TWI835610B - 光發射模組、攝像頭模組及電子設備 - Google Patents
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Abstract
本申請實施例涉及光源模組領域。具體而言，涉及一種光發射模組。其中，光發射模組包括光源模組、準直透鏡模組和轉向繞射模組。光源模組用於發出多組探測光。準直透鏡模組設置於光源模組的出光側，用於對探測光進行準直。轉向繞射模組設置於準直透鏡模組背向光源模組的一側，用於將經準直後的不同組探測光疊加形成一個探測光點散斑陣列。所述光發射模組可增大所述探測光點散斑陣列的光點分佈密度，更加精準地採集各種距離範圍內的目標物的有關參數。本申請實施例還涉及攝像頭模組，以及電子設備。
Description
本申請實施例涉及光源模組領域。具體而言，涉及一種光發射模組。本申請實施例還涉及一種應用該光發射模組的攝像頭模組，以及應用該攝像頭模組的電子設備。
隨著市場上3D攝像頭的快速發展，飛行時間(Time of Flight，ToF)成像在智慧產品中加速滲透，進一步豐富著3D視覺傳感技術的應用場景，例如可以被應用於包含3D人臉識別、3D建模、手勢識別、體感遊戲、增強現實以及虛擬實境在內的更多場景中，能夠為智慧產品帶來兼具娛樂性和實用性的體驗。憑藉自身優勢被移動終端看好的ToF技術彌補了成像效果局限於較小範圍內的缺陷，在3D視覺傳感技術方向上不斷拓展。從目前的技術形態來看，3D攝像頭在色彩、解析度、觀測距離、抗干擾及夜視等方面都優於2D攝像頭，還可以即時採集目標物的三維位置資訊、圖像資訊和尺寸資訊。
直接飛行時間(direct-ToF，dToF)成像是目前主流的兩種ToF技術路線之一，其原理是藉由直接向目標物發射探測光脈衝訊號，並測量反射探測光和發射探測光之間的時間間隔，得到光的飛行時間，從而直接計算探測光
照射到目標物經過的距離。得益於其功耗較低、對環境光的抗干擾能力強等優勢，dToF技術可適用於對測距精度要求高的較遠距離測距場景，並且測量精度不會隨著距離增大而降低。
3D攝像頭的光發射陣列的發射單元通常為能發出特定波長紅外線雷射訊號的垂直腔面發射雷射器(Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser，VCSEL)。VCSEL的優點是能夠以相對較小的功率發射出較高的光訊號，是3D攝像頭中重要的部件之一。
然，市面上習知的3D攝像頭僅能在一定距離範圍內獲取3D拍攝效果，超出這個距離範圍就呈現不出3D拍攝效果，導致所得畫面不清晰。一方面，3D攝像頭在進行dToF成像時，其光發射陣列發出的作用於目標物的探測光點分佈密度太稀疏，從而導致其解析度太差；另一方面，又由於目前光發射陣列的發熱與供電等線路設計的因素影響，其陣列內的發射單元分佈的密度亦無法增大，進而無法增大目標物上的探測光點分佈密度。
本申請第一方面提供一種光發射模組。所述光發射模組包括：光源模組，包含至少兩個光源陣列，每組所述光源陣列用於發出多束探測光；準直透鏡模組，設置於所述光源陣列的出光側，所述準直透鏡模組包含複數準直透鏡，以用於對所述多束探測光進行準直；
轉向繞射模組，設置於所述準直透鏡模組背向所述光源陣列的一側，用於使經所述準直透鏡模組準直後的不同組所述光源陣列發出的所述探測光疊加而形成一個探測光點散斑陣列。
本申請實施例提供的光發射模組，藉由增加光源模組中的光源陣列的組數，不同所述光源陣列發出的多組探測光在轉向繞射模組的作用下繞射分光並轉向疊加，並且所述光源陣列中用於探測目標物的組數可根據與目標物的距離的不同而改變，進而增大所述探測光點散斑陣列的光點分佈密度，能更加精準地採集各種距離範圍內的目標物有關參數。
本申請第二方面提供一種攝像頭模組。所述攝像頭模組包括：如上述第一方面所述的光發射模組，用於發射出所述探測光點散斑陣列至目標物；接收模組，用於即時採集被所述目標物反射回來的探測光，再進一步獲得所述目標物的三維位置資訊、圖像資訊以及尺寸資訊。
本申請實施例提供的攝像頭模組，藉由運用光發射模組，將其優勢結合了接收模組的設計，藉由提前評估探測光照射到目標物經過的距離，確定最終參與照射目標物的光源陣列的組數，並且所述光源陣列的用於探測目標物的組數隨著與目標物的距離的增大而增大，間接調節照射到目標物的探測光點散斑陣列的光點密度，進而增大其自身在使用時的解析度，並與目標物在各種距離範圍內都相適配，同時降低了功耗和節約成本。
本申請第三方面提供一種電子設備。所述電子設備包括：如上述第二方面所述的攝像頭模組，用於採集資訊；存儲器，用於存儲資訊；
處理器，用於控制所述攝像頭模組和所述存儲器，同時處理所述電子設備與外界交互過程中往來的資訊。
本申請實施例提供的電子設備，藉由運用攝像頭模組的優勢，更好地和外界產生資訊交互。
100a、100b、100c:光發射模組
10:光源模組
11:光源陣列
11a:雷射器
30:準直透鏡模組
31:準直透鏡
50:轉向繞射模組
51:轉向元件
51a:楔形片
511、531:入光面
513、533:出光面
53:繞射元件
53a:繞射片
55:抗反射膜
200:攝像頭模組
210:接收模組
φ:偏轉角
θ:轉向元件夾角
L、L1、L2、L3、L4、L5、L6:探測光
A:目標物
B:反射光
300:電子設備
310:存儲器
320:處理器
P:探測光點散斑陣列
圖1為本申請一實施例中光發射模組的結構示意圖。
圖2為由本申請實施例的光發射模組發出到目標物上的探測光點散斑陣列。
圖3為圖1中光源模組的平面結構示意圖。
圖4為本申請另一實施例中光發射模組的結構示意圖。
圖5為本申請又一實施例中光發射模組的結構示意圖。
圖6為本申請一實施例中攝像頭模組的工作原理圖。
圖7為本申請一實施例中電子設備的組成部分示意圖。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。
本申請實施例提供一種光發射模組。請參閱圖1，光發射模組100a包括光源模組10、準直透鏡模組30以及轉向繞射模組50。其中，光源模組10用於發出至少一組探測光L1。準直透鏡模組30設置於光源模組10的出光側，
用於對探測光L1進行準直。轉向繞射模組50設置於準直透鏡模組30背向光源模組10的一側，用於將經準直後的不同組探測光L2繞射分光，同時轉向疊加形成一個探測光點散斑陣列P(如圖2)。
在本實施例中，光源模組10包含至少兩個光源陣列11(圖1中僅示出兩組)，其中每個光源陣列11包含複數雷射器11a(示出在圖3中)。每個光源陣列11中的複數雷射器11a能共同發出一組相同波長的紅外光作為探測光L1。光源模組10能發出多組探測光L1，而不同光源陣列11發出的探測光L1的波長為相同或者不同。具體而言，若目標物無法反射足夠的紅外光，則光源模組10發出的部分或者全部所述探測光L1可選擇波長接近紅光的近紅外光，甚至一部分所述探測光L1可選擇紅光。例如，請參閱圖3，光源模組10中的一個光源陣列11可包括複數二維分佈的垂直腔面發射雷射器11a(Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser，VCSEL)，每組VCSEL陣列發出的探測光L1可以選擇波長為1550nm或940nm的紅外光，其中部分VCSEL陣列可選擇波長為660nm的紅光。
在本實施例中，準直透鏡模組30用於對每組探測光L1進行準直，經過準直後的探測光稱為探測光L2，所有探測光L2之間互相平行。請參閱圖1，準直透鏡模組30包括複數準直透鏡31(圖1中為了使光路走向清晰僅示出兩個，且圖中所示的準直透鏡31的尺寸並不用於表示準直透鏡31與光發射陣列11一一對應)，在本實施例中，每個所述雷射器11a都有一個所述準直透鏡31與之對應。亦即，準直透鏡模組30包含的準直透鏡31的數量，不會少於光源模組10包含的雷射器11a的數量。
在本實施例中，轉向繞射模組50包含轉向元件51、繞射元件53和抗反射膜55。轉向元件51用於使不同的探測光L2往不同的方向偏轉，並朝著同一位置彙聚。具體而言，請參閱圖1，經準直後的探測光L2垂直地射入轉向元件51的入光面511，之後從出光面513射出，探測光L2通過轉向元件51後發生了偏轉，偏轉後的探測光L3再通過繞射元件53的入光面531和出光面533後進行繞射分光。其中，偏轉後的探測光L3的傳播方向與從轉向元件51的入光面511入射的探測光L2的傳播方向之間的夾角為偏轉角φ，所述偏轉角φ受到轉向元件51的入光面511和出光面513的夾角θ以及其折射率的影響。例如，若轉向元件51的折射率為1.5，且θ為3°，則φ為1.5°左右。轉向元件51為透射光學元件，可以讓探測光L2折射而穿過。在如圖1所示的實施例中，轉向元件51為一個轉向棱鏡，對應整個光源模組10，即轉向元件51的尺寸足以接收所有的探測光L2，並使所述探測光L2往不同方向偏轉，且朝著同一位置彙聚。繞射元件53用於將探測光L3繞射分光，可以為石英、玻璃、寶石、塑膠與硒化鋅等材料製成，可根據探測光L1的不同波長和強度等參數來選擇。具體而言，請再次參閱圖1，繞射元件53可以為一個，對應整個光源模組10。例如，繞射元件53可以為經過特殊加工工藝處理後製成的繞射光學元件(Diffractive Optical Element，DOE)。DOE包含複數二維分佈的繞射單元(圖未示)，其中每個繞射單元可以有特定的形狀、折射率等，並且這些繞射單元可以有多種多樣的分佈，這主要根據雷射器11a所用光的波長、光束口徑、光束模式、近場強度分佈等參數的要求來設計。探測光L3經過每個繞射單元後發生繞射，並在一定距離(通常為無窮遠或透鏡焦平面)處產生干涉，形成特定的
光強分佈。除此之外，DOE還可以對探測光L3的波前相位進行精細調控，進而實現更好的應用效果。
請參閱圖4，在其他實施例中，光發射模組100b中的轉向元件51包括複數楔形片51a，一個楔形片51a對應一個光源陣列11；繞射元件53包括複數繞射片53a，一個繞射片53a對應一個光源陣列11。具體而言，一個光源陣列11發出一組探測光L1，所述探測光L1經過準直透鏡31後準直為互相平行的探測光L2，所述探測光L2通過一個楔形片51a後發生偏轉為探測光L3，所述探測光L3再通過繞射片53a後進行繞射分光為探測光L4。最後，來源於不同光源陣列11的不同偏轉方向的多組所述探測光L4疊加形成一個探測光點散斑陣列P。
請參閱圖1，轉向元件51位於準直透鏡模組30和繞射元件53之間。在其他實施例中，請參閱圖5的光發射模組100c，繞射元件53位於準直透鏡模組30和轉向元件51之間。具體而言，在設計和製作轉向繞射模組50時，轉向元件51和繞射元件53可以互相調換放置的部位。探測光L2經過準直透鏡模組30準直後，無論是先通過轉向元件51偏轉方向為探測光L3，再通過繞射元件53進行繞射分光為探測光L4；還是先通過繞射元件53進行繞射分光為探測光L5，再通過轉向元件51偏轉方向為探測光L6，兩者依然能夠實現較好的技術效果。
抗反射膜55是一種光學鍍層，在本實施例中覆蓋在轉向元件51的入光面511和出光面513上。抗反射膜55用於減少或消除轉向元件51表面的反射光，以此增加轉向元件51的透光量，進而實現更好的應用效果。在其他實施例中，請參閱圖5，抗反射膜55還可覆蓋在繞射元件53的入光面531和出光
面533上。需要注意的是，若通過抗反射膜55的探測光L2的波長和強度等參數不同，則抗反射膜55的材料亦相應的不同，例如可以選擇氟化鎂、氧化鋁、二氧化矽、一氧化矽、二氧化鈦和硫化鋅等材料。
本申請實施例提供的光發射模組100a(100b、100c)，藉由增加光源模組10中的光源陣列11的個數，不同所述光源陣列11發出的多組探測光L1被準直透鏡模組30準直為探測光L2後，在轉向繞射模組50的作用下繞射分光並轉向疊加成一個探測光L4(L6)的光束陣列，所述光束陣列的截面面積(即所述探測光點散斑陣列P的面積)不大於任意一個光源陣列11產生的一組探測光L1的截面面積，使得疊加後的光束陣列中的光束變多，進而增大所述探測光點散斑陣列P的光點分佈密度(截面面積不變的情況下，光點變多)，能更加精準地採集各種距離範圍內的目標物有關參數。具體地，所述光發射模組10具有第一模式和不同於第一模式的第二模式，其中，在所述第二模式時所述光發射模組10的適用探測距離範圍大於在所述第一模式時所述光發射模組10的適用探測距離範圍，且在所述第二模式時啟動的所述光源陣列11的組數大於在所述第一模式時啟動的所述光源陣列11的組數。
本申請實施例還提供一種攝像頭模組。請參閱圖6，攝像頭模組200包括光發射模組100a(100b、100c)和接收模組210。其中，光發射模組100a(100b、100c)用於發出照射到目標物A的探測光點散斑陣列P。接收模組210用於即時採集探測光L遇到目標物後返回的反射光B，再進一步獲得所述目標物的三維位置資訊、圖像資訊以及尺寸資訊。
在本實施例中，光發射模組100a(100b、100c)在初始模式下發出多束探測光L作為預判訊號至目標物。接收模組210根據返回的反射光B，評估
照射到目標物A經過的距離，進而確定最終參與照射目標物A的光源陣列11的組數，即可以控制所述光發射模組100a(100b、100c)在第一模式切換至不同於第一模式的第二模式，並驅動光發射模組100a(100b、100c)發出相應的探測光點散斑陣列P照射到目標物上。所述距離的絕對值與最終參與照射的所述光源陣列11的組數成正相關。同時，所述光源陣列11組數的增加量與所述探測光點散斑陣列P的光點分佈密度成正相關。具體而言，光發射模組100a(100b、100c)與目標物A的距離越遠，需要的光源陣列11的組數亦越多，最終形成的探測光點散斑陣列P的光點分佈密度亦越大。這樣，攝像頭模組200能更加精準地採集各種距離範圍內的目標物A有關參數，拓寬了自身在應用時的距離限制條件。
可選地，接收模組210可以包括濾光片(圖未示)、光學透鏡(圖未示)和深度感測器(圖未示)。其中，濾光片和光學透鏡用於彙聚收集反射光B，並且只允許目標範圍內特定波長的光能夠通過，即篩選有用的光，從而得到目標物A的圖像。深度感測器用於計算探測光L從光發射模組100a(100b、100c)發出再到返回接收模組210的飛行時間，並將高速率下拍攝目標物A的各個圖元單元所得的多幀圖像合成單張圖像，最終完成目標物A的三維位置資訊、圖像資訊以及尺寸資訊的採集。這種設計能夠阻擋帶來干擾的光訊號，減少各種非相關的不規則訊號雜訊，同時防止拍攝時出現過度曝光的情況，從而實現降低功耗的效果。
本申請實施例提供的攝像頭模組，藉由運用光發射模組100a(100b、100c)，將其優勢結合了接收模組210的設計，藉由提前評估探測光L照射到目標物A經過的距離，確定最終參與照射目標物A的光源陣列11的組數，並且所
述光源陣列11用於探測目標物A的組數隨著與目標物A的距離的增大而增大，間接調節照射到目標物A的探測光點散斑陣列P的光點密度，進而增大其自身在使用時的解析度，並與目標物A在各種距離範圍內都相適配，同時降低了功耗和節約成本。
本申請實施例最後提供一種電子設備。請參閱圖7，所述電子設備300包括攝像頭模組200、存儲器310和處理器320。其中，攝像頭模組300用於採集資訊，存儲器310用於存儲資訊，處理器320用於控制所述攝像頭模組200和所述存儲器310，同時處理所述電子設備300與外界交互過程中往來的資訊。所述電子設備300，藉由運用攝像頭模組200的優勢，更好地和外界產生資訊交互。
以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神及範圍。
100a:光發射模組
10:光源模組
11:光源陣列
30:準直透鏡模組
31:準直透鏡
50:轉向繞射模組
51:轉向元件
511、531:入光面
513、533:出光面
53:繞射元件
55:抗反射膜
φ:偏轉角
θ:轉向元件夾角
L1、L2、L3、L4:探測光
Claims (11)
- 一種光發射模組，其改良在於，包括：光源模組，包含至少兩個光源陣列，每個所述光源陣列用於發出多束探測光，所述光源陣列包含複數雷射器；準直透鏡模組，設置於所述光源陣列的出光側，所述準直透鏡模組包含複數準直透鏡，以用於將所述多束探測光準直為互相平行的，所述複數準直透鏡的數量大於或者等於所述複數雷射器的數量，並且每個所述雷射器都有一個所述準直透鏡與之對應；轉向繞射模組，設置於所述準直透鏡模組背向所述光源陣列的一側，用於使經所述準直透鏡模組準直後的不同組所述光源陣列發出的所述探測光先偏轉再繞射或先繞射再偏轉而疊加，形成一個探測光點散斑陣列。
- 如請求項1所述的光發射模組，其中，不同組所述光源陣列發出的所述多束探測光的波長相同，或者不同組所述光源陣列發出的所述多束探測光的波長不同。
- 如請求項1所述的光發射模組，其中，所述轉向繞射模組包含轉向元件和繞射元件，所述轉向元件位於所述準直透鏡模組和所述繞射元件之間，所述轉向元件用於使準直後的不同組所述光源陣列發出的所述多束探測光往不同的方向偏轉，所述繞射元件用於對經所述轉向元件偏轉後的所述探測光進行繞射分光。
- 如請求項1所述的光發射模組，其中，所述轉向繞射模組包含轉向元件和繞射元件，所述繞射元件位於所述準直透鏡模組和所述轉向元件之間，所述繞射元件用於對準直後的所述多束探測光進行繞射分光，所述轉向元 件用於使經所述繞射元件分光後的不同組所述光源陣列發出的所述多束探測光往不同的方向偏轉。
- 如請求項3或4所述的光發射模組，其中，所述轉向元件包含轉向棱鏡，所述轉向棱鏡對應所有的所述光源陣列；或者，所述轉向元件包含複數楔形片，每個所述楔形片對應一組所述光源陣列。
- 如請求項3或4所述的光發射模組，其中，所述轉向繞射模組還包括抗反射膜，所述抗反射膜覆蓋在所述轉向元件的表面上，和/或所述抗反射膜覆蓋在繞射元件的表面上。
- 如請求項3或4所述的光發射模組，其中，所述繞射元件為一個，所述繞射元件對應所有的所述光源陣列；或者，所述繞射元件為複數，每個所述繞射元件對應一組所述光源陣列。
- 如請求項1至4中任意一項所述的光發射模組，其中，所述光發射模組具有第一模式和不同於第一模式的第二模式，其中，在所述第二模式時所述光發射模組的適用探測距離範圍大於在所述第一模式時所述光發射模組的適用探測距離範圍，且在所述第二模式時啟動的所述光源陣列的組數大於在所述第一模式時啟動的所述光源陣列的組數。
- 一種攝像頭模組，其改良在於，包括：如請求項1至8中任意一項所述的光發射模組，用於發射出所述探測光點散斑陣列至目標物；接收模組，用於即時採集被所述目標物反射回來的探測光，再進一步獲得所述目標物的三維位置資訊、圖像資訊以及尺寸資訊。
- 如請求項9所述的攝像頭模組，其中，所述接收模組還用於控制所述光發射模組在所述第一模式切換至所述第二模式。
- 一種電子設備，其改良在於，包括：如請求項9至10中任意一項所述的攝像頭模組，用於採集資訊；存儲器，用於存儲資訊；處理器，用於控制所述攝像頭模組和所述存儲器，同時處理所述電子設備與外界交互過程中往來的資訊。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2023102379172 | 2023-03-10 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160146927A1 (en) | 2014-11-21 | 2016-05-26 | Microsoft Corporation | Multiple pattern illumination optics for time of flight system |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160146927A1 (en) | 2014-11-21 | 2016-05-26 | Microsoft Corporation | Multiple pattern illumination optics for time of flight system |
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