[发明专利]基于散斑投射的直接飞行时间3D成像方法及装置

说明书

本发明公开一种基于散斑投射的直接飞行时间3D成像装置，包括：散斑投射模块，用于发出多束光束并在目标面形成间隔分布的散斑；SPAD阵列接收模块，用于接收目标面的散斑反射光束并记录光接收时刻；控制处理模块，用于控制所述散斑投射模块发出光束并记录光发射时刻，并根据光发射时刻和光接收时刻得到的光飞行时间，处理生成深度距离信息。本发明还公开一种基于散斑投射的直接飞行时间3D成像方法。本发明能直接实现光发射与光接收两个时刻的时间记录，该装置具有远成像距离、高信噪比、强抗干扰、精度高、低功耗的特点。

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种基于散斑投射的直接飞行时间3D成像方法及装置。

背景技术

3D成像装置可以大大地丰富用户的体验，提升产品竞争力。不同于传统的2D成像装置，如摄像机，只能获取物体的平面2D信息，3D成像装置还可以获取物体的深度信息，构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量，零件建模，医疗诊断，安防监控，机器视觉，生物识别，增强现实AR，虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。

3D成像技术分为主动式和被动式两类，主动式以结构光和飞行时间技术为主流，被动式以双目视觉为主流。由于被动式的双目视觉技术受到外部环境和拍摄对象表面纹理属性等客观因素影响，且在特征点自动匹配算法上较为复杂，当前在3D成像消费电子领域并未普及，市场上以结构光与飞行时间技术(TOF)的被动式应用为主。结构光技术方案的特点是含有散斑投射器与IR成像模块，在近距离1m以内的精度达到亚毫米，满足金融支付行业最高的3D人脸识别精度要求，缺点是远距离成像精度会急剧下降，而且也会消耗一定的用于深度算法的计算资源，导致其应用场景范围大大受限。飞行时间技术，也即缩写为TOF的技术方案，其特点是含有照明发射模块与TOF sensor接收模块，成像距离远，应用场景多，例如智能手机的后置建模与3D感知、AR/VR设备对外环境的3D感测、汽车的激光3D测距系统等，TOF技术的不足是整个成像范围内的精度没有结构光技术那样高，但更多的应用场景本身对精度并没有那么高，因而TOF具有更广泛的应用前景。

TOF的全称是Time-Of-Flight，即飞行时间，是通过测量发射光从发射时刻到被物体反射至接收端的时间间隔，根据光速不变原理，可以实现距离测定。目前存在两种TOF技术路线:I-TOF(间接飞行时间，indirect-ToF)和D-TOF(直接飞行时间，direct-ToF)，当前市场常用的是I-TOF技术，通过激光发射装置发射一束时间上周期性调制激光到物体表面上，返回光则在时序上产生一个相对于入射光的时间延迟，具体表现为相位延迟，相位延迟的大小与光的飞行时间具有对应的计算关系，I-TOF即通过测量相位延迟来“间接”得到光的飞行时间，进而实现距离测量。该技术方案由于是通过测量相位来间接得到光飞行时间，而相位的测量实际是依靠接收光的能量强弱来进一步间接实现，这样会带来相位测量不准的问题，且易受环境光干扰，一旦距离继续上升，例如10m以上，反射接收的光会急剧衰减，甚至被环境光淹没，测量精度会急剧下降。同时I-TOF技术本质上是利用光能量平均积分法来得到sensor上每一颗像素的距离值，因此不可避免的会产生多路径干扰问题，导致物体轮廓不清、棱角形状失真、无法区分相邻两物体等问题。

D-TOF技术则实现了对飞行时间Δt的直接测量，采用脉冲调试信号方式，sensor内部的每一个像素都直接测量达到光子的往返时间，具有灵敏度高的优点，避开了测量往返信号的相位差所引入的各种问题，并且不存在光电子积累的过程，其测量精度受光噪声的影响比较小，较低的信噪比要求有利于系统功耗的下降。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于散斑投射的直接飞行时间3D成像方法及装置，直接实现光发射与光接收两个时刻的时间记录，该装置具有远成像距离、高信噪比、强抗干扰、精度高、低功耗的特点。

本发明采用的具体技术方案如下：

本发明提供一种基于散斑投射的直接飞行时间3D成像装置，包括：