利用低分辨率像素成像的飞行时间深度相机制造技术

本发明专利技术描述了一种飞行时间深度相机(200)，所述飞行时间深度相机(200)包括VCSEL阵列(100)、光学布置结构(210)、分析评估器(255)以及包括至少一个检测器像素(222)的光检测器(220)，其中，VCSEL阵列(100)或光学布置结构(210)被布置为能够在飞行时间深度相机(200)的限定的视场(300)中的参考面中提供不同照明图案(20)，其中，光检测器(220)被布置为能够检测所述不同照明图案(20)，其中，分析评估器(255)被布置为能够基于检测到的不同照明图案(20)以预定像素数量P的分辨率重建视场(300)的深度图像(50)，其中，检测的不同照明图案(20)的数量N为所述预定像素数量P的至少5％、优选为所述预定像素数量P的至少10％以及最优选为所述预定像素数量P的至少20％。本发明专利技术还涉及执行飞行时间测量的方法以及相应的计算机程序载体。

Time of flight depth camera using low resolution pixel imaging

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用低分辨率像素成像的飞行时间深度相机
本专利技术涉及一种利用低分辨率像素成像的飞行时间深度相机、一种相应的执行飞行时间测量的方法以及涉及一种相应的计算机程序载体。
技术介绍
结构化光投影方法适合于测量对象的三维形状(或3D形状)。本领域中已知的通常用于3D形状测量的结构化光投影方法为条纹投影或云纹法。这种已知的云纹法通常包括：投影周期性的光图案，其可以是两个相干光束的干涉的结果；在所述对象上形成变形的线图案；以及由所述变形的线图案和参考线图案来合成对象的3D形状。结构化光投影技术的一种应用是测量工厂和实验室中的对象、机械零件和机器零件的3D形状。在这方面，WO2005/049840A2公开了一种用于测量对象的三维形状(或3D形状)的方法和设备，该方法和设备特别适合于结构化光投影方法和干涉测量方法。US2015/0362585A1公开了一种用于使用被配置为光场光源的2-D平面VCSEL源进行3-D成像和扫描的设备和方法。US2017/0115497A1公开了一种编码图案产生器，该编码图案产生器包括发射器的表面发射阵列和用于产生编码图案的两个光学元件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于提供3-D或深度图像的改进的设备和方法。本专利技术由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。根据第一方面，提供一种飞行时间深度相机。飞行时间深度相机包括VCSEL阵列、光学布置结构、分析评估器以及包括至少一个检测器像素的光检测器。VCSEL阵列和/或光学布置结构被布置为能够在飞行时间深度相机的限定的视场中的参考面中提供不同照明图案。光检测器被布置为能够检测所述不同照明图案。分析评估器被布置为能够基于检测的不同照明图案以预定像素数量P的分辨率重建视场的深度图像。检测的不同照明图案的数量N为所述预定像素数量P的至少5％、优选为所述预定像素数量P的至少10％以及最优选为所述预定像素数量P的至少20％。检测的不同照明图案的数量N可以小于预定像素数量P。检测的不同照明图案的数量N可以小于所述预定像素数量P的50％、优选地小于所述预定像素数量P的40％以及最优选地小于所述预定像素数量P的30％。高分辨率深度图像通常需要高分辨率检测器。这样的高分辨率检测器例如是在阵列布置结构中的单光子雪崩二极管(SPAD：singlephotonavalanchediode)。上面描述的飞行时间深度相机通过拆分在光检测器、光学布置结构和VCSEL阵列之间的复杂性而避免这样的极端方案。光检测器的每个检测器像素提供视场的一个照明图案的独立图像。这意味着，如果仅有一个检测器像素，则光学布置结构和VCSEL阵列提供所有检测的不同照明图案。在两个、三个、四个或更多个检测器像素的情况下，可以减少所提供的照明图案的数量，其中，每个检测器像素检测视场中的不同照明图案，即使所提供的照明图案是相同的，每个检测器像素也能够检测视场中的照明图案的至少一部分。最后，用于将照明图案成像到相应的检测器像素的成像光学器件确定是否每个检测器像素确定了视场中的整个场景的不同照明图案。因为不是场景的每个子部分都提供附加信息，所以检测的不同照明图案的总数量不需要与深度图像的分辨率相同。该方法基于这样的理解：可压缩信号或图像的非自适应线性测量的小的集合包含足够的信息用于进行重建和处理。实际上，这实现作为标准飞行时间相机的一种反转的飞行时间深度相机：能够产生投影在视场中的场景上的大量(近似)正交投影图案的照明器与低分辨率、在极端情况下与收集来自场景的所有反射光的单像素相机一起使用。收集的数据通过重建算法处理，以产生具有所需分辨率的多像素图像。计算机重建算法针对投影光图案中的每个从例如单个传感器像素提取数据，并且产生视场中的场景的多像素深度图像。这样的算法的示例在论文“StructuredCompressedSensing:FromTheorytoApplications”；MarcoF.Duarteetal.；arXiv:1106.6224v2[cs.IT]28Jul2011(https://arxiv.org/pdf/1106.6224.pdf)中给出。该论文通过引用被包含于此。该方法可以使用比所成像的像素少得多的数量的图案，这主要是因为大多数图像是可压缩的——它们可以通过比原始像素数据少的信息量来表示——例如在图像压缩(例如，JPEG压缩)中被使用。取决于飞行时间深度相机的视场中的场景结构，检测对应于深度图像的像素数量的仅5％的数量的不同照明图案可能是足够的。这意味着，例如，100×100像素的深度图像仅需要500个检测的不同照明图案(近似正交的投影图案)。例如，这种方法可以使得能够使用高时间分辨率(单个像素)的光检测器，其由于复杂性和成本而未实施为阵列。可以借助于VCSEL阵列和光学布置结构的组合提供的不同照明图案可以是伪随机照明图案(噪声图案)。VCSEL阵列可以是可寻址VCSEL阵列。VCSEL阵列被布置为能够通过对VCSEL阵列的不同VCSEL寻址来提供不同照明图案。单个VCSEL或不同的VCSEL组可以是可寻址的，从而单个VCSEL或VCSEL组可以通过提供相应的驱动电流来独立地开启或关闭。VCSEL阵列的VCSEL可以以随机图案布置，使得通过VCSEL阵列提供的不同照明图案的数量增加。VCSEL的规则图案(例如，方形或六边形等)可具有这样的效应：所提供的照明图案没有充分不同来用于深度图像的重建。因此，VCSEL的台面可以以随机图案分布(例如，台面相对于规则参考图案的随机移位)。如果仅同时开启VCSEL阵列的VCSEL或VCSEL组中的一部分(例如，同时开启包括3×3个VCSEL或VCSEL组的VCSEL阵列中的5个VCSEL或VCSEL组)，则VCSEL的这种随机图案可以实现更多独特的照明图案。此外，可以通过随机分布VCSEL的不同形状的发光区域(例如，圆形、矩形、三角形、不同尺寸等)来增加照明图案的随机性。VCSEL阵列的被布置为能够同时被寻址的一个可寻址VCSEL或多个可寻址VCSEL被布置为能够对光学布置结构照明，从而用照明图案照明限定的视场。在这种情况下，与光学布置结构组合的VCSEL阵列的每个开关状态可以被布置为能够对飞行时间深度相机的视场中的整个场景照明。可替代地或附加地，VCSEL阵列的被布置为能够同时被寻址的一个或多个可寻址VCSEL可以被布置能够为对光学布置结构照明，从而用照明图案照明限定的视场的子部分。限定的视场的两个、三个、四个或更多个子部分可以覆盖该视场。VCSEL阵列的不同开关状态和光学布置结构的组合可以例如扫描限定的视场的不同的子部分。在这种情况下，具有限定的像素分辨率的深度图像的重建将需要在每个子区域提供相应数量的检测的不同照明图案。光学布置结构可以例如包括复制光学结构(例如，棱柱结构)。复制光学结构被布置为能够跨越照明图案复制通过VCSEL阵列提供的光图案，使得照明图案包括两个、三个、四个或更多个子照明图案。在这种情况下，照明图案包括多个(基本上)相同的子照明图案。因此，可以借本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行时间深度相机(200)，所述飞行时间深度相机(200)包括VCSEL阵列(100)、光学布置结构(210)、分析评估器(255)以及包括至少一个检测器像素(222)的光检测器(220)，其中，VCSEL阵列(100)或光学布置结构(210)被布置为能够在飞行时间深度相机(200)的限定的视场(300)中的参考面中提供不同照明图案(20)，其中，光检测器(220)被布置为能够检测所述不同照明图案(20)，其中，分析评估器(255)被布置为能够基于检测的不同照明图案(20)以预定像素数量P的分辨率重建视场(300)的深度图像(50)，其中，检测的不同照明图案(20)的数量N为所述预定像素数量P的至少5％、优选为所述预定像素数量的至少10％以及最优选为所述预定像素数量P的至少20％，其中，VCSEL阵列(100)是可寻址VCSEL阵列，其中，VCSEL阵列(100)被布置为能够通过对VCSEL阵列(100)的不同VCSEL(130)寻址来提供不同照明图案(20)，其中，光学布置结构(210)包括复制光学结构(216)，其中，复制光学结构被布置为能够跨越照明图案(20)复制通过VCSEL阵列(100)提供的光图案，使得照明图案(20)包括两个、三个、四个或更多个子照明图案，其中，检测器(220)被布置为能够使得各个检测器像素(222)检测相应的子照明图案。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170901 EP 17188935.51.一种飞行时间深度相机(200)，所述飞行时间深度相机(200)包括VCSEL阵列(100)、光学布置结构(210)、分析评估器(255)以及包括至少一个检测器像素(222)的光检测器(220)，其中，VCSEL阵列(100)或光学布置结构(210)被布置为能够在飞行时间深度相机(200)的限定的视场(300)中的参考面中提供不同照明图案(20)，其中，光检测器(220)被布置为能够检测所述不同照明图案(20)，其中，分析评估器(255)被布置为能够基于检测的不同照明图案(20)以预定像素数量P的分辨率重建视场(300)的深度图像(50)，其中，检测的不同照明图案(20)的数量N为所述预定像素数量P的至少5％、优选为所述预定像素数量的至少10％以及最优选为所述预定像素数量P的至少20％，其中，VCSEL阵列(100)是可寻址VCSEL阵列，其中，VCSEL阵列(100)被布置为能够通过对VCSEL阵列(100)的不同VCSEL(130)寻址来提供不同照明图案(20)，其中，光学布置结构(210)包括复制光学结构(216)，其中，复制光学结构被布置为能够跨越照明图案(20)复制通过VCSEL阵列(100)提供的光图案，使得照明图案(20)包括两个、三个、四个或更多个子照明图案，其中，检测器(220)被布置为能够使得各个检测器像素(222)检测相应的子照明图案。


2.根据权利要求1所述的飞行时间深度相机(200)，其中，所述不同照明图案(20)是伪随机照明图案。


3.根据权利要求1所述的飞行时间深度相机(200)，其中，VCSEL阵列(100)的VCSEL(130)以随机图案布置，使得通过VCSEL阵列(100)提供的不同照明图案(20)的数量增加。


4.一种飞行时间深度相机(200)，所述飞行时间深度相机(200)包括VCSEL阵列(100)、光学布置结构(210)、分析评估器(255)以及包括至少一个检测器像素(222)的光检测器(220)，其中，VCSEL阵列(100)或光学布置结构(210)被布置为能够在飞行时间深度相机(200)的限定的视场(300)中的参考面中提供不同照明图案(20)，其中，光检测器(220)被布置为能够检测所述不同照明图案(20)，其中，分析评估器(255)被布置为能够基于检测的不同照明图案(20)以预定像素数量P的分辨率来重建视场(300)的深度图像(50)，其中，检测的不同照明图案(20)的数量N为所述预定像素数量P的至少5％、优选为所述预定像素数量的至少10％以及最优选为所述预定像素数量P的至少20％，其中，VCSEL阵列(100)是可寻址VCSEL阵列，其中，VCSEL阵列(100)被布置为能够通过对VCSEL阵列(100)的不同VCSEL(130)寻址来提供不同照明图案(20)，其中，光学布置结构(210)包括复制光学结构(216)，其中，光学布置结构(210)被布置为能够通过改变光学布置结构(210)的光学特性来提供不同照明图案(20)。


5.根据权利要求4所述的飞行时间深度相机(200)，其中，检测的不同照明图案(20)的数量N通过检测器像素(222)的数量D和提供的不同照明图案(20)的数量来确定，其中，提供的不同照明图案(20)的数量由通过可寻址VCSEL阵列提供的不同照明图案(20)的数量V和通过光学布置结构(210)提供的不同照明图案(20)的数量O的乘积V×O给出，其中，V被选择为在4到0.7×N之间、优选地在10到0.5×N之间以及最优选地在50到取整数的((N)的平方根)+1之间，其中，O被选择为在2到0.7×N之间、优选地在10到0.5×N之间以及最优选地在50到取整数的((N)的平方根...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·劳伦松，J·W·海尔米格，H·J·门希，N·沃克，J·J·范登贝尔赫，
申请(专利权)人：通快光子元件有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE