一种发射模组、电子设备及距离测量方法与流程

本发明涉及测距及3d成像技术领域，特别涉及一种发射模组、电子设备及距离测量方法。

背景技术：

tof是飞行时间(timeofflight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。一般来说，tof技术主要包括itof和dtof，其中：itof(indirecttimeofflight)是间接测量时间的一种方法，大部分的间接测量方案都是采用了测相位偏移的方法，即发射的正弦波与接收的正弦波之间的相位差，飞行时间t，也即距离z，是关于相位差的函数，因此可以解出z，故itof需要以后处理的方式进行距离计算,有两步或多步相位还原，所以帧数(hz)无法提高，并且itof背景光容易干扰深度距离计算，产生误判。dtof(directtimeofflight)是直接测量飞行时间。tof最初就是希望能直接测量时间来对应距离，但能达到ps级分辨率的测量系统成熟的较慢，即spad。spad(singlephotonavalanchediode)，单光子雪崩二极管，这是一种能在ps级的时间内产生响应电流的器件，其工作原理是采用反向偏压的光电二极管，使其工作在超过击穿电压而尚未击穿的很小的一个电压范围内，此时的二极管处在非常敏感的工作区间，因此只要有微弱的光信号即可引发其产生雪崩电流，相应速度极快，价格昂贵。

因此，研究一种模组既能准确进行距离计算，又能节约成本是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种发射模组、电子设备及距离测量方法，用于准确进行距离计算，并节约成本。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种发射模组，包括：发射器、像散元件和衍射光学器件，所述像散元件设置于所述发射器的光路上并用于将所述发射器发射的光信号进行像散变形，所述衍射光学器件设置于所述发射器的光路上，且位于所述像散元件背离所述发射器的一侧。

发射器具体可以为激光器。本发明通过激光器发射激光，激光通过像散元件形成少量散斑，少量散斑经由衍射光学器件衍射形成大量散斑投射至目标物体。相较于itof通过测相位偏移的方法以及dtof直接测量飞行时间的方法，本发明通过像散元件将发射器发射的光信号进行像散变形发射模组投射在目标物体上的散斑形状，并根据散斑形状进行距离换算，计算方法简单，无需多次拍摄照片即可求得距离，减少延迟时间；同时散斑的投射可降低背景光干扰深度距离计算，提升精确度。

可选地，所述像散元件为像散透镜；

所述像散透镜沿第一方向具有第一焦距，沿第二方向具有第二焦距，且第一焦距与所述第二焦距不相等；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

相互垂直的第一方向和第二方向具体可以为x方向和y方向，像散透镜x方向具有第一焦距fx，y方向具有第二焦距fy，且fx不等于fy。因为像散透镜xy方向的曲率半径不同，所以焦距不同，不同距离下其散斑形状亦不相同，因而可依据散斑形状标定距离。

可选地，所述像散透镜朝向所述发射器一侧表面的曲率半径为2mm-3mm，例如2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或者3mm；和/或，

所述像散透镜背离所述发射器一侧表面的曲率半径为2mm-3mm，例如2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或者3mm。

可选地，像散透镜满足如下条件式：

其中：

f是透镜的焦距；

n是透镜材料的折射率；

nm是包围在透镜材料四周物质的折射率；

r1是透镜靠近光源这一侧表面的曲率半径；

r2是透镜远离这一侧表面的曲率半径；

d是透镜的厚度。

该像散透镜可由柱状透镜改造而成，具体地，柱状透镜x方向半径r1为3mm-5mm，研磨此透镜的y方向，使透镜形成半径r1’圆弧，r1’具体为2mm-3mm。

第二方面，本发明还提供一种电子设备，包括接收模组以及如上任一项所述的发射模组；

所述接收模组设于所述发射模组周侧，用于接收所述发射模组向目标物体投射的散斑、确定所述散斑的特征信息，并根据所述特征信息获取所述目标物体的距离信息。

上述电子设备中的发射模组通过像散元件对激光器的激光信号进行像散变形，从而接收模组需要接收投射至目标物体的散斑，并确定散斑的特征信息，根据特征信息对目标物体的距离进行标定以及测量。接收模组具体可以为电荷耦合器件。电荷耦合器件(ccd，chargecoupleddevice)成本较低，从而降低整个模组的成本，使之具有量产性。

可选地，所述特征信息包括所述散斑形状的椭圆比。

辨识散斑在电荷耦合器件上形状即可判断距离。具体地，散斑形状可采用椭圆比作为指标，即每一个椭圆比对应不同的距离，从而通过分析散斑的椭圆比对应特定的距离值。

第三方面，本发明还提供一种距离测量方法，包括：

将如上任一项所述的发射模组发射的散斑投射至目标物体上；

确定所述目标物体上散斑的特征信息，并根据所述特征信息获取所述目标物体的距离信息。

根据散斑形状进行距离换算的换算方法记录在ccd的内存内。激光器朝向像散元件发射激光，激光通过像散元件形成少量散斑，少量散斑经由衍射光学器件衍射形成大量散斑投射至目标物体，而后被ccd接收；ccd对散斑形状进行处理，并根据内存内存储的换算方法将散斑形状换算成距离。该换算方法简单易实现。

可选地，所述确定所述目标物体上散斑的特征信息，并根据所述特征信息获取所述目标物体的距离信息，包括：

获取所述散斑沿相互垂直的两个方向上的尺寸比值，并依据所述尺寸比值换算距离。

相互垂直的两个方向具体可以为x方向和y方向，ccd内存中记录散斑形状中xn，yn的比值与距离之间的换算方法，例如比值y1/x1＝1m，y5/x5＝5m。如此由xn、yn比值，每一个散斑皆可以算得距离。

可选地，在确定所述目标物体上散斑的特征信息，并根据所述特征信息获取所述目标物体的距离信息之前，还包括：

获取目标物体与衍射光学器件不同距离下的散斑形状，并依据所述散斑形状标定距离。

判别距离矫正方法首先将目标物体移动不同距离记录散斑点的形状，从而建立距离值与散斑形状之间的对应关系，即依据散斑形状标定距离。

可选地，所述获取目标物体与衍射光学器件不同距离下的散斑形状，并依据所述散斑形状标定距离，包括：

获取所述散斑沿相互垂直的两个方向上的尺寸比值，并依据所述尺寸比值标定距离。

判别距离矫正方法具体可以为：首先将目标物体移动不同距离记录散斑点的形状，接着记录散斑形状中xn，yn的比值，例如比值y1/x1＝1m，y5/x5＝5m。距离换算方法可记录在ccd内存。如此由xn、yn比值，每一个散斑皆可以算得距离。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图；

图2a-2d为像散透镜的制作示意图；

图3a-3c为散斑投影距离与形状变化示意图；

图4为散斑形状在ccd上分布示意图；

图5为图4中单一散斑在ccd上的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种距离测量方法的流程图。

图标：1-发射器；2-像散元件；3-衍射光学器件；4-电荷耦合器件；5-目标物体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种发射模组包括发射器、像散元件和衍射光学器件，像散元件设置于发射器的光路上并用于将发射器发射的光信号进行像散变形，衍射光学器件设置于发射器的光路上，且位于像散元件背离发射器的一侧。

相较于itof通过测相位偏移的方法以及dtof直接测量飞行时间的方法，本发明通过像散元件将发射器发射的光信号进行像散变形发射模组投射在目标物体上的散斑形状，并根据散斑形状进行距离换算，计算方法简单，无需多次拍摄照片即可求得距离，减少延迟时间；同时散斑的投射可降低背景光干扰深度距离计算，提升精确度。

如图1所示，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：发射模组，发射模组包括发射器1、像散元件2和衍射光学器件3，像散元件2设置于发射器1的光路上并用于将发射器1发射的光信号进行像散变形，衍射光学器件3设置于发射器1的光路上，且位于像散元件2背离发射器1的一侧；接收模组，设于发射模组周侧，用于接收发射模组向目标物体5投射的散斑、确定散斑的特征信息，并根据特征信息获取目标物体的距离信息。

相较于itof通过测相位偏移的方法，本发明实施例通过接收模组接收发射模组投射在目标物体5上的散斑形状，并根据散斑形状进行距离换算，计算方法简单，无需多次拍摄照片即可求得距离，减少延迟时间；同时散斑的投射可降低背景光干扰深度距离计算，提升精确度。相较于dtof需要昂贵的spad，本发明实施例中接收模组成本较低，具有量产性。

可选地，发射器1为激光器。

一种可能实现的方式中，参照图1，通过激光器发射激光，激光通过像散元件2形成少量散斑，少量散斑经由衍射光学器件3衍射形成大量散斑投射至目标物体5，从而被接收模组接收。

可选地，像散元件2为像散透镜；像散透镜沿第一方向具有第一焦距，沿第二方向具有第二焦距，且第一焦距与第二焦距不相等；其中，第一方向与第二方向垂直。

相互垂直的第一方向和第二方向具体可以为x方向和y方向，像散透镜x方向具有第一焦距fx，y方向具有第二焦距fy，且fx不等于fy。因为像散透镜xy方向的曲率半径不同，所以焦距不同，不同距离下其散斑形状亦不相同，因而可依据散斑形状标定距离。

一种可能实现的方式中，如图2a-2d所示，该像散透镜可由柱状透镜(如图2a所示)改造而成，具体地，柱状透镜x方向半径r1为3mm-5mm，例如3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或者5mm；研磨此透镜的y方向，使透镜形成半径r1’圆弧(如图2b所示)，r1’具体为2mm-3mm，例如2mm、2.5mm或者3mm。像散透镜的成品如图2c和图2d所示。并且，像散透镜的焦距满足如下条件式：

其中：

f是透镜的焦距；

n是透镜材料的折射率；

nm是包围在透镜材料四周物质的折射率，例如空气；

r1是透镜靠近光源这一侧表面的曲率半径；

r2是透镜远离这一侧表面的曲率半径；

d是透镜的厚度(沿着光轴上，透镜两个面之间的距离)。

可选地，像散透镜朝向发射器1一侧表面的曲率半径r1为2mm-3mm，例如2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或者3mm；和/或，像散透镜背离发射器1一侧表面的曲率半径r2为2mm-3mm，例如2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或者3mm。

可选地，接收模组为电荷耦合器件4。ccd(chargecoupleddevice)是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。ccd图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因而，本实施例将ccd器件作为接收模组。ccd成本较低，从而降低整个模组的成本，使之具有量产性。

可选地，特征信息包括散斑形状的椭圆比。

辨示散斑在电荷耦合器件上形状即可辨距离。具体地，散斑形状可采用椭圆比作为指标，即每一个椭圆比对应不同的距离，从而通过分析散斑的椭圆比对应特定的距离值。

上述电子设备使用之前先要对距离进行标定，参照图3a、图3b以及图3c所示，首先将目标物体5移动不同距离(如图3a中d1、图3b中d2以及图3c中d3)记录散斑点的形状，从而建立距离值与散斑形状之间的对应关系，即依据散斑形状标定距离。具体地，参照图4和图5，记录散斑形状中xn，yn的比值与对应的距离dn的关系，例如y1/x1＝1m，y5/x5＝5m。标定距离后上述电子设备可用于进行距离的测量，以保证测量的准确性。

因此，上述电子设备无需多次拍摄照片即可求得距离，减少延迟时间；散斑的投射可降低背景光干扰深度距离计算，提升精确度；只需要一般的电荷耦合器件，成本低，具有量产性。

第二方面，如图6所示，本发明的实施例还提供一种距离测量方法，包括以下步骤：

s601、将发射模组发射的散斑投射至目标物体上；

s602、获取目标物体与衍射光学器件不同距离下的散斑形状，并依据所述散斑形状标定距离；

s603、确定所述目标物体上散斑的特征信息，并根据所述特征信息获取所述目标物体的距离信息。

参照图3a、图3b以及图3c所示，首先将目标物体移动不同距离(如图3a中d1、图3b中d2以及图3c中d3)记录散斑点的形状，从而建立距离值与散斑形状之间的对应关系，即依据散斑形状标定距离。根据散斑形状进行距离换算的换算方法记录在ccd的内存内。激光器朝向像散元件发射激光，激光通过像散元件形成少量散斑，少量散斑经由衍射光学器件衍射形成大量散斑投射至目标物体，而后被ccd接收；ccd对散斑形状进行处理，并根据内存内存储的换算方法将散斑形状换算成距离。该换算方法简单易实现。

可选地，上述s602具体包括：获取散斑沿相互垂直的两个方向上的尺寸比值，并依据尺寸比值标定距离。上述s603具体包括：获取散斑沿相互垂直的两个方向上的尺寸比值，并依据尺寸比值换算距离。

辨识散斑在电荷耦合器件上形状即可判断距离。具体地，散斑形状可采用椭圆比作为指标，即每一个椭圆比对应不同的距离，从而通过分析散斑的椭圆比对应特定的距离值。

一种可能实现的方式中，判别距离矫正方法具体可以为：首先将目标物体移动不同距离记录散斑点的形状，接着记录散斑形状中xn，yn的比值，例如比值y1/x1＝1m，y5/x5＝5m。距离换算方法可记录在ccd内存。如此由xn、yn比值，每一个散斑皆可以算得距离。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。