[发明专利]基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，具体是基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方法。

背景技术

人们观察物体时，能很自然地产生立体感，感受周围的三维场景。传统的二维成像方法在工业中已被广泛应用,但它不包括第三维的距离或深度信息，很难充分地描述真实三维场景中物体的位置、运动信息以及详尽的几何形状。随着科学技术的发展，在诸如工业产品加工和检测、国防航天、无人车导航以及医学等领域都迫切需要一种高性能深度图像获取方法。

现有的深度图像获取方法主要包括接触式与非接触式两种，其中基于光学测距的深度图像获取方法属于非接触式，具有测量范围大、分辨率高、无需接触、抗外界环境干扰强的优点，因此成为国内外的研究热点。目前研究的大部分光学深度图像获取系统均是基于三角法或飞行时间原理来测量距离的。基于三角法测距的深度图像获取系统，例如双目视觉系统和结构光成像系统，需要处理“阴影”效应(Shadow effects)或投影条纹“模糊”问题(Ambiguity problems)，因此一般只能使用在对比度高的测量场合，不适宜远距离大目标深度图像的获取。与该类成像系统相比，基于飞行时间测距的深度图像获取系统由于光的发射和接收几乎在同一条直线上，可以明显“分辨”各个被测点的信息，因此不会出现三角法测距中存在的“阴影”或投影“模糊”问题；利用高灵敏度传感器还可以实现远距离大目标的深度图像获取。此外，基于飞行时间测距的深度图像获取系统还具有原理简单、测距精度高、无需参考面等优点。

在传统的基于飞行时间测距的深度图像获取系统中，关于飞行时间的获取方法主要分为窄脉冲延迟时间的直接测量法和连续波相移的间接测量法。利用窄脉冲延迟时间测距，需要极窄的脉冲信号以及精确的时间测量单元来提高测量精度，对系统的带宽和硬件要求高，测量精度普遍不高。在传统的连续波相移测量的方法中，基于离散傅里叶变换理论(DFT)的四点法由于具有计算量小，实时性好等优点而成为主流，但是目前传统的四点法普遍存在采样时间窗口过短，信噪比低，测量精度差的缺点；同时在实际测距中，由于光源(激光器、LED等)调制非线性以及高次谐波的干扰，回波波形存在严重畸变(如图5所示)，使得这些基于短采样时间窗口的传统四点相移测距系统测量误差变得很大。

另外，在传统的基于飞行时间测距的深度图像获取系统中，主要通过二维宏观机械扫描实现整个三维空间的测量，这种深度图像获取技术原理简单、可探测距离远、精度高，但是由于使用了精密、笨重且价格昂贵的宏观机械扫描装置和光学元件，该类系统一般抗振性能差、体积大、成本高、像素低；同时，由于宏观的机械扫描装置自身扫描速度慢，在长时间使用过程中存在老化和磨损现象，使用该方法获得的深度图像的套准精度低，实时性差，且常常不适用于动态目标或场景的测量。为此，近年来许多国外的成像公司，如瑞士Mesa公司、德国PMD公司等开始研发一种新型的小体积Lock-in CCD图像传感器，它采用低发射功率的LED作为光源，且每个像素都能同步解调入射光的幅度和相位信息，可实现非机械扫描、高配准精度的三维测距成像，但是由于该CCD探测灵敏度低，该方法目前测程短、测距分辨率低；另外，该CCD器件单个像素结构复杂，制作工艺难度大，因此目前像素低、成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置及方法，弥补现有深度图像测量技术的不足，尤其是解决深度图像像素少以及相移测距精度低等问题。

本发明的技术方案为：

基于DMD扫描和积分相移测距的深度图像获取装置，包括光源模块、光学扫描模块、光电转换与信号处理模块和控制模块；

所述光源模块，包括依次连接的振荡器、分频器、调制波形发生器和光源；

所述光学扫描模块包括依次设置在光源输出光路上的匀光棒、第一聚焦透镜和DMD、依次设置在DMD反射光路上的半反半透镜和投影组合透镜以及依次设置在半反半透镜反射光路上的第二聚焦透镜、帯通滤光片和光阑，所述DMD将匀光棒的输出光通过半反半透镜和投影组合透镜投影到被测物体上；被测物体的散射光通过投影组合透镜和半反半透镜依次作用于第二聚焦透镜、帯通滤光片和光阑；

所述光电转换与信号处理模块包括单光子探测模块、积分选通模块、电脉冲信号计数模块和深度图像像素值计算模块，所述单光子探测模块的输入端连接光阑的出射端，所述单光子探测模块的输出端通过积分选通模块连接电脉冲信号计数模块的输入端，所述电脉冲信号计数模块的输出端连接深度图像像素值计算模块的输入端，所述积分选通模块的输入端连接振荡器的输出端；