直接飞行时间传感器模组和包括该模组的测量系统的制作方法

本发明专利申请涉及3d深度传感领域，具体涉及一种能够同时获得空间平面到传感器的距离和相对角度的直接飞行时间(dtof,direct time of flight)传感器模组和包括该模组的测量系统。

背景技术：

1、距离及角度探测在投影方面具有重要应用，其具体原理如下：投影仪是通过一组投影透镜将画面投影到荧幕上。在这个过程中，由于事先无法获得准确的像距，需要通过人为控制透镜的方式对画面对焦，使画面可以清晰地呈现在荧幕上。或者通过一个摄像头拍摄屏幕，通过拍摄获得的图像的清晰度来调整投影透镜物距来获得清晰的画面。然而，如果可以获得投影仪到荧幕的距离，则可以更快速更准确地调整投影透镜的物距，获得更好的体验效果；另一方面，由于用户场景多种多样，投影仪有时无法垂直正对投影荧幕，这时会对画面造成梯形畸变，如果投影仪具有梯形校正功能，则可以通过对投影画面反向畸变补偿来达到校正最终投影画面的效果，但这个功能实现的前提是需要知道投影仪和荧幕之间的相对偏转角度。这个角度目前也通常是通过成像透镜对画面拍摄，反向计算获得旋转角度，最终通过投影仪调整获得良好的投影效果。但这种方式的问题在于成像透镜本身也受到近大远小的畸变影响，对偏转角度过大的情况很难准确的计算出偏转的角度，从而影响最终的调整效果。

2、直接飞行时间(dtof)传感器是一种主动光传感器，至少包含发射端tx和接收端rx两个主要部分。tx发射短脉冲激光，照射到被测物体，激光被被测物反射后部分光线被rx接收。

3、现有技术方案1：摄像头拍摄投影仪的投影画面，通过画面清晰度判断投影仪是否处在准焦位置，不断调整投影仪的投影镜头的物距，最终获得清晰度最好的画面。在角度检测中，通过拍摄图像四个边角的相对位置获得图像的梯形畸变情况，进而计算偏转的角度。

4、现有技术方案2：直接飞行时间(dtof)传感器是一种主动光传感器，通过记录tx与rx的接收信号时间差来计算被测物体的距离。常见的为通过控制电路信号，传递发光信号开始记录起始时间，rx接收到被测光信号记录终止时间。时间差为激光在空中来回飞行的时间t,已知光速c，可以得到物体的距离d＝1/2*c*t。

5、现有技术方案1中，这种方法不可避免的会受到摄像头本身是否对焦准确的影响，同时镜头本身有一定景深，即对于一定范围内的物体拍摄的清晰度是基本相同的，因此无法准确判断图像最清晰的位置。对于偏转角度的计算，由于摄像头本身也有光学畸变，因此会对角度计算结果产生误差。同时，在隐私保护越来越重要的今天，可成像的摄像头会给用户带来不安全感，特别是成像范围还覆盖了整个投影信息区域，对于保密性内容具有很大的风险。

6、现有技术方案2中，只计算器件到目标位置的直线距离，并不能计算相对平面的偏转角度。而通过探测几个空间角度上的投影机到荧幕的距离，经过计算后可以方便地同时获得荧幕的距离和两者之间的相对偏转角度。

技术实现思路

1、本申请提出一种基于dtof方法同时测量空间平面到传感器的距离和相对角度的系统方案。只通过一个器件来完成多项功能，丰富了系统的功能集成度，扩充了器件的使用场景。

2、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，包括：发射端，用于向目标平面发射激光束；和接收端，用于接收反射的激光束，其中，所述发射端包括：垂直腔面发射激光器(vcsel)用于发射激光；和光学发射系统，用于对vcsel发射的激光执行准直，并且将经准直的光束分束为多个光束，以在远场形成多个光斑，并且其中，所述接收端包括：一个或多个光学透镜，用于会聚从目标平面反射的激光束；和单光子雪崩二极管(spad)感光单元，将会聚的光信号处理为距离信息，所述距离信息用于计算dtof传感器模组与目标平面的距离以及相对角度，其中，所述多个光束中的每一条光束的发散角都是准直的。

3、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所述vcsel光源为具有一个发光点的单点光源，所述光学发射系统包括准直透镜和衍射光学元件，并且所述准直透镜由两片透镜组成，其中，单点光源发射的激光首先被准直透镜准直，然后被衍射光学元件光束分束为多个光束，以在远场形成多个光斑。

4、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所述vcsel光源为具有多个发光点的多点光源，所述多个发光点的数量大于或等于3，所述光学发射系统包括由一片或多片透镜组成的准直透镜，并且其中，多点光源发射的多束激光被准直透镜准直以在远场形成多个光斑。

5、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所述vcsel光源为具有一个发光点的单点光源，所述光学发射系统包括一片或多片衍射光学元件，其中，单点光源发射的激光被一片或多片衍射光学元件准直并且分束为多个光束，以在远场形成多个光斑。

6、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所述多个光束中的每一条光束的发散角小于或等于5°。

7、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所述多个光束中的每一条光束的发散角小于或等于3°。

8、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所形成的光斑的数量大于或等于3个，同时所形成的所有光斑的排列不在一条直线上。

9、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，所形成的光斑的数量大于或等于3个，同时所形成的所有光斑的排列不在一条直线上。

10、本发明的一方面提出了一种dtof传感器模组，其中，光学发射系统中的准直透镜和/或衍射光学元件为在工作波段透明的材料。

11、本发明的一方面提出了一种一种基于dtof的测量系统，包括：根据权利要求1至9中的任何一项所述的dtof传感器模组，和计算单元，其被配置为：根据dtof传感器模组提供的距离信息确定多个距离值，根据多个距离值确定三维空间中的点的坐标值，计算符合所有点坐标的空间平面，计算空间平面到dtof传感器模组的距离和角度。

12、根据本申请的dtof传感器模组能够同时获得空间平面到传感器的距离和相对角度，提高了系统集成度，完善了dtof传感器的应用场景。

技术特征：

1.一种直接飞行时间(dtof)传感器模组，包括：

2.根据权利要求1所述的dtof传感器模组，其中，

3.根据权利要求1所述的dtof传感器模组，其中，

4.根据权利要求1所述的dtof传感器模组，其中，

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的dtof传感器模组，其中，所述多个光束中的每一条光束的发散角小于或等于5°。

6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的dtof传感器模组，其中，所述多个光束中的每一条光束的发散角小于或等于3°。

7.根据权利要求1至4中的任何一项所述的dtof传感器模组，其中，所形成的光斑的数量大于或等于3个，同时所形成的所有光斑的排列不在一条直线上。

8.根据权利要求1至4中的任何一项所述的dtof传感器模组，其中，所形成的光斑的数量大于或等于3个，同时所形成的所有光斑的排列不在一条直线上。

9.根据权利要求2至4中的任何一项所述的dtof传感器模组，其中，光学发射系统中的准直透镜和/或衍射光学元件为在工作波段透明的材料。

10.一种基于直接飞行时间(dtof)的测量系统，包括：

技术总结本申请提供一种直接飞行时间DToF传感器模组和包括该模组的测量系统。所述DToF传感器模组，包括：发射端，用于向目标平面发射激光束；和接收端，用于接收反射的激光束，其中，所述发射端包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)用于发射激光；和光学发射系统，用于对VCSEL发射的激光执行准直，并且将经准直的光束分束为多个光束，以在远场形成多个光斑，并且其中，所述接收端包括：一个或多个光学透镜，用于会聚从目标平面反射的激光束；和单光子雪崩二极管(SPAD)感光单元，将会聚的光信号处理为距离信息，所述距离信息用于计算DToF传感器模组与目标平面的距离以及相对角度，其中，所述多个光束中的每一条光束的发散角都是准直的。技术研发人员：元军,史斌,赵子昂受保护的技术使用者：世瞳（上海）微电子科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/17