CN110441785A - 时间飞行距离测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种时间飞行距离测量系统，包括：发射模组，包括由多个子光源组成的阵列光源，用于向物体发射非泛光载波光束；采集模组，用于采集所述物体反射的非泛光载波光束；处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，用于计算所述非泛光载波光束从被发射到被采集之间的飞行时间；所述阵列光源包括具有规则排列的第一子光源阵列以及第二子光源阵列，所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列相互交叉排列以提升所述阵列光源中子光源的横向与纵向密度。通过发射模组采用阵列光源，且向外发射强度分布不均匀的非泛光载波光束；更进一步的，阵列光源采用交叉排列的子光源阵列，子光源的横向、纵向间隔更小，提升了深度图像的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种时间飞行距离测量系统。
背景技术
时间飞行(Time of flight,TOF)法通过测量光束在空间中的飞行时间来计算物体的距离，由于其具有精度高、测量范围大等优点被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。
基于时间飞行原理的距离测量系统比如时间飞行深度相机、激光雷达等系统往往包含一个光源发射端以及接收端，光源向目标空间发射光束以提供照明，接收端接收由目标反射回的光束，系统再通过计算光束由发射到反射接收所需要的时间来计算物体的距离。在利用时间飞行深度相机、激光雷达等距离测量系统进行距离感测时，环境光干扰会影响到测量的精度，比如当环境光强度较高甚至淹没光源的光束时，特别对于泛光照明，将很难分辨出光源的光束以至于出现较大的测量误差。
现有的技术中可以通过增加滤光片等光学方法以及设置减法电路等电子方法(论文CMOS Sensors for Time-Resolved Active Imaging)来进行背景光抑制，然而，这些方法仍然不能从本质上消除或降低环境光干扰引起的测量误差。采用点扫描的方式有利用于提升信噪比，但相较于泛光照明而言，测量分辨率较低。总之，现有技术难以兼顾信噪比、测量精度以及测量分辨率。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种时间飞行距离测量系统。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种时间飞行距离测量系统，包括：发射模组，包括由多个子光源组成的阵列光源，用于向物体发射非泛光载波光束；采集模组，用于采集所述物体反射的非泛光载波光束；处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，用于计算所述非泛光载波光束从被发射到被采集之间的飞行时间；所述阵列光源包括具有规则排列的第一子光源阵列以及第二子光源阵列，所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列相互交叉排列以提升所述阵列光源中子光源的横向与纵向密度。
在本发明的一种实施例中，所述阵列光源是VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括半导体基底以及设置在所述半导体基底上的多个VCSEL子光源组成的阵列光源。所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列被独立控制。
在本发明的另一种实施例中，所述发射模组具有第一畸变特征，所述采集模组具有第二畸变特征，所述第一畸变特征与所述第二畸变特征相互补偿。所述第一畸变特征为桶形畸变特征或枕形畸变特征，所述第二畸变特征为枕形畸变特征或桶形畸变特征。
在本发明的第三种实施例中，所述发射模组包括阵列光源、投影透镜及空间光调制器。所述阵列光源上的子光源排列是具有第一畸变特征的二维排列图案；或，所述投影透镜具有第一畸变特征；或，所述空间光调制器的衍射图案具有第一畸变特征；或，所述阵列光源上的子光源排列、所述投影透镜以及所述空间光调制器衍射图案中的至少两种被综合设计以使所述发射模组具有第一畸变特征。
在本发明的第四种实施例中，所述发射模组包括阵列光源和投影透镜。所述阵列光源上的子光源排列是具有第一畸变特征的二维排列图案；或，所述投影透镜具有第一畸变特征；或，所述阵列光源上的子光源排列以及所述投影透镜被综合设计以使所述发射模组具有第一畸变特征。
在本发明的第五种实施例中，所述阵列光源以根据测量距离设定的频率发射脉冲光束；或，所述阵列光源发射的光束振幅被调制以发射方波光束、正弦波光束的连续波光束。
本发明的有益效果为：提供一种时间飞行距离测量系统，通过发射模组采用阵列光源，且向外发射强度分布不均匀的非泛光载波光束；更进一步的，阵列光源采用交叉排列的子光源阵列，子光源的横向、纵向间隔更小，提升了深度图像的分辨率。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的阵列光源时间飞行距离测量系统示意图。
图2是根据本发明一个实施例的发射模组示意图。
图3是根据本发明又一个实施例的发射模组示意图。
图4是根据本发明一个实施例的视差对成像影响示意图。
图5是根据本发明一个实施例的阵列光源示意图。
图6是根据本发明一个实施例的畸变修正原理示意图。
其中，10-距离测量系统，11-发射模组，12-采集模组，13-处理电路，20-物体，30-发射光束，40-反射光束，111-阵列光源，112-空间光调制器，121-阵列像素单元，122-成像透镜单元，201-阵列光源，202-投影透镜，203-衍射光学元件，204-光束，205-光束，206-光束，301-阵列光源，302-投影透镜，303-光束，304-光束，305-光束，121-阵列像素单元，401-成像位置，402-成像位置，403-像素，51-阵列光源，511-VCSEL子光源，512-VCSEL子光源，61-第一畸变，62-第二畸变，63-补偿后的效果。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供了一种距离测量系统，其具有更强的抗环境光能力以及更高的分辨率。
图1是根据本发明一个实施例的阵列光源时间飞行距离测量系统示意图。距离测量系统10包括发射模组11、采集模组12以及处理电路13，其中发射模组11提供发射光束30至目标空间中以照明空间中的物体20，至少部分发射光束30经物体20反射后形成反射光束40，反射光束40的至少部分被采集模组12采集，处理电路13分别与发射模组11以及采集模组12连接，同步发射模组11以及采集模组12的触发信号以计算光束由发射模组11发出并被采集模组12接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间t，进一步的，物体上对应点的距离D可由下式计算出：
D＝c·t/2 (1)
其中，c为光速。
发射模组11包括阵列光源111、空间光调制器112。阵列光源111可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源组成的阵列，优选地，阵列光源111是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片，阵列光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。阵列光源111在处理电路13的控制下向外发射光束，比如在一个实施例中，阵列光源111在处理电路13的控制下以一定的频率发射脉冲光束，可以用于直接时间飞行法(Direct TOF)测量中，频率根据测量距离进行设定，比如可以设置成1MHz～100MHz，测量距离在几米至几百米；在一个实施例中，光源111在处理电路13的控制下其发射的光束振幅被调制以发射方波光束、正弦波光束等连续波光束，可以用于间接飞行时间法(Indirect TOF)测量中。可以理解的是，可以是处理电路13中的一部分或者独立于处理电路13存在的子电路来控制光源111发射相关的光束，比如脉冲信号发生器。
空间光调制器112接收来自光源111的载波光束，并将载波光束进行空间调制，即将载波光束在空间中的分布进行调制以形成强度分布不均匀的非泛光载波光束向外发射。与传统的泛光光束相比，由于非泛光光束的强度分布不均匀，在光源功率相同的情况下，强度分布较高的区域将具有对环境光更高的抗干扰性能；另外，在投射视场角相同的情况下，由于强度分布的不均匀性，即要达到相同的环境光抗干扰性能，泛光照明需要更高的功耗。在一些实施例中，空间光调制器112还用于将接收到的载波光束进行扩束，以扩大视场角。
处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中去，终端中的处理器可以作为该处理电路13的至少一部分。
采集模组12包括阵列像素单元121、成像透镜单元122，成像透镜单元122接收并将由物体反射回的至少部分非泛光载波光束引导到至少部分所述阵列像素单元121上。在一个实施例中，阵列像素单元121可以是电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、雪崩二极管(AD)、单光子雪崩二极管(SPAD)等组成的阵列像素单元，阵列像素单元121的阵列大小代表着该深度相机的分辨率，比如320x240等。一般地，与阵列像素单元121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。
在一些实施例中，距离测量系统10还可以包括彩色相机、红外相机、IMU等器件，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3D纹理建模、红外人脸识别、SLAM等功能。
图2是根据本发明一个实施例的发射模组示意图。发射模组11包括阵列光源201、投影透镜202以及衍射光学元件(DOE)203，阵列光源201在处理电路13的功率时间调制下发射脉冲、方波或正弦波调制的光束，光束经投影透镜202的准直或聚焦后入射到DOE203，DOE203对入射的光束进行空间调制，即衍射。在一个实施例中，DOE203对入射的光束进行分束，并向目标空间中发射出多个光束204、205以及206，比如几万条光束，每条光束在物体20的表面形成一个斑点。在一个实施例中，DOE203将通过对入射光束的衍射形成规则排列(指各个斑点的角偏移均匀分布，规则排列入射到3D物体表面，排列会被重构)的斑点图案。在一个实施例中，DOE203将通过对入射光束的衍射形成散斑图案，即斑点图案中斑点的排列具备一定的随机性。
在一些实施例中，DOE203也可以被掩膜板替代，掩膜板上包含将入射光束调制成非泛光光束的二维图案，从而可以通过掩膜板将入射光束经空间调制形成二维编码图案载波光束。
图3是根据本发明又一个实施例的发射模组示意图。发射模组11包含阵列光源301以及投影透镜302，投影透镜302可以根据需要设计成单片或多片形式，阵列光源301发出光束经投影透镜302后向目标空间发射光束303、304、305，最终形成与阵列光源301上光源排列图案一致的投影图案，即斑点图案。处理电路13对阵列光源301进行时序功率调制以发射脉冲、方波或正弦波调制的光束。在一个实施例中，阵列光源301为VCSEL阵列光源。
图4是根据本发明又一实施例的视差对成像影响示意图。图4仅示例性示出部分阵列像素单元121，包含4行(R1,R2,R3,R4)以及8列(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8)的共32个像素403。由目标反射回的光束通过成像透镜122将会成像在阵列像素单元121上，在本实施例中，假定单个光束将成像在2x2＝4个左右的像素上，可以将该2x2＝4个像素称为宏像素，单个宏像素对应单个光束形成的光斑。需要理解的是，这里的“成像”即可以指利用普通光子积分功能的CCD或CMOS图像传感器对入射光信号进行积分，也可以指利用SPAD图像传感器对入射光信号进行计数。
在本申请中，如图1所示，距离成像系统10中发射模组11与采集模组12离轴设置，二者之间存在一定的视差，因此当发射模组11向目标20发射光束30时，当目标20的距离变化时，视差将会导致光束在阵列像素单元121上的成像位置发生偏离。取任一光束为例进行说明，若距离成像系统的测量范围是[D1,D2]，当目标20位于D1位置处，光束对应的成像位置是401；当目标位于D2位置处，光束对应的成像位置是402，考虑到成像倍数的问题，光斑的大小也会有微小的改变。因此，在进行实际测量时，往往需要预先根据测量范围确定好光斑的偏离范围，以指导处理器后期所执行的距离分析和计算。
图5是根据本发明一个实施例的阵列光源示意图。其中阵列光源51包含半导体基底以及设置在基底上的多个VCSEL子光源511以及512。无论对于图2还是图3所示的发射模组11，阵列光源51中子光源的排列密度都决定了最终发射模组11所投射出的光束30的图案密度，从而进一步影响深度计算的分辨率。然而，由于制造工艺、单个子光源的直径、多子光源相互影响等因素，导致两个子光源511不可能无限靠近，比如在当前两个光源511的间隔最小可以达到um级。
为了进一步增加分辨率，在本实施例中，阵列光源51被设置成交叉规则排列的阵列光源，即由多个第一子光源511组成的第一子光源阵列以及由多个第二子光源512组成的第二子光源阵列进行穿叉形成，图中为示区别将第一子光源511与第二子光源512画成两种不同的形式，并不是对两个子光源的实际属性进行任何限制。假定当前两个光源在制造时最小物理间隔为D，则通过相互穿叉之后最近两个光源沿横向、纵向的距离分别为x,y，且x<D，y<D，即交叉排列的横向、纵向间隔更小。由该阵列光源所形成的投射光束进一步被用于深度计算时，所形成的深度图像的分辨率均得到了提升，即与横、纵向间距均是D的规则阵列光源相比，穿叉设置的阵列光源可以在横向以及纵向上提升了分辨率。
在一个实施例中，第一子光源阵列以及第二子光源阵列可以被独立控制，以在不同的应用中进行独立开启或全部开启。
除了由于制造物理尺寸限制影响分辨率之外，视差导致成像效果也在一定程度上影响分辨率。如图4所示，在发射模组11与采集模组12之间的基线、距离测量系统10的测量范围确定之后，由视差所引起的光斑偏离值的区间也就确定了，为了避免相邻两个光斑被误识别，比如假定光斑偏离区间横向8个像素值，若横向两个像素之间的间隔对应在阵列像素单元121上的间隔小于8个像素，就会引起误识别，即在同一个区间上会存在至少两个光斑，由此会导致测量误差。为了避免引起误识别，相邻子光源在横向间隔上就有了最小限制(由视差、测量范围等确定)。通过图5所示的交叉光源设置则可以在横向上提升分辨率，此外由于横向上进行了交错设置，在制造工艺极限的前提下纵向分辨率也得到了提升。
图6是根据本发明一个实施例的畸变修正原理示意图。在上述各实施例中，均没有考虑系统畸变影响，在实际的距离测量系统中，由投影透镜和/或成像透镜均会带来畸变，例如桶形畸变、枕形畸变。对于结构光技术而言，畸变可以增加结构光图像的不相关度，因此往往是被允许的，然而对于时间飞行距离测量而言，特别对于本申请中的离轴系统而言，较大的畸变是不被允许的。如图4所示，若存在较大的畸变，光斑因视差的偏离将不再是沿横向，也存在纵向上的偏离，当纵向偏离过大时，比如超出了宏像素对应的行区间，将会导致测量有较大的误差。为了降低畸变，本实施例中提供了一种畸变补偿的原理，即通过在距离测量系统中，设计两种相反的畸变特征以达到补偿的目的，即第一(正向)畸变61以及第二(负向)畸变62，补偿后的效果如63所示，比如若将桶形畸变称为正向畸变，枕形畸变则是负向畸变。
在一个实施例中，发射模组11中的阵列光源和/或DOE与投影透镜被分别设计成正、负向畸变以达到降低投影图案的畸变程度。比如对于图2、图3所示实施例中，若投影透镜202是桶(枕)形畸变，则一种方式可以将阵列光源201上的子光源排列设计成枕(桶)形畸变的二维排列图案，另一种方式可以将DOE203的衍射图案设计成枕(桶)形畸变的二维衍射图案。当然也可以通过同时对阵列光源201上的子光源排列以及DOE203的衍射图案进行同时设计以补偿由投影透镜引起的畸变效果。可以理解的是，此处光源调制解调器是DOE，也可以为其他的具备相同或相似功能的器件，如下的实施例中类似。
在一个实施例中，发射模组11与采集模组12被分别设计成正、负向畸变特征以达到降低投影图案的畸变程度。若采集模组12中的成像透镜122是桶(枕)形畸变，则将发射模组11发射出的斑点图案设计成具有枕(桶)形畸变特征的斑点图案，同样可以通过多种方式实现枕(桶)形畸变斑点图案的设计。对于图2所示的发射模组实施例而言：一是直接将阵列光源201上的子光源排列设计成具有枕(桶)形畸变特征的二维排列图案；二是将投影透镜设计成枕(桶)形畸变透镜；三是将DOE的衍射图案设计成枕(桶)形畸变二维衍射图案(对于发射模组有DOE的情形而言)；四是将阵列光源排列图案、投影透镜、DOE衍射图案中的至少两种进行综合设计以投射出枕(桶)形畸变的斑点图案。对于图3所示的发射模组实施例而言：一是直接将阵列光源301上的子光源排列设计成具有枕(桶)形畸变特征的二维排列图案；二是将投影透镜设计成枕(桶)形畸变透镜；三是将阵列光源排列图案、投影透镜进行综合设计以投射出枕(桶)形畸变的斑点图案。
图6所示的畸变修正方案通过在硬件上实现畸变补偿，相对于传统的通过算法实现畸变补偿方案相比，不仅降低了对算法的要求，也可以从源头上解决畸变问题，效果更佳。
可以理解的是，当将本发明的距离测距系统嵌入装置或硬件中时会作出相应的结构或部件变化以适应需求，其本质仍然采用本发明的距离测距系统，所以应当视为本发明的保护范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种时间飞行距离测量系统，其特征在于，包括：
发射模组，包括由多个子光源组成的阵列光源，用于向物体发射非泛光载波光束；
采集模组，用于采集所述物体反射的非泛光载波光束；
处理电路，与所述发射模组以及所述采集模组连接，用于计算所述非泛光载波光束从被发射到被采集之间的飞行时间；
所述阵列光源包括具有规则排列的第一子光源阵列以及第二子光源阵列，所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列相互交叉排列以提升所述阵列光源中子光源的横向与纵向密度。
2.如权利要求1所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述阵列光源是VCSEL阵列光源，所述VCSEL阵列光源包括半导体基底以及设置在所述半导体基底上的多个VCSEL子光源组成的阵列光源。
3.如权利要求1所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述第一子光源阵列与所述第二子光源阵列被独立控制。
4.如权利要求1所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述发射模组具有第一畸变特征，所述采集模组具有第二畸变特征，所述第一畸变特征与所述第二畸变特征相互补偿。
5.如权利要求4所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述第一畸变特征为桶形畸变特征或枕形畸变特征，所述第二畸变特征为枕形畸变特征或桶形畸变特征。
6.如权利要求4所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述发射模组包括阵列光源、投影透镜及空间光调制器。
7.如权利要求6所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述阵列光源上的子光源排列是具有第一畸变特征的二维排列图案；
或，所述投影透镜具有第一畸变特征；
或，所述空间光调制器的衍射图案具有第一畸变特征；
或，所述阵列光源上的子光源排列、所述投影透镜以及所述空间光调制器衍射图案中的至少两种被综合设计以使所述发射模组具有第一畸变特征。
8.如权利要求4所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述发射模组包括阵列光源和投影透镜。
9.如权利要求8所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述阵列光源上的子光源排列是具有第一畸变特征的二维排列图案；
或，所述投影透镜具有第一畸变特征；
或，所述阵列光源上的子光源排列以及所述投影透镜被综合设计以使所述发射模组具有第一畸变特征。
10.如权利要求1所述的时间飞行距离测量系统，其特征在于，所述阵列光源以根据测量距离设定的频率发射脉冲光束；或，所述阵列光源发射的光束振幅被调制以发射方波光束、正弦波光束的连续波光束。
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