一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，包括光源驱动器，调制辐射源，飞行时间传感器，模数转换器，数据传输单元，主控器，计算机及滤光镜头。调制辐射源发射频率与曝光时间可调的高频调制信号照射目标场景，飞行时间传感器接收目标场景的反射信号，实现相位信息的解调与输出，此后，模数转换器将飞行时间传感器的模拟信号转换为数字信号输入到数据传输单元进而传输至计算机优化处理后重建为三维图像。该装置由计算机通过数据传输单元发送命令控制三维成像装置的调制频率与曝光时间，能有效地对调制频率及曝光时间进行设定，以满足不同精度测量要求以及不同距离环境下的测量要求。

A time-of-flight three-dimensional imaging device with adjustable frequency and exposure

The utility model discloses a three dimensional imaging device with adjustable frequency and adjustable exposure, including a light source driver, a modulated radiation source, a time flight sensor, an analog to digital converter, a data transmission unit, a master controller, a computer and a filter lens. The target scene is irradiated by the high frequency modulation signal that modulates the emission frequency of the radiant source and the exposure time. The time flight sensor receives the reflection signal of the target scene and realizes the demodulation and output of the phase information. After that, the analog to digital converter converts the analog signal of the flight time sensor into the digital signal input to the data transmission unit. Then it is transferred to the computer optimized processing to reconstruct the three-dimensional image. The device sends commands to control the modulation frequency and exposure time of the 3D imaging device through the data transmission unit. It can effectively set the modulation frequency and exposure time to meet the requirements of different precision measurement and the measurement requirements under different distance environment.

【技术实现步骤摘要】
一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置
本技术涉及三维测量与成像领域，尤其是一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置。
技术介绍
随着VR技术的兴起，3D技术应用受到了更多的关注。目前获取3D信息的方式主要有3种：立体视觉系统，激光距离扫描仪，TOF相机。立体视觉系统利用相关性原理，它的主要缺点有相关、视域限制以及分配问题。激光扫描仪通过发射一束扫描光线来进行距离测量，它的主要缺点是不能提供2D灰度图像以及实时提供距离图像。TOF相机结合有源传感器及相机方法，提供2D灰度图像及实时的距离信息。TOF相机还可以很好的处理屋内各种部分如墙面、地板、天花板等。此外TOF获取的3D点云以及实时数据流可以用于移动目标，从而能在当前许多新兴领域发挥重要的作用，如物体识别、手势识别、3D模型、机器人、监控、汽车防撞系统、医疗、人机互动游戏等。飞行时间法的三维成像特点在于发射4次相移高频调制信号辐射目标场景，反射后的信号则会因距离不同而产生不同相位差，再由相关函数法解调飞行过程中的相位差。该方法主要体现在单镜头、低造价、高精度、实时成像、动态量程大、可以实现高集成度。但是，对于TOF成像装置，测距精度会受到调制频率、曝光时间以及外部环境的影响。目前大多数TOF相机只允许修改曝光时间，而调制频率为固定值，对于测量目标较远及精度较高的物体，则表现不足。TOF技术是测量光信号从光源发射到物体再反射回探测器所需要的时间，实际中由于计算光的飞行时间对芯片速率要求较高，通常采用调制解调方法，借由发射高频调制信号至目标场景，光在反射回传感器时与发射信号存在与距离相关的相位差，通过解调出相位差再利用相位差与飞行时间关系，得到距离信息。飞行时间测距原理在LangeR.3Dtime-of-flightdistancemeasurementwithcustomsolid-stateimage飞行时间传感器sinCMOS/CCD-technology[J].Diss.,DepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience,UniversityofSiegen,2000.与SchwarteR,HeinolHG,BuxbaumB,etal.Principlesofthree-dimensionalimagingtechniques[J].1999.中有对其进行描述。更多关于飞行时间相机方法在LangeR,SeitzP.Solid-statetime-of-flightrangecamera[J].IEEEJournalofQuantumElectronics,2001,37(3):390-397.文献及申请US8233143和US6580496中被描述。
技术实现思路
本技术旨在解决飞行时间成像测距适应范围不足问题，提出了一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，可分别对调制频率与曝光时间进行设定，准确实时地获取目标场景的三维信息，从而扩大TOF成像装置的使用范围及提高了适应性。本技术采用的技术方案如下：一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，包括：调制辐射源，采用四步相移法对光信号调制，由主控器控制驱动电路，在驱动电路的作用下，调制辐射源发射同频率不同相移的光调制信号照射目标场景，相应的相移角度为0°、90°、180°、270°；飞行时间传感器，一种光电混合器件，其可由光栅二极管结构、钉扎光电二极管结构和雪崩光电二极管等结构构成，具有探测光信号与混频解调功能，包含光电混频器、放大器、低通滤波器，接收从目标场景反射回的信号，并将其与解调信号同时输入到混频器，放大器对混频后的信号进行适当放大后再由低通滤波器滤除混频后的高频分量，得到与相位差相关的低频分量后输出；滤光镜头，滤除可见光及干扰信号，只保留反射回的调制信号；模数转换器，将飞行时间传感器输出的模拟信号转换为数字信号；传输单元，采用通用USB接口，用于将数字信号实时地发送至计算机，同时配合计算机对系统硬件工作模式进行配置；主控器，控制协调整个系统的运行，包括产生相移调制信号，模数转换电路的激励信号，USB传输的控制信号等系统所需的各种精准时序；计算机，发送曝光时间及调制频率参数，接收并处理像素信息，算法优化及三维图像重建。本技术提供一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，由计算机通过数据传输单元发送命令控制三维成像装置的调制频率与曝光时间，能有效地对调制频率及曝光时间进行设定，以满足不同精度测量要求以及不同距离环境下的测量要求，准确实时地获取目标场景的三维信息。附图说明图1是本技术的一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置结构示意图；图2为发射调制信号与接收信号波形之间相位差；图3示出了发射调制信号、解调信号、混频后信号的频谱图；图4示出了传感器解调信号与辐射源调制信号的相移示意图。具体实施方式下面结合附图详尽的说明在本技术中所涉及的各个细节问题。需要说明的是，描述的实例只是为了加深对本专利技术的理解，不会对其起限定作用。如图1所示，本技术的频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置由光源驱动器103，调制辐射源104，飞行时间传感器109，模数转换器110，USB传输单元111，主控器101，计算机112，及滤光镜头108等构成。该装置中，主控器101采用Xilinx公司Spartan3EFPGA芯片编程，为系统的控制核心，控制着诸如4次相移高频调制辐射源104、飞行时间传感器109、模数转换器110、USB传输单元111(也可以如无线传输，网络传输等通信方式)等，以及产生输入到光源驱动器103中的可调频率调制信号及曝光时间，为计算机程序设定调制频率与曝光时间参数，提供与USB数据通信的接口，其中一种可选的方式是计算机可通过USB2.0芯片内置的I2C总线发送设置参数给主控器。光源驱动器103采用反相器级联再到功率管驱动的方式来提高驱动电路的工作频率以及带负载能力；调制辐射源104基于四步相移法对光信号如红外光进行高频调制，发射同频率不同相移的红外高频调制信号105，通常还可在辐射源上加上聚光透镜，使红外光辐射在某一定的范围内。调制红外光在照射目标场景106后反射回至飞行时间传感器109，飞行时间传感器109主要是一种光电混频器件，能同时实现探测与混频功能。由于飞行时的距离调制作用，传感器接收的反射信号107与辐射源的调制信号存在着相位差。反射信号照射到光电混合器件由混频器将其与调制信号混频后经过内部放大器适当放大，再经过低通滤波器滤除高频分量得到与相位延时相关的低频部分。特别地，低频部分信息包含有除相位延时之外的其他未知量，使用四步相移采样来求得具体的相位差。此外，为减小可见光或其他干扰信号的影响，传感器镜头内带有红外滤光透镜108。在飞行时间传感器109接收到反射信号并输出有效模拟量之后，经过模数转换器110后由USB传输单元111发送至计算机112，计算机应用程序采用四步采样法将四步相移数据进行处理得到三维点云，最后经过网格化及平滑滤波重建为三维图像。图2示出了发射调制信号与接收信号波形之间相位差。横坐标为时间，纵坐标为幅值，代表红外调制信号的能量。之所以采用余弦波进行图示分析，是因为辐射发射的红本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，其特征包括：调制辐射源，发射高频调制信号照射目标场景；飞行时间传感器，包含光电混频器、放大器、低通滤波器，接收从目标场景反射回的信号，并将其与解调信号同时输入到混频器，放大器对混频后的信号进行适当放大后再由低通滤波器滤除混频后的高频分量，得到与相位差相关的低频分量后输出；滤光镜头，滤除可见光及干扰信号，保留调制信号；模数转换器，将飞行时间传感器输出的模拟信号转换为数字信号；传输单元，实时高速地发送转换后的深度图像信息至计算机；主控器，控制协调整个系统的运行，包括产生频率可变的相移调制信号，模数转换电路的激励信号，传输单元的控制信号的各种精准时序；计算机，发送曝光时间及调制频率参数，接收并处理像素信息，算法优化及三维图像重建。

【技术特征摘要】
1.一种频率与曝光可调的飞行时间三维成像装置，其特征包括：调制辐射源，发射高频调制信号照射目标场景；飞行时间传感器，包含光电混频器、放大器、低通滤波器，接收从目标场景反射回的信号，并将其与解调信号同时输入到混频器，放大器对混频后的信号进行适当放大后再由低通滤波器滤除混频后的高频分量，得到与相位差相关的低频分量后输出；滤光镜头，滤除可见光及干扰信号，保留调制信号；模数转换器，将飞行时间传感器输出的模拟信号转换为数字信号；传输单元，实时高速地发送转换后的深度图像信息至计算机；主控器，控制协调整个系统的运行，包括产生频率可变的相移调制信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：金湘亮，曾少青，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43