦控制信号，基于自动聚焦控制信号来产生致动器驱动信号，以及将致动器驱动信号提供给3D传感器。3D传感器可以适合于基于致动器驱动信号来调节视场(FOV)。

Description

具有图像传感器和三维传感器的相机模块
本申请是于2020年10月10日向中华人民共和国国家知识产权局提交的申请号为202011078311.1、发明名称为“具有图像传感器和三维传感器的相机模块”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开的各个实施例总体而言涉及一种具有图像传感器和三维传感器的相机模块以及包含该相机模块的相机系统。
背景技术
近来，诸如移动设备的便携式相机模块通过另外引入三维(3D)传感器已实现更有立体感的图像。作为一种3D传感器的飞行时间(ToF，time of flight)传感器已受到关注。ToF传感器向物体发射红外线激光，接收从物体反射的激光束，并测量它们之间的时间差以获得物体的3D信息。ToF传感器可以感测到的3D信息的最大有效距离取决于激光功率。例如，激光功率越高，ToF传感器可以越精确地感测位于远距离处的物体的3D信息。然而，特别是在移动设备中使用的3D传感器的激光功率由于功耗(即，电池的性能和眼睛安全性)的限制而不能充分增大。当ToF传感器的激光发射角被减小以增大每单位面积的激光功率时，照明范围(FOI，field of illumination)变窄，因此有效视场(FOV，field of view)也变窄。在这种情况下，位置靠近的物体和较大的物体在FOI或FOV范围之外，因此无法获得整个图像。相反，当为了确保宽的有效FOV而增大ToF传感器的激光发射角时，由于每单位面积的激光功率减小(即，噪音分量增大)，因此难以获得有效的3D信息。
发明内容
本公开的各个实施例针对一种三维传感器，其中，激光发射角根据相机模块与物体之间的距离而被调节。
本公开的各个实施例针对一种具有自动聚焦功能和根据相机模块与物体之间的距离的激光发射角调节功能的相机模块。
本公开的各个实施例针对一种相机模块和一种相机系统，该相机模块和相机系统包括三维(3D)传感器，具有根据相机模块和物体之间的距离、基于图像传感器的自动聚焦控制信号的激光发射角调节功能。
本公开的这些技术特征不限于上述实施例，并且本公开所属的领域的技术人员可以从以下详细描述中理解本文中未描述的其他技术特征。
根据一个实施例，一种相机模块可以包括第一传感器、第二传感器、预处理器以及致动器控制器。预处理器可以适合于从第一传感器接收图像信息，基于图像信息来产生自动聚焦控制信号，以及将自动聚焦控制信号提供给致动器控制器。致动器控制器可以适合于接收自动聚焦控制信号，基于自动聚焦控制信号来产生致动器驱动信号，以及将致动器驱动信号提供给第二传感器。第二传感器可以适合于基于致动器驱动信号来调节视场(FOV)。
第二传感器可以包括：光源，其设置在基板上；漫射器，其设置在光源上；以及致动器。致动器可以适合于基于致动器驱动信号来调节光源与漫射器之间的距离。
致动器可以包括壳体和载体。载体可以支撑和移动漫射器。
壳体可以包围光源、漫射器和载体。
壳体可以包括驱动线圈。载体可以包括磁体。
驱动线圈的数量可以等于或大于三个。
漫射器可以是单层并且具有固定的激光发射角。
根据一个实施例，一种相机系统可以包括：图像传感器，其被配置为捕获图像信息；三维(3D)传感器，其被配置为获得3D信息；预处理器，其被配置为基于从图像传感器接收到的图像信息来产生自动聚焦控制信号；致动器控制器，其被配置为基于从预处理器接收的自动聚焦控制信号来产生致动器驱动信号；图像信号处理器，其被配置为基于从图像传感器接收到的图像信息和从3D传感器接收到的3D信息来产生图像数据；存储器单元，其被配置为储存图像数据；以及显示单元，其被配置为基于图像数据来显示视觉图像。3D传感器可以包括：光源；漫射器；以及致动器，其被配置为基于致动器驱动信号来调节光源与漫射器之间的距离。
致动器控制器可以产生自动聚焦驱动信号，并将自动聚焦驱动信号提供给图像传感器。图像传感器可以基于自动聚焦驱动信号来执行自动聚焦操作。
致动器可以包括壳体和载体。壳体可以具有驱动线圈。载体可以具有磁体。壳体可以包围光源和漫射器。载体可以支撑和移动漫射器。
漫射器可以是单层并且具有固定的激光发射角。
根据一个实施例，三维(3D)传感器可以包括：光源，其设置在基板上；漫射器，其设置在光源上；以及致动器。致动器可以包括：壳体；以及载体，其被配置为支撑和移动漫射器。
载体可以被配置为移动漫射器以将光源与漫射器之间的距离调节至少三个水平。
壳体可以包围光源、漫射器和载体。
漫射器可以通过载体与光源间隔开各种距离。
基板可以包括印刷电路板(PCB)。
光源可以包括半导体激光二极管。
壳体可以包括驱动线圈，并且载体可以包括磁体。
驱动线圈可以包括被配置成将载体拉动至低位置的底部驱动线圈和被配置成将载体拉动至高位置的顶部驱动线圈。
漫射器可以是单层并且具有固定的激光发射角。
根据一个实施例，相机系统的操作方法可以包括：通过图像传感器产生物体的聚焦图像信息；基于对物体的聚焦信息来产生控制信号，该聚焦信息从聚焦图像信息获得；通过根据控制信号而调节ToF传感器的视场(FOV)来经由飞行时间(ToF)传感器产生物体的3D信息；以及基于聚焦图像信息和3D信息来产生3D图像。
其他实施例的具体细节被包括在以下详细描述和附图中。
附图说明
图1A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的相机系统的框图。
图1B是简要示出根据本公开的一个实施例的相机模块的框图。
图2A至图2E是示意性地示出根据本公开的一个实施例的相机模块的示图。
图3A和图3B是示意性示出根据本公开的一个实施例的三维传感器的配置的俯视图和纵向截面图。
图4A至图4C是示出根据本公开的一个实施例的三维传感器的载体在多级中上下移动的示图。
图5A和图5B是示出三维传感器的视场(FOV)根据物体与相机模块之间的距离而改变的示图。
图6A是示出根据本公开的一个实施例的调节三维传感器的视场(FOV)的方法的流程图。
图6B是示出根据本公开的一个实施例的通过调节三维传感器的视场(FOV)来获得三维图像的方法的流程图。
图7是示意性地示出根据本公开的一个实施例的具有相机模块的各种相机系统的示图。
具体实施方式
图1A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的相机系统1000的框图。
参考图1A，根据本实施例的相机系统1000可以包括：第一传感器111、第二传感器112、第一预处理器121、第二预处理器122、致动器(actuator)控制器130、图像信号处理器140、中央处理单元150、存储器单元160、音频单元170和显示单元180。
第一传感器111可以包括各种类型的传感器，例如图像传感器。例如，第一传感器111可以包括CMOS图像传感器。第二传感器112可以包括各种类型的传感器，例如，三维(3D)传感器。例如，第二传感器112可以包括飞行时间(ToF)传感器。
第一预处理器121可以从第一传感器111接收初始图像信息，从初始图像信息中去除噪音(noise)，以及产生用于自动曝光和自动聚焦的自动聚焦控制信号。自动聚焦控制信号可以被提供给致动器控制器130。在第一传感器111的自动聚焦操作被完全执行之后，第一预处理器121可以从第一传感器111接收有效图像信号，从有效图像信号中去除噪音，并将处理后的有效图像信息提供给图像信号处理器140。
第二预处理器122可以接收3D信息，从3D信息中去除噪音，以及将处理后的3D信息提供给图像信号处理器140。
致动器控制器130可以基于从第一预处理器121接收到的自动聚焦控制信号来产生自动聚焦驱动信号。自动聚焦驱动信号可以被提供给第一传感器111。第一传感器111可以基于接收到的自动聚焦驱动信号来执行自动聚焦操作。例如，第一传感器111可以通过放大或缩小来执行自动聚焦操作。
致动器控制器130可以基于从第一预处理器121接收到的自动聚焦控制信号来产生致动器驱动信号。致动器驱动信号可以被提供给第二传感器112。第二传感器112可以基于致动器驱动信号来执行视场(FOV)调节操作。下面将描述第二传感器112的FOV调节操作。
图像信号处理器140可以处理分别从第一预处理器121和第二预处理器122接收到的图像信息和3D信息，并产生图像数据。
中央处理单元150可以控制图像信号处理器140、存储器单元160、音频单元170和显示单元180。中央处理单元150可以将图像数据提供给存储器单元160。存储器单元160可以储存图像数据。另外，存储器单元160可以再次将所储存的图像数据提供给中央处理单元150。存储器单元160可以包括存储器控制器、DRAM或快闪存储器中的至少一种。
音频单元170可以包括音频控制器。音频单元170可以基于图像数据来输出语音和声音。
显示单元180可以包括显示控制器和显示面板。显示单元180可以基于图像数据来显示视觉图像。
图1B是简要示出根据本公开的一个实施例的相机模块100的框图。
参考图1B，根据一个实施例的相机模块100可以包括图像传感器111、3D传感器112和致动器控制器130。图像传感器111可以包括CMOS图像传感器，而3D传感器112可以包括ToF传感器。致动器控制器130可以从图像传感器111接收针对物体的焦点信息，并且将焦点信息传送到3D传感器112。3D传感器112的视场(FOV)可以根据接收到的焦点信息而被调节。例如，3D传感器112的FOV可以根据从图像传感器111接收到的焦点信息而被扩展或变窄。
图2A至图2E是示意性地示出根据本公开的实施例的相机模块100A至100E的示图。
参考图2A，根据一个实施例的相机模块100A可以包括并排设置的图像传感器111和3D传感器112。
参考图2B，根据一个实施例的相机模块100B可以包括两个图像传感器111a和111b以及3D传感器112，它们以三角形的形状并排设置。例如，两个图像传感器111a和111b可以被设置在3D传感器112之上。在一个实施例中，两个图像传感器111a和111b可以被设置在3D传感器112之下。
参考图2C，根据一个实施例的相机模块100C可以包括两个图像传感器111a和111b以及3D传感器112，它们在相同方向上并排设置。例如，3D传感器112可以被设置在图像传感器111a和111b之间。尽管图像传感器111a和111b以及3D传感器112在行方向上并排设置，但是图像传感器111a和111b以及3D传感器112也可以在列方向上并排设置。例如，图像传感器111a可以被设置在3D传感器112之上，而图像传感器111b可以被设置在3D传感器112之下。
参考图2D和图2E，根据各个实施例的相机模块100D和100E可以包括在列方向上并排设置的多个图像传感器111a、111b和111c，以及在行方向上与图像传感器111a、111b和111c中的任意一个相邻布置的3D传感器112。例如，图像传感器111a、111b和111c以及3D传感器112可以被布置成T形或L形。
在图2B至图2E中，图像传感器111a、111b和111c以及3D传感器112的位置可以被不同地改变。另外，根据本公开的各种实施例，相机模块100可以包括四个或更多个图像传感器111和/或两个或更多个3D传感器112。
图3A和图3B是示意性地示出根据本公开的一个实施例的3D传感器112的配置的俯视图和纵向截面图。
参考图3A和图3B，根据一个实施例的3D传感器112可以包括安装在基板10上的光源20、漫射器30和致动器40。
基板10可以包括PCB(印刷电路板)、FPCB(柔性PCB)、玻璃、陶瓷或具有诸如硅层的电路布线的板。在一个实施例中，基板10可以包括PCB。
光源20可以包括能够发射垂直腔面发射激光(VCSEL，vertical cavity surfaceemitting laser)的半导体激光二极管。
漫射器30可以将从光源20传送的激光发射到外部。例如，漫射器30可以以80°至150°的各种角度发射光。漫射器30可以具有固定的视场(FOV)θ。为了促进对本公开的理解，尽管可以使用其他光角度，但是假定从光源20发射到漫射器30的激光L是直光。在一个实施例中，漫射器30可以具有单层。例如，当漫射器30具有多层时，由于激光L的损失而难以获得合适的3D信息。换句话说，本公开的各种实施例涉及移动单层的漫射器30。
致动器40可以移动漫射器30。例如，致动器40可以通过在垂直方向上移动漫射器30来调节光源20与漫射器30之间的距离D。
致动器40可以包括壳体41和载体45。壳体41可以包围光源20、漫射器30和载体45。壳体41可以保护光源20、漫射器30和载体45不受外部物理和化学损害。在一个实施例中，壳体41可以包括金属、陶瓷、塑料或聚合树脂中的一种。壳体41可以包括驱动线圈42。载体45可以支撑和移动漫射器30。载体45可以包括磁体46。当在驱动线圈42上施加电压时，壳体41中的驱动线圈42可以是磁性的。磁性驱动线圈42可以拉动磁体46，并且载体45可以上下移动。
图4A至图4C是示出根据本公开的一个实施例的3D传感器112的载体45在多个水平中上下移动的示图。在本实施例中，壳体41可以具有三个驱动线圈42b、42t和42m，因此载体45可以定位在三个水平处。在一些实施例中，致动器40可以具有更大数量的驱动线圈42、42b、42t和42m。
参考图4A，当3D传感器112与物体之间的距离更近时，漫射器30可以被定位成靠近光源20。例如，当相机模块100与物体之间的距离短时，致动器控制器130可以根据由图像传感器111提供的自动聚焦控制信号来向底部线圈42b提供电压和电流。磁体46可以被磁性底部线圈42b拉动，因此漫射器30可以被定位在最低水平处。光源20与漫射器30之间的第一距离D1可以是漫射器30能与光源20间隔开的最小距离。因此，3D传感器112的第一FOVθ1可以具有最大角度。即，3D传感器112可以具有最宽的FOVθ1。
参考图4B，当3D传感器112与物体之间的距离远时，漫射器30可以被定位为远离光源20。例如，当相机模块100与物体之间的距离远时，致动器控制器130可以根据由图像传感器111提供的自动聚焦控制信号来向顶部线圈42t提供电压和电流。磁体46可以被磁体顶部线圈42t拉动，因此漫射器30可以被定位在最高水平处。光源20与漫射器30之间的第二距离D2可以是漫射器30能与光源20间隔开的最大距离。因此，3D传感器112的第二FOVθ2可以具有最小角度。即，3D传感器112可以具有最窄的FOVθ2。
参考图4C，当3D传感器112与物体之间的距离为中间时，漫射器30可以被定位在离光源20的最小间隔距离(即，D1)与最大间隔距离(即，D2)之间的中途(midway)。例如，当相机模块100和物体之间的距离是中间时，致动器控制器130可以基于由图像传感器111提供的自动聚焦控制信号而向中间线圈42m施加电压和电流。磁体46可以被磁性中间线圈42m拉动，因此漫射器30可以被定位在低水平与高水平之间的中间水平。因此，3D传感器112的第三FOVθ3可以具有中间角度。即，3D传感器112可以具有中值FOVθ3。
图5A和图5B是示出3D传感器112的FOV根据物体Ob与相机模块100之间的距离而改变的示图。
参考图5A和图5B，当物体Ob相对靠近相机模块100时，即，当物体Ob与相机模块100之间的距离相对较短时，3D传感器112可以具有相对较大的FOV。当物体Ob相对远离相机模块100时，即，当物体Ob与相机模块100之间的距离相对较长时，3D传感器112可以具有相对较小的FOV。如所描述的，当物体Ob与相机模块100之间的距离相对短时，从3D传感器112发射的激光的密度可以减小，但是3D传感器112可以具有更宽的FOV。另外，当物体Ob与相机模块100之间的距离相对较长时，3D传感器112的FOV可以变窄，但是从3D传感器112发射的激光的密度可以增大。为了易于理解，图5A和图5B示出了调节3D传感器112的数值孔径(NA，numerical aperture)的大小。
图6A是示出根据本公开的一个实施例的调节3D传感器112的FOV的方法的流程图。
参考图1至图6A，该方法可以包括：
使用第一相机(即，图像传感器111)捕获物体的图像信息(S10)，
将所捕获的图像信息提供给预处理器121(S20)，
基于图像信息来使用预处理器121产生自动聚焦控制信号以驱动3D传感器的漫射器30(S30)，
将自动聚焦控制信号提供给致动器控制器130(S40)，
使用致动器控制器130产生致动器驱动信号以驱动第二相机(即，3D传感器112的漫射器30)(S50)，
将致动器驱动信号提供给3D传感器112的致动器40(S60)，以及
通过基于致动器驱动信号而使用致动器40移动漫射器30来调节3D传感器112的FOV(S70)。
图6B是示出根据本公开的实施例的通过调节3D传感器112的FOV来获得3D图像的方法的流程图。
参考图1至图6B，该方法可以包括：
使用第一相机(即，图像传感器111)捕获物体的图像信息(S10)，
将所捕获的图像信息提供给预处理器121(S20)，
基于图像信息来使用预处理器121产生自动聚焦控制信号以驱动3D传感器的漫射器30(S30)，
将自动聚焦控制信号提供给致动器控制器130(S40)，
使用致动器控制器130产生致动器驱动信号以驱动第二相机(即，3D传感器112的漫射器30)(S50)，
将致动器驱动信号提供给3D传感器112的致动器40(S60)，
通过基于致动器驱动信号而使用致动器40移动漫射器30来调节3D传感器112的FOV(S70)，
使用3D传感器112获得物体的3D信息，并将3D信息提供给图像信号处理器140(S80)，
通过使用图像信号处理器140处理由图像传感器111提供的图像信息和由3D传感器112提供的3D信息来产生3D图像数据(S90)，以及
储存和/或显示3D图像数据(S100)。
图7是示意性地示出根据本公开的一个实施例的具有相机模块100的相机系统1000的示图。
参考图7，根据一个实施例的相机系统1000可以包括在图1至图5B的任意一个中示出的相机模块100。在图7中，相机系统1000被图示为移动电话作为示例。根据各种实施例，相机系统1000可以包括例如移动电话、平板电脑、数字相机、闭路电视或其他各种图像获取系统。图7示出了图2A所示的相机模块100A。在一些实施例中，相机系统1000可以包括图2B至图2E所示的各种相机模块100B至100E。另外，相机模块100A可以被设置在相机系统1000中的各个位置。
根据本公开的实施例，由于3D传感器的激光发射角根据相机模块与物体之间的距离而被调节，因此可以在不增大激光功率的情况下获得合适的3D信息。
根据本公开的实施例，即使相机模块与物体之间的距离被改变，3D传感器的激光密度也可以被保持为相对均匀。
根据本公开的实施例，3D传感器的FOV可以基于图像传感器的焦点信息而被快速地调节。
根据本公开的实施例，由于基于图像传感器的焦点信息来调节3D传感器的FOV，因此可以简化相机模块的结构。
上面已经参考附图描述了本公开的实施例。然而，本公开所属领域的技术人员将认识到，可以以其他特定形式来实现本发明，而不改变其技术精神或必要特征。因此，尽管已经关于特定实施例示出和描述了本公开，但是所公开的实施例不旨在是限制性的。
本文中已经公开了实施例的示例，并且尽管采用了特定术语，但是这些术语仅以一般性和描述性意义进行使用并且解释，而不是出于限制性目的。在一些情况下，对本领域普通技术人员而言显而易见的是，自本申请的申请日起，结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，也可以与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元素组合使用，除非另外特别指出。因此，本领域技术人员将理解，可以在形式和细节上进行各种改变而不背离如所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。

Claims (8)

1.一种三维传感器，包括：
光源，其被设置在基板上；
漫射器，其被设置在所述光源上；以及
致动器，
其中，所述致动器包括：
壳体；以及
载体，其被配置为支撑和移动所述漫射器，
其中，所述壳体包括驱动线圈，并且所述载体包括磁体。
2.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述载体被配置为移动所述漫射器以将所述光源与所述漫射器之间的距离调节至少三个水平。
3.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述壳体包围所述光源、所述漫射器和所述载体。
4.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述漫射器通过所述载体与所述光源间隔开各种距离。
5.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述基板包括印刷电路板。
6.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述光源包括半导体激光二极管。
7.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述驱动线圈包括被配置为将所述载体拉动至低位置的底部驱动线圈和被配置为将所述载体拉动至高位置的顶部驱动线圈。
8.根据权利要求1所述的三维传感器，其中，所述漫射器是单层并且具有固定的激光发射角。
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