[发明专利]电光调制器及其用于三维成像的使用和制造方法

说明书

描述了用于调制返回光以从场景中获取3D数据的设备、系统和方法。一种3D成像系统包含Fabry‑Perot腔，该Fabry‑Perot腔具有用于接收入射光的第一部分反射表面和光从其出射的第二部分反射表面。电光材料位于第一和第二部分反射面之间的Fabry‑Perot腔内。透明的纵向电极或横向电极在电光材料内产生电场。电压驱动器被配置为作为时间的函数调制电光材料内的电场，使得穿过电光材料的入射光根据调制波形被调制。光传感器接收从Fabry‑Perot腔的第二部分反射表面出射的调制光，并将该光转换为电信号。可以从电信号获得关于感兴趣场景的三维(3D)信息。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国于2018年9月11日提交的临时专利申请序列号62/729,862的权益，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及电光调制器、光传感器和LIDAR系统，尤其涉及可用于产生三维(3D)成像数据的电光调制器、光传感器和LIDAR系统。

背景技术

捕捉场景中的表面和对象的三维(3D)位置对于诸如坐标测量加工(CMM)、机器人视觉应用(RVA)、自主车辆应用(AVA)，以及甚至游戏控制台控制(虚拟现实(VR)和增强现实(AVR))等各种应用来说变得普遍必要。理想的3D相机能够捕获二维(2D)场景信息以及场景距离信息(z轴或距离信息)。使用2D场景图像信息(这是在传统数字或胶片相机“图片”中捕获的2D信息)生成真实的3D场景，并且2D场景中的每个对象(或每个像素)的1D距离的相加以与2D视频相机和蜂窝电话相机当今的功能相同的方式生成完整的3D图片)以及高分辨率的视频。对于许多应用，当前实现该3D场景生成的方法在分辨率、操作范围、SWaP(尺寸、重量和功耗)和成本方面存在严重的缺点。

可以使用几种技术来获取作为图像的场景上的3D坐标。这些技术方法中的每一种都具有益处，但也具有缺点和基本物理限制，这阻止了它们提供高质量的3D成像和作为时间的函数的成像(例如，实时3D视频)。通常，这些类型的3D系统可以被广泛地表征为(A)立体的、两个图像距离和相关估计、(B)FM调制的光距离估计、(C)投影光、全息或斑点相关的距离估计和(D)飞行时间成像系统距离测量系统。

立体影像：低成本的3D系统的方法是使用立体相机，该立体相机使用由基线距离分开的多个透镜和传感器来提供计算导出的3D信息(类似于人类双目视觉)。立体图像可用于利用摄影测量(用两个传感器的对应像素对距离进行三角测量)来产生3D几何数据，但这需要精确的校准，即已知的用于基线分离的机械体积。这些立体图像类型系统限于相对于基线的短范围(基线是两个单独传感器之间的距离)。此外，3D估计对光照条件和阴影敏感。这种立体型设备在黑暗或具有挑战性的照明条件下不能很好地操作，并且通常需要大量的计算资源，这使得在小系统中难以提取实时3D数据。

FM调制：另一种已知的距离估计解决方案使用调频(FM)光进行距离估计。再次，FM调制光可能需要不同的出射器和接收器孔径。这些孔径必须精确地对准并隔开足够的距离以获得良好的距离性能。FM调制系统不必提供多于单个像素距离估计。即，这种类型的检测器通常可用于单个点的线性距离测量。通过扫描场景中的每个点来执行3D测量，以确定在每个特定点处传感器与对象之间的距离。需要克服FM调制类型的3D仪器的逐点限制。

透射光：另一种距离估计解决方案将光图案投影到场景中的对象上，并且使用单独的传感器来检测图案中的偏差。结构光投影仪和图像传感器使用不同的传输和接收孔径，这些孔径精确地对准并隔开足够的距离以获得良好的距离性能。这些系统或者使用限制距离信息的横向分辨率的几种模式，或者使用不能用于快速移动物体的多个图像。因此，需要克服投射光型晶体衍射仪的局限性。