CN211505897U - Tof模块、三维扫描装置及以及电子装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三维扫描装置及其TOF模块，转动第一光学组件可改变光脉冲信号的传播方向，从而使光发射器的视场角发生变化，第二光学组件同步转动则可保证光传感器能够接收到反射脉冲信号。随着第一光学组件转动，光发射器会依次从多个不同的视场角投射出光脉冲信号，而光传感器也可相应接收到多个不同视场角的反射脉冲信号。进一步的，处理器可获取到多组时间差，进而得到多组待测物体的点云。通过将多组点云叠加，便可获得待测物体的三维信息，故每组点云内允许存在部分缺失。也就是说，光发射器发出的光脉冲信号无需一次性覆盖待测物体。因此，光发射器的发射功率可相应缩小，能效可得到提升。此外，本实用新型还提供一种电子装置。

Description

TOF模块、三维扫描装置及以及电子装置

技术领域

本实用新型涉及光学测量技术领域，特别涉及一种TOF模块、三维扫描装置以及电子装置。

背景技术

TOF(Time of flight)，即飞行时间测距技术，在非接触光学三维测量领域是一种常见的测量方式。TOF技术的原理是，通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。TOF技术具有精度高、相应速度快等优势，故被广泛应用。然而，现有的TOF模块在应用于3D重构时还存在若干缺陷。譬如，为了使得扫描精度符合要求，一般是需增强光发射器的发射功率，而这又会导致TOF模块的能效偏低。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有TOF模块能效较低的问题，提供一种能效较高的TOF模块、三维扫描装置以及电子装置。

一种TOF模块，包括：

光发射器；

第一光学组件，所述光发射器发出的光脉冲信号可经所述第一光学组件投射于待测物体；

光传感器；及

第二光学组件，所述光脉冲信号经所述待测物体反射形成的反射脉冲信号可穿过所述第二光学组件，并由所述光传感器接收；

其中，所述第一光学组件及所述第二光学组件分别绕相互平行的第一转轴及第二转轴可同步旋转，以改变所述光脉冲信号及所述反射脉冲信号的传播方向。

在其中一个实施例中，所述光脉冲信号及所述反射脉冲信号分别在所述第一光学组件及所述第二光学组件内发生光反射。

在其中一个实施例中，所述第一光学组件及所述第二光学组件均为棱镜，所述第一光学组件的两个侧面分别构成第一入射面及第一出射面，所述第一转轴平行于所述第一入射面和所述第一出射面并垂直于所述光发射器的中心轴；所述第二光学组件的两个侧面分别构成第二入射面及第二出射面，所述第二转轴平行于所述第二入射面和所述第二出射面并垂直于所述光传感器的中心轴。

在其中一个实施例中，所述第一入射面垂直于所述第一出射面，所述第二入射面垂直于所述第二出射面，所述光发射器的发射端与所述光传感器的接收端相对设置，所述第一光学组件及所述第二光学组件位于所述光发射器与所述光传感器之间，且所述第一入射面朝向所述光发射器的发射端，所述第二出射面朝向所述光传感器的接收端。

在其中一个实施例中，所述第一光学组件包括连接所述第一入射面和所述第一出射面，且平行于所述第一转轴的第一反射面，所述第一反射面位于所述第一光学组件的内部；所述第二光学组件包括连接所述第二入射面和所述第二出射面，且平行于所述第二转轴的第二反射面，所述第二反射面位于所述第二光学组件的内部。

在其中一个实施例中，所述第一光学组件和所述第二光学组件为的反射片，所述第一转轴平行于所述第一光学组件的反射面且垂直于所述光发射器的中心轴，所述第二转轴平行于所述第二光学组件的反射面且垂直于所述光传感器的中心轴。

在其中一个实施例中，还包括驱动件，所述驱动件用于驱动所述第一光学组件绕所述第一转轴转动，及驱动所述第二光学组件绕所述第二转轴转动。

一种三维扫描装置，包括：

如上述优选实施例中任一项所述的TOF模块；及

处理器，与所述光发射器及所述光传感器电连接，所述处理器用于获取所述光发射器投射所述光脉冲信号与所述光传感器接收所述反射脉冲信号的时间差，并将根据所述时间差获取所述待测物体的三维信息。

在其中一个实施例中，所述处理器还用于控制所述第一光学组件及所述第二光学组件在预设角度范围内转动。

上述TOF模块及三维扫描装置，转动第一光学组件可改变光脉冲信号的传播方向，从而使光发射器的视场角发生变化，第二光学组件同步转动则可保证光传感器能够接收到反射脉冲信号。随着第一光学组件转动，光发射器会依次从多个不同的视场角投射出光脉冲信号，相应的光传感器也会接收到多个不同视场角的反射脉冲信号。进一步的，处理器可获取到多组时间差，进而得到多组待测物体的点云。通过将多组点云叠加，便可获得待测物体的三维信息。也就是说，光发射器发出的光脉冲信号无需一次性覆盖待测物体。因此，光发射器的发射功率可相应缩小，能效可得到提升。

一种电子装置，包括如上述优选实施例中任一项所述的三维扫描装置。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例中TOF模块的模块示意图；

图2为图1所示TOF模块的视场角发生变化的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实用新型提供了一种TOF模块100。此外，本实用新型还提一种三维扫描装置(图未示)及电子装置(图未示)。其中，三维扫描装置包括处理器(图未示)及TOF模块100。

借助该三维扫描装置，电子装置可对待测物体的表面进行扫描，从而获得待测物体表面的三维数据，实现3D重构。其中，TOF模块100可应用于测绘领域、生物识别等领域。例如，门禁系统及手持终端中广泛应用的面部识别、指纹识别。对应的，电子装置可以是激光三维扫描仪，也可是带面部识别或指纹识别功能的手机。对于手机而言，处理器可以是CPU。

请参阅图1及图2，本实用新型较佳实施例中的TOF模块100包括光发射器110、第一光学组件120、光传感器130及第二光学组件140。处理器分别与光发射器110及光传感器130电连接。

光发射器110用于向待测物体发射光脉冲信号。光脉冲信号一般包含多束光束，每束光束均可在待测物体表面发生反射。此外，为了提升抗干扰能力，具体在本实施例中，光脉冲信号为红外光信号。在处理器的控制下，光发射器110可按预设的频率发出光脉冲信号，且处理器可记录每个光脉冲信号的发出时间。光发射器110发出的光脉冲信号可进入第一光学组件120，并经第一光学组件120的中转后最终投射于待测物体。

第一光学组件120可通过光折射、光反射或者光折射与反射结合的方式，来改变光线的传播路径，从而改变光脉冲信号的投射路径。进一步的，第一光学组件120绕第一转轴(图未示)可旋转。第一光学组件120转动时，光脉冲信号的入射角将随之变化，进而最终改变光脉冲信号的传播方向。因此，随着第一光学组件120的转动，光发射器110的视场角(FOV)将不是固定的，而是会相应发生变化。

请参阅图2，第一光学组件120在每个特定的角度下，光发射器110都对应一个视场角。当第一光学组件120连续转动时，光发射器110的视场角将随之移动，从而覆盖更大的范围。

譬如，第一光学组件120可在相对于初始位置在正负5度的范围内转动。对应的，光发射器110的视场角也将相对于初始位置的视场角在正负5度的范围内连续变化。

光传感器130用于接收及光脉冲信号经待测物体反射形成的反射脉冲信号。第二光学组件140与第一光学组件120的结构及功能可以完全相同。反射脉冲信号可穿过第二光学组件140，并由光传感器130接收。

与第一光学组件120相同，第二光学组件140也可通过光折射、光反射或者光折射与反射结合的方式，来改变反射脉冲信号的传播方向。进一步的，第二光学组件140可绕第二转轴与第一光学组件120同步旋转。而且，第二转轴平行于第一转轴。第二光学组件140转动时，光传感器130接收的视场角也是不断变化的，以与光发射器110不断变化的视场角相匹配，从而使得光传感器130始终能顺利接收到光脉冲信号反射形成的反射脉冲信号。

为了提升TOF模块100的可靠性，光发射器110、第一光学组件120、光传感器130及第二光学组件140可封装于壳体内。在本实施例中，TOF模块100还包括驱动件(图未示)，驱动件用于驱动第一光学组件120绕第一转轴转动，以及驱动第二光学组件140绕第二转轴转动。此时，驱动件也可封装于壳体。

需要指出的是，TOF模块100中也可不包括上述驱动件，而利用三维扫描装置中固有的驱动机构实现驱动。例如，当TOF模块100应用于手持终端时，TOF模块100驱动件的功能可由摄像头实现变焦的音圈马达替代实现。

处理器用于获取光发射器110投射光脉冲信号与光传感器130接收反射脉冲信号的时间差。进一步的，处理器根据时间差获取待测物体的三维信息。具体的，通过将时间差与光速相乘，可得到光脉冲信号中每束光的飞行距离，再通过对飞行距离的差异进行分析便可得到待测物体的点云，完成3D重构。

随着第一光学组件120转动，光发射器110会依次从多个不同的视场角投射出光脉冲信号，而光传感器130则会接收到多个不同视场角的反射脉冲信号。

进一步的，处理器可获取到多组时间差，而每组时间差均可均可获得一组点云，故可得到多组待测物体的点云。通过将多组点云叠加，便可获得待测物体的三维信息。也就是说，光发射器110发出的光脉冲信号无需一次性覆盖待测物体。因此，光发射器110的能量可相对集中而无须全面性发射，其发射功率可相应缩小，能效可得到提升。

在本实施例中，处理器还用于还用于控制第一光学组件120及第二光学组件140在预设角度范围内转动。

具体的，针对不同的扫描场景，第一光学组件120及第二光学组件140的转动角度可调，从而使得光发射器110及光传感器130的视场角位于预设视角范围内。此时，光脉冲信号集中对应着待测物体表面的特定区域。因此，该特定区域将反射更多的光束，从而得到该特定区域更多组的点云数据。由于点云的密度增加，故使得对该特定区域的重构更精细。

待测物体的表面有可能具有特征密集区域及特征稀疏区域。特征密集区域，指的是表面结构复杂、特征点分布较多的区域。特征稀疏区域，指的是表面较平衍、结构简单、特征点分布较少的区域。以人脸为例，三角区由于凹凸不平，结构相对立体且复杂，故三角区则认为是人脸的特征密集区域；而额头近似于平面，结构相对简单，故额头可认为是人脸的特征稀疏区域。

显然，针对特征密集区域，需要更密集的点云数据才能实现精细的3D重构。因此，可对上述预设角度范围进行设置，使得光发射器110发出的光脉冲信号的投射方向刚好集中于待测物体表面的特征密集区域，从而实现对特征密集区域精细的3D重构。

譬如，依然假设第一光学组件120的可转动范围为正负5度。对人脸扫描时，发现三角区域集中在光发射器110视场角正负1度的范围内。因此，可将正负1度设置为“预设范围”。这样，光脉冲信号的投射方向刚好集中于三角区域，从而获得更多组点云数据，从而有效地提升了针对人脸三角区的3D重构精度。

进一步的，在本实施例中，处理器还用于根据用户的交互操作确定预设角度范围。

具体的，在不同待测物体的表面，其特定区域(一般指特征密集区域)的位置是变化的。因此，根据用户的交互操作对上述预设角度范围进行实时调整，可保证光发射器110发出的光脉冲信息始终集中于待测物体表面的特定区域，从而保证3D重构的精度。

例如，用户可通过手机屏幕界面选取待侧物体的特定区域。进一步的，处理器将接收用户的交互操作，并将其转化成角度信息，得到上述预设角度范围。需要指出的是，在其他实施例中，三维扫描装置也可自动识别待侧物体的特定区域的边界，并使处理器自动生成上述预设角度范围。

如前所述，第一光学组件120及第二光学组件140可以通过对光线进行反射、折射或者同时进行反射或折射的方式，来改变光脉冲信号以及反射脉冲信号的传播路线。在本实施例中，光脉冲信号及反射脉冲信号分别在第一光学组件120及第二光学组件140内发生光反射。

具体的，上述光反射包括全反射的情况。第一光学组件120及第二光学组件140可以是单独的反射镜片，也可是多个反射镜片按预设规则排列成的镜片组合，或者是具备全反射面的透镜。由于反射只改变光线的传播路径，不会导致导致光脉冲信号发生色散。因此，通过反射，可有效地避免光脉冲信号及反射脉冲信号在传播过程中产生干扰光，以保证上述TOF模块100的测量精度。

在本实施例中，第一光学组件120及第二光学组件140均为棱镜。其中，第一光学组件120的两个侧面分别构成第一入射面及第一出射面，第一转轴平行于第一入射面和第一出射面并垂直于光发射器110的中心轴。第二光学组件140两个侧面分别构成第二入射面及第二出射面，第二转轴平行于第二入射面和第二出射面并垂直于光传感器130的中心轴。

具体的，光脉冲信号经第一入射面进入第一光学组件120，并由第一出射面投射到待测物体。而产生的反射脉冲信号则由第二入射面进入第二光学组件140，并经由第二出射面进入光传感器130。其中，光脉冲信号及反射脉冲信号可在棱镜内通过折射、反射或全反射后改变传播方向。第一光学组件120及第二关学组件140分别绕第一转轴及第二转轴转动时，可改变光脉冲信号及反射脉冲信号的入射角，进而改变光脉冲信号及反射脉冲信号的传播方向。

由于棱镜可由玻璃、树脂等光学材料一体成型，故可使得第一光学组件120及第二光学组件140的结构更可靠。

需要指出的是，在其他实施例中，第一光学组件120及第二光学组件140还可以是镜片、棱镜等光学器件或其组合，只要能实现对光线的传播即可。譬如：

在另一个实施例中，第一光学组件120和第二光学组件140为的反射片，第一转轴平行于第一光学组件120的反射面且垂直于光发射器110的中心轴，第二转轴平行于第二光学组件120的反射面且垂直于光传感器130的中心轴。

光脉冲信号及反射脉冲信号分别在第一光学组件120和第二光学组件140的反射面上发生反射，以改变传播方向。而且，由于反射片为片状结构，故第一光学组件120和第二光学组件140的厚度较小，从而有利于减小TOF模块100的厚度。

进一步的，在本实施例中，第一入射面垂直于第一出射面，第二入射面垂直于第二出射面，光发射器110的发射端与光传感器130的接收端相对设置，第一光学组件120及第二光学组件140位于光发射器110与光传感器130之间，且第一入射面朝向光发射器110的发射端，第二出射面朝向光传感器130的接收端。

第一入射面垂直于第一出射面，即表示光脉冲信号经第一光学组件120后的投射路径可发生90度的改变；同理，第二入射面垂直于第二出射面，即表示垂直入射的反射脉冲信号也可在穿过第二光学组件140后发生90度的偏转，以被光传感器顺利接收。因此，可实现对TOF模块100进行“潜望式”布局。

光发射器110及光传感器130一般呈长条形，且发射端及接收端分别位于光发射器110及光传感器130纵长方向的末端。因此，利用“潜望式”布局，将发射端与接收端相对设置，可使光发射器110及光传感器130在同一直线上横向排列，从而可使TOF模块100的结构紧凑，有利于减小其厚度。

进一步的，在本实施例中，第一光学组件120包括连接第一入射面和第一出射面，且平行于第一转轴的第一反射面(图未标)，第一反射面位于第一光学组件120的内部；第二光学组件140包括连接第二入射面和第二出射面，且平行于第二转轴的第二反射面(图未标)，第二反射面位于第二光学组件140的内部。

光线进入第一光学组件120及第二光学组件140，将会在其内部发生反射。因此，当光脉冲信号及反射脉冲信号分别穿过第一光学组件120及第二光学组件140时，只会改变传输路径而不会色散，从而保证TOF模块100的测量精度。

更具体的，第一光学组件120及第二光学组件140可为直角棱镜。其中，第一光学组件120的两个直角面分别构成第一入射面及第一出射面，斜面构成第一反射面；第二光学组件120的两个直角面分别构成第二入射面及第二出射面，斜面构成第二反射面。

上述三维扫描装置及TOF模块100，转动第一光学组件120可改变光脉冲信号的传播方向，从而使光发射器110的视场角发生变化，第二光学组件140同步转动则可保证光传感器130能够接收到反射脉冲信号。随着第一光学组件120转动，光发射器110会依次从多个不同的视场角投射出光脉冲信号，相应的光传感器130也会接收到多个不同视场角的反射脉冲信号。进一步的，处理器可获取到多组时间差，进而得到多组待测物体的点云。通过将多组点云叠加，便可获得待测物体的三维信息。由于待测物体的三维信息最终由多组点云叠加得到，故每组点云内允许存在部分缺失。也就是说，光发射器110发出的光脉冲信号无需一次性覆盖待测物体。因此，光发射器110的发射功率可相应缩小，能效可得到提升。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种TOF模块，其特征在于，包括：

光发射器；

第一光学组件，所述光发射器发出的光脉冲信号可经所述第一光学组件投射于待测物体；

光传感器；及

第二光学组件，所述光脉冲信号经所述待测物体反射形成的反射脉冲信号可穿过所述第二光学组件，并由所述光传感器接收；

其中，所述第一光学组件及所述第二光学组件分别绕相互平行的第一转轴及第二转轴可同步旋转，以改变所述光脉冲信号及所述反射脉冲信号的传播方向。

2.根据权利要求1所述的TOF模块，其特征在于，所述光脉冲信号及所述反射脉冲信号分别在所述第一光学组件及所述第二光学组件内发生光反射。

3.根据权利要求1所述的TOF模块，其特征在于，所述第一光学组件及所述第二光学组件均为棱镜，所述第一光学组件的两个侧面分别构成第一入射面及第一出射面，所述第一转轴平行于所述第一入射面和所述第一出射面并垂直于所述光发射器的中心轴；所述第二光学组件的两个侧面分别构成第二入射面及第二出射面，所述第二转轴平行于所述第二入射面和所述第二出射面并垂直于所述光传感器的中心轴。

4.根据权利要求3所述的TOF模块，其特征在于，所述第一入射面垂直于所述第一出射面，所述第二入射面垂直于所述第二出射面，所述光发射器的发射端与所述光传感器的接收端相对设置，所述第一光学组件及所述第二光学组件位于所述光发射器与所述光传感器之间，且所述第一入射面朝向所述光发射器的发射端，所述第二出射面朝向所述光传感器的接收端。

5.根据权利要求4所述的TOF模块，其特征在于，所述第一光学组件包括连接所述第一入射面和所述第一出射面，且平行于所述第一转轴的第一反射面，所述第一反射面位于所述第一光学组件的内部；所述第二光学组件包括连接所述第二入射面和所述第二出射面，且平行于所述第二转轴的第二反射面，所述第二反射面位于所述第二光学组件的内部。

6.根据权利要求2所述的TOF模块，其特征在于，所述第一光学组件和所述第二光学组件为的反射片，所述第一转轴平行于所述第一光学组件的反射面且垂直于所述光发射器的中心轴，所述第二转轴平行于所述第二光学组件的反射面且垂直于所述光传感器的中心轴。

7.根据权利要求1所述的TOF模块，其特征在于，还包括驱动件，所述驱动件用于驱动所述第一光学组件绕所述第一转轴转动，及驱动所述第二光学组件绕所述第二转轴转动。

8.一种三维扫描装置，其特征在于，包括：

如上述权利要求1至7任一项所述的TOF模块；及

处理器，与所述光发射器及所述光传感器电连接，所述处理器用于获取所述光发射器投射所述光脉冲信号与所述光传感器接收所述反射脉冲信号的时间差，并根据所述时间差获取所述待测物体的三维信息。

9.根据权利要求8所述的三维扫描装置，其特征在于，所述处理器还用于控制所述第一光学组件及所述第二光学组件在预设角度范围内转动。

10.一种电子装置，其特征在于，包括如上述权利要求8或9所述的三维扫描装置。

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