ToF相机及衍射光学元件的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种ToF相机、具有所述ToF相机的投影系统、机器人、驾驶系统与电子设备、及用于ToF相机的点阵光源的衍射光学元件的设计方法。所述ToF相机包括点阵光源、收光镜头系统及感测器，所述点阵光源用于发出点阵排列的照明光束至目标物体，所述收光镜头系统用于接收所述点阵排列的照明光束照射至目标物体而反射的点阵排列的照明光束以将所述目标物体成像在所述感测器上，所述感测器用于感测所述收光镜头系统成像至所述感测器上的所述点阵排列的照明光束以获得所述目标物体的深度图像信息，其中，所述感测器包括多个像素，所述像素与所述点阵排列的照明光束一一对应，每个像素用于感测对应的一照明光束。

Design Method of ToF Camera and Diffractive Optical Elements

【技术实现步骤摘要】
ToF相机及衍射光学元件的设计方法
本专利技术涉及一种ToF相机、具有所述ToF相机的投影系统、机器人、驾驶系统与电子设备、及用于ToF相机的点阵光源的衍射光学元件的设计方法。
技术介绍
驾驶系统(如自动驾驶系统)、投影系统或电子设备的手势识别和3D成像等应用中经常需要测量目标物体的深度信息。常用的深度测量方法有三角测距法、结构光测量法和ToF测距法。这几种不同的测距技术各有优缺点。三角测距法对环境光不敏感且硬件结构简单，但是由于用到多个相机会有相机间的同步问题导致图像分析成本高，并且产品难以整体小型化。结构光测量法的空间分辨率高，计算成本低，但是测量结果受环境光影响大且测量高速运动物体误差大。ToF测距法相对于三角测距法和结构光测量法来说，结构简单，产品体积小，测量高速运动物体结果较好，且环境光对测量结果影响小，其中ToF测距法的测距原理图如图1所示。考虑到测量结果精度，一般情况下三角测距法测量中长距离，结构光测量法和ToF测距法测量短距离。具体地，ToF测距法分为两类，一类是测量脉冲信号的回波时间来测量距离，一般单点式测距仪和扫描式激光雷达采用这种方式。由于光能量集中，采用这种方法的测距仪和激光雷达的测量范围为几米到几千米。另一类是相位检测法，利用连续光信号上加载的调制信号回波的相移测量距离。这种方法测量的距离受限于调制信号的频率，一般为几百千赫兹到几十兆赫兹。有效测量距离随调制信号的频率增加而降低。ToF相机采用后一种测距原理，其结构如图1所示，系统由一个光源101，被测物体102，镜头103，ToF深度传感器104和硬件控制处理电路105组成。由光源101发出的光的幅度按正弦或方波调制后出射，照射到被测物体102。镜头103收集经过反射的信号光并传递给ToF深度图像传感器104。ToF深度图像传感器104为锁相CCD或CMOS感光阵列。图2所示为一种锁相CCD的结构示意图，图中表示为LightOpening的区域为有效感光面积，其他部分入射的光不会对结果产生影响。这种特殊结构的锁相CCD或CMOS器件能动态的控制器件中的电场分布，使由光子激发的空穴电子对中的电子向器件中特定的区域移动并在该区域的电子陷阱中累积。由于CCD或CMOS器件的限制，每一帧图像需要较长时间的积分，因而不能实现对高速调制光信号(几百千赫兹到几十兆赫兹)的高速采样。但是锁相CCD或CMOS器件能够以调制频率同步的频率快速的切换器件上的电场分布，使得调制信号相同相位范围内的能量在同一个电子陷阱里累积，同从而实现对调制信号不同相位时间点的采样。被测物体距离的计算原理如图4所示。反射光相对激光器发出信号光的相位差符合以下公式1。其中，A为接收信号的振幅，B为接收信号的直流分量，分别正比于接收到的信号光子数和环境/噪声光子数。A与B分别符合以下公式2及公式3：进一步地，被测物体距离符合以下公式4：由于ToF相机测距的误差来源主要为环境光，量子噪声和器件噪声。环境光照度不随距离变化，所以测量结果和距离无关，而是与收光角度有关。量子噪声又叫散粒噪声，由光电效应中的量子效应决定，不随环境的变化而变化，而器件噪声包括复位噪声、闪烁噪声、放大器的电流噪声和暗电流噪声。噪声强度随温度增加而增加。测量误差的大小限制了ToF相机测距的距离，减小误差的过程就是增加ToF相机测量距离的过程。由于量子噪声不随器件和环境变化，因而量子噪声决定了理想情况下测距的最大精度。由于ToF相机测距是测量的入射光信号与反射光信号间的相位差来计算距离，所以误差ΔL符合以下公式5：理想情况下，环境光远小于信号光可以近似为B＝A/2，将其代入公式5，可以获得以下公式6：根据公式6可以推知A越大测量误差越小。但是由于ToF深度图像传感器上每个像素能够累积的电子数有限，当像素累积电子数饱和后还继续增加A并不能减小误差且浪费了光源功率，因此A的值有限，不能为无穷大。当像素饱和电子数为100000时，误差可以控制到最大测距的0.04％。在A值有限的条件下进一步减小测量误差的方法是减少环境光对测量结果的影响。因为环境光照度不随距离变化，它产生的影响与距离无关与收光角度有关。因此可以通过增加收光镜头的焦距来减少镜头的视角，从而减弱环境光产生的影响。在不同镜头焦距条件下，仿真进入镜头的环境光功率随距离的变化如图5(a)所示。在不同的环境光电子数条件下，仿真测量精度随距离的变化如图5(b)所示。仿真结果表明，环境光照度不变的情况下，视角从50度变成15度环境光为原来的5％，不影响精度的情况下能够提高四倍测量距离。同时，环境光产生的电子数越少测量精度越高。进一步地，器件噪声对测量结果(即误差ΔL)产生的影响的表达式为公式7：其中，Npseudo是器件引入的噪声电子。若使用的激光器是非理想解调和光源，将A、B分别用其所引入的自由电子数表示，则可以获知以下公式8、公式9及公式10。Beff＝Nambient+Npseudo+PEopt(公式8)；A＝CmodCdemodPEopt(公式9)；具体的测量应用中，器件参数和环境影响基本为常数，可以通过以下三种方法减小器件噪声的影响，从而减小测量过程中的误差ΔL：1)降温，可以减小器件噪声；2)增大接收到的电子数可以减弱器件噪声的影响。方法有两种，第一种方法是增大孔径，在不改变光转换电子数的情况下，每增加一倍的距离需要增加一倍的孔径，这种方法的缺点是导致结构体积增加成本上升。第二种方法是增大光功率，每增加一倍的距离，需要四倍的光功率。3)由于远距离适配的光源会导致近距离器件饱和，使用动态光功率可以减小此类误差。在假设器件和光源参数如下时：光源功率700mW、光束发散角50度、像素感光面积12.5×14.5μm2、激光波长630nm、量子效率为65％、积分采样时间25ms、镜头效率为0.35、镜头孔径为2.6mm，仿真入射光子数以及误差变化与环境变量间的关系。图6所示为物体的反射率和入射光子数的关系，可以看到，物体的反射率和传感器接收到的光子数间存在线性关系。另一方面，为抑制环境光的影响，镜头的收光角度影响测量的精度，仿真实验表明，将镜头收光角度从50度减为15度时，环境光产生的光子数将会变为原来的5％，这将大大提高测量的精度，从而得到更远的测量距离。通过改变镜头角度为15°的方法减小误差后仿真长距离范围内的测量结果如图7所示。其中仿真参数为F＝1.5MHz，被测物体反射率为0.5。图7(a)为不同光源功率条件下，信号光和环境光在像素中产生的电子数随距离的变化曲线；图7(b)为不同的光源光功率条件下，测量误差随距离的变化曲线。仿真结果表明，长距离测量需要非常大的光源功率才能够保证测量精度。采用两个高频光源的差频方法可以增大相位法的最大无混淆测距。但是理论分析表面，通过差频的方法并不能增加测量的精度。考虑到ToF深度图像传感器上的像素结构的有效感光面积相对总像素面积来说非常小，一般为像素面积的6％-15％之间，进一步增加测量精度的方法在于提升光源信号光光效。从传感器结构上考虑提升光效的方法是在每个像素上增加一个对应的微透镜，将入射的光进一步汇聚到感光区。这种方法存在的问题是在提高信号光效率的同时也提高了环境光的强度，对于强光环境下的精度提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ToF相机，其特征在于：所述ToF相机包括点阵光源、收光镜头系统及感测器，所述点阵光源用于发出点阵排列的照明光束至目标物体，所述收光镜头系统用于接收所述点阵排列的照明光束照射至目标物体而反射的点阵排列的照明光束以将所述目标物体成像在所述感测器上，所述感测器用于感测所述收光镜头系统成像至所述感测器上的所述点阵排列的照明光束以获得所述目标物体的深度图像信息，其中，所述感测器包括多个像素，所述像素与所述点阵排列的照明光束一一对应，每个像素用于感测对应的一照明光束。

【技术特征摘要】
1.一种ToF相机，其特征在于：所述ToF相机包括点阵光源、收光镜头系统及感测器，所述点阵光源用于发出点阵排列的照明光束至目标物体，所述收光镜头系统用于接收所述点阵排列的照明光束照射至目标物体而反射的点阵排列的照明光束以将所述目标物体成像在所述感测器上，所述感测器用于感测所述收光镜头系统成像至所述感测器上的所述点阵排列的照明光束以获得所述目标物体的深度图像信息，其中，所述感测器包括多个像素，所述像素与所述点阵排列的照明光束一一对应，每个像素用于感测对应的一照明光束。2.如权利要求1所述的ToF相机，其特征在于：所述点阵光源包括光源及调制元件，所述光源发出光源光，所述调制元件用于将所述光源光调制成所述点阵排列的照明光束。3.如权利要求2所述的ToF相机，其特征在于：所述调制元件为衍射光学元件，其包括多个衍射单元，每个衍射单元将接收光源光转换为一照明光束并将所述照明光束经所述收光镜头系统投影至所述感测器上对应的一个像素。4.如权利要求3所述的ToF相机，其特征在于：每个衍射单元中心对应的空间角度等于对应的像素中心对应的空间角度。5.如权利要求2所述的ToF相机，其特征在于：如权利要求2所述的ToF相机，其特征在于：所述光源为发明二极管或激光光源。6.如权利要求2所述的ToF相机，其特征在于：所述点阵光源还包括准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源及所述调制元件之间，用于将所述光源发出的光源光进行准直后提供至所述调制元件。7.如权利要求1-6项任意一项所述的ToF相机，其特征在于：每个像素包括有效感光面积，每个像素感测的照明光束覆盖至所述像素的有效感光面积上。8.如权利要求7所述的ToF相机，其特征在于：每个像素(i,j)中心对应的空间角度包括所述像素(i,j)对应的竖直方向与光轴间的夹角θci,j及像素(i,j)对应的水平方向与光轴间的夹角φci,j，其中，其中，i及j分别代表所述像素在所述感测器上的像素点阵上的水平行数与竖直列数，FOVV为竖直方向的视场角度，FOVh为水平方向的视场角度，Nv为竖直方向的像素数目，Nh为水平方向的像素数目。9.如权利要求8所述的ToF相机，其特征在于：每个像素(i,j)的有效感光面积对应的空间角度半宽θΔi,j与φ...

【专利技术属性】
技术研发人员：余新，胡飞，鲁宁，李屹，
申请(专利权)人：深圳光峰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44