一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置的制作方法

本实用新型涉及三维测量与成像领域，尤其是一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置。

背景技术：

随着VR技术的兴起，3D技术应用受到了更多的关注。目前获取3D信息的方式主要有3 种：立体视觉系统，激光距离扫描仪，TOF相机。立体视觉系统利用相关性原理，它的主要缺点有相关、视域限制以及分配问题。激光扫描仪通过发射一束扫描光线来进行距离测量，它的主要缺点是不能提供2D灰度图像以及实时提供距离图像。TOF相机结合有源传感器及相机方法，提供2D灰度图像及实时的距离信息。TOF相机还可以很好的处理屋内各种部分如墙面、地板、天花板等。此外TOF获取的3D点云以及实时数据流可以用于移动目标，从而能在当前许多新兴领域发挥重要的作用，如物体识别、手势识别、3D模型、机器人、监控、汽车防撞系统、医疗、人机互动游戏等。

飞行时间法的三维成像特点在于发射4次相移高频调制信号辐射目标场景，反射后的信号则会因距离不同而产生不同相位差，再由相关函数法解调飞行过程中的相位差。该方法主要体现在单镜头、低造价、高精度、实时成像、动态量程大、可以实现高集成度。但是，对于TOF成像装置，测距精度会受到调制频率、曝光时间以及外部环境的影响。目前大多数TOF 相机只允许修改曝光时间，而调制频率为固定值，对于测量目标较远及精度较高的物体，则表现不足。

TOF技术是测量光信号从光源发射到物体再反射回探测器所需要的时间，实际中由于计算光的飞行时间对芯片速率要求较高，通常采用调制解调方法，借由发射高频调制信号至目标场景，光在反射回传感器时与发射信号存在与距离相关的相位差，通过解调出相位差再利用相位差与飞行时间关系，得到距离信息。

飞行时间测距原理在Lange R.3D time-of-flight distance measurement with custom solid-state image飞行时间传感器s in CMOS/CCD-technology[J].Diss.,Department of Electrical Engineering and Computer Science,University of Siegen,2000.与Schwarte R,Heinol H G,Buxbaum B,et al.Principles of three-dimensional imaging techniques[J]. 1999.中有对其进行描述。更多关于飞行时间相机方法在Lange R,Seitz P.Solid-state time-of-flight range camera[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,2001, 37(3):390-397.文献及申请US8233143和US6580496中被描述。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决飞行时间成像测距适应范围不足问题，提出了一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，可分别对调制频率与曝光时间进行设定，准确实时地获取目标场景的三维信息，从而扩大TOF成像装置的使用范围及提高了适应性。

本实用新型采用的技术方案如下：一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，包括：调制辐射源，采用四步相移法对光信号调制，由主控器控制驱动电路，在驱动电路的作用下，调制辐射源发射同频率不同相移的光调制信号照射目标场景，相应的相移角度为0°、90°、 180°、270°；飞行时间传感器，一种光电混合器件，其可由光栅二极管结构、钉扎光电二极管结构和雪崩光电二极管等结构构成，具有探测光信号与混频解调功能，包含光电混频器、放大器、低通滤波器，接收从目标场景反射回的信号，并将其与解调信号同时输入到混频器，放大器对混频后的信号进行适当放大后再由低通滤波器滤除混频后的高频分量，得到与相位差相关的低频分量后输出；滤光镜头，滤除可见光及干扰信号，只保留反射回的调制信号；模数转换器，将飞行时间传感器输出的模拟信号转换为数字信号；传输单元，采用通用USB 接口，用于将数字信号实时地发送至计算机，同时配合计算机对系统硬件工作模式进行配置；主控器，控制协调整个系统的运行，包括产生相移调制信号，模数转换电路的激励信号，USB 传输的控制信号等系统所需的各种精准时序；计算机，发送曝光时间及调制频率参数，接收并处理像素信息，算法优化及三维图像重建。

本实用新型提供一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，由计算机通过数据传输单元发送命令控制三维成像装置的调制频率与曝光时间，能有效地对调制频率及曝光时间进行设定，以满足不同精度测量要求以及不同距离环境下的测量要求，准确实时地获取目标场景的三维信息。

附图说明

图1是本实用新型的一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置结构示意图；

图2为发射调制信号与接收信号波形之间相位差；

图3示出了发射调制信号、解调信号、混频后信号的频谱图；

图4示出了传感器解调信号与辐射源调制信号的相移示意图。

具体实施方式

下面结合附图详尽的说明在本实用新型中所涉及的各个细节问题。需要说明的是，描述的实例只是为了加深对本发明的理解，不会对其起限定作用。

如图1所示，本实用新型的频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置由光源驱动器103，调制辐射源104，飞行时间传感器109，模数转换器110，USB传输单元111，主控器101，计算机112，及滤光镜头108等构成。该装置中，主控器101采用Xilinx公司Spartan3E FPGA 芯片编程，为系统的控制核心，控制着诸如4次相移高频调制辐射源104、飞行时间传感器 109、模数转换器110、USB传输单元111(也可以如无线传输，网络传输等通信方式)等，以及产生输入到光源驱动器103中的可调频率调制信号及曝光时间，为计算机程序设定调制频率与曝光时间参数，提供与USB数据通信的接口，其中一种可选的方式是计算机可通过 USB2.0芯片内置的I2C总线发送设置参数给主控器。

光源驱动器103采用反相器级联再到功率管驱动的方式来提高驱动电路的工作频率以及带负载能力；调制辐射源104基于四步相移法对光信号如红外光进行高频调制，发射同频率不同相移的红外高频调制信号105，通常还可在辐射源上加上聚光透镜，使红外光辐射在某一定的范围内。

调制红外光在照射目标场景106后反射回至飞行时间传感器109，飞行时间传感器109 主要是一种光电混频器件，能同时实现探测与混频功能。由于飞行时的距离调制作用，传感器接收的反射信号107与辐射源的调制信号存在着相位差。反射信号照射到光电混合器件由混频器将其与调制信号混频后经过内部放大器适当放大，再经过低通滤波器滤除高频分量得到与相位延时相关的低频部分。特别地，低频部分信息包含有除相位延时之外的其他未知量，使用四步相移采样来求得具体的相位差。此外，为减小可见光或其他干扰信号的影响，传感器镜头内带有红外滤光透镜108。

在飞行时间传感器109接收到反射信号并输出有效模拟量之后，经过模数转换器110后由USB传输单元111发送至计算机112，计算机应用程序采用四步采样法将四步相移数据进行处理得到三维点云，最后经过网格化及平滑滤波重建为三维图像。

图2示出了发射调制信号与接收信号波形之间相位差。横坐标为时间，纵坐标为幅值，代表红外调制信号的能量。之所以采用余弦波进行图示分析，是因为辐射发射的红外信号经高频方波信号调制后，可近似等效为余弦波。

由于光速约为3×10⁸，直接测量光飞行时间对芯片工作速率要求较高，图2所示为间接测量飞行时间的方法，通过测量光在传播到目标场景后反射回的相位差由如下公式：

可计算出传感器与目标场景之间的距离d。

图3示出了发射调制信号、解调信号、混频后信号的频谱图。详细的调制解调过程如下：

设图调制光源信号为：s(t)＝cos(ωt)。

频谱图为图3中(a)处所示。从物体反射回来的信号的幅度和相位都会受到调制，其中相位的变化是受距离信息的调制：

调制幅值为A，调制相位为给飞行时间传感器加的同步解调信号为：G(t)＝cos(ωt)。

其频谱图为图3中(b)处所示。经过飞行时间传感器内部混频器和放大器，实现频率的搬移以及信号的放大，包括一个高频分量和与相位差相关的低频分量，经过低通滤波器后，滤除高频分量，得到有用信号，经混频器后信号为：

其频谱图为图3中(c)处所示。滤波后得到：

图4示出了传感器解调信号与辐射源调制信号的相移示意图。当τ分别取0/90/180/270 度时可计算：

对应传感器解调信号与辐射源调制信号通过主控器FPGA控制依次移相0/90/180/270度。

如果像素物理尺寸为Δx×Δy，镜头焦距为f，中心像素的坐标为(x₀,y₀)，则根据小孔成像模型可以得到像素(x,y)对应点的空间三维坐标为：

上述是对本实用新型一种基于飞行时间法的三维成像装置实施方式的描述。应当理解，在本实用新型的范围内可以进行各种改变、变换实施例。