CN217484857U - 一种一体式激光tof无感操控模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一体式激光TOF无感操控模块，属于虚拟现实（VR）操控输入领域，解决现有VR操控输入设备体积和重量大，而且无法实现无感操控的问题。主要包括一个设备主体设计和内部各种元件及电路的布局排布，其主要元件和电路包括ToF传感器，TFC控制器、半导体激光器阵列、TFC控制器配置电路，存储器电路，数据处理通信芯片。半导体激光器阵列发出经调制的近红外光,遇手部或其他物体后反射,传感器通过计算发射光线和接受光线的相位差,来计算物体轮廓的深度信息,利用深度信息通过软件控制虚拟场景里的物体模型，实现无感操控，主要用来测算三维深度信息。

Description

一种一体式激光TOF无感操控模块

技术领域

本实用新型属于虚拟现实(VR)操控输入领域，具体涉及一种一体式激光TOF无感操控模块。

背景技术

随着计算机技术的发展，虚拟现实逐渐进入我们的日常生活，在教育、娱乐、商业等多领域都可见到它的身影，因而对VR产业链及其相关配套设备产生了巨大的需求。而其中最影响用户使用体验，特别是沉浸感的一环莫过于VR的操控输入设备。因此，随着传感技术的不断进步，虚拟现实人机交互必定会朝着符合人类的自然动作、减少外部设备直接接触的方向发展。

一种优秀的虚拟现实可穿戴操控输入设备要求不仅能够实现高精度低延迟的手势识别、VR操作等功能，而且要求其重量和体积满足轻巧便携、可穿戴的需求。但是现有的VR 操控输入设备，如手柄、手套、衣服、万向跑步机等，要么体积重量太大不够便携，要么需要与人的肢体直接接触，无法实现无感操控。

目前VR操控输入设备的技术种类可分为三种：离散输入、连续输入和直接人体输入。离散输入是指用户动作一次产生一个事件，生成一个简单的数值，这类设备有键盘、鼠标、手套等。连续输入是指利用包括力、热、光、电和声等不同传感器跟踪用户的连续动作、方向或者加速度等信息，这类设备有三位鼠标、力反馈手套、内置传感器的手柄、摄像机、深度相机、3D摄像头等。直接人体输入是指通过语音和生理信号等感知，这类设备主要包含语音输入、生物电输入和脑电波输入等技术，其代表输入产品有智能音箱Google Home和语音助手Amazon Echo等。

对于VR操控和交互，三维交互是虚拟现实最重要的交互方式，相对于二维交互，虚拟现实三维交互提供了更多的操作自由度，交互任务更为复杂。

而ToF(Time of Flight)技术作为一种适用于激光雷达成像的测距方法，通过提供一个低成本的CMOS像素阵列和一个有源调制光源，广泛应用于机器视觉产业。ToF相机产生一个三维深度点阵，每一个像素点与实际场景中物体形状相对应。这些相机可用于直接探测显示物体的三维结构，而无需借助传统的视觉算法进行辅助计算。这种新型传感方式有许多实际应用，其中包括机器人导航、3D重建和人机交互。与三角测量系统相比，ToF相机独特的传感架构使得芯片的整个系统更加紧凑。同时，由于ToF传感器的输出信号为直接提取的距离信息，因此对于后续的信息处理将极大的简化，从而提升系统的后期处理速度。加上高精度和高帧率使得ToF相机成为广泛应用于各种场合。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种一体式激光TOF无感操控模块，以解决上述背景技术中现有的VR操控输入设备存在体积、重量大、不够轻便而且无法实现对手部的真正无感操控的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种一体式激光TOF无感操控模块，包括设备主体1，所述设备主体1的背后设置有左侧安装孔6和右侧安装孔5，所述设备主体1的一侧开有USB-Type-C安装座21，所述设备主体1 的正面固定有一个激光漫射腔3，所述激光漫射腔3上面嵌有光束漫射镜4；所述设备主体开有正方形反射传感光接受窗口2，所述正方形反射传感光接受窗口2位于于激光漫射腔3旁边；所述设备主体1内部置有电路主板10，所述电路主板10上安装有半导体激光器固定板 27；所述半导体激光器固定板27上装有4个半导体激光器28，所述4个半导体激光器28与TOF传感器芯片26处于同一水平位置，所述TOF传感器芯片26固定于于电路主板10上，其左侧排布有温度传感器23，所述温度传感器23的旁边置有可编程电位器24，所述可编程电位器24的旁边置有精密限流芯片25；TOF传感器芯片26的旁边置有TOF控制器芯片22；半导体激光器固定板27的旁边置有双电源总线收发器29、双高速比较器11、固件配置芯片 13，所述双电源总线收发器29的旁边置有相位延迟信息提取芯片12；所述电路主板上置有 USB-Type-C安装座21，所述USB-Type-C安装座21的旁边置有数据处理通信芯片15和ESD 保护二极管阵列20，所述数据处理通信芯片15的旁边置有电源管理芯片14。所述电路主板 10上置有内存芯片16，所述内存芯片16旁边从内到外依次置有USB口限流保护芯片19、电源过压欠压保护芯片18、功率监视器17。

优选的，所述所述设备主体的背面设置有左侧安装孔和右侧安装孔，所述左侧安装孔和右侧安装孔垂直连接于设备主体背面两边，所述设备主体的一侧有USB-Type-C安装座。

优选的，所述设备主体正面固定有固定有一个激光漫射腔，所述激光漫射腔上面嵌有激光漫射镜。

优选的，设备主体开有正方形反射传感光接受窗口，所述正方形反射传感光接受窗口位于于激光漫射腔旁边。

优选的，所述设备主体内部置有电路主板，所述电路主板上安装有半导体激光器固定板；所述半导体激光器固定板上装有4个半导体激光器，所述4个半导体激光器与TOF传感器芯片处于同一水平位置，所述TOF传感器芯片固定于于电路主板上；所述TOF传感器芯片的旁边置有TOF控制器芯片；半导体激光器固定板的旁边置有双电源总线收发器、双高速比较器、固件配置芯片，所述双电源总线收发器的旁边置有相位延迟信息提取芯片。

优选的，所述电路主板上置有USB-Type-C安装座，所述USB-Type-C安装座的旁边置有数据处理通信芯片和ESD保护二极管阵列，所述数据处理通信芯片的旁边置有电源管理芯片。

优选的，所述电路主板上置有内存芯片，所述DDR2内存芯片旁边从内到外依次置有 USB口限流保护芯片、电源过压欠压保护芯片、功率监视器。

优选的，所述设备主体为镁铝合金一体化成型，所述电路主板采用覆铜PCB板。

与现有技术相比，本实用新型提供了一种一体式激光TOF无感操控模块，具备以下有益效果：

1、本实用新型通过设置四个半导体激光器组成阵列结构，使其对称出光，经过漫射腔和专业激光漫射镜，可使发射出的光束均匀性更好，使其能够获得更加精准的测量结果和测量范围； 2、本实用新型通过采用一体化设计主板，优化了传统TOF相机上的电路结构，重新排布各种电子元件，使其空间占用更小，拥有质量轻体积小，符合可穿戴的需求；

3、本实用新型通过在背面两侧预留安装孔，可以针对市场上销售的各种VR主机设备定制夹具，夹具可通过安装孔与本实用新型设备主体相连接，然后夹具可夹住市场上的VR主机设备，完成本实用新型设备主体与市场上各种型号的VR主机的连接固定。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本实用新型结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制，在附图中：

图1为本实用新型提出的一种一体式激光TOF无感操控模块的设备主体示意图；

图2为本实用新型提出的一种一体式激光TOF无感操控模块的内部主板及元件示意图；

图3为本实用新型提出的一种一体式激光TOF无感操控模块的设备主体侧面结构示意图；

图4为本实用新型提出的一种一体式激光TOF无感操控模块的设备主体仰视面结构示意图；

图5为图1中A处的放大的结构示意图；

图6为图2中B处的放大的结构示意图；

图7为图1中C处的放大的结构示意图；

图8为本实用新型提出的一种一体式激光TOF无感操控模块的基本工作原理图；

图中：设备主体1、正方形反射传感光接受窗口2、激光漫射腔3、光束漫射镜4、右侧安装孔5、左侧安装孔6、电源指示灯7、通讯指示灯8、工作指示灯9、电路主板10、双高速比较器11、相位延迟信息提取芯片12、固件配置芯片13、电源管理芯片14、数据处理通信芯片15、内存芯片16、功率监视器17、电源过压欠压保护芯片18、USB口限流保护芯片19、 ESD保护二极管阵列20、USB-Type-C安装座21、TOF控制器芯片22、温度传感器23、可编程电位器24、精密限流芯片25、TOF传感器芯片26、半导体激光器固定板27、4个半导体激光器28、双电源总线收发器29。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：一种一体式激光TOF无感操控模块，包括设备主体1，所述设备主体1设置有左侧安装孔6和右侧安装孔5，安装时需要将定制的夹具通过左侧安装孔6和右侧安装孔5与本实用新型设备进行固定连接，然后再通过夹具夹持在市场上各种VR主机之上，完成产品的固定安装。使用时需要使用USB-Type-C数据线，数据线一端与USB-Type-C安装座21进行连接，一端与市场上的VR主机进行连接。其数据线的作用是为本实用新型设备供电以及完成设备与VR主机的数据传输。

当USB电源正常接通时，A中的电源指示灯7将会常亮且颜色为绿色，且设备将会自动完成开机，若检测到USB电源不符合设备工作条件，A中的电源指示灯7将会闪烁且颜色为红色；当本实用新型设备与VR主机通过正确的连接协议建立正常数据交流时，A中的通讯指示灯8将会常亮且颜色为蓝色，设备进入待机模式，若本设备与VR主机数据通信故障，通讯指示灯8将会闪烁且颜色为黄色。当本实用新型设备正常进行扫描工作时，其A中的工作指示灯9将会常亮且为橙色，提示用户设备正在进行工作且与VR主机正常通信。

实施例二：请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：

半导体激光器固定板27上装有的4个半导体激光器28接收到TOF传感器芯片26的驱动调制信号后，经过驱动开关使4个半导体激光器28发出激光，然后光束通过激光漫射腔3从光束漫射镜4扩散射出。

在产生激光过程中，电路主板10装有的双高速比较器11用于校准由于驱动路径延迟所造成的相位延迟，对于不同的半导体激光器而言，其驱动路径的长短是不一样的，因此必须针对每个导体激光器进行单独校准，所述双高速比较器11非常适用于高速调制信号的采样比较，同相端分别输入来自TOF控制器芯片22的参考信号和从4个半导体激光器28采样来的调制信号样本，经过比较器以后得到的输出信号OUTA与OUTB分别送到的相位延迟信息提取芯片12中。最终将得到的信号返回到TOF控制器芯片22中被采样，用于相位差校准。温度传感器23用于校准由温度变化引起的相位偏差，通过温度传感器23测量激光器温度变化，TOF控制器芯片22每解算完一帧相位差都会重新读取一次温度值用于下一帧的校准。由于4个半导体激光器28的驱动采用的是MOSFET电压驱动型器件，但MOSFET都具有一定的结电容，因此采用双电源总线收发器29用于调制信号缓冲电路，该电路在增强调制信号驱动能力的同时还可以实现电平转换功能。

在传感过程中，经物体反射回的光束，通过设备主体1的正面的正方形反射传感光接受窗口2到达TOF传感器芯片26传感区域。所述TOF传感器芯片26的成像阵列中的像素点接收到反射回来的反射光脉冲并感应出光生电荷，每个像素点同时完成对光生电荷分窗口积分，进而解调出N相步电荷信息，经过芯片内部模拟信号调理模块后得到稳定的电压信号，然后经内部ADC采集将N相步信息转换为数字量，最后通过数据接口输出原始数据流到TOF控制器芯片22中完成相位差解算。TOF控制器芯片22其主要作用是实现对TOF传感器芯片26的控制以及相位差解算。其内部主要包含深度计算引擎、DDR2控制器、时序发生器、数据输出模块以及IIC控制器等模块。内存芯片16作为整—个相位差解算过程中的数据缓存参与工作，与TOF控制器芯片22进行数据交流。最终通过TOF控制器芯片22的数据输出模块以DVP或者SSI方式输出到数据处理通信芯片15。数据处理通信芯片15将 TOF控制器芯片22输入的相位差数据并通过USB协议上传到VR主机。

电源管理芯片14是一款高度集成的电源管理芯片，该芯片内部集成了4个可编程的 DC-DC变换器以及10个可编程的LDO电源，可解决整个系统的供电问题。USB口限流保护芯片19的作用是当输出负载超出设定的限流阈值时，电路工作状态切换至恒流模式输出，使得输出电流保持在设定值，从而实现对输出功率的控制。ESD保护二极管阵列20保护USB元件以防止ESD对数据传输造成干扰。采用电源过压欠压保护芯片18和功率监视器17专门用于防止负载突变引起的电源电压瞬变进而导致TOF相机进入异常工作状态，增强了TOF相机的稳定性。

工作原理：请参阅图8，经调制后4个半导体激光器28发出激光，然后光束通过激光漫射腔3从光束漫射镜4扩散射出。光束照射物体物体，反射回来的光束通过设备主体1 的正面的正方形反射传感光接受窗口2到达TOF传感器芯片26的传感区域，TOF传感器芯片26产生的电压信号，经过相位提取传输到TOF控制器芯片22进行深度解算，解算过程中内存芯片16作为整—个相位差解算过程中的数据缓存参与工作，最后将数据输出模块以 DVP或者SSI方式输出到数据处理通信芯片15，再由数据处理通信芯片15相位差数据并通过USB协议上传到VR主机。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种一体式激光TOF无感操控模块，包括设备主体（1），其特征在于：所述设备主体（1）的背面设置有左侧安装孔（6）和右侧安装孔（5），所述设备主体（1）的正面上方固定有激光漫射腔（3），所述激光漫射腔（3）正面末端上方有光束漫射镜（4），所述光束漫射镜（4）内嵌固定在激光漫射腔（3）上；所述设备主体（1）的正面开有正方形反射传感光接受窗口（2），其位置在激光漫射腔（3）旁边。

2.根据权利要求1所述的一种一体式激光TOF无感操控模块，其特征在于：所述设备主体（1）内部置有电路主板（10），所述电路主板（10）上安装有半导体激光器固定板（27），半导体激光器固定板（27）上装有4个半导体激光器（28），所述4个半导体激光器（28）与TOF传感器芯片（26）处于同一水平位置，所述TOF传感器芯片（26）固定于电路主板（10）上，其左侧排布有温度传感器（23），所述温度传感器（23）的旁边置有可编程电位器（24），所述可编程电位器（24）的旁边置有精密限流芯片（25）；TOF传感器芯片（26）的旁边置有TOF控制器芯片（22）；半导体激光器固定板（27）的旁边置有双电源总线收发器（29）、双高速比较器（11）、固件配置芯片（13），所述双电源总线收发器（29）的旁边置有相位延迟信息提取芯片（12）。

3.根据权利要求2所述的一种一体式激光TOF无感操控模块，其特征在于：所述电路主板（10）上置有USB-Type-C安装座（21），所述USB-Type-C安装座（21）的旁边置有数据处理通信芯片（15）和ESD保护二极管阵列（20），所述数据处理通信芯片（15）的旁边置有电源管理芯片（14）。

4.根据权利要求2所述的一种一体式激光TOF无感操控模块，其特征在于：所述电路主板（10）上置有内存芯片（16），所述内存芯片（16）旁边从内到外依次置有USB口限流保护芯片（19）、电源过压欠压保护芯片（18）、功率监视器（17）。

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