[发明专利]3D成像系统和方法

说明书

一种3D成像系统包括用于随着时间变化对光脉冲的返回部分进行调制的光学调制器。返回的光脉冲部分从对于其期望3D图像或视频的场景反射或散射。该3D成像系统还包括接收调制的光脉冲部分的元件阵列和与该元件阵列相对应的像素的传感器阵列。像素阵列被定位为接收从元件阵列输出的光。元件阵列可以包括偏振元件的阵列，每个偏振元件对应于一个或多个像素。偏振元件的偏振状态可以被配置为使得返回的光脉冲的飞行时间信息可以响应于光脉冲的返回的调制部分、从由像素阵列产生的信号测得。

35U.S.C.§119下的优先权声明

本专利申请要求2016年2月29日提交的临时申请No.62/301,587的优先权，该申请特此整体通过引用明确地并入，好像在本文中被充分阐述一样。

技术领域

本公开总体上涉及三维(3D)成像，更具体地，涉及用于捕捉3D信息的照相机或系统。

背景技术

捕捉场景中的表面和物体的3D位置对于诸如机器人视觉、自动车辆和视频游戏控制之类的应用正变得越来越普通。理想的3D照相机能够以与如今的二维(2D)摄像机和蜂窝电话照相机功能相同的方式捕捉3D信息、连同高分辨率的图像或视频。这样的照相机的尺寸、重量和功率要求是重要的考虑。目前实现这一点的方法在分辨率和操作范围上有弱点，并且对于一些方法还有高成本和大的物理尺寸的弱点。

目前用于获取整个场景中的3D坐标作为图像的几种技术全都具有它们的优势，但是也具有阻止它们递送高质量3D成像和视频的弱点和基本限制。

常见的3D方法、尤其是低成本的方法是使用按基线距离分隔的多个透镜和传感器来提供3D效果的立体照相机。然而，对于绝大多数立体照相机，实际上是没有3D数据的，即使是高端电影摄影装备——3D效果是显示器处的错视(optical illusion)。这对于需要3D信息或坐标的一些应用是没有用的。立体图像可以用于使用摄影测量法(对与两个传感器的对应像素的距离进行三角测量)来生成3D几何数据，但是这需要精确的校准(calibration)和用于基线分离的机械体积、以及大量处理。有效的操作范围对于典型的基线限于较短的范围，并且来自立体照相机对的摄影测量法的性能对于照明条件和阴影是敏感的。这样的设备在黑暗的或有挑战性的照明下不会很好地操作，并且需要大量的计算资源；这些特性使得在小型系统中提取实时数据很困难。因此，摄影测量法对于一些应用不是适当的解决方案。

所用的相关的解决方案将光图案(pattern)投射到场景中的物体上，并且使用单独的传感器来检测图案中的偏离。结构化的投光器和图像传感器需要不同的发射孔径和接收孔径，这些孔径必须被精确地对齐，并且分隔足以实现良好的距离性能的距离。这些系统要么使用限制用于范围信息的横向分辨率的几个图案，要么使用不能用于快速移动物体的多个图像。

除了这些测量距离的几何解决方案，大量发展努力已经集中于开发时间敏感的传感器，这些传感器测量光运送到场景物体并且返回到3D照相机传感器的飞行时间。有各种技术用于测量该时间，但是全都涉及与每个像素相对应的控制该像素的响应并且记录光对于该像素的到达时间(要么按振幅，要么按相位)的电路。这样的电路的复杂性以及被记录的广泛数据已经妨碍这样的传感器的开发，即使是最先进的时间敏感的传感器也限于一面100-200个像素。如果缩小像素尺寸的方式可以被找到，进一步的缩放可能需要更昂贵的芯片开发。这些技术中的许多技术对于照明条件也是敏感的，并且到目前为止限于短距离、室内使用。对于这些解决方案，每个像素是相对于主时钟并且相对于彼此精确定时的，以获得令人满意的范围测量性能，从而使将时间敏感的传感器缩放到超出目前的技术发展水平的能力进一步复杂化，这不足以超过粗略的手势识别的目前使用被广泛使用。