专利名称：基于led阵列共透镜tof深度测量的三维成像系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测距成像和三维成像技术领域，特别涉及一种基于LED阵列共透 镜TOF深度测量的三维成像系统。
背景技术：
现有的以(XD/CM0S照相和数字图像处理为基础的二维2D成像技术已经取得了长 足的发展，并且获得了广泛的应用。然而对于三维的真实世界，使用传统二维成像技术获得 的二维图像并不足以充分表达所有信息，因此限制了它在许多领域中的应用。为了解决上 述的问题，三维成像(3D Imaging)技术应运而生。三维成像是指将客观世界的三维图像通 过某种特殊的方法记录下来，然后通过处理、压缩、传输、显示等过程并最终在人的大脑中 再现客观的真实图像。由于与通常意义上的二维成像相比，三维成像包含了第三维的距离 或深度信息，能够更加充分地描述真实三维场景中物体的位置和运动信息，因此具有许多 突出的优点，在机器视觉、实物仿形、工业检测、生物医学、反向工程、虚拟现实等领域具有 广泛的应用前景。基于光学测距的三维成像技术由于具有分辨高、无需接触等优点，逐渐成为国内 外的研究热点。目前研究的大部分光学三维成像系统都是基于三角法(Triangulation)或 飞行时间(Time-0f-Flight:TOF)原理来测量距离的。基于三角法测距的三维成像系统， 包括被动三角法(如立体视觉法)和主动三角法(如投影结构光法)，它们都需要处理“阴 影”效应或投影条纹“模糊”问题，因此严格限制了它们的应用范围。例如立体视觉法一般 只能用于对比度较高的三维场景中目标的识别和分析，因为该方法在确定第三维的距离信 息时，需要对不同视觉方向获取的两幅或多幅图像进行特征点的匹配，因此，需要进行复杂 的信号处理和大量耗时的数据计算；此外实际应用中目标往往缺乏特征的结构信息或者目 标上各点的反射率没有明显差异，这时匹配计算会变得十分困难甚至产生错误，深度测量 精度将会受到严重影响。与三角法测距相比，基于飞行时间TOF的测距方法由于发射单元和接收单元在同 一直线上，因此不会产生不完整的数据，不存在“阴影”效应，这使得基于飞行时间TOF的测 距方法具有更加广泛的应用范围。但是，传统的基于飞行时间TOF的光学三维成像系统，例 如激光成像雷达，实际上只能测量一点的距离(一维测距)。为了获得三维的信息，需要使 用精密、笨重且价格昂贵的机械扫描装置将激光束在其它两个方向上对被测场景进行机械 扫描，因此深度图像获取速度慢，实时性差；由于机械扫描装置本身存在老化和磨损现象， 利用该方法获得的深度图像与二维图像之间对准精度差。此外，该系统在抗振、体积、重量 和成本等方面也很难获得突破性的提高。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有三维成像方法和系统存在深度图像获取速度慢、深 度图像与二维图像之间对准精度差等不足，提出一种基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统，用于实现快速、高精度的三维成像，满足现有诸多领域对高性能三维成像的 迫切需求。本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是本实用新型基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统的特点是设置光电调制扫描电路对NXM的LED阵列的输出光功率进行调制和时分扫描，在 任意时刻，整个LED阵列中仅有一颗LED被点亮；LED发射的调制光到达分束镜后，分成透 射光和反射光，所述透射光经透镜投影在目标的表面，以光电接收器PDl接收目标表面产 生的散射光；所述反射光直接由光电接收器PD2接收；设置TOF深度测量电路，以所述TOF深度测量电路分别处理光电接收器PDl和光 电接收器PD2输出的光电信号，依次计算每一个LED深度像素值，所述LED的深度像素值在 PC中组合生成目标的深度图像；同时目标表面的散射光经透镜、再经分束镜反射后被二维 CCD/CMOS图像传感器接收，并经二维图像信号处理电路获得与所述深度图像实时对准的目 标的二维图像；所述深度图像与二维图像在PC中融合生成目标的三维图像。本实用新型系统的特点也在于在所述TOF深度测量电路中包括有一个反馈式自 动增益控制AGC电路，所述反馈式AGC电路采用平方幅度检测电路对输入信号进行幅度检 测，其输出信号经第二固定增益放大电路后，被送入电感电阻LR低通滤波器以滤除产生的 高次谐波，其输出的直流电平被用于控制可变增益放大电路的增益；输入信号在经可变增 益放大电路和第一固定增益放大电路放大后，获得反馈式AGC电路的输出信号。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在1、本实用新型采用快速电子扫描的二维LED阵列作为照明光源，成像不需要任何 的机械移动和旋转部件；2、本实用新型通过采用高精度、快速的平方幅度检测电路和响应时间短的LR低 通滤波器构建了增益控制精度高且响应快速的反馈式AGC电路，并将其用于快速TOF深度 测量，成像系统的深度图像获取速度快，且深度测量分辨率高；3、本实用新型中二维图像与深度图像共用同一透镜成像，能够克服使用不同镜头 成像带来的固有像差问题，可实现深度图像与二维图像之间的实时高精度对准；4、通过对LED管芯密集封装可获得高密度的二维LED阵列，因此，本实用新型成像 系统的深度图像像素数量大，空间分辨率高；5、本实用新型中成像系统通过小电容的交流耦合滤除接收光电信号中由环境光 作用产生的直流分量，因此成像系统具有很强的抗环境光干扰能力。6、本实用新型成像系统结构简单、体积小、成本低。
图1为本实用新型的结构原理示意图。图2为反馈式AGC电路结构方框图。图3为深度图像获取的一个具体实施方案。
具体实施方式
本实施例中基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像方法按如下步骤进行1、采用光功率调制的二维LED阵列作为照明光源，每次仅有二维LED阵列中的一 颗LED为点亮状态，LED发射的调制光经投影透镜投射到目标1的表面，用光电接收器6接 收目标1表面的散射光，测量从光源到目标1之间的往返飞行时间T0F，依据往返飞行时间 TOF计算得出点亮状态的LED的深度像素值，完成单个LED深度像素值的测量；2、时分扫描整个二维LED阵列，重复单个LED深度像素值的测量过程，获得全部 LED深度像素值并组合生成目标1的深度图像；同时，目标1表面的散射光经二维成像透镜 后由二维(XD/CM0S图像传感器9接收，获得目标1的二维图像；设置投影透镜和二维成像 透镜为同一透镜2，使深度图像和二维图像实时对准；3、将二维图像和深度图像融合生成目标1的三维图像。具体实施中，设置分束镜3，LED光源发射的调制光经分束镜3透射到达投影透镜； 目标1表面的散射光经二维成像透镜后，再经分束镜3反射到达所述二维(XD/CM0S图像传 感器9。本实施例中基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统的具体实施为参见图1，设置光电调制扫描电路5对NXM的LED阵列4的输出光功率进行调制 和时分扫描，在任意时刻，整个LED阵列4中仅有一颗LED被点亮；LED发射的调制光到达 分束镜3后，分成透射光和反射光，透射光经透镜2投影在目标1的表面，以PDl光电接收 器6接收目标1表面产生的散射光；反射光直接由PD2光电接收器7接收；设置TOF深度测 量电路8，以TOF深度测量电路8分别处理PDl光电接收器6和PD2光电接收器7输出的光 电信号，依次计算每一个LED深度像素值，LED的深度像素值在PC 11中组合生成目标1的 深度图像；同时，目标1表面的散射光经透镜2再经分束镜3反射后被二维CCD/CMOS图像 传感器9接收，并经二维图像信号处理电路10获得与深度图像实时对准的目标1的二维图 像；深度图像与二维图像在PC中融合生成目标1的三维图像。本实施例中，在TOF深度测量电路8中包括有一个反馈式自动增益控制AGC电路， 反馈式自动增益控制AGC电路采用平方幅度检测电路15对输入信号进行幅度检测，其输出 信号经第一固定增益放大电路16后，被送入电感电阻LR低通滤波器14以滤除产生的高次 谐波，其输出的直流电平被用于控制可变增益放大电路12的增益。输入信号在经可变增益 放大电路12和第二固定增益放大电路13放大后，最终获得反馈式AGC电路22的输出信号。TOF测距是应用光速c不变和测量光的飞行时间t来获得被测距离的。LED阵列 中每一个LED像素的深度值可以采用光电相移式TOF测距方法来获取，即使用频率为fm的 连续正弦波对阵列中LED的输出光功率进行调制，将直接测量光的往返飞行时间t转化为 间接测量与t对应的调制电信号的相位移动△Φ来获得被测距离d
权利要求一种基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统，其特征在于设置光电调制扫描电路(5)对N×M的LED阵列(4)的输出光功率进行调制和时分扫描，在任意时刻，整个LED阵列(4)中仅有一颗LED被点亮；LED发射的调制光到达分束镜(3)后，分成透射光和反射光，所述透射光经透镜(2)投影在目标(1)的表面，以光电接收器PD1(6)接收目标(1)表面产生的散射光；所述反射光直接由光电接收器PD2(7)接收；设置TOF深度测量电路(8)，以所述TOF深度测量电路(8)分别处理光电接收器PD1(6)和光电接收器PD2(7)输出的光电信号，依次计算每一个LED深度像素值，所述LED的深度像素值在PC(11)中组合生成目标(1)的深度图像；同时目标(1)表面的散射光经透镜(2)、再经分束镜(3)反射后被二维CCD/CMOS图像传感器(9)接收，并经二维图像信号处理电路(10)获得与所述深度图像实时对准的目标(1)的二维图像；所述深度图像与二维图像在PC(11)中融合生成目标(1)的三维图像。
2.根据权利要求1所述的基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统，其特征 是在所述TOF深度测量电路(8)中包括有一个反馈式自动增益控制AGC电路(22)，所述反 馈式AGC电路(22)采用平方幅度检测电路(15)对输入信号进行幅度检测，其输出信号经 第二固定增益放大电路(16)后，被送入电感电阻LR低通滤波器(14)以滤除产生的高次谐 波，其输出的直流电平被用于控制可变增益放大电路(12)的增益；输入信号在经可变增益 放大电路(12)和第一固定增益放大电路(13)放大后，获得反馈式AGC电路(22)的输出信 号。
专利摘要本实用新型公开了一种基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统，采用二维LED阵列作为照明光源，每次仅有一颗LED为点亮状态，LED发射的调制光经投影透镜投射到目标的表面，光电接收器接收目标表面的散射光，测量从光源到目标之间的往返飞行时间，并由其得出点亮状态的LED深度像素值，完成单个LED深度像素值测量；再时分扫描整个二维LED阵列，重复单个LED深度像素值的测量过程，获得全部LED深度像素值并组合生成目标的深度图像；同时目标表面的散射光经二维成像透镜后由二维图像传感器获得目标二维图像；投影透镜和二维成像透镜为同一透镜；以二维图像和深度图像融合生成目标三维图像。本实用新型深度图像获取速度快，深度测量分辨率高。
文档编号G01S7/481GK201707438SQ20102021285
公开日2011年1月12日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者何德勇, 徐军, 明海, 王焕钦, 赵天鹏 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院