[发明专利]具有可寻址光源的滚动快门图像传感器阵列的3D相机系统

说明书

本系统包括可寻址光源(3)的阵列(1)，该阵列配置为激活单独或成组的光源；包括像素的图像传感器，其配置用于检测预定光图案；以及图像传感器的滚动快门。可寻址光源的阵列配置为根据预定光图案或预定光图案的一部分连续激活光源，并且滚动快门配置成根据激活光源来曝光图像传感器的区域，使得曝光区域中的像素被照亮而曝光区域外的像素被屏蔽从而不被照明。

本公开适用于结构光的投影领域，用于捕获三维图像信息。

结构光系统捕捉投射到目标上的特殊光图案的图像。根据该图像计算目标的三维属性。在这样的系统中，通常采用LED或VCSEL投影仪(特别是发射近红外(NIR)光谱的LED或VCSEL投影仪)和CMOS图像传感器(CIS)模块。可能需要短的曝光时间和强的照明水平，以避免运动伪差或背景光的不利影响。

可以通过VCSEL结构或光路上的掩模来创建光图案，并且透镜可以用来将光引导到视场上。为眼睛的安全考虑可能限制照明的最大持续时间。在短曝光时间内发出的强光脉冲产生结构光图案，该结构光图案即使在明亮的背景光下也足够清晰。

投影的光图案被图像传感器捕获。通常使用全局快门图像传感器，因为其有利于捕获由短照明产生的整个光图案，特别是在移动物体上。所有像素同时曝光，然后读取图像。由于制造像素内存储元件需要额外的处理步骤，因此全局快门像素的制造更加复杂。对于相同的像素尺寸，全局快门像素还具有较小的饱和度，并且由于所需的像素内存储元件，全局快门像素的尺寸通常大于滚动快门像素。因此，合适的滚动快门解决方案将是优选的。

当使用滚动快门时，在整个读取时间内照明可以是连续的，但是其需要高的功耗。为眼睛的安全考虑可能会实质上限制最大光强度，如果要照亮明亮的物体或存在明亮的背景光，则这是一个缺点。

取而代之，光发射可以以一种在所有像素都敏感时进行全局的或滚动的复位后进行照明的方式进行脉冲。在这种情况下，可以将光图案的投影增加到高功率，使得即使在明亮的物体上也可以容易地检测到光图案。唯一的限制是光源的输出功率。当使用滚动快门时，像素也会在光脉冲之间的间隔中暴露在光下，如果存在以光脉冲的波长发射的另一光源，则这会产生伪影。读取的第一像素行与在其之后读取的像素行相比，其在较短的时间间隔内被曝光，这可能会导致图像出现梯度。

本发明的目的是提供一种具有滚动快门图像传感器的结构光系统，以在眼睛安全限度内实现低功耗和高照明度。

该目的通过根据权利要求1的3D相机系统来实现。实施例源自从属权利要求。

除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。

术语“帧”的含意是“一组构成了如电影或视频中的连续图像的静止图像中的一个图像”。和通常一样，3D表示三维。

3D相机系统包括：可寻址光源的阵列，该阵列被配置成激活单独或成组的光源；包括二维像素阵列的图像传感器，其配置成检测预定光图案；以及图像传感器的滚动快门。可寻址光源的阵列配置成根据预定光图案或预定光图案的一部分连续激活光源，滚动快门配置成根据光源的激活来曝光图像传感器的区域，使得曝光区域中的像素被激活的光源照亮。

在3D相机系统的实施例中，可寻址光源阵列配置成激活包括阵列行的光源组。

在另一实施例中，可寻址光源的阵列配置成单独激活每个光源(3)。

另一实施例包括提供预定光图案的掩模或投影透镜。

在另一实施例中，通过对连续激活光源进行编码来提供预定义的光图案。

在另一实施例中，预定光图案是临时的，并且通过对连续激活光源进行编码来改变。

在另一实施例中，可寻址光源阵列配置成产生预定义光图案的一部分，并且衍射光学元件配置成通过复制由可寻址光源阵列产生的预定义光图案的一部分来产生预定义光图案。这样的可寻址光源阵列可以特别地是可寻址光源的线性阵列，其可以特别地包括单独可寻址光源。