三维影像系统及带有三维影像系统的移动电话的制作方法

本专利申请总体涉及影像技术，并且更具体地涉及一种三维影像系统以及带有该三维影像系统的移动电话。

背景技术：

三维影像技术被广泛地应用于医学影像、机器人、手势识别、用于试衣的脸或身体的扫描等领域。相比二维图像，三维图像包含有关深度的信息，而该信息可以用于在观察者本人未在现场的情况下观察三维制品与结构，检测结构缺陷，或者评估货品。

现在的移动电话通常配备有高分辨率的摄像头。这些摄像头目前只能拍摄二维图像。由于大多数人习惯于把移动电话带在身边，因而，会期望有一种带有三维影像系统的移动电话，这样用户可以方便地使用该移动电话拍摄高分辨率的带有深度信息的三维图像。

技术实现要素：

本专利申请提供一种三维影像系统以及带有该三维影像系统的移动电话。在一个实施例中，该三维影像系统包括其包括：由一频率扫描信号调制的光源；第一分光装置，与所述光源相连，用于将来自光源的光分光为第一光路光输出和第二光路光输出，所述第一光路光输出被引导至一物体，穿过该物体或被该物体反射；第二分光装置，与所述第一分光装置相连，用于将所述第二光路光输出分光为多个光信号；光学子模组用于收集穿过所述物体或被所述物体反射的光，并将收集到的光耦合入一光合并装置；所述光合并装置，与所述光学子模组及第二分光装置相连，包括多个光合并器，用于将耦合自所述光学子模组的光信号与所述第二分光装置输出的光信号合并，并输出多个合并后的光信号；感光装置，与所述光合并装置相连，用于感测该光合并装置的光输出并将其转化为多个电信号；以及信号处理模组，与所述感光装置相连，用于从所述电信号中提取有关物体的三维信息。所述光学子模组包括具有m列和n行包的像素矩阵，每一个像素包括一硅基底层，一硅氧化层设置于该硅基底层上，一玻璃层设置于该硅氧化物层上，一硅波导层设置于该玻璃层上，以及一多晶硅层部分覆盖该硅波导层，多个齿状结构形成于该硅波导层中，一光电二极管设置于所述硅氧化物层上并被所述玻璃层覆盖。所述第二分光装置为一分光器，将所述第二光路光输出分为k个光信号，并且k＝mxn。所述光合并装置k个光合并器，每个光合并器是一个光学y形结，用于将一个耦合自所述光学子模组的光信号与一个由所述第二分光装置输出的光信号合并，并输出合并后的光信号。

空气、所述硅波导层及所述玻璃层的折射率可以分别为n1，n2，n3，并且n2>n3>n1。所 述感光装置可以包含一像素矩阵，其包含k个像素，每个像素为一光感测器，用于将所述合并后的光信号转换为一个电信号。所述第一分光装置可以为一个光纤熔接耦合器。该三维影像系统，可以进一步包括一放大器设置于所述光源与所述第一分光装置之间，用于放大输入该第一分光装置的光信号；以及一准直器设置于所述第一分光装置与所述物体之间，用于在光被导向该物体之前校准该光。频率扫描信号的频率可以在每次扫描中随时间线性变化。

在另一个实施例中，一种移动电话包括：背盖，其上定义有第一窗口和第二窗口；光源；调制器，与所述光源相连，用于通过一频率扫描信号调制所述光源的输出；第一分光装置，与所述光源相连，用于将来自光源的光分光为第一光路光输出和第二光路光输出，所述第一光路光输出被引导至一物体，穿过该物体或被该物体反射；第二分光装置，与所述第一分光装置相连，用于将所述第二光路光输出分光为多个光信号；光学子模组用于收集穿过所述物体或被所述物体反射的光，并将收集到的光耦合入一光合并装置；所述光合并装置，与所述光学子模组及第二分光装置相连，包括多个光合并器，用于将耦合自所述光学子模组的光信号与所述第二分光装置输出的光信号合并，并输出多个合并后的光信号；感光装置，与所述光合并装置相连，用于感测该光合并装置的光输出并将其转化为多个电信号；以及信号处理模组，与所述感光装置相连，用于从所述电信号中提取有关物体的三维信息。该第一窗口围绕所述光学子模组设置并与其对齐。该第二窗口围绕所述第一分光装置在第一光路的光输出设置并与其对齐。

所述第二窗口可以进一步围绕一闪光灯设置并与其对齐，所述闪光灯用于提供使用该移动电话拍摄照片或视频的辅助光。

所述光学子模组可以包括一像素矩阵，每一个像素包括一硅基底层，一硅氧化层设置于该硅基底层上，一玻璃层设置于该硅氧化物层上，一硅波导层设置于该玻璃层上，以及一多晶硅层部分覆盖该硅波导层，多个齿状结构形成于该硅波导层中，一光电二极管设置于所述硅氧化物层上并被所述玻璃层覆盖。

所述光源、所述调制器、所述第一分光装置、所述第二分光装置、所述光采集耦合装置、所述光合并装置、所述感光装置以及所述信号处理模组可以集成于一硅光子芯片，该硅光子芯片通过soi工艺制成。

附图说明

图1是根据本专利申请一个实施例的三维影像系统的结构框图；

图2是说明使用图1所示的三维影像系统提取物体三维信息的方法的流程图；

图3a是根据本专利申请另一个实施例的带有三维影像系统的移动电话的背面图；

图3b是图3a所示的三维影像系统的芯片布局示意图；

图4是图3a所示移动电话中光学子模组的部分截面图。

其中：101、光源；102、光学模组；103、调制器；105、第二分光装置；106、第一分光装置；107、被影像物体；109、光采集耦合装置；111、光合并装置；113、感光装置；115、信号处理模组；121、光路；123、光路；201,203,205,207,209,211,213、步骤；300、移动电话；3001、背盖；3003、第一窗口；3005、第二窗口；301、激光输出；310、闪光灯；313、光学子模组；315、硅光子芯片；321、激光器；323、调制器；325、第二分光装置；326、第一分光装置；331、光合并装置；333、感光装置；335、信号处理模组；337、图像处理模组；400、像素；401、硅基底层；403、硅氧化层；405、玻璃层；407、硅波导层；409、多晶硅层；411,413、齿状结构；415、光电二极管。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本专利申请的三维影像系统以及带有该三维影像系统的移动电话进行详细说明。

图1是根据本专利申请一个实施例的三维影像系统的结构框图。参见图1，该三维影像系统包括光源101，调制器103与所述光源101相连，光学模组102与所述光源101相连，感光装置113与所述光学模组102相连，以及信号处理模组115与所述感光装置113相连。

参见图1，所述光学模组102包括第一分光装置106与所述光源101相连，第二分光装置105与所述第一分光装置106相连，光采集耦合装置109，以及光合并装置111。所述光合并装置111与所述光采集耦合装置109，所述第二分光装置105及所述感光装置113相连。

在本实施例中，所述光源101是一个激光器。该激光器包括一vcsel或者vcsel阵列。所述光源101输出的强度由所述调制器103通过一频率扫描信号(frequencysweepsignal)v(t)调制。在本实施例中，信号v(t)的频率在每次扫描中随时间线性变化。所述第一分光装置106是一分光器，将调制后的所述光源101的光输出分为两个光路121和123的光输出。作为一个例子，该分光器可以是一个光纤熔接耦合器(fiberopticfusioncoupler)。

参见图1，所述第一分光装置106在光路121中的光输出被导向一被影像物体107，如果该物体107透明则穿过该物体107或者如果该物体107不透明则被该物体107反射。在任一情况下，来自该物体107的光(即穿过该物体107的光或经该物体107反射的光)被所述光采集耦合装置109采集并耦合至所述光合并装置111。在本实施例中，该光采集耦合装置109是一光栅耦合器，其包含一像素矩阵。所述矩阵包含m列和n行。在本实施例中，作为举例，m＝600,n＝800。因而有mxn＝480,000个光信号被所述光采集耦合装置109耦合至所述光合并装置111。

参见图1，所述第一分光装置106在光路123中的光输出被耦合至所述第二分光装置105。 在本实施例中，该第二分光装置105是一分光器，将所述光输出分为k个光信号，并且k＝mxn＝480,000。由该第二分光装置105输出的480,000个光信号被导入所述光合并装置111，作为参考信号。

该光合并装置111包含mxn＝k＝480,000个光合并器。在本实施例中，每个光合并器是一个光学y形结(y-juction)，用于将一个耦合自所述光采集耦合装置109的光信号与一个由所述第二分光装置105输出的光信号合并，并输出合并后的光信号。

由光合并装置111中每个光合并器输出的所述合并后的光信号被导入所述感光装置113的一个像素。该感光装置113包含一个像素矩阵。该矩阵中的每一个像素是一个光感测器，用于将所述合并后的光信号转换为一个电信号，例如一个电流信号i(t)。在本实施例中，该感光装置113的像素矩阵包含mxn＝k＝480,000个像素。由该感光装置113输出的电信号被传送至所述信号处理模组115。该信号处理模组115从该电信号中抽取所述物体107的三维信息，其具体方式在本申请说明书中稍后详述。

根据本专利申请的另一个实施例，一放大器设置于所述光源101与所述第一分光装置106之间，用于放大输入该第一分光装置106的光信号。作为一个例子，所述放大器可以是一个光纤放大器。在所述光路121中，一准直器设置于所述第一分光装置106与所述物体107之间，用于在光被导向该物体107之前校准该光。

在上述各实施例中，包括所述第一分光装置106，所述第二分光装置105，所述光采集耦合装置109，以及所述光合并装置111的所述光学模组102，与所述感光装置113集成于一硅光子芯片。优选地，该硅光子芯片通过soi(silicon-on-insulator)工艺制成。

以下说明所述信号处理模组115用以从所述感光装置113输出的电信号中提取所述物体107的三维信息的方法。参见图1，光路121和光路123中光信号的时间延迟差td包括两个部分：光纤中产生的延迟tf和光纤外产生的延迟to。对应所述光采集耦合装置109的不同像素的光纤中产生的延迟tf是一个常数。光纤外产生的延迟to取决于具体地像素，并与所述物体107的空间信息直接相关，而该空间信息包含前述有关深度的信息。

考虑所述光合并装置111的任意两个光合并器c1和c2，其分别对应所述光采集耦合装置109的两个像素。对于光合并器c1而言，其光路121中的时间延迟为d11，其光路123中的时间延迟为d12。对于光合并器c2而言，其光路121中的时间延迟为d21，其光路123中的时间延迟为d22。对于一个像素(对应于光合并器c1)而言，光路121和光路123中光信号的时间延迟差为：td1＝d11-d12＝tf1+to1，其中tf1是对于该像素而言光纤内的时间延迟差，to1是对于该像素而言光纤外的时间延迟差。对于另一个像素(对应于光合并器c2)而言，光路121和光路123中光信号的时间延迟差为：td2＝d21-d22＝tf2+to2，其中tf2 是对于该像素而言光纤内的时间延迟差，to1是对于该像素而言光纤外的时间延迟差。

由于不论像素的具体位置在哪里，所有的光路121和123中的光信号都通过同样的光纤设置，以上两个像素的光纤内的时间延迟差相同，即tf1＝tf2。然而，如果对应于这两个像素的所述物体107的诸如边界、折射率等与空间有关的物理特征不同，该两个像素的光纤外的时间延迟差时间就不同，即to1≠to2。换句话说，td1-td2＝to1-to2。

所以，对不同像素而言光路121和123中的光信号时间延迟差td的差异包含了所述物体107的不同像素位置的相对三维空间信息。这个差异导致不同光合并器的光学输出的不同光学频率，并进一步导致所述感光装置113的不同像素的电输出的不同电学频率。通过分析该不同的电学频率，就可以确定和提取所述物体107不同像素位置的相对三维空间信息。

图2是说明使用图1所示的三维影像系统提取物体三维信息的方法的流程图。参见图2，该方法包括：将一经调制的光信号分光入第一光路和第二光路(步骤201)；由一物体反射该第一光路中的光或者使该光穿过该物体(步骤203)；用一预定数目的像素收集该反射或透射的光，并将该预定数目的收集到的光信号耦合入一光合并装置(步骤205)；将所述第二光路中的光分光为该预定数目的分光信号(步骤207)；通过所述光合并装置合并所述预定数目的收集到的光信号与所述预定数目的分光信号成为所述预定数目的合成光信号(步骤209)；感测所述预定数目的合成光信号并将其转化成为电信号(步骤211)；以及分析所述电信号并确定所述物体的三维信息(步骤213)。

图3a是根据本专利申请另一个实施例的带有三维影像系统的移动电话的背面图。参见图3a，移动电话300的背盖3001上定义有第一窗口3003和第二窗口3005。该第一窗口3003围绕一光学子模组313设置并与其对齐。在本实施例中，该光学子模组313集成了前述光采集耦合装置109和一图像感测器。该光学子模组313的结构在之后会做更详细的说明。所述第二窗口3005围绕一闪光灯310与一激光输出301设置并与其对齐。在本实施例中，该激光输出301为所述第一分光装置106(参见图1)在光路121的光输出。该闪光灯310为可选的，用于提供使用该移动电话300拍摄照片或视频的辅助光。该三维影像系统包含图1所示实施例中的所有元件，并被集成于一硅光子芯片315。该硅光子芯片315设置于所述背盖3001的下方。优选地，该硅光子芯片315通过soi(silicon-on-insulator)工艺制成。

图3b是图3a所示的三维影像系统的芯片布局示意图。参见图3b，所述三维影像系统集成于硅光子芯片315，包括激光器321，与该激光器321相连的调制器323，以及与该激光器321相连的第一分光装置326。所述第一分光装置326是一集成于芯片上的分光器，其一个输出投射出窗口3005，其另一个输出与第二分光装置325相连。所述第二分光装置325也集成于芯片315上。芯片315进一步包括光学子模组313，该光学子模组集成了所述光采集耦合 装置109和一图像感测器。该光学子模组313与窗口3003对齐。所述芯片315进一步包括光合并装置331。由所述光学子模组313耦合的光信号以及所述第二分光装置325输出的光信号被输送至该光合并装置331并由其合并。感光装置333和信号处理模组335与该光合并装置331连接，并也集成于芯片315。由于所述光学子模组313集成了图像感测器，芯片315可以进一步包括一可选的图像处理模组337，该图像处理模组337与所述光学子模组313相连，用于处理该光学子模组313捕获的图像。

图4是图3a所示移动电话中光学子模组的部分截面图。该光学子模组313包括一由硅光子芯片实现的像素矩阵。该矩阵包含m列和n行，在本实施例中，作为一个例子，m＝600，n＝800。每一个像素包括一多层结构。参见图4，像素400包括一硅基底层401，一硅氧化层403设置于该硅基底层401上，一玻璃层405设置于该硅氧化物层403上，一硅波导层407设置于该玻璃层405上，以及一多晶硅层409部分覆盖该硅波导层407。多个齿状结构(即光栅)411和413形成于该硅波导层407中。如图4所示，一部分齿状结构(即齿状结构411)被所述多晶硅层409覆盖，而另一部分齿状结构(即齿状结构413)未被所述多晶硅层409覆盖。一光电二极管415设置于所述硅氧化物层403上并被所述玻璃层405覆盖。

假设空气、所述硅波导层407及所述玻璃层405的折射率分别为n1，n2，n3。在本实施例中，n2>n3>n1。这样的关系保证了光在所述光学子模组313中按需要的路径传导，详述如下。

参见图4，照射到像素覆盖有所述多晶硅层409的那部分的光(箭头417所示)通过齿状结构411，并由此被耦合入所述硅波导层407，并顺着该硅波导传送(箭头419所示)。当该光行进至所述齿状结构413的下方，一部分光被所述齿状结构413反射，进入所述玻璃层405，然后被所述光电二极管415收集；剩余部分的光继续在所述硅波导层407内传送，如箭头421所示，并被导入所述光合并装置111的一光合并器中。值得注意的是，所述光合并装置111也同所述光学子模组313一样被集成于同一硅光子芯片315上。

照射到像素未覆盖有所述多晶硅层409的那部分的光(箭头420所示)进入所述齿状结构413，穿过所述硅波导层407，进入所述玻璃层405，并被所述光电二极管415收集。被不同像素的该光电二极管415收集的光可以用来形成所述物体107的图像，这样所述光学子模组313不仅集成了所述光采集耦合装置109，而且也集成了一个图像感测器。

在本实施例中，可以通过调整所述多晶硅层409的厚度达到最佳的方向性以及所述齿状结构(即光栅)的耦合长度。光栅的长度和宽度变化也可以调整。

以上各实施例提供的三维影像系统制成于单一硅光子芯片，并因此可以通过既不复杂也不昂贵的组装流程与移动电话集成。而且，所述三维影像系统集成了图像感测器的功能，进 一步地降低了带有该三维影像系统的移动电话的制造成本及其组装的复杂性。进一步地，该带有三维影像系统的移动电话的外观与普通移动电话相似，因而其使用方便，也易于根据用户使用普通移动电话的习惯定制。

以上所述，仅是本专利申请较佳实施例而已，并非对本专利申请作任何形式上的限制，虽然本专利申请以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本专利申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本专利申请技术方案内容，依据本专利申请技术对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本专利申请技术方案的范围内。