TW202140996A - 標定裝置、標定系統、電子設備及標定方法 - Google Patents

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Abstract

本申請公開了一種標定裝置、標定系統、電子設備及標定方法。標定裝置包括準直元件及反射元件。準直元件用於準直發射元件發射的光線。反射元件用於將經過準直元件準直後的光線反射到接收元件中，準直元件準直後的光線與反射元件反射後的光線平行。反射到接收元件中的光線能夠用於確定發射元件的光軸與接收元件的光軸之間的夾角。本申請實施方式的標定裝置、標定系統、標定方法及電子設備可以標定和計算出發射元件的光軸與接收元件的光軸之間的相對偏移量，以便後續對收發模組進行相應的調整，可以提高收發模組的工作精度。

Description

標定裝置、標定系統、電子設備及標定方法
本申請涉及測量技術領域，特別涉及一種標定裝置、標定系統、電子設備及標定方法。
飛行時間（Time of Flight，TOF）深度相機可以用於測量場景中的物體到相機的距離。飛行時間深度相機通常包括發射器和接收器，發射器發射調製過的光脈衝，接收器接收被物體反射回的光脈衝，在後續的演算法處理中，根據光脈衝的往返時間即可計算出物體與相機之間的距離。在演算法處理過程中，發射器的光軸與接收器的光軸之間的平行度對於距離的計算至關重要，如何確定發射器的光軸與接收器的光軸之間的平行度成為一個亟待解決的問題。
本申請實施方式提供了一種標定裝置、標定系統、電子設備及標定方法。
本申請實施方式的標定裝置用於收發模組。所述收發模組包括發射元件及接收元件，所述發射元件用於發射光線，所述接收元件用於接收由所述發射元件發射並被物體反射回的所述光線。所述標定裝置包括準直元件及反射元件。所述準直元件用於準直所述發射元件發射的光線。所述反射元件用於將經過所述準直元件準直後的光線反射到所述接收元件中，所述準直元件準直後的所述光線與所述反射元件反射後的所述光線平行。反射到所述接收元件中的所述光線能夠用於確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
本申請實施方式的標定系統包括收發模組及標定裝置。所述收發模組包括發射元件及接收元件。所述標定裝置用於標定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。所述標定裝置包括準直元件和反射元件。所述準直元件用於準直所述發射元件發射的光線。所述反射元件用於將經過所述準直元件準直後的光線反射到所述接收元件中，所述準直元件準直後的所述光線與所述反射元件反射後的所述光線平行。反射到所述接收元件中的所述光線能夠用於確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
本申請實施方式的電子設備包括殼體及標定系統。所述標定系統與所述殼體結合。標定系統包括收發模組及標定裝置。所述收發模組包括發射元件及接收元件。所述標定裝置用於標定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。所述標定裝置包括準直元件和反射元件。所述準直元件用於準直所述發射元件發射的光線。所述反射元件用於將經過所述準直元件準直後的光線反射到所述接收元件中，所述準直元件準直後的所述光線與所述反射元件反射後的所述光線平行。反射到所述接收元件中的所述光線能夠用於確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
本申請實施方式的標定方法應用於收發模組。所述收發模組包括發射元件及接收元件，所述發射元件用於發射光線，所述接收元件用於接收由所述發射元件發射並被物體反射回的所述光線。所述標定方法包括：利用準直元件準直所述發射元件發射的光線；利用反射元件將經過所述準直元件準直後的光線反射到所述接收元件中，所述準直元件準直後的所述光線與所述反射元件反射後的所述光線平行；及根據反射到所述接收元件中的所述光線確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
本申請實施方式的標定裝置、標定系統、電子設備及標定方法，透過接收反射到接收元件中的光線確定發射元件的光軸與接收元件的光軸之間的夾角，以便準確檢測和標定發射元件的光軸與接收元件的光軸是否平行。二者的平行度標定結果可以作為收發模組的調整依據，可以提高收發模組工作精度。
本申請實施方式的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或透過本申請的實踐瞭解到。
下面詳細描述本申請的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中，相同或類似的符號自始至終表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面透過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用於解釋本申請的實施方式，而不能理解為對本申請的實施方式的限制。
請參閱圖1，本申請實施方式提供一種應用於收發模組20的標定裝置10。收發模組20包括發射元件21及接收元件22，發射元件21用於發射光線，接收元件22用於接收由發射元件21發射並被物體反射回的光線。標定裝置10包括準直元件11及反射元件12。準直元件11用於準直發射元件21發射的光線。反射元件12用於將經過準直元件11準直後的光線反射到接收元件22中，準直元件11準直後的光線與反射元件12反射後的光線平行。反射到接收元件22中的光線能夠用於確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角。本申請實施方式的標定裝置10透過接收反射到接收元件22中的光線確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角，以便準確檢測和標定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸是否平行。二者的平行度標定結果可以作為收發模組20的調整依據，可以提高收發模組20工作精度。
請再參閱圖1，本申請實施方式還提供一種標定系統40。標定系統40包括收發模組20、標定裝置10及處理器30。處理器30與收發模組20電連接。
收發模組20可以是飛行時間（Time of Flight，TOF）深度相機、結構光深度相機、雷射雷達、接近感測器等，在此不作限制。收發模組20包括發射元件21及接收元件22。發射元件21用於發射光線。發射元件21發射的光線可以是紅外光、紫外光等不可見光。接收元件22用於接收由發射元件21發射並被物體反射回的光線。
標定裝置10包括準直元件11和反射元件12。
準直元件11用於準直發射元件21發射的光線，以將發射元件21發射的多束不平行光準直成多束彼此平行的光線。準直元件11的光軸與發射元件21的光軸平行或重合。準直元件11可以為準直鏡等準直光學元件，在此不作限制。準直元件11可以由一個準直鏡組成，也可以由多個準直鏡組成，在此也不作限制。準直元件11與發射元件21之間的距離與準直元件11的焦距之間的差值小於預定值。其中，準直元件11與發射元件21之間的距離可以理解為準直元件11的光心到發射元件21內的光源的發光面的垂直距離。預定值應為一個較小的數值，例如預定值可以為0，當然，預定值的具體取值不限於此。為了便於理解與記述，例如將準直元件11與發射元件21之間的距離稱為第一距離，將準直元件11的焦距稱為第二距離，第一距離與第二距離之間的差值小於預定值。可以理解的，當發射元件21內的光源的發光面越靠近準直元件11的焦平面，準直元件11對發射元件21發射的光線的準直效果越高。因此，當第一距離與第二距離之間的差值小於預定值時，準直元件11對發射元件21發射的光線的準直效果更佳。
反射元件12用於將經過準直元件11準直後的光線反射到接收元件22中。準直元件11準直後的光線與反射元件12反射後的光線平行。其中，由於反射元件12可能對準直元件11準直後的光線進行一次或多次的反射，因此，此處的反射元件12反射後的光線具體指的是經反射元件11反射完畢且將要入射到接收元件22中的光線。反射到接收元件22中的光線能夠用於確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角，也即用於確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的平行度。
反射元件12包括第一反射面121及第二反射面122。第一反射面121與第二反射面122之間的夾角為90°，第一反射面121與準直元件11的出光面111相對，且與準直元件11的光軸呈45°夾角，第二反射面122與接收元件22的收光面221相對。
具體的，第一反射面121可以用於對準直元件11準直後的光線進行第一次反射。根據入射光和法線的夾角與反射光和法線的夾角相等的原理，經第一反射面121反射後的光線與經準直元件11準直後的光線成90°夾角，也即，經第一反射面121反射後的光線與準直元件11準直後的光線垂直。經第一反射面121反射後的光線繼續射向第二反射面122，第二反射面122用於對經第一反射面121反射後的光線進行第二次反射。經第二反射面122反射後的光線與經第一反射面121反射後的光線垂直，且與準直元件11準直後的光線平行。由於準直元件11的光軸與發射元件21的光軸是平行或重合的，則根據a平行於b，b平行於c，則a就平行於c的原理可知，經反射元件12反射後的光線與發射元件21的光軸是平行的。進一步地，可以再次根據a平行於b，b平行於c，則a就平行於c的原理，根據經反射元件12反射後的光線是否與接收元件22的光軸平行，來判斷發射元件21的光軸是否與接收元件22的光軸平行。若經反射元件12反射後的光線與接收元件22的光軸平行，則發射元件21的光軸與接收元件22的光軸平行；若經反射元件12反射後的光線與接收元件22的光軸不平行，則發射元件21的光軸與接收元件22的光軸不平行。
請參閱圖2，在一個例子中，反射元件12可以由第一反射鏡123及第二反射鏡124組合而成。第一反射鏡123包括第一反射面121，第二反射鏡124包括第二反射面122。第一反射鏡123上的第一反射面121與準直元件11的出光面111相對，且與準直元件11的光軸呈45°夾角。第二反射鏡124上的第二反射面122與接收元件22的收光面221相對。第一反射鏡123和第二反射鏡124例如可以為45°反射鏡。反射元件12可以由兩個形狀為等腰直角三角形的反射鏡組合而成，也可以由兩塊形狀為直角梯形（直角梯形的銳角為45°）的反射鏡組合而成，也可以由兩塊夾角為90°的平面反射鏡組合而成等，只要滿足兩塊反射鏡的兩個反射面形成的夾角為90°即可，在此不作限制。
請參閱圖1，在另一個例子中，反射元件12可以僅包括一個反射鏡，其中，反射鏡為K形鏡。K形鏡包括第一反射面121和第二反射面122。第一反射面121與準直元件11的出光面111相對，且與準直元件11的光軸成45°夾角。第二反射面122與接收元件22的收光面221相對。K形鏡可以看作是由圖2所示的第一反射鏡123和第二反射鏡124一體成型得到的反射鏡。在使用K形鏡進行平行度檢測的過程中，只需要調整K形鏡和準直元件11之間的相對位置即可，無需對K形鏡自身進行安裝或調整，可以簡化檢測過程所需執行的操作，降低檢測的操作難度。
處理器30可以是電腦中的處理器，也可以是手機中的處理器，還可以是伺服器中的處理器等，在此不作限制。處理器30可以根據接收元件22接收到的光線在接收元件22上的成像位置來確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的平行度。具體地，處理器30可以用於確定接收元件22接收到的光線對應在測試圖像上的成像區域、計算成像區域的中心位置相對於測試圖像的中心位置的偏移量、及根據偏移量及接收元件22的焦距計算夾角。
請參閱圖3及圖4，接收元件22接收被反射元件21反射後的光線以形成測試圖像，由於反射元件22反射後的多束光線是平行光線，則接收元件22接收到的光線對應在測試圖像上的成像區域為一個點A。若反射到接收元件22中的光線與接收元件22的光軸平行，則光線被接收元件22接收後，光線對應在測試圖像上的成像區域（即點A）所在位置應該位於測試圖像的中心位置處（如圖3所示）。若反射到接收元件22中的光線未與接收元件22的光軸平行，則光線被接收元件22接收後，光線對應在測試圖像上的成像區域（即點A）所在位置會與測試圖像的中心位置存在偏移（如圖4所示）。因此，處理器30可以根據成像區域所在位置（即成像區域的中心位置）相對於測試圖像的中心位置的偏移量來確定經反射元件12反射後的光線與接收元件22的光軸之間的夾角，從而進一步確定出發射元件21與接收元件22之間的夾角。示例地，如圖4所示，測試圖像上的成像區域為A，處理器30計算成像區域A的中心位置對應的像素與測試圖像的中心位置對應的像素之間的偏移量為：在Y方向上偏離了a個像素，其中每個像素在Y方向上的尺寸為b。假設接收元件22的焦距為f，x為經反射元件12反射後的光線與接收元件22的光軸之間的夾角，則根據公式tanx=a*b/f，即可計算出經反射元件12反射後的光線與接收元件22的光軸之間的夾角x，該夾角x也即為發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角。
在確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角之後，在一個例子中，可以根據該夾角來調整發射元件21的光軸和/或接收元件22的光軸以使得發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角為0°。其中，調整發射元件21的光軸和/或接收元件22的光軸可以是手動調整，也可以是由驅動元件進行調整，在此不作限制。在另一個例子中，還可以不調節發射元件21的光軸和/或接收元件22的光軸，而直接調整後端的處理演算法，例如，當收發模組20為飛行時間深度相機時，可以根據該夾角來適應性地調整飛行時間深度相機中與深度訊息的計算相關的處理演算法，以保證飛行時間深度相機獲取的深度訊息的準確性。
綜上所述，本申請實施方式的標定系統40透過接收反射到接收元件22中的光線確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角，以便準確檢測和標定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸是否平行。後續可以根據二者的平行度標定結果進行發射元件21的光軸和接收元件22的光軸之間的平行度的修正，或者修正收發模組20後端的處理演算法，以保證收發模組20工作精度。
請參閱圖5，本申請實施方式還提供一種電子設備100。電子設備100包括殼體50以及上述的標定系統40。標定系統40與殼體50結合。例如，殼體50形成有收容空間51，標定系統40收容在收容空間51內。
其中，電子設備100可以是手機、平板電腦、筆記型電腦、智慧穿戴設備（如智慧手環、智慧手錶、智慧頭盔、智慧眼鏡）、虛擬實境設備等，在此不作任何限制。在本發明的具體實施例中，電子設備100為手機。
請參閱圖1和圖6，在某些實施方式中，處理器30可以在每次收發模組20啟用前，計算發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角，並基於該夾角對收發模組20進行相應的調整（將二者光軸調整為平行，或者調整後端的演算法）。在調整完畢後，將標定裝置10移出收發模組20的光路，例如圖6所示的，將標定裝置10沿Y軸方向移動，以移出收發模組20的光路，從而避免標定裝置10對收發模組20發射及接收光線的影響。當然，在其他實施方式中，處理器30也可以在電子設備100發生掉落時，計算發射元件21與接收元件22之間的夾角，並基於該夾角對收發模組20進行相應的調整。可以理解，在電子設備100發生掉落時，發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角很可能出現變化，此時，需要對兩光軸之間的夾角進行重新的確定，以從而保證收發模組20工作精度。
綜上，本申請實施方式的電子設備100透過接收反射到接收元件22中的光線確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角，以便準確檢測和標定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸是否平行。電子設備100可以根據二者的平行度標定結果進行發射元件21的光軸和接收元件22的光軸之間的平行度的修正，或者修正收發模組20後端的處理演算法，以保證收發模組20工作精度。
請參閱圖1和圖7，本申請實施方式還提供一種標定方法。本申請實施方式的標定方法可以用於上述的收發模組20。收發模組20包括發射元件21及接收元件22，發射元件21用於發射光線，接收元件22用於接收由發射元件21發射並被物體反射回的光線；標定方法包括：
01：利用準直元件11準直發射元件21發射的光線；
02：利用反射元件12將經過準直元件11準直後的光線反射到接收元件22中，準直元件11準直後的光線與反射元件12反射後的光線平行；
03：根據反射到接收元件22中的光線確定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角。
請參閱圖1和圖8，在某些實施方式中，接收元件22接收被反射元件21反射的光線以形成測試圖像。步驟03根據反射到所述接收元件22中的光線確定發射元件21的光軸述接收元件22的光軸之間的夾角，包括：
031：確定接收元件22接收到的光線對應在測試圖像上的成像區域；
032：計算成像區域的中心位置相對於測試圖像的中心位置的偏移量；及
033：根據偏移量及接收元件22的焦距計算夾角。
本申請實施方式的標定方法標定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角的具體實施過程與前文所述的利用標定系統40標定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角的具體實施過程相同，在此不再贅述。
本申請實施方式的標定方法利用準直元件11來準直發射元件21發射的光線，並利用反射元件12對準直元件11準直後的光線進行反射，從而使得接收元件22可以即受到反射元件12發射後的光線。接收元件22接收到的光線可以確定出發射元件21的光軸與接收元件22的光軸之間的夾角，從而可以準確檢測和標定發射元件21的光軸與接收元件22的光軸是否平行。後續可以根據二者的平行度標定結果進行發射元件21的光軸和接收元件22的光軸之間的平行度的修正，或者修正收發模組20後端的處理演算法，以保證收發模組20工作精度。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施方式”、“一些實施方式”、“示意性實施方式”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結合所述實施方式或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本申請的至少一個實施方式或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施方式或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施方式或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用於實現特定邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的模組、片段或部分，並且本申請的優選實施方式的範圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執行功能，這應被本申請的實施例所屬技術領域的技術人員所理解。
儘管上面已經示出和描述了本申請的實施方式，可以理解的是，上述實施方式是示例性的，不能理解為對本申請的限制，本領域的普通技術人員在本申請的範圍內可以對上述實施方式進行變化、修改、替換和變型。
10:標定裝置 11:準直元件 111:出光面 12:反射元件 121:第一反射面 122:第二反射面 123:第一反射鏡 124:第二反射鏡 20:收發模組 21:發射元件 22:接收元件 221:收光面 30:處理器 40:標定系統 50:殼體 51:收容空間 100:電子設備 A:成像區域 01~03:步驟 031~033:步驟
本申請的上述和/或附加的方面和優點可以從結合下面附圖對實施方式的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是本申請某些實施方式的標定系統的工作原理示意圖；
圖2是本申請某些實施方式的標定系統的工作原理示意圖；
圖3是本申請某些實施方式的標定系統獲取的測試圖像的示意圖；
圖4是本申請某些實施方式的標定系統獲取的測試圖像的示意圖；
圖5是本申請某些實施方式的電子設備的示意圖；
圖6是本申請某些實施方式的電子設備中標定裝置移動的場景示意圖；
圖7是本申請某些實施方式的標定方法的流程示意圖；
圖8是本申請某些實施方式的標定方法的流程示意圖。
10:標定裝置
11:準直元件
111:出光面
12:反射元件
121:第一反射面
122:第二反射面
20:收發模組
21:發射元件
22:接收元件
221:收光面
30:處理器
40:標定系統

Claims (10)

  1. 一種標定裝置，用於收發模組，所述收發模組包括發射元件及接收元件，所述發射元件用於發射光線，所述接收元件用於接收由所述發射元件發射並被物體反射回的所述光線；所述標定裝置包括： 準直元件，所述準直元件用於準直所述發射元件發射的光線；及 反射元件，所述反射元件用於將經過所述準直元件準直後的光線反射到所述接收元件中，所述準直元件準直後的所述光線與所述反射元件反射後的所述光線平行，反射到所述接收元件中的所述光線能夠用於確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
  2. 根據請求項1所述標定裝置，其中，所述反射元件包括第一反射面及第二反射面，所述第一反射面與所述第二反射面之間的夾角為90°，所述第一反射面與所述準直元件的出光面相對，且與所述準直元件的光軸呈45°夾角，所述第二反射面與所述接收元件的收光面相對。
  3. 根據請求項2所述的標定裝置，其中，所述反射元件包括第一反射鏡及第二反射鏡，所述第一反射鏡包括所述第一反射面，所述第二反射鏡包括所述第二反射面。
  4. 根據請求項2所述的標定裝置，其中，所述反射元件包括一個反射鏡，所述反射鏡為K形鏡。
  5. 根據請求項1所述的標定裝置，其中，所述準直元件與發射元件之間的距離與所述準直元件的焦距之間的差值小於預定值。
  6. 一種標定系統，包括： 收發模組，所述收發模組包括發射元件及接收元件；及 請求項1-5任意一項所述的標定裝置，所述標定裝置用於標定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
  7. 根據請求項6所述的標定系統，其中，所述接收元件接收被所述反射元件反射的光線以形成測試圖像，所述標定系統還包括處理器，所述處理器用於： 確定所述接收元件接收到的光線對應在所述測試圖像上的成像區域； 計算所述成像區域的中心位置相對於所述測試圖像的中心位置的偏移量；及 根據所述偏移量及所述接收元件的焦距計算所述夾角。
  8. 一種電子設備，包括： 殼體；及 請求項6或7所述的標定系統，所述標定系統與所述殼體結合。
  9. 一種標定方法，用於收發模組，所述收發模組包括發射元件及接收元件，所述發射元件用於發射光線，所述接收元件用於接收由所述發射元件發射並被物體反射回的所述光線；所述標定方法包括： 利用準直元件準直所述發射元件發射的光線； 利用反射元件將經過所述準直元件準直後的光線反射到所述接收元件中，所述準直元件準直後的所述光線與所述反射元件反射後的所述光線平行；及 根據反射到所述接收元件中的所述光線確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角。
  10. 根據請求項9所述的標定方法，其中，所述接收元件接收被所述反射元件反射的光線以形成測試圖像，所述根據反射到所述接收元件中的所述光線確定所述發射元件的光軸與所述接收元件的光軸之間的夾角，包括： 確定所述接收元件接收到的光線對應在所述測試圖像上的成像區域； 計算所述成像區域的中心位置相對於所述測試圖像的中心位置的偏移量；及 根據所述偏移量及所述接收元件的焦距計算所述夾角。
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