[实用新型]基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及测距成像和三维成像技术领域，特别涉及一种基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统。

背景技术

现有的以CCD/CMOS照相和数字图像处理为基础的二维2D成像技术已经取得了长足的发展，并且获得了广泛的应用。然而对于三维的真实世界，使用传统二维成像技术获得的二维图像并不足以充分表达所有信息，因此限制了它在许多领域中的应用。为了解决上述的问题，三维成像(3D Imaging)技术应运而生。三维成像是指将客观世界的三维图像通过某种特殊的方法记录下来，然后通过处理、压缩、传输、显示等过程并最终在人的大脑中再现客观的真实图像。由于与通常意义上的二维成像相比，三维成像包含了第三维的距离或深度信息，能够更加充分地描述真实三维场景中物体的位置和运动信息，因此具有许多突出的优点，在机器视觉、实物仿形、工业检测、生物医学、反向工程、虚拟现实等领域具有广泛的应用前景。

基于光学测距的三维成像技术由于具有分辨高、无需接触等优点，逐渐成为国内外的研究热点。目前研究的大部分光学三维成像系统都是基于三角法(Triangulation)或飞行时间(Time-of-Flight：TOF)原理来测量距离的。基于三角法测距的三维成像系统，包括被动三角法(如立体视觉法)和主动三角法(如投影结构光法)，它们都需要处理“阴影”效应或投影条纹“模糊”问题，因此严格限制了它们的应用范围。例如立体视觉法一般只能用于对比度较高的三维场景中目标的识别和分析，因为该方法在确定第三维的距离信息时，需要对不同视觉方向获取的两幅或多幅图像进行特征点的匹配，因此，需要进行复杂的信号处理和大量耗时的数据计算；此外实际应用中目标往往缺乏特征的结构信息或者目标上各点的反射率没有明显差异，这时匹配计算会变得十分困难甚至产生错误，深度测量精度将会受到严重影响。

与三角法测距相比，基于飞行时间TOF的测距方法由于发射单元和接收单元在同一直线上，因此不会产生不完整的数据，不存在“阴影”效应，这使得基于飞行时间TOF的测距方法具有更加广泛的应用范围。但是，传统的基于飞行时间TOF的光学三维成像系统，例如激光成像雷达，实际上只能测量一点的距离(一维测距)。为了获得三维的信息，需要使用精密、笨重且价格昂贵的机械扫描装置将激光束在其它两个方向上对被测场景进行机械扫描，因此深度图像获取速度慢，实时性差；由于机械扫描装置本身存在老化和磨损现象，利用该方法获得的深度图像与二维图像之间对准精度差。此外，该系统在抗振、体积、重量和成本等方面也很难获得突破性的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有三维成像方法和系统存在深度图像获取速度慢、深度图像与二维图像之间对准精度差等不足，提出一种基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统，用于实现快速、高精度的三维成像，满足现有诸多领域对高性能三维成像的迫切需求。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：

本实用新型基于LED阵列共透镜TOF深度测量的三维成像系统的特点是：

设置光电调制扫描电路对N×M的LED阵列的输出光功率进行调制和时分扫描，在任意时刻，整个LED阵列中仅有一颗LED被点亮；LED发射的调制光到达分束镜后，分成透射光和反射光，所述透射光经透镜投影在目标的表面，以光电接收器PD1接收目标表面产生的散射光；所述反射光直接由光电接收器PD2接收；

设置TOF深度测量电路，以所述TOF深度测量电路分别处理光电接收器PD1和光电接收器PD2输出的光电信号，依次计算每一个LED深度像素值，所述LED的深度像素值在PC中组合生成目标的深度图像；同时目标表面的散射光经透镜、再经分束镜反射后被二维CCD/CMOS图像传感器接收，并经二维图像信号处理电路获得与所述深度图像实时对准的目标的二维图像；

所述深度图像与二维图像在PC中融合生成目标的三维图像。

本实用新型系统的特点也在于在所述TOF深度测量电路中包括有一个反馈式自动增益控制AGC电路，所述反馈式AGC电路采用平方幅度检测电路对输入信号进行幅度检测，其输出信号经第二固定增益放大电路后，被送入电感电阻LR低通滤波器以滤除产生的高次谐波，其输出的直流电平被用于控制可变增益放大电路的增益；输入信号在经可变增益放大电路和第一固定增益放大电路放大后，获得反馈式AGC电路的输出信号。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型采用快速电子扫描的二维LED阵列作为照明光源，成像不需要任何的机械移动和旋转部件；