[發明專利]ToF相機及衍射光學元件的設計方法

有效

• 申請號: 201810225284.2
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN110285788B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 余新;胡飛;魯寧;李屹
• 申請（專利權）人: 深圳光峰科技股份有限公司
• 主分類號: G01C3/02
• 分類號: G01C3/02;G02B27/00;G03B15/02;G03B30/00
• 代理公司: 深圳市賽恩倍吉知識產權代理有限公司 44334
• 代理人: 唐芳芳

本發明涉及一種ToF相機、具有所述ToF相機的投影系統、機器人、駕駛系統與電子設備、及用于ToF相機的點陣光源的衍射光學元件的設計方法。所述ToF相機包括點陣光源、收光鏡頭系統及感測器，所述點陣光源用于發出點陣排列的照明光束至目標物體，所述收光鏡頭系統用于接收所述點陣排列的照明光束照射至目標物體而反射的點陣排列的照明光束以將所述目標物體成像在所述感測器上，所述感測器用于感測所述收光鏡頭系統成像至所述感測器上的所述點陣排列的照明光束以獲得所述目標物體的深度圖像信息，其中，所述感測器包括多個像素，所述像素與所述點陣排列的照明光束一一對應，每個像素用于感測對應的一照明光束。

技術領域

本發明涉及一種ToF相機、具有所述ToF相機的投影系統、機器人、駕駛系統與電子設備、及用于ToF相機的點陣光源的衍射光學元件的設計方法。

背景技術

駕駛系統(如自動駕駛系統)、投影系統或電子設備的手勢識別和3D成像等應用中經常需要測量目標物體的深度信息。常用的深度測量方法有三角測距法、結構光測量法和ToF測距法。這幾種不同的測距技術各有優缺點。三角測距法對環境光不敏感且硬件結構簡單，但是由于用到多個相機會有相機間的同步問題導致圖像分析成本高，并且產品難以整體小型化。結構光測量法的空間分辨率高，計算成本低，但是測量結果受環境光影響大且測量高速運動物體誤差大。ToF測距法相對于三角測距法和結構光測量法來說，結構簡單，產品體積小，測量高速運動物體結果較好，且環境光對測量結果影響小，其中ToF測距法的測距原理圖如圖1所示。考慮到測量結果精度，一般情況下三角測距法測量中長距離，結構光測量法和ToF測距法測量短距離。

具體地，ToF測距法分為兩類，一類是測量脈沖信號的回波時間來測量距離，一般單點式測距儀和掃描式激光雷達采用這種方式。由于光能量集中，采用這種方法的測距儀和激光雷達的測量范圍為幾米到幾千米。另一類是相位檢測法，利用連續光信號上加載的調制信號回波的相移測量距離。這種方法測量的距離受限于調制信號的頻率，一般為幾百千赫茲到幾十兆赫茲。有效測量距離隨調制信號的頻率增加而降低。ToF相機采用后一種測距原理，其結構如圖2所示，系統由一個光源101，被測物體102，鏡頭103，ToF深度傳感器104和硬件控制處理電路105組成。由光源101發出的光的幅度按正弦或方波調制后出射，照射到被測物體102。鏡頭103收集經過反射的信號光并傳遞給ToF深度圖像傳感器104。ToF深度圖像傳感器104為鎖相CCD或CMOS感光陣列。圖3所示為一種鎖相CCD的結構示意圖，圖中表示為Light Opening的區域為有效感光面積，其他部分入射的光不會對結果產生影響。這種特殊結構的鎖相CCD或CMOS器件能動態的控制器件中的電場分布，使由光子激發的空穴電子對中的電子向器件中特定的區域移動并在該區域的電子陷阱中累積。由于CCD或CMOS器件的限制，每一幀圖像需要較長時間的積分，因而不能實現對高速調制光信號(幾百千赫茲到幾十兆赫茲)的高速采樣。但是鎖相CCD或CMOS器件能夠以調制頻率同步的頻率快速的切換器件上的電場分布，使得調制信號相同相位范圍內的能量在同一個電子陷阱里累積，同從而實現對調制信號不同相位時間點的采樣。

被測物體距離的計算原理如圖4所示。反射光相對激光器發出信號光的相位差符合以下公式1。

其中，A為接收信號的振幅，B為接收信號的直流分量，分別正比于接收到的信號光子數和環境/噪聲光子數。A與B分別符合以下公式2及公式3：

進一步地，被測物體距離符合以下公式4：