ToF收发模组、深度成像装置及电子设备的制作方法

tof收发模组、深度成像装置及电子设备
技术领域
1.本发明涉及一种收发模组，特别是涉及一种tof收发模组、深度成像装置及电子设备。


背景技术：

2.3d相机主要采用结构光、双目或tof(time of flight，飞行时间)等技术来实现3d成像。其中，结构光和双目方案都是基于三角几何视差原理实现，此种方式在近距离可以获得很高的精度，但是误差会随着距离的增加而快速变大。相较而言，tof在远距离可以获得更好的精度，因而广泛应用于消费电子领域。
3.tof方案通常是利用光源向目标物体发出光信号，并利用感光单元来检测目标物体的反射光信号，根据发射和接收光信号的时间差或相位差来获取目标物体的距离信息。为实现这一过程，相关技术中主要采用高密度的二维感光单元阵列来实现大视场角的3d探测，这对于感光单元阵列的设计和加工要求较高，因而很难实现产业化。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种tof收发模组、深度成像装置及电子设备，用于解决现有技术中存在的上述问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明的第一方面提供一种tof收发模组，所述tof收发模组包括光源、光源控制器和多个感光单元，其中：所述光源包括至少两个发光点集合；所述光源控制器与所述光源相连，用于控制所述发光点集合的发光状态，以使所述发光点集合分时发出光线从而在目标物体的不同位置分时投射出散斑图案；各所述感光单元用于获取对应发光点在所述目标物体上投射出的散斑图案，其中，各所述感光单元的对应发光点的数量至少为2且属于不同的发光点集合。
6.于所述第一方面的一实施例中，所述光源控制器控制所述发光点集合的发光状态的一种方式为：根据所述目标物体与所述tof收发模组的距离控制所述发光点集合的发光状态和/或发射功率。
7.于所述第一方面的一实施例中，当所述目标物体与所述tof收发模组的距离小于或等于第一距离阈值时，所述光源控制器控制一个所述发光点集合发出光线；当所述目标物体与所述tof收发模组的距离大于所述第一距离阈值时，所述光源控制器控制至少两个所述发光点集合分时发出光线。
8.于所述第一方面的一实施例中，所述tof收发模组还包括：光学转向元件，用于调整所述光源发出的光线的传播方向，以使所述光源发出的光线与所述目标物体的反射光线同轴。
9.于所述第一方面的一实施例中，所述tof收发模组还包括：第一准直镜，设置于所述光源与所述光学转向元件之间，用于对所述光源发出的光线进行准直；接收镜头，设置于所述感光单元与所述光学转向元件之间，用于收集所述反射光线。
10.于所述第一方面的一实施例中，所述tof收发模组还包括：第二准直镜，设置于所述光学转向元件远离所述感光单元的一侧，用于对所述光源发出的光线进行准直，并用于收集所述反射光线。
11.于所述第一方面的一实施例中，所述光源为垂直腔面发射激光器，所述光学转向元件为反射元件；或者所述光源为高对比度光栅-垂直腔面发射激光器，所述光源发出的光线包括第一偏振光和第二偏振光，所述光学转向元件为偏振分光元件，用于反射所述第一偏振光而透射所述第二偏振光。
12.于所述第一方面的一实施例中，所述感光单元为单光子雪崩二极管阵列、雪崩光电二极管阵列、或者单光子雪崩二极管与雪崩光电二极管的组合阵列；和/或所述感光单元基于硅基材料或量子点材料实现。
13.本发明的第二方面提供一种深度成像装置，所述深度成像装置包括：本发明第一方面任一项所述的tof收发模组，以及图像信号处理器。
14.本发明的第三方面提供一种电子设备，所述电子设备包括本发明第二方面所述的深度成像装置。
15.如上所述，本发明一个或多个实施例中所述的tof收发模组具有以下有益效果：
16.所述tof收发模组中，各所述感光单元具有至少两个对应发光点，且各所述感光单元的至少两个对应发光点属于不同的发光点集合，各所述感光单元的至少两个发光点可以在所述光源控制器的控制下分时发出光线以在目标物体的不同位置分时投射出散斑图案，各所述感光单元可以分时获取其对应发光点在所述目标物体上投射出的散斑图案，进而获取所述目标物体相应位置的深度信息。与相关技术相比，所述tof收发模组可以采用数量更少的感光单元来获取同样数量的深度信息，因而能够降低对感光单元阵列的设计和加工要求，有利于实现产业化。
附图说明
17.图1a显示为本发明所述tof收发模组于一具体实施例中的结构示意图。
18.图1b显示为本发明所述tof收发模组于一具体实施例中发光点集合的示意图。
19.图1c显示为本发明所述tof收发模组于一具体实施例中感光单元的结构示意图。
20.图2a显示为本发明所述tof收发模组于一具体实施例中的结构示意图。
21.图2b显示为本发明所述tof收发模组于一具体实施例中的结构示意图。
22.图3显示为本发明所述tof收发模组于一具体实施例中的结构示意图。
23.元件标号说明
[0024]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
tof收发模组
[0025]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光源
[0026]
111～114
ꢀꢀ
发光点
[0027]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光源控制器
[0028]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感光单元阵列
[0029]
131
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感光单元
[0030]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光学转向元件
[0031]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一准直镜
[0032]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收镜头
[0033]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二准直镜
[0034]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三准直镜
[0035]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收镜头
具体实施方式
[0036]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。此外，在本文中，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0038]
相关技术中主要采用高密度的二维感光单元阵列来实现大视场角的3d探测，这对于感光单元阵列的设计和加工要求较高，因而很难实现产业化。针对这一问题，请参阅图1a，于本发明的一实施例中提供一种tof收发模组1，所述tof收发模组1包括光源11、光源控制器12和多个感光单元组成的感光单元阵列13。
[0039]
所述光源11为激光器或者激光器阵列，例如为：垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)、水平腔面发射激光器(horizontal cavity surface-emitting laser，hcsel)、边发射激光器(edge emitting laser，eel)等，其中，vcsel包含传统的dbr-vcsel(典型地，可以用3junction的vcsel设计以提供更高的单点发光功率)，也可以是发光点密度更高的高对比度光栅hcg-vcsel。请参阅图1b，本实施例中，所述光源11包括4个发光点集合，其中，第一发光点集合包括8
×
6个发光点
①
，第二发光点集合包括8
×
6个发光点
②
，第三发光点集合包括8
×
6个发光点
③
，第四发光点集合包括8
×
6个发光点
④
。
[0040]
所述光源控制器12与所述光源11相连，用于控制4个发光点集合的发光状态，以使发光点集合分时发出光线从而在目标物体的不同位置分时投射出散斑图案。所述光源控制器12例如可以采用控制芯片和光源驱动电路实现，所述目标物体可以为一个物体，也可以为处于相同位置或不同位置的多个物体，本发明对此不作限制。
[0041]
所述发光点结合分时发出光线的具体过程例如为：所述光源控制器12可以在第一时段控制第一发光点集合中的所有发光点
①
发光而控制其余发光点不发光，在第二时段控制第二发光点集合中的所有发光点
②
发光而控制其余发光点不发光，在第三时段控制第三发光点集合中的所有发光点
③
发光而控制其余发光点不发光，在第四时段控制第四发光点集合中的所有发光点
④
发光而控制其余发光点不发光。所述第一时段、所述第二时段、所述第三时段和所述第四时段的长度可以根据实际需求设置，上述四个时段的长度可以相同也
可以不同。
[0042]
此外，所述光源控制器12还可以控制所述发光点集合周期性重复上述分时发光的过程，以使所述感光单元能够获取足够多的回波光子数从而完成计数，其中，重复周期或频率可以根据实际需求设置，例如，可以根据所述目标物体与所述tof收发模组之间的距离设置所述重复周期或频率。
[0043]
需要说明的是，以上所有4个发光点集合分时发光的方式仅为一个示例，实际应用中，所述光源控制器12也可以根据实际需求仅选取其中的1个或多个发光点集合分时发光，例如，可以选取第一发光点集合和第三发光点集合分时发光，或者选取第一发光点集合、第二发光点集合和第四发光点集合分时发光。此外，所述发光点集合的数量并不限制为4，实际应用中也可以根据实际需求将所述光源11中的发光点划分为两个或多个发光点集合，本发明对此不作限制。
[0044]
所述发光点集合分时发出的光线会在所述目标物体的不同位置分时投射出散斑图案，并在所述目标物体的不同位置发生反射而形成反射光线，所述反射光线被所述感光单元阵列13所接收。请参阅图1c，本实施例中所述感光单元阵列13包括8
×
6个感光单元，其中，每个感光单元具有4个对应发光点，且每个感光单元对应的4个发光点分别属于不同的发光点集合。每个感光单元用于分时接收其对应发光点在所述目标物体上投射出的散斑图案，并且，当某一或某些感光单元的对应发光点不向所述目标物体投射散斑图案时，该某一或某些感光单元无需获取散斑图案。
[0045]
例如，对于所述感光单元阵列13中左上角的感光单元131，其对应发光点为所述光源11最左上角的发光点111、112、113和114。当发光点111～114分时发光时，所述感光单元131分时获取发光点111～114所发出的光线在所述目标物体上投射出的散斑图案，因而所述感光单元131可以分时存储所述目标物体不同位置处的深度信息，从而成倍地增加接收端的分辨率。而在相关技术中，由于发光点111～114持续发光，需要采用至少4个感光单元来获取发光点111～114所发出的光线在所述目标物体上投射出的散斑图案，相较之下，本实施例所述tof收发模组1能够采用数量更少的感光单元来获取同样数量的深度信息，或者采用同样数量的感光单元来获取更多的深度信息。
[0046]
需要说明的是，本实施例中所述tof收发模组包括以阵列形式设置的感光单元，但本发明并不以此为限，实际应用中可以根据实际需求设置各感光单元的位置以及排列方式。此外，本实施例中为便于说明而将所有发光点均设置为与一感光单元相对应，然而，实际应用中，发射端的散斑覆盖范围通常大于接收端的fov(field of view，视场角)，因此，可以允许某些发光点投射出的散斑图案不被感光单元所接收，这不会对本发明的性能产生太大影响。
[0047]
于本发明的一实施例中，所述tof收发模组中的感光单元为长条形的感光单元阵列，此种感光单元阵列允许所述光源中的发光点以按行或按列的方式分时发出光线。
[0048]
于本发明的一实施例中，所述光源控制器控制所述发光点集合的发光状态的一种方式为：根据所述目标物体与所述tof收发模组的距离控制所述发光点集合的发光状态和/或发射功率。具体地，所述光源控制器可以根据所述目标物体的反射光线实时获取所述目标物体与所述tof收发模组之间的距离，并根据该距离实时调整所述发光点集合的发光状态和/或发射功率。
[0049]
可选地，当所述目标物体与所述tof收发模组的距离小于或等于第一距离阈值时，所述光源控制器控制所述光源的一个发光点集合发出光线，并控制其余发光点集合均不发出光线，以便降低所述tof收发模组的深度分辨率，并降低所述tof收发模组的功耗。同时，所述光源控制器还可以减小发光点集合的发射功率至第一发射功率，以进一步降低功耗。所述第一距离阈值可以根据实际需求设置，例如为1m，所述第一发射功率也可以根据实际需求设置。
[0050]
当所述目标物体与所述tof收发模组的距离大于所述第一距离阈值时，所述光源控制器控制所述光源的至少两个发光点集合分时发出光线，以适当提升所述tof收发模组的深度分辨率。同时，所述光源控制器还可以适当调整所述发光点集合的发射功率，以便在保证深度分辨率的同时，降低所述tof收发模组的功耗。
[0051]
其中，参与分时发出光线的发光点集合的数量、以及所述发光点集合的发射功率可以根据所述目标物体与所述tof收发模组之间的距离确定。例如，当该距离大于所述第一距离阈值而小于或等于第二距离阈值时，所述光源控制器控制所述光源的两个发光点集合分时发出光线，并将所述发光点集合的发射功率设置为第二发射功率；当该距离大于所述第二距离阈值而小于或等于第三距离阈值时，所述光源控制器控制所述光源的3个发光点集合分时发出光线，并将所述发光点集合的发射功率设置为第三发射功率。所述第二距离阈值和所述第三距离阈值可以根据实际需求设置，所述第二发射功率和所述第三发射也可以根据实际需求设置，其中，所述第一发射功率小于所述第二发射功率，且所述第二发射功率小于所述第三发射功率。
[0052]
本实施例中，所述光源控制器可以根据所述目标物体与所述tof收发模组之间的距离来调整发出光线的发光点集合的数量、以及发光点集合的发射功率，从而在保证所述tof收发模组深度分辨率的同时降低功耗。
[0053]
于本发明的一实施例中，所述tof收发模组还包括光学转向元件。其中，所述光学转向元件用于调整光源发出的光像的传播方向，以使所述光源发出的光线与所述目标物体的反射光线同轴。其中，所述光源发出的光线与所述目标物体的反射光线同轴，是指所述光源发出的光线的光轴、与所述反射光线的光轴相同或近似相同，所述近似相同是指二者之间的差异所导致的误差能够被用户所接受。
[0054]
本实施例中，所述光源例如为垂直腔面发射激光器，所述光学转向元件例如为反射元件，所述反射元件可以采用反射镜或者在透镜上镀反光膜实现。或者，所述光源例如为高对比度光栅-垂直腔面发射激光器(hcg-vcsel)，所述光源发出的光线包括第一偏振光(例如为p光)和第二偏振光(例如为s光)，所述光学转向元件例如为偏振分光元件，用于反射所述第一偏振光而透射所述第二偏振光，所述偏振分光元件可以采用偏振分光棱镜或者在透镜上镀偏振分光膜实现。
[0055]
于本发明的一实施例中，请参阅图2a，显示为所述tof收发模组1的一个具体实例，其中，所述光源11发出的光线的光轴、与所述发射光线的光轴不同，例如，二者相交或垂直，为了实现二者同轴，本实施例中所述tof收发模组1还包括光学转向元件14、第一准直镜15和接收镜头16。
[0056]
所述第一准直镜15设置于所述光源11与所述光学转向元件14之间，用于对所述光源11发出的光线进行准直。
[0057]
所述接收镜头16设置于所述感光单元阵列13与所述光学转向元件14之间，用于收集所述反射光线。
[0058]
所述光学转向元件14用于调整所述光源11发出的光线的传播方向，以使所述光源11发出的光线与所述目标物体的反射光线同轴。优选地，当所述反射光线的光轴与所述光源11发出的光线的光轴相交时，所述光学转向元件14的中心点位于二者的交点。
[0059]
图2a中，所述光学转向元件14为反射元件，用于以反射的形式调整所述光源11发出的光线的传播方向。需要说明的是，图2a仅为一示意图，其中所示元件之间的相对尺寸仅用于说明所述tof收发模组1的工作原理，而非用于限定本发明。通常情况下，光源11所采用的激光器或激光器阵列的发散角很小，例如，对于vcsel，其发散角通常小于20
°
，实际应用中也可以定制发散角更小的激光器或激光器阵列。因此，用于反射所述光源11发出的光线的光学转向元件14的尺寸很小，其不会对反射光线产生过多阻挡，因而所述感光单元阵列13可以接收到足够的反射光线。
[0060]
除此之外，图2a所示的光学转向元件14也可以替换为偏振分光元件，所述光源11可以为hcg-vcsel，此时同样可以实现所述光源11发出的光线与所述反射光线同轴。此种方式的具体原理与图2b类似，此处暂不做详细介绍。
[0061]
根据以上描述可知，本实施例提供了一种同轴收发模组，所述同轴收发模组能够兼容目标物体距离较近的场景，有利于减小因为近距离视差所导致的深度计算误差。
[0062]
于本发明的一实施例中，请参阅图2b，显示为所述tof收发模组1的另一具体实例，其中，所述光源11发出的光线的光轴、与所述发射光线的光轴不同，例如，二者相交或垂直，为了实现二者同轴，本实施例中所述tof收发模组1还包括光学转向元件14和第二准直镜17。
[0063]
所述第二准直镜17设置于所述光学转向元件14远离所述感光单元阵列13的一侧，用于对所述光源11发出的光线进行准直，并用于收集所述反射光线。
[0064]
所述光学转向元件14用于调整所述光源11发出的光线的传播方向，以使所述光源11发出的光线与所述目标物体的反射光线同轴。优选地，当所述反射光线的光轴与所述光源11发出的光线的光轴相交时，所述光学转向元件14的中心点位于二者的交点。
[0065]
需要说明的是，图2b所示光学转向元件14为偏振分光元件，所示光源11为hcg-vcsel。所述偏振分光元件例如可以设计为反射s偏振光而透过p偏振光，由于光源发出的光线在到达所述目标物体时会出现退偏振效果，因此，到达所述感光单元阵列13的回波信号除包含所述偏振分光元件范围之外的反射光线以外，还包括在所述偏振分光元件范围之内因为退偏振而透过所述偏振分光元件的反射光线，因而到达所述感光单元阵列13的回波信号相对更强。
[0066]
除此之外，图2b所示的光学转向元件14也可以替换为反射元件，此时同样可以实现所述光源11发出的光线与所述反射光线同轴，具体原理与图2a类似，此处不做过多赘述。
[0067]
可选地，当所述光学转向元件14为偏振分光元件时，与之配合使用的所述第一准直镜或所述第二准直镜的数值孔径优选为其中，θ为光源的发散角。此时，所述光学转向元件14可以作为发射端的孔径光阑，能够使接收端的光圈更大，提高接收端的进光量。
[0068]
根据以上描述可知，本实施例提供了另一种同轴收发模组，所述同轴收发模组能够兼容目标物体距离较近的场景，有利于减小因为近距离视差所导致的深度计算误差。
[0069]
请参阅图3，于本发明的一实施例中，所述tof收发模组1还包括第三准直镜18和接收镜头19。所述第三准直镜18用于对所述光源11发出的光线进行准直，所述接收镜头19用于收集所述目标物体的反射光线。本实施例所述tof收发模组1为非同轴收发模组，适用于目标物体距离较远的场景。
[0070]
于本发明的一实施例中，所述tof收发模组包括准直镜，所述准直镜仅用于对所述光源发出的光线进行准直，而不用于收集反射光线，例如图2a或图3所示的第一准直镜15或第三准直镜18。此时，所述tof收发模组还包括衍射光学元件(doe)，所述衍射光学元件设置于所述准直镜远离所述光源的一侧，用于对所述光源发出的光线进行复制，从而增大所述tof收发模组的覆盖视场角度。所述衍射光学元件的复制数量优选为大于或等于3
×
3。
[0071]
于本发明的一实施例中，所述感光单元阵列为单光子雪崩二极管阵列、雪崩光电二极管阵列、或者单光子雪崩二极管与雪崩光电二极管的组合阵列。
[0072]
于本发明的一实施例中，所述感光单元阵列基于硅基材料、量子点材料或其他感光材料实现。
[0073]
基于以上对所述tof收发模组的描述，本发明还提供一种深度成像装置，所述深度成像装置包括图1a、图2a、图2b或图3所示的tof收发模组以及图像信号处理器。
[0074]
基于以上对所述tof收发模组的描述，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括本发明所述的深度成像装置。
[0075]
综上所述，本发明一个或多个实施例所述的tof收发模组中，各所述感光单元具有至少两个对应发光点，且各所述感光单元的至少两个对应发光点属于不同的发光点集合，因而各所述感光单元的至少两个发光点可以在所述光源控制器的控制下分时发出光线以在目标物体的不同位置分时投射出散斑图案，各所述感光单元可以分时获取其对应发光点在所述目标物体上投射出的散斑图案，进而获取所述目标物体相应位置的深度信息。与相关技术相比，所述tof收发模组可以采用数量更少的感光单元来获取同样数量的深度信息，因而能够降低对感光单元阵列的设计和加工要求，有利于降低对制作工艺的要求以及器件成本，便于尽快实现产业化。
[0076]
此外，所述tof收发模组可以配置为根据所述目标物体的位置动态实时调整深度分辨率和发光点集合的发射功率，从而兼容远距离场景和近距离场景。此外，本发明的实施例中还提供了非同轴tof收发模组和同轴tof收发模组，以满足用户的不同需求。
[0077]
因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0078]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。