基于dmd扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方法
【专利摘要】本发明提供基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方法，该装置包括光源模块、光学扫描模块、光电转换与信号处理模块和控制模块；该方法是光源经高速正弦波调制后作用于DMD，并由DMD实现对被测物体的逐个像素扫描，被测物体对应像素的微弱散射光被光电转换与信号处理模块接收，采用单光子计数技术，使用四个计数器分别对正弦波调制光每四分之一周期内的光子总数进行累计计数，根据积分相位测距原理，得到正弦波调制光的相位差，从而获得被测物体深度图像的一个像素值，在获得全部像素的像素值后，组合生成被测物体的深度图像。本发明像素多、精度高、结构简单、测量速度快、便于小型化，为高像素深度图像获取提供了技术保障。
【专利说明】基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维成像【技术领域】，具体是基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像 获取装置及方法。
【背景技术】
[0002] 人们观察物体时，能很自然地产生立体感，感受周围的三维场景。传统的二维成像 方法在工业中已被广泛应用，但它不包括第三维的距离或深度信息，很难充分地描述真实 三维场景中物体的位置、运动信息以及详尽的几何形状。随着科学技术的发展，在诸如工业 产品加工和检测、国防航天、无人车导航以及医学等领域都迫切需要一种高性能深度图像 获取方法。
[0003] 现有的深度图像获取方法主要包括接触式与非接触式两种，其中基于光学测距的 深度图像获取方法属于非接触式，具有测量范围大、分辨率高、无需接触、抗外界环境干扰 强的优点，因此成为国内外的研究热点。目前研究的大部分光学深度图像获取系统均是基 于三角法或飞行时间原理来测量距离的。基于三角法测距的深度图像获取系统，例如双目 视觉系统和结构光成像系统，需要处理"阴影"效应（Shadow effects)或投影条纹"模糊" 问题（Ambiguity problems)，因此一般只能使用在对比度高的测量场合，不适宜远距离大 目标深度图像的获取。与该类成像系统相比，基于飞行时间测距的深度图像获取系统由于 光的发射和接收几乎在同一条直线上，可以明显"分辨"各个被测点的信息，因此不会出现 三角法测距中存在的"阴影"或投影"模糊"问题；利用高灵敏度传感器还可以实现远距离 大目标的深度图像获取。此外，基于飞行时间测距的深度图像获取系统还具有原理简单、测 距精度高、无需参考面等优点。
[0004] 在传统的基于飞行时间测距的深度图像获取系统中，关于飞行时间的获取方法主 要分为窄脉冲延迟时间的直接测量法和连续波相移的间接测量法。利用窄脉冲延迟时间测 距，需要极窄的脉冲信号以及精确的时间测量单元来提高测量精度，对系统的带宽和硬件 要求高，测量精度普遍不高。在传统的连续波相移测量的方法中，基于离散傅里叶变换理 论（DFT)的四点法由于具有计算量小，实时性好等优点而成为主流，但是目前传统的四点 法普遍存在采样时间窗口过短，信噪比低，测量精度差的缺点；同时在实际测距中，由于光 源（激光器、LED等）调制非线性以及高次谐波的干扰，回波波形存在严重畸变（如图5所 示），使得这些基于短采样时间窗口的传统四点相移测距系统测量误差变得很大。
[0005] 另外，在传统的基于飞行时间测距的深度图像获取系统中，主要通过二维宏观机 械扫描实现整个三维空间的测量，这种深度图像获取技术原理简单、可探测距离远、精度 高，但是由于使用了精密、笨重且价格昂贵的宏观机械扫描装置和光学元件，该类系统一般 抗振性能差、体积大、成本高、像素低；同时，由于宏观的机械扫描装置自身扫描速度慢，在 长时间使用过程中存在老化和磨损现象，使用该方法获得的深度图像的套准精度低，实时 性差，且常常不适用于动态目标或场景的测量。为此，近年来许多国外的成像公司，如瑞士 Mesa公司、德国PMD公司等开始研发一种新型的小体积Lock-in (XD图像传感器，它采用 低发射功率的LED作为光源，且每个像素都能同步解调入射光的幅度和相位信息，可实现 非机械扫描、高配准精度的三维测距成像，但是由于该CCD探测灵敏度低，该方法目前测程 短、测距分辨率低；另外，该CCD器件单个像素结构复杂，制作工艺难度大，因此目前像素 低、成本高。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方 法，弥补现有深度图像测量技术的不足，尤其是解决深度图像像素少以及相移测距精度低 等问题。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] 基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，包括光源模块、光学扫描模 块、光电转换与信号处理模块和控制模块；
[0009] 所述光源模块，包括依次连接的振荡器、分频器、调制波形发生器和光源；
[0010] 所述光学扫描模块包括依次设置在光源输出光路上的勻光棒、第一聚焦透镜和 DMD、依次设置在DMD反射光路上的半反半透镜和投影组合透镜以及依次设置在半反半透 镜反射光路上的第二聚焦透镜、帯通滤光片和光阑，所述DMD将勻光棒的输出光通过半反 半透镜和投影组合透镜投影到被测物体上；被测物体的散射光通过投影组合透镜和半反半 透镜依次作用于第二聚焦透镜、帯通滤光片和光阑；
[0011] 所述光电转换与信号处理模块包括单光子探测模块、积分选通模块、电脉冲信号 计数模块和深度图像像素值计算模块，所述单光子探测模块的输入端连接光阑的出射端， 所述单光子探测模块的输出端通过积分选通模块连接电脉冲信号计数模块的输入端，所述 电脉冲信号计数模块的输出端连接深度图像像素值计算模块的输入端，所述积分选通模块 的输入端连接振荡器的输出端；
[0012] 所述控制模块包括控制器、显示模块和存储模块，所述控制器的输入端连接深度 图像像素值计算模块的输出端，所述控制器的输出端连接显示模块、存储模块、积分选通模 块和电脉冲信号计数模块的输入端，所述控制器与DMD交互式信号连接。
[0013] 所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，所述单光子探测模块 包括单光子雪崩光电二极管、放大器、滤波器、比较器和高压电源模块，所述单光子雪崩光 电二极管的输入端连接光阑的出射端，所述单光子雪崩光电二极管的输出端依次通过放大 器、滤波器和比较器连接积分选通模块；所述高压电源模块，用于为单光子雪崩光电二极管 提供高压工作电源，使其工作于盖革模式下；所述电脉冲信号计数模块由第一计数器、第二 计数器、第三计数器和第四计数器组成。
[0014] 所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，所述光源采用激光二 极管或LED光源。
[0015] 所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方法，包括以下 步骤：
[0016] (1)振荡器输出信号，经由分频器后作用于调制波形发生器，产生带有正向偏置的 调制正弦波信号，所述调制正弦波信号作用于光源，产生高速正弦波调制光，所述高速正弦 波调制光经过匀光棒和第一聚焦透镜后入射到DMD上；
[0017] (2)控制器控制DMD开启一个像素，进行被测物体深度图像一个像素值的测量； DMD开启完毕后，向控制器发送开启完毕信号，并将反射的高速正弦波调制光通过半反半透 镜和投影组合透镜投影到被测物体上；被测物体的散射光经过投影组合透镜收集后，再经 由半反半透镜反射后依次作用于第二聚焦透镜、帯通滤光片和光阑，单光子探测模块对从 光阑出射的散射光进行探测，产生相应的电脉冲信号发送给积分选通模块；
[0018] (3)控制器接收到DMD反馈的开启完毕信号后，使能积分选通模块；积分选通模块 以振荡器的输出信号为参考时钟，在振荡器输出信号的每个上升沿来临时，切换选通计数 器，并利用计数器对接收到的电脉冲信号进行累计计数，再利用四个计数器的计数值，计算 获得被测物体深度图像的一个像素值，实现积分相位测距；
[0019] ⑷在被测物体深度图像的一个像素值测量完成后，控制器将四个计数器清零并 关闭积分选通模块；
[0020] (5)重复上述步骤（2)?（4)，控制器控制DMD逐个像素扫描被测物体；在所有像 素扫描完成后，控制器将测量的被测物体深度图像每个像素值按照DMD的像素扫描次序排 列，获得被测物体的深度图像，存储于存储模块，并在显示模块上显示。
[0021] 所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方法，步骤（1) 中，所述分频器对振荡器的输出信号进行四分频。
[0022] 所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方法，步骤（2) 中，所述DMD每次开启一片微镜作为一个像素，或每次同时开启相邻的多片微镜作为一个 像素。
[0023] 所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方法，步骤（3) 中，所述积分相位测距实现的流程包括以下两个步骤：
[0024] (a)完成正弦波调制光每四分之一周期内光强的积分：在振荡器输出信号的每个 上升沿来临时，由控制器依次开启四个计数器中的一个进行计数，即在第一个上升沿来临 时，开启第一计数器计数；第二个上升沿来临时，开启第二计数器计数，同时关闭第一计数 器；第三个上升沿来临时，开启第三计数器计数，同时关闭第二计数器；第四个上升沿来临 时，开启第四计数器计数，同时关闭第三计数器；后面以此类推，循环操作；即将正弦波调 制光的周期平均分为四份，利用四个计数器分别在正弦波调制光每四分之一周期内，记录 电脉冲信号上升沿的数量，实现正弦波调制光的每四分之一周期内光强的积分；
[0025] (b)计算被测物体深度图像的像素值：按照步骤（a)累积测量若干个正弦波调制 光整周期后，四个计数器将各自的计数值发送给深度图像像素值计算模块，所述深度图像 像素值计算模块按照以下公式对被测物体深度图像的一个像素值进行计算，并将计算结果 发送给控制器：
[0026]
【权利要求】
1. 基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，其特征在于：包括光源模块 (100)、光学扫描模块（200)、光电转换与信号处理模块（300)和控制模块（400); 所述光源模块（100)，包括依次连接的振荡器（101)、分频器（102)、调制波形发生器 (103)和光源（104); 所述光学扫描模块（200)包括依次设置在光源输出光路上的勻光棒（201)、第一聚焦 透镜（202A)和DMD (204)、依次设置在DMD (204)反射光路上的半反半透镜（203)和投影组 合透镜（205)以及依次设置在半反半透镜（203)反射光路上的第二聚焦透镜（202B)、帯通 滤光片（206)和光阑（207)，所述DMD(204)将匀光棒（201)的输出光通过半反半透镜（203) 和投影组合透镜（205)投影到被测物体（11)上；被测物体（11)的散射光通过投影组合透 镜（205)和半反半透镜（203)依次作用于第二聚焦透镜（202B)、帯通滤光片（206)和光阑 (207)； 所述光电转换与信号处理模块（300)包括单光子探测模块（301)、积分选通模块 (302) 、电脉冲信号计数模块（303)和深度图像像素值计算模块（304)，所述单光子探测模 块（301)的输入端连接光阑（207)的出射端，所述单光子探测模块（301)的输出端通过积 分选通模块（302)连接电脉冲信号计数模块（303)的输入端，所述电脉冲信号计数模块 (303) 的输出端连接深度图像像素值计算模块（304)的输入端，所述积分选通模块（302)的 输入端连接振荡器（102)的输出端； 所述控制模块（400)包括控制器（401)、显示模块（402)和存储模块（403)，所述控 制器（401)的输入端连接深度图像像素值计算模块（304)的输出端，所述控制器（401)的 输出端连接显示模块（402)、存储模块（403)、积分选通模块（302)和电脉冲信号计数模块 (303)的输入端，所述控制器（401)与DMD(204)交互式信号连接。
2. 根据权利要求1所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，其特征 在于：所述单光子探测模块（301)包括单光子雪崩光电二极管（301A)、放大器（301C)、滤波 器（301D)、比较器（301E)和高压电源模块（301B)，所述单光子雪崩光电二极管（301A)的 输入端连接光阑（207)的出射端，所述单光子雪崩光电二极管（301A)的输出端依次通过放 大器（301C)、滤波器（301D)和比较器（301E)连接积分选通模块（302);所述高压电源模 块（301B)，用于为单光子雪崩光电二极管（301A)提供高压工作电源，使其工作于盖革模式 下；所述电脉冲信号计数模块（303)由第一计数器（303A)、第二计数器（303B)、第三计数器 (303C)和第四计数器（303D)组成。
3. 根据权利要求1所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，其特征 在于：所述光源（104)采用激光二极管或LED光源。
4. 根据权利要求1所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方 法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 振荡器（101)输出信号，经由分频器（102)后作用于调制波形发生器（103)，产 生带有正向偏置的调制正弦波信号，所述调制正弦波信号作用于光源（104)，产生高速正 弦波调制光，所述高速正弦波调制光经过匀光棒（201)和第一聚焦透镜（202A)后入射到 DMD (204)上； (2) 控制器（401)控制DMD(204)开启一个像素，进行被测物体（11)深度图像一个像素 值的测量；DMD(204)开启完毕后，向控制器（401)发送开启完毕信号，并将反射的高速正弦 波调制光通过半反半透镜（203)和投影组合透镜（205)投影到被测物体（11)上；被测物体 (11)的散射光经过投影组合透镜（205)收集后，再经由半反半透镜（203)反射后依次作用 于第二聚焦透镜（202B)、帯通滤光片（206)和光阑（207)，单光子探测模块（301)对从光阑 (207)出射的散射光进行探测，产生相应的电脉冲信号发送给积分选通模块（302); (3)控制器（401)接收到DMD(204)反馈的开启完毕信号后，使能积分选通模块（302); 积分选通模块（302)以振荡器（101)的输出信号为参考时钟，在振荡器（101)输出信号的 每个上升沿来临时，切换选通计数器，并利用计数器对接收到的电脉冲信号进行累计计数， 再利用四个计数器的计数值，计算获得被测物体（11)深度图像的一个像素值，实现积分相 位测距； ⑷在被测物体（11)深度图像的一个像素值测量完成后，控制器（401)将四个计数器 清零并关闭积分选通模块（302); (5)重复上述步骤⑵?（4)，控制器（401)控制DMD (204)逐个像素扫描被测物体； 在所有像素扫描完成后，控制器（401)将测量的被测物体（11)深度图像每个像素值按照 DMD (204)的像素扫描次序排列，获得被测物体（11)的深度图像，存储于存储模块（403)，并 在显示模块（402)上显示。
5. 根据权利要求4所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方 法，其特征在于：步骤（1)中，所述分频器（102)对振荡器（101)的输出信号进行四分频。
6. 根据权利要求4所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方 法，其特征在于：步骤（2)中，所述DMD(204)每次开启一片微镜作为一个像素，或每次同时 开启相邻的多片微镜作为一个像素。
7. 根据权利要求4所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方 法，其特征在于：步骤（3)中，所述积分相位测距实现的流程包括以下两个步骤： (a) 完成正弦波调制光每四分之一周期内光强的积分：在振荡器（101)输出信号的每 个上升沿来临时，由控制器（401)依次开启四个计数器中的一个进行计数，即在第一个上 升沿来临时，开启第一计数器（303A)计数；第二个上升沿来临时，开启第二计数器（303B) 计数，同时关闭第一计数器（303A);第三个上升沿来临时，开启第三计数器（303C)计数，同 时关闭第二计数器（303B);第四个上升沿来临时，开启第四计数器（303D)计数，同时关闭 第三计数器（303C);后面以此类推，循环操作；即将正弦波调制光的周期平均分为四份，利 用四个计数器分别在正弦波调制光每四分之一周期内，记录电脉冲信号上升沿的数量，实 现正弦波调制光的每四分之一周期内光强的积分； (b) 计算被测物体（11)深度图像的像素值：按照步骤（a)累积测量若干个正弦波调制 光整周期后，四个计数器将各自的计数值发送给深度图像像素值计算模块（304)，所述深度 图像像素值计算模块（304)按照以下公式对被测物体（11)深度图像的一个像素值进行计 算，并将计算结果发送给控制器（401) : ^ rarctan(C4-C3)+arctan(C*- C2)+arc 16/T./〇L q -Q Cl -Γ4 C2-C3 C2-C3 其中，d表示被测物体深度图像的一个像素值，c表示光速，&表示正弦波调制光频率， Q、C2、C3、C4分别表示四个计数器的计数值。
8. 根据权利要求4所述的基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置的获取方 法，其特征在于：步骤（3)中，在计数过程中，当振荡器（101)输出信号的上升沿来临时，若 该时刻被积分选通模块（302)切换选通的计数器检测到的电脉冲信号为高电平，则该电脉 冲信号不被该计数器记录。
【文档编号】G02B27/22GK104301707SQ201410566345
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】王焕钦, 杨义新, 黄哲, 曹阳阳, 桂华侨, 王杰, 陈寅 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院