[发明专利]ToF相机及衍射光学元件的设计方法

说明书

本发明涉及一种ToF相机、具有所述ToF相机的投影系统、机器人、驾驶系统与电子设备、及用于ToF相机的点阵光源的衍射光学元件的设计方法。所述ToF相机包括点阵光源、收光镜头系统及感测器，所述点阵光源用于发出点阵排列的照明光束至目标物体，所述收光镜头系统用于接收所述点阵排列的照明光束照射至目标物体而反射的点阵排列的照明光束以将所述目标物体成像在所述感测器上，所述感测器用于感测所述收光镜头系统成像至所述感测器上的所述点阵排列的照明光束以获得所述目标物体的深度图像信息，其中，所述感测器包括多个像素，所述像素与所述点阵排列的照明光束一一对应，每个像素用于感测对应的一照明光束。

技术领域

本发明涉及一种ToF相机、具有所述ToF相机的投影系统、机器人、驾驶系统与电子设备、及用于ToF相机的点阵光源的衍射光学元件的设计方法。

背景技术

驾驶系统(如自动驾驶系统)、投影系统或电子设备的手势识别和3D成像等应用中经常需要测量目标物体的深度信息。常用的深度测量方法有三角测距法、结构光测量法和ToF测距法。这几种不同的测距技术各有优缺点。三角测距法对环境光不敏感且硬件结构简单，但是由于用到多个相机会有相机间的同步问题导致图像分析成本高，并且产品难以整体小型化。结构光测量法的空间分辨率高，计算成本低，但是测量结果受环境光影响大且测量高速运动物体误差大。ToF测距法相对于三角测距法和结构光测量法来说，结构简单，产品体积小，测量高速运动物体结果较好，且环境光对测量结果影响小，其中ToF测距法的测距原理图如图1所示。考虑到测量结果精度，一般情况下三角测距法测量中长距离，结构光测量法和ToF测距法测量短距离。

具体地，ToF测距法分为两类，一类是测量脉冲信号的回波时间来测量距离，一般单点式测距仪和扫描式激光雷达采用这种方式。由于光能量集中，采用这种方法的测距仪和激光雷达的测量范围为几米到几千米。另一类是相位检测法，利用连续光信号上加载的调制信号回波的相移测量距离。这种方法测量的距离受限于调制信号的频率，一般为几百千赫兹到几十兆赫兹。有效测量距离随调制信号的频率增加而降低。ToF相机采用后一种测距原理，其结构如图2所示，系统由一个光源101，被测物体102，镜头103，ToF深度传感器104和硬件控制处理电路105组成。由光源101发出的光的幅度按正弦或方波调制后出射，照射到被测物体102。镜头103收集经过反射的信号光并传递给ToF深度图像传感器104。ToF深度图像传感器104为锁相CCD或CMOS感光阵列。图3所示为一种锁相CCD的结构示意图，图中表示为Light Opening的区域为有效感光面积，其他部分入射的光不会对结果产生影响。这种特殊结构的锁相CCD或CMOS器件能动态的控制器件中的电场分布，使由光子激发的空穴电子对中的电子向器件中特定的区域移动并在该区域的电子陷阱中累积。由于CCD或CMOS器件的限制，每一帧图像需要较长时间的积分，因而不能实现对高速调制光信号(几百千赫兹到几十兆赫兹)的高速采样。但是锁相CCD或CMOS器件能够以调制频率同步的频率快速的切换器件上的电场分布，使得调制信号相同相位范围内的能量在同一个电子陷阱里累积，同从而实现对调制信号不同相位时间点的采样。

被测物体距离的计算原理如图4所示。反射光相对激光器发出信号光的相位差符合以下公式1。

其中，A为接收信号的振幅，B为接收信号的直流分量，分别正比于接收到的信号光子数和环境/噪声光子数。A与B分别符合以下公式2及公式3：

进一步地，被测物体距离符合以下公式4：