[发明专利]3D成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及3D(三维)成像系统。

背景技术

用于对给定的空间部分创建3D表示的系统，在许多不同领域具有各种可能的应用。例如，自动传感技术(如车辆乘员检测和分类)、机器人传感技术(如对象识别)、安全工程(如工厂监视)等等。与常规的2D成像相反，3D成像系统需要目标场景的纵深信息，即需要确定一个或者多个观察目标与系统的光接收器之间的距离。例如在雷达应用中，用于距离测量的公知方法是对已发送的测量信号的发送和回音之间的时间间隔进行记录。此方法所基于的原理是：对于在给定介质中具有已知传播速率的信号，通过传播速率与该信号来回行进所花费的时间的乘积来得到待测量的距离。

在光学成像系统的情况下，该测量信号包括光波。为了介绍的目的，使用简化的术语“光”，应该将此术语理解为包括通常的电磁波并且尤其包括不可见的光谱(如IR和UV)。

借助于光波的距离测量通常需要发射光随时间变换。除了其它技术，两种已知的技术是所谓飞逝时间(TOF)法和所谓相移法。在相移测量中，(例如通过正弦调制)周期性地对发射光的幅度进行调制。在TOF测量中，通常以脉冲形式发射出光，而没有周期性要求。在相移测量中，调制周期通常约等于最大测量距离的两倍除以光速。在此方法中，借助于发射的和接收的光信号之间的相位比较，将传播时间间隔确定为相位差。这种相位比较要求调制与发射的光信号同步。由于光速所给定的高传播速率，在基于TOF或者相移法的距离测量中出现的根本困难在于测量设备所需要的时间分辩率。事实上，量级为厘米的空间分辩率需要量级为10^-11秒(10ps)的时间分辩率。

通过脉冲光和相移法，通常在电域中测量时间间隔。因此，电传播时间和影响了测量设备中同步的延迟对测量准确性具有决定性的影响。在这方面的实际问题是在信号线上电传播时间的未知的变化和漂移，以及电子组件中的延迟。一方面，在相同类型的设备之间发生固定的变化，例如，由于生产过程(例如半导体生产)中的公差。另一方面，在操作中发生时间变化漂移，例如，由于温度变化或者组件老化。这些变化和漂移对测量准确性具有决定性的影响。

结果，通过提供更可靠的同步来努力克服此问题。例如，Schwart在WO98/10255中提出，提供从光发射模块到光接收照相机的一个或多个传感器单元的光学反馈路径。如Schwarte在DE 44 39 298中所示，通过例如用光纤来引导发射光在不反射的情况下到达接收机，可以获得用于同步目的的相位参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服了前述问题的改进的3D成像系统。

为了克服上述问题，本发明提供了一种3D成像系统，其包括：照明单元，用于把光发射到目标场景上；以及成像传感器，用于通过检测散射/反射光来对目标场景进行成像。该系统还包括估计单元，用于基于光传播时间来确定涉及该目标场景的距离信息；以及，同步装置，用于将同步信息提供给该估计单元。根据本发明的一个重要方面，该同步装置包括用于在该照明单元中生成电参考信号的装置，直接从发射光中得到该参考信号。将光传播时间理解为所发射的时变光的特定区分标志从照明单元传播到对其进行反射和散射的目标，并且从该目标传播回到对其进行检测的成像传感器所需的时间间隔。通过任何适当的方法，例如前述TOF或者相移法，来测量光传播时间。

在相移方法的情况下，照明单元发射时间调制的周期性光信号。此光信号允许确定时间间隔，在此情况中将该时间间隔测量为照明单元所发射的光信号和成像传感器所检测的散射/反射光信号之间的相位差。借助已知的解调技术，通过适当的成像传感器，来获得此相位差，并且估计单元用此相位差来获得所需的距离信息。为了降低前述的测量误差，3D成像系统包括同步装置，该同步装置具有通过提供电参考信号，来直接从照明单元的发射光中提取或者得到相位信息的装置。此参考信号提供了用作同步的参考相位信息，并被估计单元用来纠正距离计算。与已知的通过引导发射光到成像传感器上来获得参考相位的方法相比，完全去除了对于光导体的需要以及费力的机械装配与光屏蔽。尽管大体上通过参考相移法示出了本发明，很容易将本发明应用于使用了脉冲光(TOF)测量或类似方法的3D成像系统。

为了进一步改善同步，最好将用于生成电参考信号的装置放置得与照明单元的至少一个光源相邻接。通过最小化光和/或电信号线长度，参考信号的相位与发射光的相位具有最大一致。将会了解到，成像传感器在操作上独立于该用于生成电参考信号的装置。因此，当根据本发明来改善同步时，无需对成像传感器进行机械改动。