本專利申請(qǐng)總體涉及影像技術(shù)，并且更具體地涉及一種三維影像系統(tǒng)以及帶有該三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話。

背景技術(shù)：

三維影像技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像、機(jī)器人、手勢(shì)識(shí)別、用于試衣的臉或身體的掃描等領(lǐng)域。相比二維圖像，三維圖像包含有關(guān)深度的信息，而該信息可以用于在觀察者本人未在現(xiàn)場(chǎng)的情況下觀察三維制品與結(jié)構(gòu)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷，或者評(píng)估貨品。

現(xiàn)在的移動(dòng)電話通常配備有高分辨率的攝像頭。這些攝像頭目前只能拍攝二維圖像。由于大多數(shù)人習(xí)慣于把移動(dòng)電話帶在身邊，因而，會(huì)期望有一種帶有三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話，這樣用戶可以方便地使用該移動(dòng)電話拍攝高分辨率的帶有深度信息的三維圖像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利申請(qǐng)?zhí)峁┮环N三維影像系統(tǒng)以及帶有該三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話。在一個(gè)實(shí)施例中，該三維影像系統(tǒng)包括其包括：由一頻率掃描信號(hào)調(diào)制的光源；第一分光裝置，與所述光源相連，用于將來自光源的光分光為第一光路光輸出和第二光路光輸出，所述第一光路光輸出被引導(dǎo)至一物體，穿過該物體或被該物體反射；第二分光裝置，與所述第一分光裝置相連，用于將所述第二光路光輸出分光為多個(gè)光信號(hào)；光學(xué)子模組用于收集穿過所述物體或被所述物體反射的光，并將收集到的光耦合入一光合并裝置；所述光合并裝置，與所述光學(xué)子模組及第二分光裝置相連，包括多個(gè)光合并器，用于將耦合自所述光學(xué)子模組的光信號(hào)與所述第二分光裝置輸出的光信號(hào)合并，并輸出多個(gè)合并后的光信號(hào)；感光裝置，與所述光合并裝置相連，用于感測(cè)該光合并裝置的光輸出并將其轉(zhuǎn)化為多個(gè)電信號(hào)；以及信號(hào)處理模組，與所述感光裝置相連，用于從所述電信號(hào)中提取有關(guān)物體的三維信息。所述光學(xué)子模組包括具有m列和n行包的像素矩陣，每一個(gè)像素包括一硅基底層，一硅氧化層設(shè)置于該硅基底層上，一玻璃層設(shè)置于該硅氧化物層上，一硅波導(dǎo)層設(shè)置于該玻璃層上，以及一多晶硅層部分覆蓋該硅波導(dǎo)層，多個(gè)齒狀結(jié)構(gòu)形成于該硅波導(dǎo)層中，一光電二極管設(shè)置于所述硅氧化物層上并被所述玻璃層覆蓋。所述第二分光裝置為一分光器，將所述第二光路光輸出分為k個(gè)光信號(hào)，并且k＝mxn。所述光合并裝置k個(gè)光合并器，每個(gè)光合并器是一個(gè)光學(xué)y形結(jié)，用于將一個(gè)耦合自所述光學(xué)子模組的光信號(hào)與一個(gè)由所述第二分光裝置輸出的光信號(hào)合并，并輸出合并后的光信號(hào)。

空氣、所述硅波導(dǎo)層及所述玻璃層的折射率可以分別為n1，n2，n3，并且n2>n3>n1。所 述感光裝置可以包含一像素矩陣，其包含k個(gè)像素，每個(gè)像素為一光感測(cè)器，用于將所述合并后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號(hào)。所述第一分光裝置可以為一個(gè)光纖熔接耦合器。該三維影像系統(tǒng)，可以進(jìn)一步包括一放大器設(shè)置于所述光源與所述第一分光裝置之間，用于放大輸入該第一分光裝置的光信號(hào)；以及一準(zhǔn)直器設(shè)置于所述第一分光裝置與所述物體之間，用于在光被導(dǎo)向該物體之前校準(zhǔn)該光。頻率掃描信號(hào)的頻率可以在每次掃描中隨時(shí)間線性變化。

在另一個(gè)實(shí)施例中，一種移動(dòng)電話包括：背蓋，其上定義有第一窗口和第二窗口；光源；調(diào)制器，與所述光源相連，用于通過一頻率掃描信號(hào)調(diào)制所述光源的輸出；第一分光裝置，與所述光源相連，用于將來自光源的光分光為第一光路光輸出和第二光路光輸出，所述第一光路光輸出被引導(dǎo)至一物體，穿過該物體或被該物體反射；第二分光裝置，與所述第一分光裝置相連，用于將所述第二光路光輸出分光為多個(gè)光信號(hào)；光學(xué)子模組用于收集穿過所述物體或被所述物體反射的光，并將收集到的光耦合入一光合并裝置；所述光合并裝置，與所述光學(xué)子模組及第二分光裝置相連，包括多個(gè)光合并器，用于將耦合自所述光學(xué)子模組的光信號(hào)與所述第二分光裝置輸出的光信號(hào)合并，并輸出多個(gè)合并后的光信號(hào)；感光裝置，與所述光合并裝置相連，用于感測(cè)該光合并裝置的光輸出并將其轉(zhuǎn)化為多個(gè)電信號(hào)；以及信號(hào)處理模組，與所述感光裝置相連，用于從所述電信號(hào)中提取有關(guān)物體的三維信息。該第一窗口圍繞所述光學(xué)子模組設(shè)置并與其對(duì)齊。該第二窗口圍繞所述第一分光裝置在第一光路的光輸出設(shè)置并與其對(duì)齊。

所述第二窗口可以進(jìn)一步圍繞一閃光燈設(shè)置并與其對(duì)齊，所述閃光燈用于提供使用該移動(dòng)電話拍攝照片或視頻的輔助光。

所述光學(xué)子模組可以包括一像素矩陣，每一個(gè)像素包括一硅基底層，一硅氧化層設(shè)置于該硅基底層上，一玻璃層設(shè)置于該硅氧化物層上，一硅波導(dǎo)層設(shè)置于該玻璃層上，以及一多晶硅層部分覆蓋該硅波導(dǎo)層，多個(gè)齒狀結(jié)構(gòu)形成于該硅波導(dǎo)層中，一光電二極管設(shè)置于所述硅氧化物層上并被所述玻璃層覆蓋。

所述光源、所述調(diào)制器、所述第一分光裝置、所述第二分光裝置、所述光采集耦合裝置、所述光合并裝置、所述感光裝置以及所述信號(hào)處理模組可以集成于一硅光子芯片，該硅光子芯片通過soi工藝制成。

附圖說明

圖1是根據(jù)本專利申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施例的三維影像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是說明使用圖1所示的三維影像系統(tǒng)提取物體三維信息的方法的流程圖；

圖3a是根據(jù)本專利申請(qǐng)另一個(gè)實(shí)施例的帶有三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話的背面圖；

圖3b是圖3a所示的三維影像系統(tǒng)的芯片布局示意圖；

圖4是圖3a所示移動(dòng)電話中光學(xué)子模組的部分截面圖。

其中：101、光源；102、光學(xué)模組；103、調(diào)制器；105、第二分光裝置；106、第一分光裝置；107、被影像物體；109、光采集耦合裝置；111、光合并裝置；113、感光裝置；115、信號(hào)處理模組；121、光路；123、光路；201,203,205,207,209,211,213、步驟；300、移動(dòng)電話；3001、背蓋；3003、第一窗口；3005、第二窗口；301、激光輸出；310、閃光燈；313、光學(xué)子模組；315、硅光子芯片；321、激光器；323、調(diào)制器；325、第二分光裝置；326、第一分光裝置；331、光合并裝置；333、感光裝置；335、信號(hào)處理模組；337、圖像處理模組；400、像素；401、硅基底層；403、硅氧化層；405、玻璃層；407、硅波導(dǎo)層；409、多晶硅層；411,413、齒狀結(jié)構(gòu)；415、光電二極管。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本專利申請(qǐng)的三維影像系統(tǒng)以及帶有該三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1是根據(jù)本專利申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施例的三維影像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。參見圖1，該三維影像系統(tǒng)包括光源101，調(diào)制器103與所述光源101相連，光學(xué)模組102與所述光源101相連，感光裝置113與所述光學(xué)模組102相連，以及信號(hào)處理模組115與所述感光裝置113相連。

參見圖1，所述光學(xué)模組102包括第一分光裝置106與所述光源101相連，第二分光裝置105與所述第一分光裝置106相連，光采集耦合裝置109，以及光合并裝置111。所述光合并裝置111與所述光采集耦合裝置109，所述第二分光裝置105及所述感光裝置113相連。

在本實(shí)施例中，所述光源101是一個(gè)激光器。該激光器包括一vcsel或者vcsel陣列。所述光源101輸出的強(qiáng)度由所述調(diào)制器103通過一頻率掃描信號(hào)(frequencysweepsignal)v(t)調(diào)制。在本實(shí)施例中，信號(hào)v(t)的頻率在每次掃描中隨時(shí)間線性變化。所述第一分光裝置106是一分光器，將調(diào)制后的所述光源101的光輸出分為兩個(gè)光路121和123的光輸出。作為一個(gè)例子，該分光器可以是一個(gè)光纖熔接耦合器(fiberopticfusioncoupler)。

參見圖1，所述第一分光裝置106在光路121中的光輸出被導(dǎo)向一被影像物體107，如果該物體107透明則穿過該物體107或者如果該物體107不透明則被該物體107反射。在任一情況下，來自該物體107的光(即穿過該物體107的光或經(jīng)該物體107反射的光)被所述光采集耦合裝置109采集并耦合至所述光合并裝置111。在本實(shí)施例中，該光采集耦合裝置109是一光柵耦合器，其包含一像素矩陣。所述矩陣包含m列和n行。在本實(shí)施例中，作為舉例，m＝600,n＝800。因而有mxn＝480,000個(gè)光信號(hào)被所述光采集耦合裝置109耦合至所述光合并裝置111。

參見圖1，所述第一分光裝置106在光路123中的光輸出被耦合至所述第二分光裝置105。 在本實(shí)施例中，該第二分光裝置105是一分光器，將所述光輸出分為k個(gè)光信號(hào)，并且k＝mxn＝480,000。由該第二分光裝置105輸出的480,000個(gè)光信號(hào)被導(dǎo)入所述光合并裝置111，作為參考信號(hào)。

該光合并裝置111包含mxn＝k＝480,000個(gè)光合并器。在本實(shí)施例中，每個(gè)光合并器是一個(gè)光學(xué)y形結(jié)(y-juction)，用于將一個(gè)耦合自所述光采集耦合裝置109的光信號(hào)與一個(gè)由所述第二分光裝置105輸出的光信號(hào)合并，并輸出合并后的光信號(hào)。

由光合并裝置111中每個(gè)光合并器輸出的所述合并后的光信號(hào)被導(dǎo)入所述感光裝置113的一個(gè)像素。該感光裝置113包含一個(gè)像素矩陣。該矩陣中的每一個(gè)像素是一個(gè)光感測(cè)器，用于將所述合并后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號(hào)，例如一個(gè)電流信號(hào)i(t)。在本實(shí)施例中，該感光裝置113的像素矩陣包含mxn＝k＝480,000個(gè)像素。由該感光裝置113輸出的電信號(hào)被傳送至所述信號(hào)處理模組115。該信號(hào)處理模組115從該電信號(hào)中抽取所述物體107的三維信息，其具體方式在本申請(qǐng)說明書中稍后詳述。

根據(jù)本專利申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例，一放大器設(shè)置于所述光源101與所述第一分光裝置106之間，用于放大輸入該第一分光裝置106的光信號(hào)。作為一個(gè)例子，所述放大器可以是一個(gè)光纖放大器。在所述光路121中，一準(zhǔn)直器設(shè)置于所述第一分光裝置106與所述物體107之間，用于在光被導(dǎo)向該物體107之前校準(zhǔn)該光。

在上述各實(shí)施例中，包括所述第一分光裝置106，所述第二分光裝置105，所述光采集耦合裝置109，以及所述光合并裝置111的所述光學(xué)模組102，與所述感光裝置113集成于一硅光子芯片。優(yōu)選地，該硅光子芯片通過soi(silicon-on-insulator)工藝制成。

以下說明所述信號(hào)處理模組115用以從所述感光裝置113輸出的電信號(hào)中提取所述物體107的三維信息的方法。參見圖1，光路121和光路123中光信號(hào)的時(shí)間延遲差td包括兩個(gè)部分：光纖中產(chǎn)生的延遲tf和光纖外產(chǎn)生的延遲to。對(duì)應(yīng)所述光采集耦合裝置109的不同像素的光纖中產(chǎn)生的延遲tf是一個(gè)常數(shù)。光纖外產(chǎn)生的延遲to取決于具體地像素，并與所述物體107的空間信息直接相關(guān)，而該空間信息包含前述有關(guān)深度的信息。

考慮所述光合并裝置111的任意兩個(gè)光合并器c1和c2，其分別對(duì)應(yīng)所述光采集耦合裝置109的兩個(gè)像素。對(duì)于光合并器c1而言，其光路121中的時(shí)間延遲為d11，其光路123中的時(shí)間延遲為d12。對(duì)于光合并器c2而言，其光路121中的時(shí)間延遲為d21，其光路123中的時(shí)間延遲為d22。對(duì)于一個(gè)像素(對(duì)應(yīng)于光合并器c1)而言，光路121和光路123中光信號(hào)的時(shí)間延遲差為：td1＝d11-d12＝tf1+to1，其中tf1是對(duì)于該像素而言光纖內(nèi)的時(shí)間延遲差，to1是對(duì)于該像素而言光纖外的時(shí)間延遲差。對(duì)于另一個(gè)像素(對(duì)應(yīng)于光合并器c2)而言，光路121和光路123中光信號(hào)的時(shí)間延遲差為：td2＝d21-d22＝tf2+to2，其中tf2 是對(duì)于該像素而言光纖內(nèi)的時(shí)間延遲差，to1是對(duì)于該像素而言光纖外的時(shí)間延遲差。

由于不論像素的具體位置在哪里，所有的光路121和123中的光信號(hào)都通過同樣的光纖設(shè)置，以上兩個(gè)像素的光纖內(nèi)的時(shí)間延遲差相同，即tf1＝tf2。然而，如果對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)像素的所述物體107的諸如邊界、折射率等與空間有關(guān)的物理特征不同，該兩個(gè)像素的光纖外的時(shí)間延遲差時(shí)間就不同，即to1≠to2。換句話說，td1-td2＝to1-to2。

所以，對(duì)不同像素而言光路121和123中的光信號(hào)時(shí)間延遲差td的差異包含了所述物體107的不同像素位置的相對(duì)三維空間信息。這個(gè)差異導(dǎo)致不同光合并器的光學(xué)輸出的不同光學(xué)頻率，并進(jìn)一步導(dǎo)致所述感光裝置113的不同像素的電輸出的不同電學(xué)頻率。通過分析該不同的電學(xué)頻率，就可以確定和提取所述物體107不同像素位置的相對(duì)三維空間信息。

圖2是說明使用圖1所示的三維影像系統(tǒng)提取物體三維信息的方法的流程圖。參見圖2，該方法包括：將一經(jīng)調(diào)制的光信號(hào)分光入第一光路和第二光路(步驟201)；由一物體反射該第一光路中的光或者使該光穿過該物體(步驟203)；用一預(yù)定數(shù)目的像素收集該反射或透射的光，并將該預(yù)定數(shù)目的收集到的光信號(hào)耦合入一光合并裝置(步驟205)；將所述第二光路中的光分光為該預(yù)定數(shù)目的分光信號(hào)(步驟207)；通過所述光合并裝置合并所述預(yù)定數(shù)目的收集到的光信號(hào)與所述預(yù)定數(shù)目的分光信號(hào)成為所述預(yù)定數(shù)目的合成光信號(hào)(步驟209)；感測(cè)所述預(yù)定數(shù)目的合成光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)(步驟211)；以及分析所述電信號(hào)并確定所述物體的三維信息(步驟213)。

圖3a是根據(jù)本專利申請(qǐng)另一個(gè)實(shí)施例的帶有三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話的背面圖。參見圖3a，移動(dòng)電話300的背蓋3001上定義有第一窗口3003和第二窗口3005。該第一窗口3003圍繞一光學(xué)子模組313設(shè)置并與其對(duì)齊。在本實(shí)施例中，該光學(xué)子模組313集成了前述光采集耦合裝置109和一圖像感測(cè)器。該光學(xué)子模組313的結(jié)構(gòu)在之后會(huì)做更詳細(xì)的說明。所述第二窗口3005圍繞一閃光燈310與一激光輸出301設(shè)置并與其對(duì)齊。在本實(shí)施例中，該激光輸出301為所述第一分光裝置106(參見圖1)在光路121的光輸出。該閃光燈310為可選的，用于提供使用該移動(dòng)電話300拍攝照片或視頻的輔助光。該三維影像系統(tǒng)包含圖1所示實(shí)施例中的所有元件，并被集成于一硅光子芯片315。該硅光子芯片315設(shè)置于所述背蓋3001的下方。優(yōu)選地，該硅光子芯片315通過soi(silicon-on-insulator)工藝制成。

圖3b是圖3a所示的三維影像系統(tǒng)的芯片布局示意圖。參見圖3b，所述三維影像系統(tǒng)集成于硅光子芯片315，包括激光器321，與該激光器321相連的調(diào)制器323，以及與該激光器321相連的第一分光裝置326。所述第一分光裝置326是一集成于芯片上的分光器，其一個(gè)輸出投射出窗口3005，其另一個(gè)輸出與第二分光裝置325相連。所述第二分光裝置325也集成于芯片315上。芯片315進(jìn)一步包括光學(xué)子模組313，該光學(xué)子模組集成了所述光采集耦合 裝置109和一圖像感測(cè)器。該光學(xué)子模組313與窗口3003對(duì)齊。所述芯片315進(jìn)一步包括光合并裝置331。由所述光學(xué)子模組313耦合的光信號(hào)以及所述第二分光裝置325輸出的光信號(hào)被輸送至該光合并裝置331并由其合并。感光裝置333和信號(hào)處理模組335與該光合并裝置331連接，并也集成于芯片315。由于所述光學(xué)子模組313集成了圖像感測(cè)器，芯片315可以進(jìn)一步包括一可選的圖像處理模組337，該圖像處理模組337與所述光學(xué)子模組313相連，用于處理該光學(xué)子模組313捕獲的圖像。

圖4是圖3a所示移動(dòng)電話中光學(xué)子模組的部分截面圖。該光學(xué)子模組313包括一由硅光子芯片實(shí)現(xiàn)的像素矩陣。該矩陣包含m列和n行，在本實(shí)施例中，作為一個(gè)例子，m＝600，n＝800。每一個(gè)像素包括一多層結(jié)構(gòu)。參見圖4，像素400包括一硅基底層401，一硅氧化層403設(shè)置于該硅基底層401上，一玻璃層405設(shè)置于該硅氧化物層403上，一硅波導(dǎo)層407設(shè)置于該玻璃層405上，以及一多晶硅層409部分覆蓋該硅波導(dǎo)層407。多個(gè)齒狀結(jié)構(gòu)(即光柵)411和413形成于該硅波導(dǎo)層407中。如圖4所示，一部分齒狀結(jié)構(gòu)(即齒狀結(jié)構(gòu)411)被所述多晶硅層409覆蓋，而另一部分齒狀結(jié)構(gòu)(即齒狀結(jié)構(gòu)413)未被所述多晶硅層409覆蓋。一光電二極管415設(shè)置于所述硅氧化物層403上并被所述玻璃層405覆蓋。

假設(shè)空氣、所述硅波導(dǎo)層407及所述玻璃層405的折射率分別為n1，n2，n3。在本實(shí)施例中，n2>n3>n1。這樣的關(guān)系保證了光在所述光學(xué)子模組313中按需要的路徑傳導(dǎo)，詳述如下。

參見圖4，照射到像素覆蓋有所述多晶硅層409的那部分的光(箭頭417所示)通過齒狀結(jié)構(gòu)411，并由此被耦合入所述硅波導(dǎo)層407，并順著該硅波導(dǎo)傳送(箭頭419所示)。當(dāng)該光行進(jìn)至所述齒狀結(jié)構(gòu)413的下方，一部分光被所述齒狀結(jié)構(gòu)413反射，進(jìn)入所述玻璃層405，然后被所述光電二極管415收集；剩余部分的光繼續(xù)在所述硅波導(dǎo)層407內(nèi)傳送，如箭頭421所示，并被導(dǎo)入所述光合并裝置111的一光合并器中。值得注意的是，所述光合并裝置111也同所述光學(xué)子模組313一樣被集成于同一硅光子芯片315上。

照射到像素未覆蓋有所述多晶硅層409的那部分的光(箭頭420所示)進(jìn)入所述齒狀結(jié)構(gòu)413，穿過所述硅波導(dǎo)層407，進(jìn)入所述玻璃層405，并被所述光電二極管415收集。被不同像素的該光電二極管415收集的光可以用來形成所述物體107的圖像，這樣所述光學(xué)子模組313不僅集成了所述光采集耦合裝置109，而且也集成了一個(gè)圖像感測(cè)器。

在本實(shí)施例中，可以通過調(diào)整所述多晶硅層409的厚度達(dá)到最佳的方向性以及所述齒狀結(jié)構(gòu)(即光柵)的耦合長(zhǎng)度。光柵的長(zhǎng)度和寬度變化也可以調(diào)整。

以上各實(shí)施例提供的三維影像系統(tǒng)制成于單一硅光子芯片，并因此可以通過既不復(fù)雜也不昂貴的組裝流程與移動(dòng)電話集成。而且，所述三維影像系統(tǒng)集成了圖像感測(cè)器的功能，進(jìn) 一步地降低了帶有該三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話的制造成本及其組裝的復(fù)雜性。進(jìn)一步地，該帶有三維影像系統(tǒng)的移動(dòng)電話的外觀與普通移動(dòng)電話相似，因而其使用方便，也易于根據(jù)用戶使用普通移動(dòng)電話的習(xí)慣定制。

以上所述，僅是本專利申請(qǐng)較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本專利申請(qǐng)作任何形式上的限制，雖然本專利申請(qǐng)以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本專利申請(qǐng)，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本專利申請(qǐng)技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許變更或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本專利申請(qǐng)技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本專利申請(qǐng)技術(shù)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本專利申請(qǐng)技術(shù)方案的范圍內(nèi)。