CN111751807A - 用于校准或测试成像装置的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种成像装置测试系统具有用于接收来自被测成像装置的光的光接收器、用于将光返回到被测成像装置的光发射器以及相对于彼此可移动的第一收发器平台和第二收发器平台。第一收发器平台具有用于接收来自光接收器的光的第一光重定向模块，第二收发器平台具有用于将第一光重定向模块接收的光传输至光发射器的第二光重定向模块。第一光重定向模块和第二光重定向模块可定位为模拟来自光接收器的光经过第一光重定向模块、第二光重定向模块以及第一光重定向模块和第二光重定向模块之间的间隙到达光发射器所行进的距离。

Description

用于校准或测试成像装置的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准或测试成像装置特别是飞行时间（ToF）3D成像装置的设备和方法。

背景技术

除了用于采集图像外，基于ToF的3D成像传感器还用于获得有关场景的深度信息。换言之，获得图像上不同点的真实距离，以形成图像的三维轮廓。这种包含深度信息的三维轮廓用于自动驾驶车辆中的手机人脸识别、手势、安全监视和深度确定等应用。

ToF 3D成像传感器通常使用例如VCSEL或LED等光发射器来发光，使用例如CMOS相机或带光学透镜的光传感器等接收器接收来自对象的反射光。这个过程涉及光发射器通过相位调制以特定的相位发射光。从主体返回的反射光将根据其行进距离（飞行时间）产生相位差，传感器算法将计算相位差并将这些相位差解释为不同的深度信息。

由于飞行时间（ToF）3D成像传感器测量与图像点有关的行进距离，因此这些传感器需要精确校准，以使相位调制引起的误差最小化。

图1示出了用于估计上述周期性误差的常规设备，这种误差有时被称为循环误差或摆动误差。在测试或校准期间，将校准对象202（例如合适尺寸的扩散白图）以已知距离安装在支架上。为了测量校准对象202的第一已知距离D1，从ToF 3D成像装置201发射的光被校准对象202反射回到ToF 3D成像装置201。从校准对象202的深度信息获得第一已知距离D1。计算从ToF 3D成像装置201的发射器发射的光和从校准对象202反射回ToF 3D成像装置201的接收器的光之间的相位差作为校准对象202的深度信息。然后，将校准对象202移动到第二已知距离D2，ToF 3D成像装置201再次测量校准对象202的深度信息。在为ToF 3D成像装置201设计的整个距离范围重复此过程。然后，通过将已知距离与ToF 3D成像装置201测量的距离进行比较来计算误差估值，并将这些误差估值用作校准数据以校准ToF 3D成像装置201。

因为这种校准ToF 3D成像装置201的方法需要将校准对象202放置在不同的距离上以模拟位于各个距离处的对象，所以，如果ToF 3D成像装置201的设计范围较长，则需要庞大的校准系统和较大的校准对象202。然而，实际上，由于相关的建造和维护成本高昂，因此，构造如此大的校准系统不切实际。

此外，这种方法需要将校准对象202移动到不同的距离以获得为ToF 3D成像装置201设计的整个距离范围的误差估值。因此，完成一个校准周期可能要花费很长时间，使得这种校准方法尤其在大批量生产环境中时间和成本效率低下。

发明内容

因此，本发明的目的是寻求提供一种用于校准或测试成像装置的更省时或更具成本效益的设备和方法。

因此，本发明提供了一种成像装置测试系统，包括：光接收器，用于接收来自被测成像装置的光；光发射器，用于将所述光返回到所述被测成像装置；以及相对于彼此可移动的第一收发器平台和第二收发器平台，所述第一收发器平台包括用于接收来自所述光接收器的光的第一光重定向模块，所述第二收发器平台包括用于将所述光传输至所述光发射器的第二光重定向模块，其中，所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块可定位为模拟来自所述光接收器的光经过所述第一光重定向模块、所述第二光重定向模块以及所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块之间的间隙到达所述光发射器所行进的距离。

参照描述部分、权利要求书和附图，本发明的这些和其他特征、方面及优点将会变得更好理解。

附图说明

将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中。

图1示出了用于估量ToF 3D成像装置中的误差的常规设备。

图2示出了根据本发明第一实施例的成像装置校准或误差测量系统。

图3示出了根据本发明第二实施例的成像装置校准或误差测量系统。

图4示出了根据本发明第三实施例的成像装置校准或误差测量系统。

在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

图2示出了根据本发明第一实施例的成像装置校准或误差测量系统300。误差测量系统300包括可操作地彼此耦合的耦合块306、第一收发器平台302和第二收发器平台304。

耦合块306包括安装在其上的光接收器103和光发射器111。光接收器103用于接收来自被测成像装置的光，并且通过光传输链路（可以是光纤链路104）连接到第一收发器平台302的第一平台光发射器105。第一收发器平台302还包括可操作地耦合到第二光重定向模块的第一光重定向模块，第一光重定向模块例如是第一系列光纤耦合组件108，第二光重定向模块例如是第二收发器平台304中包括的第二系列光纤耦合组件107。每个光纤耦合组件可以包括连接到平台光发射器的平台光接收器。第二收发器平台304中包括的返回平台光接收器109通过另一条光传输链路（可以是返回光纤链路110）连接到耦合块306的光发射器111。

形式可以为ToF 3D成像装置308的被测成像装置包括可以以任何预定相位和频率发射光的发射器101，以及接收器102。发射器101发射光，该光由耦合块306的光接收器103接收并通过光纤链路104被传输至第一收发器平台302。第一系列光纤耦合组件108位于第二系列光纤耦合组件107的对面。有利地，第一系列光纤耦合组件108与第二系列光纤耦合组件107平行设置，以确保它们之间的间隔距离一致。

因此，第一平台光发射器105将光传输到包括在第二收发器平台304中的第二系列光纤耦合组件107的平台光接收器106。平台光接收器106是第二收发器平台304的第一光纤耦合组件的一部分，其中，每个光纤耦合组件107、108可以包括各自的平台光接收器，该平台光接收器耦合到相应的平台光发射器并安装在该光重定向模块中。第二收发器平台304的第二光纤耦合组件通过平台光发射器将光传输到第一收发器平台302的第一光纤耦合组件（包括例如通过传输链路或光纤链路联接的链路耦合到另一平台光发射器的另一平台光接收器），然后，第一光纤耦合组件将光传输回第二收发器平台304的第二光纤耦合组件。

光在沿着光纤耦合组件107、108的不同点处沿着第一收发器平台302的第一系列光纤耦合组件108和第二收发器平台304的第二系列光纤耦合组件107之间的光路反复来回传输，直到第二收发器平台304中包括的返回平台光接收器109接收到光。以此方式，第一收发器平台302和第二收发器平台304中的多个光纤耦合组件形成光路，该光路包括在平台302、304间的空气分离间隙D4中的重复传输。

应当理解，在上述设置中，收发器平台302、304上的光重定向模块的平台光发射器在第一点处发射光以被另一收发器平台接收，在与第一点隔开的第二点处的平台光接收器将接收从另一收发器平台传输回的光。这种间隔布置有助于模拟光路的行进距离。

利用耦合到第一收发器平台302和第二收发器平台304中的至少一个的定位机构来移动任何一个或两个平台302、304可以改变第一收发器平台302和第二收发器平台304之间的分离间隙D4。这种移动用于改变分离间隙D4的大小。此外，这些光纤耦合组件可以置于二维（如图2所示）或三维布置中。在后一种布置中，该多个平台光发射器和平台光接收器被二维（而不是一维）布置在每个收发器平台302、304面对另一收发器平台的平面上。随后，光通过返回光纤链路110从返回平台光接收器109到达耦合块306的光发射器111。最后，来自光发射器111的光返回到ToF 3D成像装置308并由ToF 3D成像装置308的位于光发射器111附近的接收器102接收。以这种方式，通过组合两个平台302、304中的光纤链路104、110和光纤耦合组件107、108以及分离间隙D4，可以实现光线的特定行进距离，以模拟跨过为ToF 3D成像装置308设计的实际操作距离的飞行时间。其中所包含的3D传感器算法将基于飞行时间计算或确定深度信息。

当光通过光纤耦合路径传输时，通过利用定位机构调整任何一个或两个平台302、304的位置能够调整第一收发器平台302和第二收发器平台304之间的分离间隙D4，从而可以改变光行进的总距离。第一收发器平台302和第二收发器平台304之间的分离间隙D4越大，光行进的距离（飞行时间）越长，反之亦然。因此，通过改变第一收发器平台302和第二收发器平台304的相对位置，实际上可以在为ToF 3D成像装置308设计的整个距离范围内校准ToF 3D成像装置308，无需庞大的校准系统和大型的校准对象。

除了调整第一收发器平台302和第二收发器平台304之间的分离间隙D4（沿X轴）之外，两个平台302、304都可以通过定位机构沿垂直于分离间隙D4的方向（沿Y轴）移动，以提供额外的自由度来改变光行进距离和路径。利用这种特征，可以将一个收发器平台302、304的平台光发射器从与另一个收发器平台的第一平台光接收器对准移动到与另一个收发器平台的第二平台光接收器对准，以改变光的光路并改变光路的长度。例如，当光纤耦合组件布置成三维结构时，还可以通过在Z轴（垂直于X轴和Y轴）上移动平台302、304来进一步调整光的行进距离。

应当理解，常规的校准方法所利用的一维光行进路径现在已被修改为二维XY或三维XYZ行进路径。因此，可以将整个测试系统的总尺寸显著减小使其成为一个更紧凑的模块。可以通过调节第一收发器平台302和第二收发器平台304沿XYZ轴的相对位置来实现校准所需的距离。例如，如果第一收发器平台302或第二收发器平台304在X轴上移动，则第一系列光纤耦合组件108和第二系列光纤耦合组件107之间的分离间隙D4发生变化，从而改变了光路距离。第一收发器平台302或第二收发器平台304也可以在Y轴或Z轴上移动，在这种情况下，可以在不改变分离间隙D4的情况下改变光路距离。

第一收发器平台302的第一系列光纤耦合组件108与第二收发器平台304的第二系列光纤耦合组件107的耦合形成了具有实现不同光路距离的能力的光纤耦合布置。可以根据第一系列光纤耦合组件108和第二系列光纤耦合组件107之间的分离间隙D4改变实际的光路距离。

通常，不同的3D传感器根据其设计和应用而具有不同的视野。为此，将平移机构耦合到容纳光接收器103和光发射器111的耦合块306，使得耦合块306可以移近或远离正在校准或测试的ToF 3D成像装置308，以适应不同类型的3D传感器的不同视野。

因此，可以使光纤耦合布置远小于常规校准方法所需的空间。此外，因为第一收发器平台302和/或第二收发器平台304所移动的距离明显小于常规校准方法的校准对象202所移动的距离，所以，相比常规的测试或校准方法，总的测试或校准时间将短得多。

图3示出了根据本发明第二实施例的成像装置校准或误差测量系统400。相似的元件使用相似的附图标记。误差测量系统400包括可操作地彼此耦合的耦合块306、第一收发器平台302和第二收发器平台304。

第一收发器平台302包括多个光纤耦合子模块112、115、116，第二收发器平台304包括多个光纤耦合子模块113、114、117。每个光重定向模块或光纤耦合子模块可以具有单独的光重定向模块或光纤耦合组件。通过有意地将光纤耦合子模块（每个模块具有单独的光重定向模块或光纤耦合组件）并置，误差测量系统400能够模拟可同时测量的多个光路距离。例如，来自第一收发器平台302的每个光纤耦合子模块112、115、116可以与来自第二收发器平台304相应的光纤耦合子模块113、114、117配对以模拟特定的光路距离。因此，每对光纤耦合子模块形成了模拟不同光路距离的光纤耦合布置，可以同时测量所有不同的光路距离，并且通过改变第一收发器平台302和第二收发器平台304的相对位置即可同时简单地改变所有不同的光路距离。例如，通过沿X轴移动第一收发器平台302或第二收发器平台304，可以改变第一收发器平台302和第二收发器平台304之间的分离间隙D4，并且可以同时改变和测量所有不同的光路距离。类似地，第一收发器平台302或第二收发器平台304可以在Y轴或Z轴上移动以同时改变所有光路距离，在这种情况下，分离间隙D4将保持不变。因此，许多不同的光纤耦合布置可以在耦合块306的光接收器103与光发射器111之间组合并连接，使得可以同时测量几个不同的光路距离，从而进一步缩短校准时间。

光接收器103和光发射器111安装在耦合块306上，耦合块306可以移近或远离ToF3D成像装置308的发射器101和接收器102。这使得能够根据不同的应用或设计要求对误差测量系统400进行微调，以适应具有不同视野的不同3D传感器。

误差测量系统400使得ToF 3D成像装置308的校准更快、更有效。

图4示出了根据本发明第三实施例的成像装置校准或误差测量系统500。相似的元件使用相似的附图标记。误差测量系统500包括可操作地彼此耦合的耦合块306、第一收发器平台302和第二收发器平台304。

代替使用作为光重定向模块的光纤链路和光纤耦合组件，可以使用反射元件（例如反射镜或棱镜）来创建光路，使来自ToF 3D成像装置308的发射器101的光穿过误差测量系统500并返回到ToF 3D成像装置308的接收器102，以便校准ToF 3D成像装置308。

第一组光重定向模块或反射元件133、134可用于将来自耦合块306的光接收器131的光引导至第一收发器平台302，第二组光重定向模块或反射元件145、146可用于将来自第二收发器平台304的光引导至耦合块306的光发射器132。

第一收发器平台302包括与第二收发器平台304中包括的第二系列光重定向模块或反射元件140、141、142、143、144可操作地耦合的第一系列光重定向模块或反射元件135、136、137、138、139。第一系列反射元件135、136、137、138、139和第二系列反射元件140、141、142、143、144被定位以形成穿过平台302、304以及平台302、304之间的分离间隙D4的光路。光在第一收发器平台302的第一系列反射元件135、136、137、138、139和第二收发器平台304的第二系列反射元件140、141、142、143、144之间来回传输。以这种方式，第一收发器平台302和第二收发器平台304中的多个反射元件形成光路，该光路包括在空气分离间隙D4中的重复传输。

通过移动任何一个或两个平台302、304，可以改变第一收发器平台302和第二收发器平台304之间的分离间隙D4。此外，这些反射元件可以置于二维（如图2所示）或三维布置中。随后，光通过第二组反射元件145、146从第二收发器平台304中的最后一个反射元件140传播到耦合块306的光发射器132。最后，来自光发射器132的光由ToF 3D成像装置308的位于光发射器132附近的接收器102接收。以这种方式，可以使用两个平台302、304中的反射元件来实现光线的特定距离，以模拟跨过为ToF 3D成像装置308设计的实际操作距离的飞行时间。其中所包含的3D传感器算法将基于飞行时间计算或确定深度信息。

校准系统300、400、500使光路距离可编程。与常规测试系统相比，本发明的一个优点是显著减小了系统的尺寸。如果设计的测量距离为几米或几米以上，相应地，常规测试系统的尺寸就需要几米长。校准系统300、400、500由于其光纤耦合组件和/或反射元件的二维或三维布置而将比常规系统小得多。

因为校准系统300、400、500的尺寸相对较小，所以制造和维护成本较低。此外，所需的占地面积将显著减少。如果校准系统300、400、500要在洁净室环境中使用，占地面积是一个重要的考虑因素。

此外，可以在校准系统300、400、500中混用反射元件和光纤耦合组件。

因为校准系统300、400、500可以使所使用光纤耦合组件和/或反射元件的数量以及平台302、304沿XYZ轴的相对位置发生变化，所以模拟距离的范围可以呈指数增加。

通过在一系列光纤耦合组件之间引入光学抽头点（optical tap points），还可以进一步增大模拟距离的范围。

此外，由于改变光路距离所需的平台行进距离要短得多，因此显著缩短了测试周期时间，从而提高了生产能力。

该系统通过微调耦合块306灵活地服务于具有不同视野的不同类型的3D传感器。以这种方式，校准系统300、400、500可用于校准更多类型的3D传感器。

虽然已经参考诸多实施例详细地描述了本发明，但是其它实施例也是可行的。因此，本发明的实施例的描述不应限制权利要求的精神和范围。

Claims (20)

1.一种成像装置测试系统，包括：

光接收器，用于接收来自被测成像装置的光；

光发射器，用于将所述光返回到所述被测成像装置；以及

相对于彼此可移动的第一收发器平台和第二收发器平台，所述第一收发器平台包括用于接收来自所述光接收器的光的第一光重定向模块，所述第二收发器平台包括用于将所述光传输至所述光发射器的第二光重定向模块，

其中，所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块可定位为模拟来自所述光接收器的光经过所述第一光重定向模块、所述第二光重定向模块以及所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块之间的间隙到达所述光发射器所行进的距离。

2.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，还包括耦合块，所述光接收器和所述光发射器安装在所述耦合块上，所述耦合块分别可操作性地连接到所述第一收发器平台和所述第二收发器平台。

3.根据权利要求2所述的成像装置测试系统，还包括将所述耦合块上的所述光接收器连接到所述第一收发器平台的第一光传输链路，以及将所述耦合块上的所述光发射器连接到所述第二收发器平台的第二光传输链路。

4.根据权利要求3所述的成像装置测试系统，其中，所述第一光传输链路和所述第二光传输链路包括光纤链路。

5.根据权利要求2所述的成像装置测试系统，还包括平移机构，所述平移机构耦合到所述耦合块以使所述耦合块朝向或远离所述被测成像装置的方向上移动。

6.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，其中，每个光重定向模块包括一系列光纤耦合组件，每个光纤耦合组件又包括各自的平台光接收器，所述平台光接收器耦合到安装在每个光重定向模块中的相应平台光发射器。

7.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，其中，所述第一光重定向模块平行于所述第二光重定向模块设置，以穿过所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块之间的间隙将光传输到所述第二光重定向模块。

8.根据权利要求7所述的成像装置测试系统，其中，每个光重定向模块包括：第一点处的平台光发射器，用于发射由另一光重定向模块接收的光；以及与所述第一点隔开的第二点处的平台光接收器，用于接收从所述另一光重定向模块传输回的光。

9.根据权利要求8所述的成像装置测试系统，其中，多个平台光发射器和平台光接收器二维布置在每个收发器平台面对另一收发器平台的平面上。

10.根据权利要求7所述的成像装置测试系统，其中，所述第一收发器平台和所述第二收发器平台之间的光路包括在沿着所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块的不同点处在所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块之间重复地来回传输的光。

11.根据权利要求10所述的成像装置测试系统，其中，所述第一光重定向模块或所述第二光重定向模块包括返回平台光接收器，所述返回平台光接收器连接到所述光发射器以将光传输到所述光发射器从而将所述光返回到所述被测成像装置。

12.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，还包括耦合到所述第一收发器平台和所述第二收发器平台中的至少一个的定位机构，所述定位机构用于使所述第一收发器平台和所述第二收发器平台中的至少一个相对于另一个移动。

13.根据权利要求12所述的成像装置测试系统，其中，所述定位机构用于改变所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块之间的所述间隙的大小。

14.根据权利要求13所述的成像装置测试系统，其中，所述定位机构还用于在垂直于所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块之间的所述间隙的方向上移动至少一个所述收发器平台。

15.根据权利要求14所述的成像装置测试系统，其中，在垂直于所述间隙的方向上移动所述收发器平台用于将所述第一收发器平台的平台光发射器从与第一平台光接收器对准移动到与所述第二收发器平台的第二平台光接收器对准，从而改变所述光的光路。

16.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，其中，所述被测成像装置发射和接收的光行进的光路穿过所述光接收器、所述第一光重定向模块、所述间隙、所述第二光重定向模块和所述光发射器的组合。

17.根据权利要求16所述的成像装置测试系统，其中，所述光路的长度被配置为基本上等于为所述被测成像装置设计的实际操作距离。

18.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，其中，所述第一光重定向模块和所述第二光重定向模块包括多个反射元件，所述多个反射元件用于在所述第一收发器平台和所述第二收发器平台之间重定向光。

19.根据权利要求18所述的成像装置测试系统，其中，所述反射元件包括反射镜或棱镜。

20.根据权利要求1所述的成像装置测试系统，其中，所述间隙包括空气间隙。

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