CN219302657U - 一种tof相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种TOF相机，包括：投射模组，包括第一光源、第二光源以及发射光学元件，第一光源和第二光源均位于发射光学元件的同一侧，第一光源发射的斑点图案光束和第二光源发射的泛光光束均用于深度计算；采集模组；控制与处理器，用于计算光束从发射到接收的飞行时间；其中，发射光学元件用于调节光束发散角和复制光束，第一光源位于发射光学元件的焦面位置，第二光源位于发射光学元件的离焦位置。本方案不需要额外增加泛光照明模块，可以使投射模组更加紧凑、简单；而且，发射光学元件具有准直功能，使得第二光源发光面与发射光学元件之间的空间充足，光源离焦量更大，有利于获取更好的泛光效果。

Description

一种TOF相机

技术领域

本实用新型涉及深度测量技术领域，尤其涉及一种TOF相机。

背景技术

在基于ToF(Time of Flight，时间飞行)技术的3D传感方案中，通常采用泛光投射器发射泛光光束计算目标场景的飞行时间，但是，泛光光束发射能量较低不适合远距离测量，且会产生较强的多路径干扰而导致精度降低。因此，提出了采用散斑投射器发射散斑光束来计算目标场景的飞行时间，但利用散斑光束探测场景会导致分辨率降低。因此需要在3D模组中同时集成散斑投射器和泛光投射器。

在相关技术中，一方面存在使用两个独立的光源模块分别投射散斑点阵和泛光面光源，该方案导致成本上升且整个3D模组的体积较大；另一方面，采用双点阵光源+准直镜+DOE(Diffractive Optical Elements,衍射光学元件)的方案，通过其中一个VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,垂直腔面发射激光器)相对于准直镜的离焦设计来实现点泛切换，然而其离焦距离不够大，导致泛光质量不高，且离焦后的光源发光面距离准直镜距离较近容易引起热损坏，模组使用寿命受到影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种TOF相机，旨在一定程度上解决相关技术中的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种TOF相机，包括：

投射模组，包括第一光源、第二光源以及发射光学元件，所述第一光源和所述第二光源均位于所述发射光学元件的同一侧，所述第一光源用于发射斑点图案光束，所述第二光源用于发射泛光光束，且所述泛光光束和所述斑点图案光束均用于深度计算；采集模组，包括图像传感器，所述图像传感器与所述投射模组电连接；控制与处理器，分别电连接于所述投射模组和所述采集模组，所述控制与处理器用于计算光束从发射到接收的飞行时间；其中，所述发射光学元件用于调节光束发散角和复制光束，所述第一光源位于所述发射光学元件的焦面位置，所述第二光源位于所述发射光学元件的离焦位置。

在一些实施例中，所述第一光源与所述发射光学元件之间的距离大于所述第二光源与所述发射光学元件之间的距离。所述第一光源与所述发射光学元件之间的距离满足以下公式：

其中，gap为所述第一光源与所述发射光学元件之间的距离，project是对焦平面与所述发射光学元件之间的距离，f是所述发射光学元件的焦距。所述泛光光束的光斑尺寸满足以下公式：

D₈₆≥2*L；

其中，pitch为所述第二光源发光点之间的最大间距；H为目标平面到所述发射光学元件的距离，L为两个所述发光点投射到目标平面时光斑的间距，f是所述发射光学元件的焦距，D₈₆为散斑尺寸。

在一些实施例中，所述发射光学元件为单片结构的点阵投射器、多片结构的点阵投射器以及多层结构的点阵投射器中的任一种。所述发射光学元件为微透镜阵列。

在一些实施例中，所述投射模组还包括具有容纳腔的支架，所述容纳腔在所述支架的一侧形成开口，所述发射光学元件设置于所述开口处，所述第一光源和所述第二光源设置于所述容纳腔的底壁，且所述第一光源和所述第二光源之间具有高度差。所述投射模组还包括固定于所述容纳腔的底壁的凸台，所述第二光源固定于所述凸台靠近所述开口的一侧，所述第一光源固定于所述容纳腔的底壁。或者，所述投射模组还包括开设于所述容纳腔的底壁的让位槽，所述第二光源固定于所述容纳腔的底壁，所述第一光源固定于所述让位槽内。

在一些实施例中，所述控制与处理器还用于同时控制所述第一光源和所述第二光源发射光束。

本实用新型中一种TOF相机与现有技术相比，有益效果在于：与现有技术中设置两个独立的光源模块分别投射散斑点阵和泛光面光源相比，第一光源和第二光源均为点阵光源，有利于降低成本，也可以使投射模组更加紧凑、简单。而且，发射光学元件具有准直功能，可以节省准直镜，进一步降低成本；同时，由于去掉准直镜，发射光学元件受环境影响或破坏导致的人眼安全风险也大大降低，且器件之间间隔较大，极大地降低了热损伤风险；也使得第二光源发光面与发射光学元件之间的空间充足，光源离焦量更大，有利于获取更好的泛光效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例TOF相机的示意图；

图2是本实用新型实施例投射模组的点泛切换的示意图；

图3是本实用新型实施例投射模组中计算第一光源的对焦位置的原理示意图；

图4是本实用新型实施例投射模组中斑点图案光束和泛光光束的形成示意图；

图5是本实用新型实施例投射模组中计算第二光源的散斑间距的原理示意图；

图6是本实用新型实施例投射模组的点泛切换应用场景示意图；

图7是本实用新型实施例投射模组中单片结构的点阵投射器和多片或多层结构的点阵投射器的对比图；

图8是本实用新型实施例投射模组中发射光学元件为微透镜阵列的示意图；

图9是本实用新型实施例投射模组中在支架上开设让位槽的示意图。

在附图中，各附图标记表示：1、第一光源；11、斑点图案光束；2、第二光源；21、泛光光束；3、发射光学元件；4、支架；41、容纳腔；42、让位槽；5、凸台；6、对焦平面；10、投射模组；20、采集模组；201、图像传感器；30、控制与处理器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“周向”、“径向”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个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：

请参阅图1至图9，本实用新型实施例提供了一种TOF相机，包括投射模组10、采集模组20以及控制与处理器30；投射模组10包括第一光源1、第二光源2以及发射光学元件3，第一光源1和第二光源2均位于发射光学元件3的同一侧，第一光源1用于发射斑点图案光束11，第二光源2用于发射泛光光束21，且泛光光束21和斑点图案光束11均用于深度计算；采集模组20包括图像传感器201，图像传感器201与投射模组10电连接；控制与处理器30分别电连接于投射模组10和采集模组20，控制与处理器30用于计算光束从发射到接收的飞行时间；其中，发射光学元件3用于调节光束发散角和复制光束，第一光源1位于发射光学元件3的焦面位置，第二光源2位于发射光学元件3的离焦位置。

应当理解，发射光学元件3准直第一光源1发射的光束，复制并投影光束的图案产生散斑光场；发射光学元件3准直第二光源2发射的光束，复制并投影光束的图案产生泛光光场；在近距需要精细深度细节时通过泛光光场获得稠密的深度信息，在较远距离的深度感知中通过散斑光场获得更高的能量密度，提升探测距离，从而实现点泛切换。与现有技术中设置两个独立的光源模块分别投射散斑点阵和泛光面光源相比，第一光源1和第二光源2均为点阵光源，有利于降低成本，也可以使投射模组10更加紧凑、简单。而且，发射光学元件3具有准直功能，可以节省准直镜，进一步降低成本；同时，由于去掉准直镜，发射光学元件3受环境影响或破坏导致的人眼安全风险也大大降低，且器件之间间隔较大，极大地降低了热损伤风险；也使得第二光源2发光面与发射光学元件3之间的空间充足，光源离焦量更大，有利于获取更好的泛光效果。

请参阅图1，图像传感器201接收触发信号生成脉宽调制信号，并将脉宽调制信号传输至投射模组10，以控制投射模组10向目标物体发出光束；控制与处理器30控制采集模组20接收经目标物体反射回的光束并形成电信号，并根据电信号计算光束从发射到接收的飞行时间以获取目标物体的距离。

请参阅图2，在一个实施例中，第一光源1与发射光学元件3之间的距离大于第二光源2与发射光学元件3之间的距离，可以实现第二光源2的负离焦，从而减小第一光源1和第二光源2在投射模组10上所占用的空间，使投射模组10更加紧凑，有利于TOF相机的小型化。

在一些实施例中，投射模组10的点泛切换方案的设计步骤为：

①确定第一光源1发光点的坐标和发射光学元件3的焦距。

②根据第一光源1发光点的坐标和发射光学元件3的焦距设计发射光学元件3的点坐标。

③计算第一光源1的焦面位置。

具体的，请参阅图2，第一光源1与发射光学元件3之间的距离满足以下公式：

其中，gap为第一光源1与发射光学元件3之间的距离，project是对焦平面6与发射光学元件3之间的距离，f是发射光学元件3的焦距。

④设计第二光源2发光面的离焦位置，离焦量的设计规则如下：

a、光斑弥散形成“泛光”的原理。

具体的，请参阅图4和图5，当两个像点距离太近时则光学系统无法将其分开，即光斑之间的相对位置是相对固定的(由第二光源2发光点间距、发射光学元件3的焦距和投射距离决定)，当投射的光斑尺寸足够大时则两者将发生交叠，这里我们认为当光斑1的尺寸D₈₆边缘经过相邻光斑2中心时，即光斑间距L为光斑尺寸D₈₆的一半时，可以形成近似泛光的效果，具体如下公式：

D₈₆≥2*L；

其中，L为两个发光点投射到目标平面时光斑的间距，D86为光斑尺寸。

b、计算目标平面的光斑间距，具体如下公式：

其中，pitch为第二光源2发光点之间的最大间距；H为目标平面(Screen)到发射光学元件3的距离，L为两个发光点投射到目标平面时光斑的间距，f是发射光学元件3的焦距。

c、离焦量仿真。

具体的，根据前述中的对焦位置，将第二光源2发光面做离焦设置，并使用光线追迹法仿真不同光源离焦量下的散斑尺寸，获得可以形成良好泛光效果的散斑尺寸，及其所对应的离焦量Δ。而实际泛光光源的离焦量设置推荐取大于等于离焦量Δ的值，以获得足够良好的泛光投射效果。

⑤第一光源1和第二光源2之间的横向间距则根据工艺需求进行设计，满足工艺制程要求下两者间距应尽可能小以减小投射散斑/泛光偏离光轴的程度，获得更大的点泛重叠区域。

请参阅图6，在一个实施例中，控制与处理器30还用于同时控制第一光源1和第二光源2发射光束，可以同时提升分辨率和探测精度。需要说明的是，在近距需要获取稠密深度数据的场景下，投射模组10投射出泛光，整机切换到泛光iToF工作模式，例如人脸识别、障碍物识别灯；在需要获取远距深度数据的场景下，投射模组10切换到散斑投射以提高光能量密度，整机切换到散斑iToF工作模式，例如人体识别、定位识别等；当需要提高在远距探测时的精度，控制第一光源1和第二光源2同时开启，例如在机器人应用中有时需要稠密的近距深度用于识别和避障等，与此同时也需要获取远距深度用于定位和路径规划等。

请参阅图7(图7中的左侧为单片结构的点阵投射器，右侧为多片或多层结构的点阵投射器)，在一些实施例中，发射光学元件3为单片结构的点阵投射器、多片结构的点阵投射器以及多层结构的点阵投射器中的任一种。根据实际需要，发射光学元件3也可以为超表面的准直+复制方案。

请参阅图8，在一些实施例中，发射光学元件3为微透镜阵列，也可以省去准直镜，并通过离焦实现泛光投射输出。

进一步地，投射模组10还包括具有容纳腔41的支架4，容纳腔41在支架4的一侧形成开口，发射光学元件3设置于开口处，第一光源1和第二光源2设置于容纳腔41的底壁，第一光源1和第二光源2之间具有高度差。此时发射光学元件3和光源之间无其他器件，从而使得发射光学元件3和光源发光面之间空间充足。优选地，第一光源1和第二光源2的点阵排布规则可根据实际使用要求进行设计，例如用于结构光散斑投射时光源点阵需要具备一定的随机性，用于点阵iToF的点阵投射或泛光iToF的匀光场投射时对光源点阵排布规则没有特别的要求。

请参阅图2，在一个实施例中，投射模组10还包括固定于容纳腔41的底壁的凸台5，第二光源2固定于凸台5靠近开口的一侧，第一光源1固定于容纳腔41的底壁，即通过将第二光源2设置在凸台5，实现第一光源1和第二光源2之间的高度差，从而实现第二光源2沿光轴方向上的离焦。

请参阅图9，在一个实施例中，投射模组10还包括开设于容纳腔41的底壁的让位槽42，第二光源2固定于容纳腔41的底壁，第一光源1固定于让位槽42内，即通过将第一光源1固定于让位槽42内，实现第一光源1和第二光源2之间的高度差，从而实现第二光源2沿光轴方向上的离焦。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TOF相机，其特征在于，包括：

投射模组，包括第一光源、第二光源以及发射光学元件，所述第一光源和所述第二光源均位于所述发射光学元件的同一侧，所述第一光源用于发射斑点图案光束，所述第二光源用于发射泛光光束，且所述泛光光束和所述斑点图案光束均用于深度计算；

采集模组，包括图像传感器，所述图像传感器与所述投射模组电连接；

控制与处理器，分别电连接于所述投射模组和所述采集模组，所述控制与处理器用于计算光束从发射到接收的飞行时间；

其中，所述发射光学元件用于调节光束发散角和复制光束，所述第一光源位于所述发射光学元件的焦面位置，所述第二光源位于所述发射光学元件的离焦位置。

2.根据权利要求1所述的TOF相机，其特征在于，所述第一光源与所述发射光学元件之间的距离大于所述第二光源与所述发射光学元件之间的距离。

3.根据权利要求2所述的TOF相机，其特征在于，所述第一光源与所述发射光学元件之间的距离满足以下公式：

其中，gap为所述第一光源与所述发射光学元件之间的距离，project是对焦平面与所述发射光学元件之间的距离，f是所述发射光学元件的焦距。

4.根据权利要求1所述的TOF相机，其特征在于，所述泛光光束对应的光斑尺寸满足以下公式：

D₈₆≥2*L；

其中，pitch为所述第二光源发光点之间的最大间距；H为目标平面到所述发射光学元件的距离，L为两个所述发光点投射到目标平面时光斑的间距，f是所述发射光学元件的焦距，D₈₆为光斑尺寸。

5.根据权利要求1所述的TOF相机，其特征在于，所述发射光学元件为单片结构的点阵投射器、多片结构的点阵投射器以及多层结构的点阵投射器中的任一种。

6.根据权利要求1所述的TOF相机，其特征在于，所述发射光学元件为微透镜阵列。

7.根据权利要求1所述的TOF相机，其特征在于，所述投射模组还包括具有容纳腔的支架，所述容纳腔在所述支架的一侧形成开口，所述发射光学元件设置于所述开口处，所述第一光源和所述第二光源设置于所述容纳腔的底壁，且所述第一光源和所述第二光源之间具有高度差。

8.根据权利要求7所述的TOF相机，其特征在于，所述投射模组还包括固定于所述容纳腔的底壁的凸台，所述第二光源固定于所述凸台靠近所述开口的一侧，所述第一光源固定于所述容纳腔的底壁。

9.根据权利要求8所述的TOF相机，其特征在于，所述投射模组还包括开设于所述容纳腔的底壁的让位槽，所述第二光源固定于所述容纳腔的底壁，所述第一光源固定于所述让位槽内。

10.根据权利要求1所述的TOF相机，其特征在于，所述控制与处理器还用于同时控制所述第一光源和所述第二光源发射光束。

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