CN111025317B - 一种可调的深度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调的深度测量装置，包括发射单元、接收单元、以及控制与处理电路；其中，发射单元包括有光源阵列和变焦投影透镜；光源阵列包括至少两个子光源阵列，用于发射斑点图案光束；变焦投影透镜接收光束并投射至目标区域，改变变焦投影透镜的焦距而改变光源投射光束的视场角；接收单元包括TOF图像传感器和变焦成像透镜；变焦成像透镜将反射光束投射到TOF图像传感器中被传感器采集后形成电信号，通过改变变焦成像透镜的焦距而改变TOF图像传感器采集反射光束的视场角；控制与处理电路根据电信号计算目标区域的深度图像。本发明通过调整焦距，拥有更加灵活多变的景深，从而实现更大范围的深度测量，并提高了测距的精度。

Description

一种可调的深度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种可调的深度测量装置及测量方法。

背景技术

深度测量装置可以用来获取物体的深度图像，进一步可以进行3D建模、骨架提取、人脸识别等，在3D测量以及人机交互等领域有着非常广泛的应用。目前的深度测量技术主要有TOF测距技术、结构光测距技术、双目测距技术等。

TOF的全称是Time-of-Flight，即飞行时间，TOF测距技术是一种通过测量光脉冲在发射/接收装置和目标物体间的往返飞行时间来实现精确测距的技术，分为直接测距技术和间接测距技术。其中，直接测距技术是通过向目标物体连续发送光脉冲，然后利用传感器接收从物体反射回的光信号，通过探测这些发射和反射回被接收光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物体距离；间接测距技术则是通过向目标物体发射时序上振幅被调制的光束，测量反射光束相对于发射光束的相位延迟，再根据相位延迟对飞行时间进行计算。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(Continuous Wave，CW)调制解调方法和脉冲调制(Pulse Modulated，PM)调制解调方法。

结构光测距技术是通过向目标区域投射结构光光束，并采集反射回的结构光光束后形成结构光图案，最后利用三角法等计算出目标物体的深度图像。常用的结构光图案有不规则斑点图案、条纹图案、相移图案等。结构光技术具有分辨率高、精度高、功耗低等特点。

在进行深度测量的装置中，由于应用场景众多，对深度测量装置的测量范围和测量精度都具有非常高的要求，但受到内部结构的影响导致深度测量装置的测量范围有限，而且在不同的测量范围处测量精度也会受到影响。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调的深度测量装置及测量方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种可调的深度测量装置，包括发射单元、接收单元、以及控制与处理电路；其中，所述发射单元包括有光源阵列和变焦投影透镜；所述光源阵列至少包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，其中，所述第一子光源阵列集中在光源阵列的中间位置且数量比所述第二子光源阵列少，每个子光源阵列用于发射斑点图案光束；所述变焦投影透镜被配置为接收所述光束并将所述光束投射至目标区域，通过改变所述变焦投影透镜的焦距而改变所述光源投射光束的视场角；所述变焦投影透镜被配置为至少具有第一投影焦距和第二投影焦距，其中第一投影焦距小于第二投影焦距；所述接收单元包括TOF图像传感器和变焦成像透镜；所述TOF图像传感器被配置成采集所述目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；所述变焦成像透镜被配置为将所述反射光束投射到所述TOF图像传感器中，通过改变所述变焦成像透镜的焦距而改变所述TOF图像传感器采集反射光束的视场角；所述变焦成像透镜被配置为至少具有第一成像焦距和第二成像焦距，其中第一成像焦距小于第二成像焦距；所述控制与处理电路与所述发射单元以及所述接收单元连接，根据所述电信号计算所述目标区域的深度图像；其中，近距时，控制第一子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第二投影焦距，变焦成像透镜的焦距为第二成像焦距；远距时，控制第二子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第一投影焦距，调整变焦成像透镜的焦距为第一成像焦距。

在一些实施例中，还包括有驱动器，所述控制与处理电路控制所述驱动器对所述变焦投影透镜和所述变焦成像透镜的焦距进行调整。

在一些实施例中，所述控制与处理电路中存储有所述变焦投影透镜的焦距与所述变焦成像透镜的焦距之间关系的约束条件，所述控制与处理电路根据所述约束条件控制所述变焦投影透镜与所述变焦成像透镜的焦距的调整。

在一些实施例中，所述光束经过所述变焦投影透镜以第一投影焦距投射到目标区域的第一投影视场角大于以第二投影焦距投射到所述目标区域的第二投影视场角；所述TOF图像传感器经过所述变焦成像透镜以第一成像焦距采集反射光束的第一成像视场角大于以第二成像焦距采集反射光束的第二成像视场角。

在一些实施例中，第一子光源阵列朝向目标区域投射光束时，在所述第二投影视场角内投射光束并在所述第二成像视场角内采集反射光束；第二子光源阵列朝向目标区域投射光束时，在所述第一投影视场角内投射光束并在所述第一成像视场角内采集反射光束。

在一些实施例中，每个子光源阵列中光源的数量不等并且能够被单独控制；所述子光源阵列中的多个光源是不规则排列的。

在一些实施例中，所述TOF图像传感器包括至少一个像素；其中，每个所述像素包括至少两个抽头，所述抽头用于在单个帧周期内以一定的次序依次采集所述反射光束并产生电信号。

在一些实施例中，所述控制与处理电路接收所述电信号进行处理，计算出反射光束的强度信息并生成结构光图像，基于所述结构光图像计算出所述目标区域的深度图像；或，所述控制与处理电路接收所述电信号进行处理，计算出光束从发射到反射被接收的相位差，基于所述相位差进一步计算出所述目标区域的深度图像。

本发明另一技术方案为：

一种深度测量方法，包括如下步骤：

控制发射单元向目标区域投射光束；其中，所述发射单元包括光源阵列和变焦投影透镜；所述光源阵列至少包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，其中，所述第一子光源阵列集中在光源阵列的中间位置且数量比所述第二子光源阵列少，每个子光源阵列用于发射斑点图案光束，所述变焦投影透镜被配置为接收所述光束，并将所述光束投射至目标区域，通过改变所述变焦投影透镜的焦距而改变所述光源投射光束的视场角；所述变焦投影透镜被配置为至少具有第一投影焦距和第二投影焦距，其中第一投影焦距小于第二投影焦距；

控制接收单元采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；其中，所述接收单元包括TOF图像传感器和变焦成像透镜；所述TOF图像传感器被配置成采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；所述变焦成像透镜被配置为将反射光束投射到所述TOF图像传感器中，通过改变所述变焦成像透镜的焦距而改变所述TOF图像传感器采集反射光束的视场角；所述变焦成像透镜被配置为至少具有第一成像焦距和第二成像焦距，其中第一成像焦距小于第二成像焦距；

控制与处理电路接收所述电信号，根据所述电信号计算目标区域的深度图像，完成深度测量；其中，近距时，控制第一子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第二投影焦距，变焦成像透镜的焦距为第二成像焦距；远距时，控制第二子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第一投影焦距，调整变焦成像透镜的焦距为第一成像焦距。

在一些实施例中，所述光束经过所述变焦投影透镜以第一投影焦距投射到目标区域的第一投影视场角大于以第二投影焦距投射到所述目标区域的第二投影视场角；所述TOF图像传感器经过所述变焦成像透镜以第一成像焦距采集反射光束的第一成像视场角大于以第二成像焦距采集反射光束的第二成像视场角。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明可调的深度测量装置通过调整焦距，使得深度测量装置拥有更加灵活多变的景深，从而实现更大范围的深度测量，并提高不同测距范围的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例可调的深度测量装置的结构示意图。

图2a、图2b是根据本发明一个实施例可调的深度测量装置的光源阵列的示意图。

图3是根据本发明一个实施例可调的深度测量装置的原理示意图。

图4是根据本发明另一个实施例一种深度测量方法的流程图示。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1所示，图1是根据本发明一个实施例可调的深度测量装置的示意图。深度测量装置10包括发射单元11、接收单元12以及控制与处理电路13，其中发射单元11用于向目标区域20发射光束30，该光束发射至目标空间中以照明空间中的目标物体20，至少部分发射光束30经目标区域20反射后形成反射光束40，反射光束40中的至少部分光束被接收单元12接收，控制与处理电路13分别与光发射单元11以及接收单元12连接以控制光束的发射与接收，同时接收来自接收单元12接收反射光束并产生的信息，并对该信息进行计算以获取目标物体的深度信息。

光发射单元11包括光源111、光学元件112、变焦投影透镜113、及光源驱动器(图中未示出)等。光源111可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，也可以是由多个光源组成的光源阵列，用于朝向目标区域发射点状光束。光源111的排列方式可以是规则的也可以是不规则的，光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在光源驱动器(其可以进一步被控制与处理电路13控制)的控制下向外发射光束，比如在一个实施例中，光源111在控制与处理电路13的控制下发射时序上振幅被调制的光束，可以是脉冲调制光束、方波调制光束或正弦波调制光束。可以理解的是，可以利用控制与处理电路13中的一部分或者独立于控制与处理电路13存在的子电路来控制光源111发射相关的光束，比如脉冲信号发生器。

光学元件112接收来自光源111的光束并整形后投射至目标区域。例如在一个实施例中，光学元件112接收来自光源111的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、斑点图案光束等。光学元件112可以是透镜、液晶元件、衍射光学元件、微透镜阵列、超表面(Meta-surface)光学元件、掩膜板、反射镜、MEMS振镜等形式中的一种或多种组合。在本发明一个实施例中，以不规则形式排列的光源阵列发射的斑点图案光束经过光学元件112后向目标区域投影泛光光束或斑点图案光束。

变焦投影透镜113被配置为接收光源发射的光束，并将光束投射至目标区域，通过改变变焦投影透镜113的焦距而改变光源投射光束的视场角。变焦投影透镜可以是连续变焦的也可以是具有多个可调焦距，例如在一些实施例中，可以是具有至少两个可调焦距的变焦透镜。在一些实施例中，变焦投影透镜可以是通过驱动器改变透镜的焦点实现变焦功能。在另一些实施例中，变焦投影透镜可以是液体透镜，通过改变液体的形状来实现变焦。

接收单元12包括TOF图像传感器121、滤光片122和变焦成像透镜123，变焦成像透镜123接收并将由目标物体反射回的至少部分光束成像在至少部分TOF图像传感器121上，滤光片122设置为与光源波长相匹配的窄带滤光片，用于抑制其余波段的背景光噪声。TOF图像传感器121可以是电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、雪崩二极管(AD)、单光子雪崩二极管(SPAD)等组成的图像传感器，阵列大小代表着该深度相机的分辨率，比如320×240等。一般地，与TOF图像传感器121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。

同样的，变焦成像透镜123可以是连续变焦的也可以是具有多个可调焦距，例如在一些实施例中，可以是具有至少两个可调焦距的变焦透镜。在一些实施例中，变焦成像透镜可以是通过驱动器改变透镜的焦点实现变焦功能。在另一些实施例中，变焦成像透镜可以是液体透镜，通过改变液体的形状来实现变焦。

一般地，TOF图像传感器121包括至少一个像素，与传统的仅用于拍照的图像传感器相比，TOF图像传感器121的每个像素包含两个及以上的抽头(tap，用于在相应电极的控制下存储并读取或者排出由入射光子产生的电荷信号)，在单个帧周期(或单次曝光时间内)内以一定的次序依次切换抽头以采集相应的光子，以接收光信号并转换成电信号。

控制与处理电路13可以是独立的专用电路，比如包含CPU、存储器、总线等组成的专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理电路，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中去，终端中的处理电路可以作为控制与处理电路13的至少一部分。

控制与处理电路13同步发射单元11和接收单元12的调制与解调，提供光源111发射激光时所需的调制信号(发射信号)，光源在调制信号的控制下向目标物体发射时序上振幅被调制的光束，比如在一些实施例中，调制信号为正弦波信号、方波信号或脉冲信号，光源在该调制信号的调制下振幅被时序上调制以产生正弦波信号、方波信号或者脉冲信号向外发射。控制与处理电路13还提供TOF图像传感器121中各像素中各抽头的解调信号(采集信号)，各抽头在解调信号的控制下采集反射光束并产生电信号。

在一些实施例中，控制与处理电路13接收电信号并进行处理计算出反射光束的强度信息，优选地，可采用加权平均的方式计算出光束的强度信息，根据强度信息生成结构光图像，基于结构光图像结合匹配算法、三角法计算等计算获得目标区域的深度图像。

在一些实施例中，控制与处理电路13接收电信号进行处理并计算出光束从发射到反射回被接收的相位差，基于相位差计算出光束从发射到反射回被接收所需要的时间来计算目标区域的深度图像。

在一些实施例中，深度测量装置10还可以包括驱动电路、电源、彩色相机、红外相机、IMU等器件，在图中并未示出，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3D纹理建模、红外人脸识别、SLAM等功能。深度测量装置10可以被嵌入到手机、平板电脑、计算机等电子产品中。

图2a、图2b是根据本发明一个实施例可调深度测量装置的光源阵列的结构示意图。光源阵列111由设置在单片基底(或多片基底)上的多个子光源组成，子光源以一定的图案形式排列在基底上。基底可以是半导体基底、金属基底等，子光源可以是发光二极管、边发射激光发射器、垂直腔面激光发射器(VCSEL)等，优选地，光源阵列111由设置在半导体基底上的多个VCSEL子光源所组成的阵列VCSEL芯片，多个VCSEL子光源以不规则的形式排列。子光源用于发射任意需要波长的光束，比如可见光、红外光、紫外光等。光源阵列111在驱动电路(可以是处理电路13的一部分)的调制驱动下进行发光，比如连续波调制、脉冲调制等，光源阵列111也可以在驱动电路的控制下分组发光或者整体发光。

在一个实施例中，如图2a所示，光源阵列111包含第一子光源阵列201(图2a中用带空心的圆表示)、第二子光源阵列202(图2a中用阴影的圆表示)等。

第一子光源阵列201集中在光源阵列111的中间位置且数量上比第二子光源阵列202少，第一、第二子光源阵列分别在第一、第二驱动电路的控制下朝向目标区域发射第一斑点图案光束和第二斑点图案光束。

在另一个实施例中，如图2b所示，光源阵列111包含第一子光源阵列203(图2b中用空心的圆表示)、另一子光源阵列204(图2a中用带阴影的圆表示)等。

第一子光源阵列203集中在光源阵列111的中间位置且数量上较少，在第一驱动电路的控制下朝向目标区域发射第一斑点图案光束。第二驱动电路控制第一子光源阵列203和另一子光源阵列204共同发光形成第二子光源阵列，以向目标区域发射第二斑点图案光束。

可以理解的是，光源阵列111也可以包括第三子光源阵列、第四子光源阵列等等，在本发明实施例中不作特别限制。通过这种多个子光源阵列分组或共同发光的配置方式可以实现不同密度的发射光束，密度越大时越适用于远距离测量，因此可以实现由多种不同测量区间组成的测量范围。

图3是根据本发明一个实施例深度测量装置的原理示意图。深度测量装置包括驱动器，驱动器在控制与处理电路的控制下，驱动变焦投影透镜和变焦成像透镜的焦距进行调整。

光源阵列111发出光束经过变焦投影透镜113后投射至目标区域中，可以通过调节变焦投影透镜的焦距调节投射光束的视场角。变焦投影透镜113被配置为具有至少两个可调焦距。当变焦投影透镜113的焦点位于第一投影位置时，具有第一投影焦距，此时发射光束投射至目标区域20中具有第一投影视场角301；当变焦投影透镜的焦点位于第二投影位置时，具有第二投影焦距，此时发射光束投射至目标区域20中具有第二投影视场角303；随着变焦投影透镜的焦距增大，发射光束投射至目标区域内的视场角减小。

TOF图像传感器采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号，变焦成像透镜将反射光束投射到TOF图像传感器的像素中，通过改变变焦成像透镜的焦距而改变TOF图像传感器采集反射光束的视场角。变焦成像透镜122可以是具有至少两个可调焦距的变焦透镜，当变焦透镜的焦点位于第一成像位置时，具有第一成像焦距，此时TOF图像传感器在第一成像视场角302内采集目标区域20反射的部分光束；当变焦成像透镜的焦点位于第二成像位置时，具有第二成像焦距，此时TOF图像传感器在第二成像视场角304内采集目标区域20反射的部分光束。随着变焦透镜的焦距增大，TOF图像传感器在目标区域内采集反射光束的视场角减小。

一般地，在进行深度测量时，发射单元和接收单元的焦距应符合特定的约束关系，也可称为约束条件，在这种关系下，确保发射单元投射至目标区域的光束最终能够在接收单元中实现高质量的成像。在一些实施例中，可以设置发射单元和接收单元的焦距在变焦时始终保持相等。即，第一投影焦距等于第一成像焦距，此时第一投影视场角与第一成像视场角的区域基本重合；第二投影焦距等于第二成像焦距，此时第二投影视场角与第二成像视场角的区域基本重合。当然，也可以有其他约束条件。在一个实施例中，这些约束关系被保存在控制与处理电路中，控制与处理电路对驱动器发送调整指令时需要先调用这些约束关系，并将该约束关系转换成相应的控制指令以控制焦距的调整。

在一些实施例中，调整光源阵列分组发光或者整体发光，结合变焦透镜的焦距调整可以在对应不同距离处的目标物体时实现更高精度的成像。例如当目标物体离深度测量装置较近时，第一驱动电路驱动第一子光源阵列朝向目标区域投射光束，此时调整变焦投影透镜位于第二投影位置，控制光束投射至目标区域的第二投影视场角较小。此时，可以保证在使用较少的光源时投射光束更集中，在减小功耗的同时提高测量的分辨率，保证测量精度。相对应的，调整变焦成像透镜位于第二成像位置，在与第二投影视场角对应的第二成像视场角内采集反射光束。此时，即可以保证全部的投射光束经过目标区域反射后的光束被传感器接收到，又能有效降低环境光的影响。

同样的，当目标物体离深度测量装置较远时，第二驱动电路驱动第二子光源阵列朝向目标区域投射光束，调整变焦投影透镜位于第一投影位置，控制光束投射至目标区域的第一视场角较大。由于目标距离较远处时，反射光强度会降低，可能导致传感器难以接收到有效的光束形成电信号，密集的斑点光束投射至目标区域后，在第一视场角内投影光束的强度较高，可以提高反射光束的光强度。相对应的，调整变焦成像透镜位于第一成像位置，在与第一投影视场角对应的第一成像视场角内采集反射光束。

本发明可调的深度测量装置通过调整焦距，使得深度测量装置拥有更加灵活多变的景深，从而实现更大范围的深度测量。另一方面，结合光源阵列的分区域工作模式，也可以有效降低了装置的功耗，提高不同测距范围的精度。

参照图4所示,图4所示为本发明另一实施例一种深度测量方法的流程图,该测量方法包括:

S41、控制发射单元向目标区域投射光束；其中，发射单元包括光源阵列和变焦投影透镜；所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，每个所述子光源阵列用于发射斑点图案光束，所述变焦投影透镜被配置为接收所述光束，并将所述光束投射至目标区域，通过改变所述变焦投影透镜的焦距而改变所述光源投射光束的视场角。

S42、控制接收单元采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；其中，接收单元包括TOF图像传感器和变焦成像透镜，TOF图像传感器被配置成采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号，变焦成像透镜被配置为将反射光束投射到TOF图像传感器中，通过改变变焦成像透镜的焦距而改变TOF图像传感器采集反射光束的视场角。

S43、控制与处理电路接收电信号，根据电信号计算目标区域的深度图像，完成深度测量。

具体的，光源阵列发出光束经过变焦投影透镜后投射至目标区域中，通过调节变焦投影透镜的焦距调节投射光束的视场角。变焦投影透镜被配置为具有至少两个可调焦距，或者变焦投影透镜可以是连续变焦的。当变焦投影透镜的焦点位于第一投影位置时，具有第一投影焦距，此时发射光束投射至目标区域中具有第一投影视场角；当变焦投影透镜的焦点位于第二投影位置时，具有第二投影焦距，此时发射光束投射至目标区域中具有第二投影视场角；随着变焦投影透镜的焦距增大，发射光束投射至目标区域内的视场角减小。

具体的，TOF图像传感器采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号，变焦成像透镜将反射光束投射到TOF图像传感器的像素中，通过改变变焦成像透镜的焦距而改变TOF图像传感器采集反射光束的视场角。在一些实施例中，变焦成像透镜配置为具有至少两个可调焦距的变焦透镜，或者变焦投影透镜可以是连续变焦的。当变焦透镜的焦点位于第一成像位置时，具有第一成像焦距，此时TOF图像传感器在第一成像视场角内采集目标区域反射的部分光束；当变焦成像透镜的焦点位于第二成像位置时，具有第二成像焦距，此时TOF图像传感器在第二成像视场角内采集目标区域反射的部分光束。随着变焦透镜的焦距增大，TOF图像传感器在目标区域内采集反射光束的视场角减小。

在一些实施例中，可以设置发射单元和接收单元的焦距在变焦时始终保持相等。即，第一投影焦距等于第一成像焦距，此时第一投影视场角与第一成像视场角的区域基本重合；第二投影焦距等于第二成像焦距，此时第二投影视场角与第二成像视场角的区域基本重合。

本方法通过调整焦距，使得深度测量装置拥有更加灵活多变的景深，从而实现更大范围的深度测量。另一方面，结合光源阵列的分区域工作模式，也可以有效降低了装置的功耗，提高不同测距范围的精度。

可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (10)

1.一种可调的深度测量装置，其特征在于，包括发射单元、接收单元、以及控制与处理电路；其中，

所述发射单元包括有光源阵列和变焦投影透镜；所述光源阵列至少包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，其中，所述第一子光源阵列集中在光源阵列的中间位置且数量比所述第二子光源阵列少，每个子光源阵列用于发射斑点图案光束；所述变焦投影透镜被配置为接收所述光束并将所述光束投射至目标区域，通过改变所述变焦投影透镜的焦距而改变所述光源投射光束的视场角；所述变焦投影透镜被配置为至少具有第一投影焦距和第二投影焦距，其中第一投影焦距小于第二投影焦距；

所述接收单元包括TOF图像传感器和变焦成像透镜；所述TOF图像传感器被配置成采集所述目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；所述变焦成像透镜被配置为将所述反射光束投射到所述TOF图像传感器中，通过改变所述变焦成像透镜的焦距而改变所述TOF图像传感器采集反射光束的视场角；所述变焦成像透镜被配置为至少具有第一成像焦距和第二成像焦距，其中第一成像焦距小于第二成像焦距；

所述控制与处理电路与所述发射单元和所述接收单元连接，根据所述电信号计算所述目标区域的深度图像；其中，近距时，控制第一子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第二投影焦距，变焦成像透镜的焦距为第二成像焦距；远距时，控制第二子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第一投影焦距，调整变焦成像透镜的焦距为第一成像焦距。

2.如权利要求1所述可调的深度测量装置，其特征在于：还包括有驱动器，所述控制与处理电路控制所述驱动器对所述变焦投影透镜和所述变焦成像透镜的焦距进行调整。

3.如权利要求2所述可调的深度测量装置，其特征在于：所述控制与处理电路中存储有所述变焦投影透镜的焦距与所述变焦成像透镜的焦距之间关系的约束条件，所述控制与处理电路根据所述约束条件控制所述变焦投影透镜与所述变焦成像透镜的焦距的调整。

4.如权利要求1所述可调的深度测量装置，其特征在于：所述光束经过所述变焦投影透镜以第一投影焦距投射到所述目标区域的第一投影视场角大于以第二投影焦距投射到所述目标区域的第二投影视场角；

所述TOF图像传感器经过所述变焦成像透镜以第一成像焦距采集反射光束的第一成像视场角大于以第二成像焦距采集反射光束的第二成像视场角。

5.如权利要求4所述可调的深度测量装置，其特征在于：第一子光源阵列朝向目标区域投射光束时，在所述第二投影视场角内投射光束并在所述第二成像视场角内采集反射光束；

第二子光源阵列朝向目标区域投射光束时，在所述第一投影视场角内投射光束并在所述第一成像视场角内采集反射光束。

6.如权利要求1所述可调的深度测量装置，其特征在于：每个子光源阵列中光源的数量不等并且能够被单独控制；所述子光源阵列中的多个光源是不规则排列的。

7.如权利要求1所述可调的深度测量装置，其特征在于：所述TOF图像传感器包括至少一个像素；其中，每个所述像素包括至少两个抽头，所述抽头用于在单个帧周期内以一定的次序依次采集所述反射光束并产生电信号。

8.如权利要求7所述可调的深度测量装置，其特征在于：所述控制与处理电路接收所述电信号进行处理，计算出反射光束的强度信息并生成结构光图像，基于所述结构光图像计算出所述目标区域的深度图像；或，所述控制与处理电路接收所述电信号进行处理，计算出光束从发射到反射被接收的相位差，基于所述相位差进一步计算出所述目标区域的深度图像。

9.一种深度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制发射单元向目标区域投射光束；其中，所述发射单元包括光源阵列和变焦投影透镜；所述光源阵列至少包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，其中，所述第一子光源阵列集中在光源阵列的中间位置且数量比所述第二子光源阵列少，每个子光源阵列用于发射斑点图案光束，所述变焦投影透镜被配置为接收所述光束，并将所述光束投射至目标区域，通过改变所述变焦投影透镜的焦距而改变所述光源投射光束的视场角；所述变焦投影透镜被配置为至少具有第一投影焦距和第二投影焦距，其中第一投影焦距小于第二投影焦距；

控制接收单元采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；其中，所述接收单元包括TOF图像传感器和变焦成像透镜；所述TOF图像传感器被配置成采集目标区域反射回的至少部分光束并形成电信号；所述变焦成像透镜被配置为将反射光束投射到所述TOF图像传感器中，通过改变所述变焦成像透镜的焦距而改变所述TOF图像传感器采集反射光束的视场角；所述变焦成像透镜被配置为至少具有第一成像焦距和第二成像焦距，其中第一成像焦距小于第二成像焦距；

控制与处理电路接收所述电信号，根据所述电信号计算目标区域的深度图像，完成深度测量；其中，近距时，控制第一子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第二投影焦距，变焦成像透镜的焦距为第二成像焦距；远距时，控制第二子光源阵列投射光束，并调整变焦投影透镜的焦距为第一投影焦距，调整变焦成像透镜的焦距为第一成像焦距。

10.如权利要求9所述的深度测量方法，其特征在于：所述光束经过所述变焦投影透镜以第一投影焦距投射到目标区域的第一投影视场角大于以第二投影焦距投射到所述目标区域的第二投影视场角；

所述TOF图像传感器经过所述变焦成像透镜以第一成像焦距采集反射光束的第一成像视场角大于以第二成像焦距采集反射光束的第二成像视场角。

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