CN209894976U - 时间飞行深度相机及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种时间飞行深度相机及电子设备，时间飞行深度相机包括：发射模组，用于发射光束，包括：光源，所述光源包括阵列光源，所述阵列光源包括由至少一个第一子光源组成的第一子阵列光源以及由至少一个第二子光源组成的第二子阵列光源；采集模组，用于采集反射光束；处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，用于计算所述发射光束与所述反射光束之间的飞行时间。时间飞行相机具有较强的抗环境光能力，所有具有较高的测量精度；更进一步的，可以采用低功耗进行测量，节约能源。

Description

时间飞行深度相机及电子设备

技术领域

本实用新型涉及计算机技术领域，尤其涉及一种时间飞行深度相机及电子设备。

背景技术

时间飞行(Time of flight,TOF)深度相机通过测量光束在空间中的飞行时间来计算物体的距离，由于其具有精度高、测量范围大等优点被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。

传统的时间飞行深度相机系统包含一个光源以及相机，光源向目标空间发射泛光光束以提供照明，相机则对反射回的泛光光束进行成像，系统再通过计算光束由发射到反射接收所需要的时间来计算物体的距离。在利用时间飞行深度相机进行距离感测时，由于物体的反射率不同以及光束在传输过程中的损耗，再加上环境光的干扰，最终导致深度相机对不同距离物体进行测量时，其精度难以保证。

发明内容

本实用新型为了解决现有的问题，提供一种时间飞行深度相机及电子设备。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

一种时间飞行深度相机，包括：发射模组，用于发射光束，包括：光源，所述光源包括阵列光源，所述阵列光源包括由至少一个第一子光源组成的第一子阵列光源以及由至少一个第二子光源组成的第二子阵列光源；采集模组，用于采集反射光束；处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，用于计算所述发射光束与所述反射光束之间的飞行时间。

在本实用新型的一种实施例中，所述第一子阵列光源与所述第二子阵列光源交叉排列，所述第一子阵列光源与所述第二子阵列光源组成的光源排列图案为规则排列图案。

在本实用新型的又一种实施例中，所述光源是VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括半导体基底以及设置在基底上的多个VCSEL组成的阵列光源；所述第一子阵列光源和所述第二子阵列光源单独发光或同时发光产生泛光光束；所述第一子阵列光源包含的所述第一子光源和所述第二子阵列光源包含的所述第二子光源的数量相同或不同；所述第一子阵列光源的光束强度和所述第二子阵列光源的光束强度不同；所述第一子阵列光源的调制方式和所述第二子阵列光源的不同；所述调制方式包括：脉冲调制、连续正弦波调制。

在本实用新型的再一种实施例中，时间飞行深度相机还包括至少一个第三子光源组成的第三子阵列光源。

本实用新型提供一种电子设备，包括：如上所述的时间飞行深度相机。

本实用新型的有益效果为：提供一种时间飞行深度相机及电子设备，时间飞行相机具有较强的抗环境光能力，所有具有较高的测量精度；更进一步的，可以采用低功耗进行测量，节约能源。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的时间飞行深度相机的结构示意图。

图2是根据本实用新型一个实施例的发射模组示意图。

图3是根据本实用新型一个实施例的光源及其泛光光束示意图。

图4是根据本实用新型一个实施例的光源示意图。

图5是根据本实用新型一个实施例的时间飞行深度相机的成像方法示意图

其中，10-时间飞行深度相机，11-发射模组，12-采集模组，13-处理电路，20-物体，30-发射光束，40-反射光束，111-光源，112-光束均化器，121-阵列像素单元，122-透镜单元，201-光源，202-透镜，203-光束均化器，204-物体，301-第一子光源，302-第二光源，31-第一泛光光束，32-第二泛光光束，33-第三泛光光束，401-第一子光源，402-第二子光源，403-第三子光源。

具体实施方式

为了使本实用新型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，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，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该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实用新型提供了一种时间飞行深度相机，其具有较强的抗环境光能力，可以理解的是，本方案除了可以解决环境光干扰的问题，也可以解决其他问题，比如功耗高的问题等。

图1是根据本实用新型一个实施例的时间飞行深度相机示意图。时间飞行深度相机10包括发射模组11、采集模组12以及处理电路13，其中发射模组11提供发射光束30至目标空间中以照明空间中的物体20，至少部分发射光束30经物体20反射后形成反射光束40，反射光束40的至少部分被采集模组12采集，处理电路13分别与发射模组11以及采集模组12连接，同步发射模组11以及采集模组12的触发信号以计算光束由发射模组11发出并被采集模组12接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间t，进一步的，物体上对应点的距离D可由下式计算出：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速。

发射模组11包括光源111以及光束均化器112。光源111可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的光源阵列，光源所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在处理电路13的控制下向外发射光束，比如在一个实施例中，光源111在控制下以一定的频率发射脉冲光束，可以用于直接时间飞行法(Direct TOF)测量中,频率根据测量距离进行设定，比如可以设置成1MHz～100MHz，测量距离在几米至几百米；在一个实施例中，光源111在控制下其发射的光束振幅被调制以发射方波光束、正弦波光束等连续波光束，可以用于间接飞行时间法(Indirect TOF)测量中。可以理解的是，可以是处理电路13中的一部分或者独立于处理电路13存在的子电路来控制光源111发射相关的光束，比如脉冲信号发生器。

光束均化器112接收来自光源111的光束，并向外发射强度分布均匀的泛光光束。可以理解的是，这里的分布均匀是一个相对的概念，并非绝对的均匀，一般地视场边缘的光束强度稍低是被允许的，另外在中间用于成像区域的强度也可以一定的阈值内变化，比如可以允许有不超过15％或者10％等数值的强度变化。在一些实施例中，光束均化器112还用于将接收到的光束进行扩束，以扩大视场角。

处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中去，终端中的处理器可以作为该处理电路13的至少一部分。

采集模组12包括阵列像素单元121、透镜单元122，透镜单元122接收并将由物体反射回的至少部分泛光光束成像在至少部分所述阵列像素单元121上。阵列像素单元121可以是电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、雪崩二极管(AD)、单光子雪崩二极管(SPAD)等组成的阵列像素单元，阵列大小代表着该深度相机的分辨率，比如320x240等。一般地，与阵列像素单元121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。

在一些实施例中，时间飞行深度相机10还可以包括彩色相机、红外相机、IMU等器件，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3D纹理建模、红外人脸识别、SLAM等功能。

图2是根据本实用新型一个实施例的发射模组示意图。发射模组11包括光源201、透镜202以及光束均化器203，光源201在处理电路的控制下发射脉冲、方波或正弦波调制的光束，光束经透镜202的准直或聚焦后入射到光束均化器203，光束均化器203对入射的光束进行调制后向外发射泛光光束。

在一个实施例中，光束均化器203是漫射体(diffuser)，用于将光源201发射出的光束漫射后将外发射泛光；在一个实施例中，光束均化器203是衍射光学元件DOE，DOE对入射的光束进行衍射及扩束，并向目标空间中发射出泛光光束；

在一些实施例中，光束均化器203也可以包含微透镜阵列，微透镜阵列由多个微透镜单元排列而成，在一个实施例中，多个微透镜单元接收来自光源201的光束后生成与微透镜单元排列相应的阵列光束向外发射；在一个实施例中，光源201也包含与微透镜阵列中排列相对应的多个子光源，每个微透镜单元接收与之对应的子光源的光束并准直或聚焦后向外发射阵列光束。

在一个实施例中，光束均化器203也可以是漫射体、DOE、微透镜阵列等光学器件中至少两种的组合。

图3是根据本实用新型一个实施例的光源及其泛光光束示意图。发射模组中的光源为阵列光源，比如由边发射激光发射器、垂直腔面激光发射器(VCSEL)等激光器组成的激光阵列，在一个实施例中，光源为VCSEL阵列光源，其包括半导体基底以及设置在基底上的多个VCSEL组成的阵列光源。在一个实施例中，阵列光源包括由多个第一子光源301组成的第一子阵列光源以及多个第二子光源302组成的第二子阵列光源，图中为了以示区分，分别用圆形以及方形表示，该形状并不用于限定光源的实际形状。多个第一子光源301以及多个第二子光源302交叉排列以组成规则排列的阵列图案。多个第一子光源或者多个第二子光源可以被同一驱动器(图中未示出)驱动以同时发光。

当第一子阵列光源被驱动以发光时(图中黑色填充表示发光)，产生图中的第一泛光光束31；当第二子阵列光源被驱动以发光时，产生图中的第二泛光光束32；当第一子阵列光源301与第二子阵列光源302同时被驱动发光时，产生图中的第三泛光光束33，第三泛光光束33的光束强度高于第二泛光光束31以及第二泛光光束32。

在一个实施例中，第一子光源301与第二子光源302的数量相当且呈规则分布，所产生的泛光光束视场角近乎重叠。

在一个实施例中，第一子光源301与第二子光源302的数量不同，所产生的泛光光束视场角部分重叠。

在一个实施例中，第一子光源301的光束强度高于第二子光源302的光束强度，以至于所产生的第一泛光光束31的光束强度高于第二泛光光束32。

在一个实施例中，第一子光源301的光束频率与第二子光源302的光束频率不同，以至于所产生的第一泛光光束31的光束调制频率与第二泛光光束32的调制频率不同，使得第一泛光光束31与第二泛光光束32可以适用于不同的时间飞行测量。

在一个实施例中，第一子光源301的调制方式与第二子光源302的光束调制方式不同，比如其中一个是脉冲调制，另一个是连续正弦波调制，以至于所产生的第一泛光光束31的光束调制方式与第二泛光光束32的调制方式不同，使得第一泛光光束31与第二泛光光束32可以适用于不同的时间飞行测量，比如第一泛光光束31适用于远距离测量，而第二泛光光束32适用于近距离高精度测量。

可以理解的是，通过对规则阵列光源的分组设置，可以产生不同强度的泛光光束，由此可以实现不同距离的距离测量，比如近距离测量时采用低强度和/或连续泛光光束照明，在远距离测量时采用高强度和/或脉冲泛光光束照明。

图4是根据本实用新型一个实施例的光源示意图。在本实施例中，光源包括由多个第一子光源401(圆形表示)、第二子光源402(方形表示)以及第三子光源403(三角形表示)所组成的第一子阵列光源、第二子阵列光源以及第三子阵列光源，当第一子阵列光源、第二子阵列光源以及第三子阵列光源被单独打开或者同步打开时，可以产生至少7种泛光光束，相对于图3所示实施例中的3种泛光光束，通过增加子阵列光源的数量可以显著提升泛光光束的数量从而提升深度相机的测量范围。

可以理解的是，上述对时间飞行深度相机的光源的描述仅是示例性的，实际使用本实用新型的时间飞行深度相机时，可以根据需要选择规则排列的阵列光源的种类(可以不只是3种类)，然后选择每种阵列光源的子光源的数量，光束强度，光束频率，调制方式，以及驱动发光方式中至少一种的不同，实现时间飞行相机的光源可以发射出多种泛光光束，提升深度相机的测量范围。具体的，如何设置光源需要根据具体测量情况以及时间飞行深度相机的工作场景确定，但是在本实用新型的思路下设计的时间飞行深度相机都应该属于本实用新型的保护范围。

图5是根据本实用新型一个实施例的时间飞行深度相机的成像方法示意图。由于上述时间飞行深度相机具备多种强度、频率、调制方法的光源设置，从而使其具备多种距离、精度等的深度图像采集能力。在实际应用中，采用单一模式发射往往难以满足要求，比如当光源以固定的高功率的方式照明，测量距离虽然较远，但功耗高，而且可能感兴趣区域并非在远距离的位置上；或者以低功率的方式进行照明，此时则难以对远距离的物体进行测量。对此本实用新型的时间飞行深度相机提供一种基于阵列光源的时间飞行深度成像方法，包括以下步骤：

步骤501，控制光源阵列以第一模式向外发射光束，被测物体在光束照明下将反射部分光束进入采集模组；

步骤502，处理电路基于采集模组所采集的信息计算在第一模式照射下的目标信息，比如深度图像；

步骤503，处理电路基于所计算的目标信息，控制光源阵列以第二模式向外发射光束。

在一个实施例中，第一模式指的是光源阵列仅开启第一子阵列光源进行照明，此时照明强度相对较小，因此在这一模式下所获取的深度信息将会有较大的噪声或者对于较远的物体由于无法获取导致深度图像中有孔洞。处理电路将会对深度图像进行处理，比如噪声评价、孔洞识别等，一旦发现噪声或者孔洞等超过一定的阈值，就会控制光源阵列以更高的强度进行照明，即以第二模式进行照明，比如关闭第一子阵列光源、打开功率更高的第二子阵列光源或者同时打开第一子阵列光源以及第二子阵列光源等方式进行照明，随后在第二模式照明下计算目标信息。

在一个实施例中，第一模式指的是光源阵列仅开启第一子阵列光源进行照明，且第一子阵列光源以脉冲方式进行照明，在这一模式下所获取的深度信息距离范围较大、但沿深度方向的分辨率较低。处理电路将会对深度信息进行处理，比如对其中的目标进行识别，若判定目标较近时，就会控制光源阵列以第二模式，比如开启第二子阵列光源以连续波方式进行照明，以对近距离目标物体进行测量，可以获取更高的深度分辨率。

在一个实施例中，第一模式指的光源阵列或子阵列光源以第一频率进行照明，第二模式指的是光源阵列或子阵列光源以第二频率进行照明。

在一个实施例中，第一模式以及第二模式照明在单个帧周期内完成，即在帧周期开始的第一段时间中，先以第一模式进行照明，在随后的第二段时间中，处理电路计算目标信息并对目标信息进行处理，根据处理结果在第三段时间中以第二模式进行照明，最终获取在第二模式下的目标信息。

可以理解的是，以上说明仅针对两种模式，对于光源阵列可以发射更多种模式下的照明时，上述方法同样适用于多种模式。

可以理解的是，以上说明也仅是示例性的，实际本实用新型的时间飞行深度相机的成像方法不只是上述的方法，还可以包括其他任意可行的方法。只要采用本实用新型的时间飞行深度相机，不管采用怎样的原理去获取目标信息都应视为本实用新型的保护范围。

基于本实用新型的时间飞行深度相机可以应用于多种电子设备，电子设备是移动或便携式的并执行无线通信的各种类型的计算机系统设备中的任何一种，比如手机、电脑、电话、平板、PAD等；还可以是无线或有线的测距设备或系统，比如无人机，定位基站，测距系统等。可以理解的是，此处仅为列举，并非穷举也并非对本实用新型的限制，实际上，任何采用本实用性的时间飞行深度相机的硬件都应该属于本实用新型的保护范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种时间飞行深度相机，其特征在于，包括：

发射模组，用于发射光束，包括：光源，所述光源包括阵列光源，所述阵列光源包括由至少一个第一子光源组成的第一子阵列光源以及由至少一个第二子光源组成的第二子阵列光源；

采集模组，用于采集反射光束；

处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，用于计算所述发射光束与所述反射光束之间的飞行时间。

2.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述第一子阵列光源与所述第二子阵列光源交叉排列，所述第一子阵列光源与所述第二子阵列光源组成的光源排列图案为规则排列图案。

3.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述光源是VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括半导体基底以及设置在基底上的多个VCSEL组成的阵列光源。

4.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述第一子阵列光源和所述第二子阵列光源单独发光或同时发光产生泛光光束。

5.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述第一子阵列光源包含的所述第一子光源和所述第二子阵列光源包含的所述第二子光源的数量相同或不同。

6.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述第一子阵列光源的光束强度和所述第二子阵列光源的光束强度不同。

7.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述第一子阵列光源的调制方式和所述第二子阵列光源的不同。

8.如权利要求7所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述调制方式包括：脉冲调制、连续正弦波调制。

9.如权利要求1-8任一所述的时间飞行深度相机，其特征在于，还包括至少一个第三子光源组成的第三子阵列光源。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求1-9任一所述的时间飞行深度相机。

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