CN212905432U - 基于时间飞行的深度相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于时间飞行的深度相机，包括光发射模组、光接收模组、第一偏振片以及处理电路；光发射模组，用于发射光束，以使光束投射到待拍摄的目标物体上；第一偏振片，设置在光接收模组的入光侧，用于对目标物体反射后的光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；光接收模组，用于接收偏振光束；处理电路，用于根据偏振光束确定光束的传播时间或相位差生成目标物体表面的深度数据。本实用新型中能够对反射后的光束筛选出预设置偏振方向的偏振光束，能够实现对多径反射光束的过滤，避免了经过多径反射的信号光进入光接收模组，省去了负责的多径补偿算法，简单而又高效的解决了基于时间飞行深度相机的镜面多径问题，提高了深度相机的信噪比。

Description

基于时间飞行的深度相机

技术领域

本实用新型涉及3D成像领域，具体地，涉及一种基于时间飞行的深度相机。

背景技术

近些年，三维感知技术快速发展，在机器视觉、图像导航遥感、手势识别、人脸识别等领域得到了广泛的应用。在三维感知技术中，飞行时间(Time of Fl ight，ToF)技术，尤其受到特别的关注与探究。

目前的ToF技术测距方式大致为：首先通过发射端投射出调制的近红外光，然后通过传感器接受反射回来的近红外信号。通过测量往返的时间差，或者是相位差，再考虑光传播的速度，从而计算出目标物与传感器间的距离。

但是市场上绝大多数的ToF测距视觉系统，其抗干扰能力差，特别在镜面多径问题上，表现较差。即当目标物在光滑的地面上存在倒影时，现有的ToF测距视觉系统，当遇到镜面、水平、瓷砖等反光平面时，都会把倒影当作成实际的物体，从而造成了三维感知的错误，严重影响到ToF技术在机器人视觉系统上的应用。虽然目前有一些补偿多径的算法，但其效果都差强人意，无法达到真正作为机器人视觉效果的要求。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于时间飞行的深度相机。

根据本实用新型提供的基于时间飞行的深度相机，包括光发射模组、光接收模组、第一偏振片以及处理电路；

所述光发射模组，用于发射光束，以使所述光束投射到待拍摄的目标物体上；

所述第一偏振片，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述目标物体反射后的光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；

所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；

所述处理电路，用于根据所述偏振光束确定所述光束的传播时间或相位差生成所述目标物体表面的深度数据。

优选地，还包括第二偏振片；

所述第二偏振片，设置在所述光发射模组的出光侧，用于接收所述光束并使所述光束形成预设置的偏振方向的偏振光束，进而将所述偏振光束投射到待拍摄的目标物体上。

优选地，所述偏振方向为水平横向的线偏振方向。

优选地，所述光发射模组采用近红外激光器；

所述第一偏振片、所述第二偏振片为近红外波段的线偏振片。

优选地，所述光发射模组包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；

所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；

所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。

优选地，所述光发射模组包括设置在一光路上的激光器阵列、准直镜头和分束器件；

所述激光器阵列，用于向所述准直镜头投射第一数量级的激光；

所述准直镜头，用于将入射的多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；

所述分束器件，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；

所述第二数量级大于所述第一数量级。

优选地，还包括扩散器；

所述扩散器，用于对多束所述准直光束进行扩散，并使离散的多束所述准直光束以泛光投射至所述目标物体上。

优选地，所述光发射模组采用LED近红外光源。

优选地，所述光接收模组包括光学成像镜头和光探测器阵列；所述光探测器阵列包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头，用于使得透过所述光学成像镜头进入光探测器阵列的所述偏振光束的方向向量与光探测器呈一一对应关系；

所述光探测器，用于接收经所述目标物体反射并经所述第一偏振片筛选出的偏振光束。

优选地，所述光探测器采用如下任一种光传感器：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型中通过在光接收模组前侧设置第一偏振片，从而能够对反射后的光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束，从而能够实现对多径反射光束的过滤，直接避免了经过多径反射的信号光进入光接收模组，省去了负责的多径补偿算法，简单而又高效的解决了基于时间飞行深度相机的镜面多径问题，提高了深度相机的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中基于时间飞行的深度相机的多径形成原理示意图；

图2为现有技术中基于时间飞行的深度相机的多径现象示意图；

图3为本实用新型实施例中基于时间飞行的深度相机的工作原理示意图；

图4为本实用新型变形例中基于时间飞行的深度相机的工作原理示意图；

图5为本实用新型实施例中基于时间飞行的深度相机的多径去除效果示意图；

图6为本实用新型实施例中离散光束投射器的一种结构示意图；

图7为本实用新型实施例中离散光束投射器的另一种结构示意图；

图8为本实用新型实施例中光学成像镜头的结构示意图。

图中：

1为第一偏振片；2为第二偏振片；301为边发射激光器；302为光束投射器； 303为激光器阵列；304为准直镜头；305为分束器件；401为光探测器阵列；402 为光学成像镜头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

本实用新型提供的基于时间飞行的深度相机，旨在解决现有技术中存在的问题。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本实用新型的实施例进行描述。

图1为现有技术中基于时间飞行的深度相机的多径形成原理示意图，如图1所示，传统基于飞行时间的深度相机假设接收光束在目标场景中仅被反射一次，而实际场景中总会存在镜面反射或漫反射材料表面，它会把入射光反射到各个方向，这样一来，TOF 传感器接收到的可能是一次反射光束和多次反射光束的叠加，从而干扰TOF深度相机测量距离的准确性，从而形成多径干扰。

图2为现有技术中基于时间飞行的深度相机的多径现象示意图，如图2所示，在通过深度相机采集的目标物体图像中，不仅可以看到目标物体的图像，还可以看到由于多径影响形成的影像。

图3为本实用新型实施例中基于时间飞行的深度相机的工作原理示意图，如图3所示，本实用新型提供的基于时间飞行的深度相机，包括光发射模组、光接收模组、第一偏振片1以及处理电路；

所述光发射模组，用于发射光束，以使所述光束投射到待拍摄的目标物体上；

所述第一偏振片1，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述反射后的光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；

所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；

所述处理电路，用于根据所述偏振光束确定所述光束的传播时间或相位差生成所述目标物体表面的深度数据。

在本实用新型实施例中，所述处理电路还可以控制光发射模组和光接收模组同时开启或关闭。所述处理电路可以是独立的专用芯片，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的至少一部分。

在本实用新型实施例中，所述偏振方向为水平横向的线偏振方向。所述光发射模组采用950nm的近红外激光器；

图4为本实用新型变形例中基于时间飞行的深度相机的工作原理示意图，如图4所示，本实用新型提供的基于时间飞行的深度相机，还包括第二偏振片2；

所述第二偏振片2，设置在所述光发射模组的出光侧，用于接收所述光束并使所述光束形成预设置的偏振方向的偏振光束，进而将所述偏振光束投射到待拍摄的目标物体上。

在本实用新型变形例中，所述第一偏振片1、所述第二偏振片2均为近红外波段的线偏振片，在950nm处透过率大于90％，偏振度大于100。

在本实用新型变形例中，通过第二偏振片2的设置可以对光发射模组发射的光束进行偏振方向的筛选，降低光束的多径反射效果，如在采用垂直腔表面发光激光器阵列303(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)作为光源时，可以筛选掉部分易发生多径反射的偏振方向的光束。

图5为本实用新型实施例中基于时间飞行的深度相机的多径去除效果示意图，如图 5所示，在通过深度相机采集的目标物体图像中，仅可以看到目标物体的图像，由于多径影响形成的影像已基本被去除。

图6为本实用新型实施例中离散光束投射器的一种结构示意图，如图6所示，所述光发射模组包括设置在一光路上的边发射激光器301和光束投射器302；

所述边发射激光器301，用于向所述光束投射器302投射激光；

所述光束投射器302，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。

在本实用新型实施例中，由于所述分束投射器的内表面加工了微纳结构的光芯片并配合光学透镜组成。所述分束投射器能够实现将来自于边发射激光器301的入射光分成任意多束准直光束的功能。所述边发射激光器301的发射方向和所述分束投射器的投射方向即可以相同，也可以成90度或者为光学系统设计所需的任意角度。所述分束投射器可以采用分束器或衍射光栅。

图7为本实用新型实施例中离散光束投射器的另一种结构示意图，如图7所示，所述光发射模组包括设置在一光路上的激光器阵列303、准直镜头304和分束器件305；

所述激光器阵列303，用于向所述准直镜头304投射第一数量级的激光；

所述准直镜头304，用于将入射的所述多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；

所述分束器件305，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；

所述第二数量级大于所述第一数量级。

在本实用新型实施例中，所述激光器阵列303可以采用多个垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)或者多个边发光激光器(EdgeEmitting Laser，EEL)组成。多束激光经过准直镜后可以成为高度平行的准直光束。根据实际应用中可以根据离散光束数量的需求，可以采用分束器件305实现更多的准直光束。所述分束器件305可以采用衍射光栅(DOE)、空间光调制器(SLM)等。

在本实用新型的一实施例中，所述多束离散准直光束为周期性排布呈一预设定的形状的点阵光，即呈几何规律分布。所述预设定的形状包括如下任一形状或能够相互切换的任多个形状：

-直线形

-三角形；

-四边形；

-矩形；

-圆形；

-六边形；

-五边形。

其中，所述多束离散准直光束周期性排布的形状并不限于上述形状，也可排布呈其他形状。当预设定的形状为矩形时，即在一个周期内的准直光束单位排布形状为矩形，在并且在空间中周期性重复。当预设定的形状为三角形时，即在一个周期内的准直光束的单位排布形状为三角形，并且在空间中周期性重复。当预设定的形状为六边形时，即在一个周期内的准直光束单位排布形状为六边，并且在空间中周期性重复。由于本实用新型在实现时受限于光学系统，实际准直光束在截面的排布可能存在畸变，比如发生拉伸、扭曲等。而每个准直光束在截面中的能量分布可以是圆形、圆环或椭圆形等者其他形状。多束离散准直光束的周期性排布将有利于简化多束离散准直光束和光探测器阵列 401的空间对应关系。

在本实用新型的一实施例中，所述多束离散准直光束为非周期性排布呈另一预设定的形状的点阵光。所述非周期性排布包括如下任一排布方式或能够相互切换的任多个排布方式：

-随机排布；

-空间编码排布；

-准晶格排布。

其中，所述多束离散准直光束非周期性排布的形状并不限于上述形状，也可排布呈其他形状。所述空间编码排布，具体为在在周期性排布中，缺省一部分的光束，从而实现排布位置的空间编码；所述随机排布，具体为准直光束的排布随机分布，使得不同位置的排布方式的相似性很小或者接近于零；所述准晶格排布，具体为准直光束在近距离相邻位置非周期性排布，在远距离周期性排布。由于本实用新型在实现时受限于光学系统，实际准直光束在截面的排布可能存在畸变，比如发生拉伸、扭曲等。而每个准直光束在截面中的能量分布可以是圆形、圆环或椭圆形等者其他形状。多束离散准直光束的非周期性排布有利于对非确定目标的均匀采样，优化最终3D深度图的效果。

在本实用新型变形例中，本实用新型提供的基于时间飞行的深度相机，适用于发射泛光的所述光发射模组，可以通过设置扩散器，对多束所述准直光束进行扩散，并使离散的多束所述准直光束以泛光投射至所述目标物体上。还可以直接对所述光发射模组采用LED近红外光源。

图8为本实用新型实施例中光学成像镜头的结构示意图，如图8所示，所述光接收模组包括光学成像镜头402和光探测器阵列401；所述光探测器阵列401包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头402，用于使得透过所述光学成像镜头402进入光探测器阵列401 的所述偏振光束的方向向量与光探测器呈一一对应关系；

所述光探测器，用于接收经所述目标物体反射并经所述第一偏振片1筛选出的偏振光束。

为了过滤背景噪声，所述光学成像镜头402内通常还装有窄带滤光片，使得所述光探测器阵列401仅能通过预设的波长的入射准直光束。所述预设的波长可以为入射准直光束的波长，也可以为小于入射准直光束50纳米和大于入射准直光束50纳米之间。所述光探测器阵列401可以呈周期或者非周期性排列。每个光探测器与辅助电路配合可以实现对准直光束的飞行时间进行测量。根据离散准直光束数量的需求，光探测器阵列401 可以是多个单点光探测器的组合或者是一个集成了多个光探测器的传感器芯片。为了进一步优化光探测器的灵敏度，一个离散准直光束在目标物体上的照射光斑可以对应一个或者多个光探测器。在多个光探测器对应同一个照射光斑时，每个探测器的信号可以通过电路连通，从而在能够合并为一个探测面积更大的光探测器。

在本实用新型实施例中，所述光探测器采用如下任一种光传感器：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

其中，所述光探测器的型号选择并不限于上述光传感器，也可包括其他类型的光传感器。

本实用新型实施例中通过在光接收模组前侧设置第一偏振片，从而能够对反射后的光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束，从而能够实现对多径反射光束的过滤，直接避免了经过多径反射的信号光进入光接收模组，省去了负责的多径补偿算法，简单而又高效的解决了基于时间飞行深度相机的镜面多径问题，提高了深度相机的信噪比。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于时间飞行的深度相机，其特征在于，包括光发射模组、光接收模组、第一偏振片以及处理电路；

所述光发射模组，用于发射光束，以使所述光束投射到待拍摄的目标物体上；

所述第一偏振片，设置在所述光接收模组的入光侧，用于对所述目标物体反射后的光束筛选出预设置的偏振方向的偏振光束；

所述光接收模组，用于接收所述偏振光束；

所述处理电路，用于根据所述偏振光束确定所述光束的传播时间或相位差生成所述目标物体表面的深度数据。

2.根据权利要求1所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，还包括第二偏振片；

所述第二偏振片，设置在所述光发射模组的出光侧，用于接收所述光束并使所述光束形成预设置的偏振方向的偏振光束，进而将所述偏振光束投射到待拍摄的目标物体上。

3.根据权利要求1所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述偏振方向为水平横向的线偏振方向。

4.根据权利要求2所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述光发射模组采用近红外激光器；

所述第一偏振片、所述第二偏振片为近红外波段的线偏振片。

5.根据权利要求1所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述光发射模组包括设置在一光路上的边发射激光器和光束投射器；

所述边发射激光器，用于向所述光束投射器投射激光；

所述光束投射器，用于将入射的所述激光投射出多束离散准直光束。

6.根据权利要求1所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述光发射模组包括设置在一光路上的激光器阵列、准直镜头和分束器件；

所述激光器阵列，用于向所述准直镜头投射第一数量级的激光；

所述准直镜头，用于将入射的多束激光准直后出射第一数量级的准直光束；

所述分束器件，用于将入射的第一数量级的准直光束分束后出射第二数量级的准直光束；

所述第二数量级大于所述第一数量级。

7.根据权利要求5或6所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，还包括扩散器；

所述扩散器，用于对多束所述准直光束进行扩散，并使离散的多束所述准直光束以泛光投射至所述目标物体上。

8.根据权利要求1所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述光发射模组采用LED近红外光源。

9.根据权利要求1所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述光接收模组包括光学成像镜头和光探测器阵列；所述光探测器阵列包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头，用于使得透过所述光学成像镜头进入光探测器阵列的所述偏振光束的方向向量与光探测器呈一一对应关系；

所述光探测器，用于接收经所述目标物体反射并经所述第一偏振片筛选出的偏振光束。

10.根据权利要求9所述的基于时间飞行的深度相机，其特征在于，所述光探测器采用如下任一种光传感器：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

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