[發明專利]3D成像系統和方法

在審

• 申請號: 201780017336.0
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN108780142A
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: P·S·邦科斯;B·施密特;C·S·圖維伊;L·N·維奈里
• 申請（專利權）人: 泰特拉維公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G01S17/10
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 宿小猛

一種3D成像系統包括用于隨著時間變化對光脈沖的返回部分進行調制的光學調制器。返回的光脈沖部分從對于其期望3D圖像或視頻的場景反射或散射。該3D成像系統還包括接收調制的光脈沖部分的元件陣列和與該元件陣列相對應的像素的傳感器陣列。像素陣列被定位為接收從元件陣列輸出的光。元件陣列可以包括偏振元件的陣列，每個偏振元件對應于一個或多個像素。偏振元件的偏振狀態可以被配置為使得返回的光脈沖的飛行時間信息可以響應于光脈沖的返回的調制部分、從由像素陣列產生的信號測得。

35U.S.C.§119下的優先權聲明

本專利申請要求2016年2月29日提交的臨時申請No.62/301,587的優先權，該申請特此整體通過引用明確地并入，好像在本文中被充分闡述一樣。

技術領域

本公開總體上涉及三維(3D)成像，更具體地，涉及用于捕捉3D信息的照相機或系統。

背景技術

捕捉場景中的表面和物體的3D位置對于諸如機器人視覺、自動車輛和視頻游戲控制之類的應用正變得越來越普通。理想的3D照相機能夠以與如今的二維(2D)攝像機和蜂窩電話照相機功能相同的方式捕捉3D信息、連同高分辨率的圖像或視頻。這樣的照相機的尺寸、重量和功率要求是重要的考慮。目前實現這一點的方法在分辨率和操作范圍上有弱點，并且對于一些方法還有高成本和大的物理尺寸的弱點。

目前用于獲取整個場景中的3D坐標作為圖像的幾種技術全都具有它們的優勢，但是也具有阻止它們遞送高質量3D成像和視頻的弱點和基本限制。

常見的3D方法、尤其是低成本的方法是使用按基線距離分隔的多個透鏡和傳感器來提供3D效果的立體照相機。然而，對于絕大多數立體照相機，實際上是沒有3D數據的，即使是高端電影攝影裝備——3D效果是顯示器處的錯視(optical illusion)。這對于需要3D信息或坐標的一些應用是沒有用的。立體圖像可以用于使用攝影測量法(對與兩個傳感器的對應像素的距離進行三角測量)來生成3D幾何數據，但是這需要精確的校準(calibration)和用于基線分離的機械體積、以及大量處理。有效的操作范圍對于典型的基線限于較短的范圍，并且來自立體照相機對的攝影測量法的性能對于照明條件和陰影是敏感的。這樣的設備在黑暗的或有挑戰性的照明下不會很好地操作，并且需要大量的計算資源；這些特性使得在小型系統中提取實時數據很困難。因此，攝影測量法對于一些應用不是適當的解決方案。

所用的相關的解決方案將光圖案(pattern)投射到場景中的物體上，并且使用單獨的傳感器來檢測圖案中的偏離。結構化的投光器和圖像傳感器需要不同的發射孔徑和接收孔徑，這些孔徑必須被精確地對齊，并且分隔足以實現良好的距離性能的距離。這些系統要么使用限制用于范圍信息的橫向分辨率的幾個圖案，要么使用不能用于快速移動物體的多個圖像。

除了這些測量距離的幾何解決方案，大量發展努力已經集中于開發時間敏感的傳感器，這些傳感器測量光運送到場景物體并且返回到3D照相機傳感器的飛行時間。有各種技術用于測量該時間，但是全都涉及與每個像素相對應的控制該像素的響應并且記錄光對于該像素的到達時間(要么按振幅，要么按相位)的電路。這樣的電路的復雜性以及被記錄的廣泛數據已經妨礙這樣的傳感器的開發，即使是最先進的時間敏感的傳感器也限于一面100-200個像素。如果縮小像素尺寸的方式可以被找到，進一步的縮放可能需要更昂貴的芯片開發。這些技術中的許多技術對于照明條件也是敏感的，并且到目前為止限于短距離、室內使用。對于這些解決方案，每個像素是相對于主時鐘并且相對于彼此精確定時的，以獲得令人滿意的范圍測量性能，從而使將時間敏感的傳感器縮放到超出目前的技術發展水平的能力進一步復雜化，這不足以超過粗略的手勢識別的目前使用被廣泛使用。