[发明专利]基于时间飞行的成像方法及3D成像装置

说明书

本发明公开一种基于时间飞行的成像方法及3D成像装置，其中装置包括：散斑投射模块，包括光源，所述光源用于发出多束光束并在目标面形成间隔分布的散斑；阵列接收模块，包括与所述散斑数量相应的像素单元，所述像素单元用于接收目标面的散斑反射光束并记录光接收时刻；控制处理模块，记录所述散斑投射模块发出光束的光发射时刻，并控制散斑投射模块发出的散斑对目标面进行扫描，根据每次扫描对应的光发射时刻和光接收时刻，得到反射散斑的位置点距离信息，生成距离深度图。本发明通过投射光路的扫描，进而大大提高成像分辨率，具有超远成像距离、抗强干扰、超分辨成像、精度高、低功耗的特点。

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，尤其是涉及一种时间飞行距离测量方法及3D成像装置。

背景技术

3D成像装置在市场上已经开始应用于一些电子消费产品，如体感游戏的动作识别、新一代iphone的结构光3D人脸识别。3D成像装置可以大大地丰富用户的体验，提升产品竞争力，尤其是3D人脸识别，相对于2D的人脸识别，由于增加了一维的信息，在体验和安全性等方面是后者无法比拟的。相对于传统的生物识别，如指纹识别，3D人脸识别的可靠性和安全性要高出一个台阶。

不同于传统的2D成像装置，如摄像机，只能获取物体的平面2D信息，3D成像装置还可以获取物体的深度信息，构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量、零件建模、医疗诊断、安防监控、机器视觉、生物识别、增强现实AR和虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。

3D成像技术分为主动式和被动式两类，主动式以结构光和时间飞行技术为主流，被动式以双目视觉为主流。由于被动式的双目视觉技术受到外部环境和拍摄对象表面纹理属性等客观因素影响，且在特征点自动匹配算法上较为复杂，当前在3D成像消费电子领域并未普及，市场上以结构光与时间飞行技术(TOF)的被动式应用为主。结构光技术方案的特点是含有散斑投射器与IR成像模块，在近距离1m以内的精度达到亚毫米，满足金融支付行业最高的3D人脸识别精度要求，缺点是远距离成像精度会急剧下降，而且也会消耗一定的用于深度算法的计算资源导致其应用场景范围大大受限。时间飞行技术，也即缩写为TOF的技术方案，其特点是含有照明发射模块与TOF sensor接收模块，成像距离远，应用场景多，例如智能手机的后置建模与3D感知、AR/VR设备对外环境的3D感测、汽车的激光3D测距系统等，TOF技术的不足是整个成像范围内的精度没有结构光技术那样高，但其应用的场景本身对精度并没有那么高，因而具有更广泛的应用前景。

TOF的全称是Time-Of-Flight，即飞行时间，是通过测量发射光从发射时刻到被物体反射至接收端的时间间隔，根据光速不变原理，可以实现距离测定。目前市场常用的是I-TOF技术，即Indirect Time-Of-Flight，I-TOF通过激光发射装置发射一束时间上周期性调制激光到物体表面上，返回光则在时序上产生一个相对于入射光的时间延迟，具体表现为相位延迟，相位延迟的大小与光的飞行时间具有对应的计算关系，I-TOF即通过测量相位延迟来“间接”得到光的飞行时间，进而实现距离测量。如公开号为CN209894976U的专利申请文件提供的一种时间飞行深度相机，该技术方案由于是通过测量相位来间接得到光飞行时间，而相位的测量实际是依靠接收光的能量强弱来进一步间接实现，导致相位测量不准，且易受环境光干扰，一旦距离继续上升，例如10m以上，反射接收的光会急剧衰减，甚至被环境光淹没，测量精度会急剧下降。同时I-TOF技术本质上是利用光能量平均积分法来得到图像传感器(sensor)上每一颗像素的距离值，因此不可避免的会产生多路径干扰问题，导致前方有多个物体时，得到的距离深度图会在物体之间产生“飞像素”，物体的轮廓之间模糊在一起，无法分辨，效果较差。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于时间飞行的成像方法及3D成像装置，直接实现光发射与光接收两个时刻的时间记录，该装置具有超远成像距离、抗强干扰、超分辨成像、精度高、低功耗的特点。

为实现上述的发明目的，本发明采用如下技术方案：