CN109798838A - 一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器及其测距方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器，包括：激光投射器，用于向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；衍射光学元件DOE，用于将一束入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，使每束出射红外激光信号都带有各自的相位信息，出射红外激光信号的光束直径、发散角和波前均与入射红外激光信号相同，只是传播方向发生改变，并控制激光散斑投射出的编码图案；图像传感器，用于通过匹配激光散斑与图像传感器像素点来计算出测量对象的深度信息。所述ToF深度传感器可以降低功耗，提升测距时的抗干扰能力，在智能设备、无人车等领域具有广泛应用前景。

Description

一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器及其测距方法
技术领域
本公开属于深度传感器、机器视觉、激光散斑和TOF技术领域，特别涉及一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器及其测距方法。
背景技术
近年来三维深度感知设备开始进入人们的眼球，高精度的深度传感器作为一种新型的获取外界信息的媒介，有利于推动机器视觉的发展，实现机器人理解外部世界，同时也推动了人机交互的发展。深度感知技术大致可分为被动式和主动式。传统的双目立体视觉测距是一种被动式测距方法，其受环境光影响大、立体匹配过程复杂。主动式测距方法主要有结构光编码测距和ToF(飞行时间)测距两种方法。结构光编码测距法本质上属于激光三角测距，随着距离的增加，测距精度会急剧下降。ToF相机通过计算发射激光的飞行时间获取对应像素的深度信息，虽然目前ToF相机获取的深度图像分辨率比较低，但响应时间短，远距离测距时获得的深度信息精度比较高。随着ToF模组体积的变小，逐步在嵌入式设备中得到应用和推广。
然而由于目前ToF的投射模块均使用泛光照明，这种均匀照射使得出射光能量分散，因此实现远距离测距需要较大功率的激光器。但是，为了符合安全标准的要求且出于功耗等方面的考虑，选取的激光器所投射的光线亮度往往不高，因此图像传感器接收的入射光相位信息容易受到背景噪声干扰，从而影响测距的准确度和精度。
发明内容
鉴于此，本公开提供了一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器，包括：激光散斑投射单元和图像传感器；其中，
所述激光散斑投射单元由激光投射器和衍射光学元件DOE组成；
所述激光投射器，用于向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；
所述衍射光学元件DOE，用于将一束入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，使每束出射红外激光信号都带有各自的相位信息，出射红外激光信号的光束直径、发散角和波前均与入射红外激光信号相同，只是传播方向发生改变，并控制激光散斑投射出的编码图案，其中L为大于1的正整数；
所述图像传感器，用于获取深度信息。
本公开还提供了一种采用如权利要求1所述的基于激光散斑投射的ToF深度传感器的测距方法，该方法包括如下步骤：
S100：激光投射器向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；
S200：衍射光学元件DOE将入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑，并控制激光散斑投射出的编码图案；
S300：先获取所述图像传感器的单个像素尺寸，然后图像传感器的每个像素与每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑进行发射接收视场匹配，再利用入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差来获取深度信息。
通过上述技术方案，在现有ToF深度传感器的基础上，通过采用DOE对入射激光进行分束、投射激光散斑的方式，替代现有通过扩散片实现的泛光照明，经目标反射回来的每束光都带有各自的相位信息，通过匹配激光散斑与图像传感器像素点，获取入射光与出射光的相位差，可计算出测量对象的深度信息，从而降低激光散斑投射模块的功耗，提升测距时的抗干扰能力。
附图说明
图1是本公开一个实施例中所提供的一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器的结构示意图；
图2是本公开一个实施例中所提供的现有的ToF测距装置结构示意图；
图3是本公开一个实施例中泛光照明示意图；
图4a是本公开一个实施例中矩形激光散斑与图像传感器像素点匹配关系示意图；
图4b是本公开一个实施例中椭圆形激光散斑与图像传感器像素点匹配关系示意图；
图5是本公开一个实施例中的激光散斑投射单元发出的矩形激光散斑阵列示意图；
图6是本公开一个实施例中圆形激光散斑与图像传感器像素点一一对应规则匹配示意图；
图7是本公开一个实施例中的激光散斑投射单元发出的随机激光散斑阵列示意图；
图8是本公开一个实施例中随机激光散斑阵列与图像传感器像素点匹配示意图；
图9是本公开一个实施例中所提供的一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器的测距方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1至附图9对本发明进行进一步的详细说明。
在一个实施例中，参见图1，其公开了一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器，包括：激光散斑投射单元和图像传感器；其中，所述激光散斑投射单元由激光投射器和衍射光学元件DOE组成；所述激光投射器，用于向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；
所述衍射光学元件DOE，用于将一束入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，使每束出射红外激光信号都带有各自的相位信息，出射红外激光信号的光束直径、发散角和波前均与入射红外激光信号相同，只是传播方向发生改变，并控制激光散斑投射出的编码图案，其中L为大于1的正整数；
所述图像传感器，用于获取深度信息。
就该实施例而言，基于激光散斑投射的ToF深度传感器不同于现有的由激光投射器、扩散片(diffuser)和图像传感器组成的ToF发射模块，如图2所示，现有的ToF测距装置一般采用扩散片实现泛光照明，激光器出射光只需与图像传感器进行视场匹配，如图3所示；而本实施例通过采用DOE将调制后的入射激光均匀地分配成L束出射光，子光束到达目标后形成激光散斑，并控制激光散斑投射出的图案，通过激光散斑与图像传感器的像素位置和视场匹配，计算入射光与出射光的相位差，获取深度信息。相同功耗下使光线的单位面积能量更高，提高信噪比。数量L根据DOE中图案的设计来确定，数量可变，范围可以从几束到数十万束。
在另一个实施例中，所述深度信息的具体获得方法是：所述深度信息的具体获得方法是：先获取所述图像传感器的单个像素尺寸，然后图像传感器的每个像素与每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑进行发射接收视场匹配，再利用入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差来获取深度信息。
就该实施例而言，通过匹配激光散斑和图像传感器像素点的方法来获取测量对象的深度信息，可以降低功耗，提升测距时抗干扰能力。
在另一个实施例中，所述匹配的原则是，在测距范围内测距时，使得每个图像传感器像素点均有激光散斑经反射后落入。
就该实施例而言，图像传感器的接收视场应小于等于激光散斑投射单元的发射视场，同时使得图像传感器的每个像素都可以接收到激光散斑信号，而不至于有像素落空，所述每个像素会将落入的激光信号转化为具有相应相位和频率的电信号。
在另一个实施例中，所述入射红外激光信号经过衍射光学元件DOE分束后投射出激光散斑阵列。
在另一个实施例中，所述激光散斑阵列成规则图形或者不规则图形，其中，规则图形包括矩形(如图4a中虚线部分所示)、圆形、椭圆形(如图4b中虚线部分所示)或多边形。
在另一个实施例中，所述激光散斑阵列中相邻的两个散斑之间为等间隔排列或随机排列。
在另一个实施例中，所述激光散斑阵列中的单个激光散斑编码图案为圆形、矩形或多边形，单个激光散斑根据DOE设计可取不同尺寸。
参见图5，选用波长为940nm的激光投射器和二维DOE以实现激光散斑阵列，规格为p×q，匹配关系如图6中虚线部分所示。也可以参见图7，根据对DOE中图案的不同设计，实现不同数量的p、q，实现激光散斑随机排列，匹配关系如图8中虚线部分所示。其中，p和q量级可取到1～103。
就上述实施例而言，此波段在太阳光谱中的能量较少，在室外使用时受到干扰较小。
在另一个实施例中，所述入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差采用相位法获得。
在另一个实施例中，所述相位法包括四相步法、三相步法或五相步法。其中，四相步法即是采用四个采样计算窗口测量，每个计算窗口相位延时90°(0°，90°，180°，270°)，采样所得数据分别为Q1、Q2、Q3和Q4。
就该实施例而言，四步相法为目前比较常用的相位解包裹方法，同样，其他相位法也可适用。
在另一个实施例中，参见图9，其公开了一种采用如权利要求1所述的基于激光散斑投射的ToF深度传感器的测距方法，该方法包括如下步骤：
S100：激光投射器向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；
S200：衍射光学元件DOE将入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑，并控制激光散斑投射出的编码图案；
S300：先获取所述图像传感器的单个像素尺寸，然后图像传感器的每个像素与每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑进行发射接收视场匹配，再利用入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差来获取深度信息。
就该实施例而言，降低了功耗，提升了测距时的抗干扰能力，进而提升测距准确度和精度。
在另一个实施例中，其公开了一种采用如权利要求1所述的基于激光散斑投射的ToF深度传感器的测距方法，该方法包括：
步骤S1：激光投射器向被探测空间发出波长为940nm、调制频率为60MHz的正弦红外激光信号；
步骤S2：DOE将调制过的入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑，其数量为图像传感器像素分辨率的两倍，投射出的激光散斑阵列呈矩形分布，同时，图像传感器的接收视场应小于等于激光散斑投射单元的发射视场，即能够使接收视场被包含于发射视场中；
步骤S3：图像传感器接收入射光，利用四相步方法，采用四个采样计算窗口测量，得到数据Q1、Q2、Q3和Q4，根据公式(1)解析并计算出入射光与出射光的相位差，根据公式(2)获取深度信息。
其中，d为所测目标深度信息，c为光速，fm为激光调制频率，为出射光和入射光信号的相位差。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于激光散斑投射的ToF深度传感器，包括：激光散斑投射单元和图像传感器；其中，
所述激光散斑投射单元由激光投射器和衍射光学元件DOE组成；
所述激光投射器，用于向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；
所述衍射光学元件DOE，用于将一束入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，使每束出射红外激光信号都带有各自的相位信息，出射红外激光信号的光束直径、发散角和波前均与入射红外激光信号相同，只是传播方向发生改变，并控制激光散斑投射出的编码图案，其中L为大于1的正整数；
所述图像传感器，用于获取深度信息。
2.根据权利要求1所述的ToF深度传感器，优选的，所述获取深度信息包括：先获取所述图像传感器的单个像素尺寸，然后图像传感器的每个像素与每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑进行发射接收视场匹配，再利用入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差来获取深度信息。
3.根据权利要求2所述的ToF深度传感器，所述匹配的原则是，在测距范围内测距时，使得每个图像传感器像素点均有激光散斑经反射后落入。
4.根据权利要求1所述的ToF深度传感器，所述入射红外激光信号经过衍射光学元件DOE分束后投射出激光散斑阵列。
5.根据权利要求4所述的ToF深度传感器，所述激光散斑阵列成规则图形或者不规则图形，其中，规则图形包括矩形、圆形、椭圆形或多边形。
6.根据权利要求4所述的ToF深度传感器，所述激光散斑阵列中相邻的两个散斑之间为等间隔排列或随机排列。
7.根据权利要求4所述的ToF深度传感器，所述激光散斑阵列中的单个激光散斑编码图案为圆形、矩形或多边形。
8.根据权利要求2所述的ToF深度传感器，其中，所述入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差采用相位法获得。
9.根据权利要求8所述的ToF深度传感器，所述相位法包括四相步法、三相步法或五相步法。
10.一种采用如权利要求1所述的基于激光散斑投射的ToF深度传感器的测距方法，该方法包括如下步骤：
S100：激光投射器向被探测空间投射带有相位信息的周期红外激光信号；
S200：衍射光学元件DOE将入射红外激光信号均匀地分配成L束出射红外激光信号，每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑，并控制激光散斑投射出的编码图案；
S300：先获取所述图像传感器的单个像素尺寸，然后图像传感器的每个像素与每束出射红外激光信号到达被探测空间后形成激光散斑进行发射接收视场匹配，再利用入射红外激光信号和出射红外激光信号的相位差来获取深度信息。
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