基於dmd掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置及方法
2023-07-26 09:28:56 1
基於dmd掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置及方法
【專利摘要】本發明提供基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置及方法，該裝置包括光源模塊、光學掃描模塊、光電轉換與信號處理模塊和控制模塊；該方法是光源經高速正弦波調製後作用於DMD，並由DMD實現對被測物體的逐個像素掃描，被測物體對應像素的微弱散射光被光電轉換與信號處理模塊接收，採用單光子計數技術，使用四個計數器分別對正弦波調製光每四分之一周期內的光子總數進行累計計數，根據積分相位測距原理，得到正弦波調製光的相位差，從而獲得被測物體深度圖像的一個像素值，在獲得全部像素的像素值後，組合生成被測物體的深度圖像。本發明像素多、精度高、結構簡單、測量速度快、便於小型化，為高像素深度圖像獲取提供了技術保障。
【專利說明】基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及三維成像【技術領域】，具體是基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像 獲取裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 人們觀察物體時，能很自然地產生立體感，感受周圍的三維場景。傳統的二維成像 方法在工業中已被廣泛應用，但它不包括第三維的距離或深度信息，很難充分地描述真實 三維場景中物體的位置、運動信息以及詳盡的幾何形狀。隨著科學技術的發展，在諸如工業 產品加工和檢測、國防航天、無人車導航以及醫學等領域都迫切需要一種高性能深度圖像 獲取方法。
[0003] 現有的深度圖像獲取方法主要包括接觸式與非接觸式兩種，其中基於光學測距的 深度圖像獲取方法屬於非接觸式，具有測量範圍大、解析度高、無需接觸、抗外界環境幹擾 強的優點，因此成為國內外的研究熱點。目前研究的大部分光學深度圖像獲取系統均是基 於三角法或飛行時間原理來測量距離的。基於三角法測距的深度圖像獲取系統，例如雙目 視覺系統和結構光成像系統，需要處理"陰影"效應（Shadow effects)或投影條紋"模糊" 問題（Ambiguity problems)，因此一般只能使用在對比度高的測量場合，不適宜遠距離大 目標深度圖像的獲取。與該類成像系統相比，基於飛行時間測距的深度圖像獲取系統由於 光的發射和接收幾乎在同一條直線上，可以明顯"分辨"各個被測點的信息，因此不會出現 三角法測距中存在的"陰影"或投影"模糊"問題；利用高靈敏度傳感器還可以實現遠距離 大目標的深度圖像獲取。此外，基於飛行時間測距的深度圖像獲取系統還具有原理簡單、測 距精度高、無需參考面等優點。
[0004] 在傳統的基於飛行時間測距的深度圖像獲取系統中，關於飛行時間的獲取方法主 要分為窄脈衝延遲時間的直接測量法和連續波相移的間接測量法。利用窄脈衝延遲時間測 距，需要極窄的脈衝信號以及精確的時間測量單元來提高測量精度，對系統的帶寬和硬體 要求高，測量精度普遍不高。在傳統的連續波相移測量的方法中，基於離散傅立葉變換理 論（DFT)的四點法由於具有計算量小，實時性好等優點而成為主流，但是目前傳統的四點 法普遍存在採樣時間窗口過短，信噪比低，測量精度差的缺點；同時在實際測距中，由於光 源（雷射器、LED等）調製非線性以及高次諧波的幹擾，回波波形存在嚴重畸變（如圖5所 示），使得這些基於短採樣時間窗口的傳統四點相移測距系統測量誤差變得很大。
[0005] 另外，在傳統的基於飛行時間測距的深度圖像獲取系統中，主要通過二維宏觀機 械掃描實現整個三維空間的測量，這種深度圖像獲取技術原理簡單、可探測距離遠、精度 高，但是由於使用了精密、笨重且價格昂貴的宏觀機械掃描裝置和光學元件，該類系統一般 抗振性能差、體積大、成本高、像素低；同時，由於宏觀的機械掃描裝置自身掃描速度慢，在 長時間使用過程中存在老化和磨損現象，使用該方法獲得的深度圖像的套準精度低，實時 性差，且常常不適用於動態目標或場景的測量。為此，近年來許多國外的成像公司，如瑞士 Mesa公司、德國PMD公司等開始研發一種新型的小體積Lock-in (XD圖像傳感器，它採用 低發射功率的LED作為光源，且每個像素都能同步解調入射光的幅度和相位信息，可實現 非機械掃描、高配準精度的三維測距成像，但是由於該CCD探測靈敏度低，該方法目前測程 短、測距解析度低；另外，該CCD器件單個像素結構複雜，製作工藝難度大，因此目前像素 低、成本高。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在於提供基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置及方 法，彌補現有深度圖像測量技術的不足，尤其是解決深度圖像像素少以及相移測距精度低 等問題。
[0007] 本發明的技術方案為：
[0008] 基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置，包括光源模塊、光學掃描模 塊、光電轉換與信號處理模塊和控制模塊；
[0009] 所述光源模塊，包括依次連接的振蕩器、分頻器、調製波形發生器和光源；
[0010] 所述光學掃描模塊包括依次設置在光源輸出光路上的勻光棒、第一聚焦透鏡和 DMD、依次設置在DMD反射光路上的半反半透鏡和投影組合透鏡以及依次設置在半反半透 鏡反射光路上的第二聚焦透鏡、帯通濾光片和光闌，所述DMD將勻光棒的輸出光通過半反 半透鏡和投影組合透鏡投影到被測物體上；被測物體的散射光通過投影組合透鏡和半反半 透鏡依次作用於第二聚焦透鏡、帯通濾光片和光闌；
[0011] 所述光電轉換與信號處理模塊包括單光子探測模塊、積分選通模塊、電脈衝信號 計數模塊和深度圖像像素值計算模塊，所述單光子探測模塊的輸入端連接光闌的出射端， 所述單光子探測模塊的輸出端通過積分選通模塊連接電脈衝信號計數模塊的輸入端，所述 電脈衝信號計數模塊的輸出端連接深度圖像像素值計算模塊的輸入端，所述積分選通模塊 的輸入端連接振蕩器的輸出端；
[0012] 所述控制模塊包括控制器、顯示模塊和存儲模塊，所述控制器的輸入端連接深度 圖像像素值計算模塊的輸出端，所述控制器的輸出端連接顯示模塊、存儲模塊、積分選通模 塊和電脈衝信號計數模塊的輸入端，所述控制器與DMD交互式信號連接。
[0013] 所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置，所述單光子探測模塊 包括單光子雪崩光電二極體、放大器、濾波器、比較器和高壓電源模塊，所述單光子雪崩光 電二極體的輸入端連接光闌的出射端，所述單光子雪崩光電二極體的輸出端依次通過放大 器、濾波器和比較器連接積分選通模塊；所述高壓電源模塊，用於為單光子雪崩光電二極體 提供高壓工作電源，使其工作於蓋革模式下；所述電脈衝信號計數模塊由第一計數器、第二 計數器、第三計數器和第四計數器組成。
[0014] 所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置，所述光源採用雷射二 極管或LED光源。
[0015] 所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方法，包括以下 步驟：
[0016] (1)振蕩器輸出信號，經由分頻器後作用於調製波形發生器，產生帶有正向偏置的 調製正弦波信號，所述調製正弦波信號作用於光源，產生高速正弦波調製光，所述高速正弦 波調製光經過勻光棒和第一聚焦透鏡後入射到DMD上；
[0017] (2)控制器控制DMD開啟一個像素，進行被測物體深度圖像一個像素值的測量； DMD開啟完畢後，向控制器發送開啟完畢信號，並將反射的高速正弦波調製光通過半反半透 鏡和投影組合透鏡投影到被測物體上；被測物體的散射光經過投影組合透鏡收集後，再經 由半反半透鏡反射後依次作用於第二聚焦透鏡、帯通濾光片和光闌，單光子探測模塊對從 光闌出射的散射光進行探測，產生相應的電脈衝信號發送給積分選通模塊；
[0018] (3)控制器接收到DMD反饋的開啟完畢信號後，使能積分選通模塊；積分選通模塊 以振蕩器的輸出信號為參考時鐘，在振蕩器輸出信號的每個上升沿來臨時，切換選通計數 器，並利用計數器對接收到的電脈衝信號進行累計計數，再利用四個計數器的計數值，計算 獲得被測物體深度圖像的一個像素值，實現積分相位測距；
[0019] ⑷在被測物體深度圖像的一個像素值測量完成後，控制器將四個計數器清零並 關閉積分選通模塊；
[0020] (5)重複上述步驟（2)?（4)，控制器控制DMD逐個像素掃描被測物體；在所有像 素掃描完成後，控制器將測量的被測物體深度圖像每個像素值按照DMD的像素掃描次序排 列，獲得被測物體的深度圖像，存儲於存儲模塊，並在顯示模塊上顯示。
[0021] 所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方法，步驟（1) 中，所述分頻器對振蕩器的輸出信號進行四分頻。
[0022] 所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方法，步驟（2) 中，所述DMD每次開啟一片微鏡作為一個像素，或每次同時開啟相鄰的多片微鏡作為一個 像素。
[0023] 所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方法，步驟（3) 中，所述積分相位測距實現的流程包括以下兩個步驟：
[0024] (a)完成正弦波調製光每四分之一周期內光強的積分：在振蕩器輸出信號的每個 上升沿來臨時，由控制器依次開啟四個計數器中的一個進行計數，即在第一個上升沿來臨 時，開啟第一計數器計數；第二個上升沿來臨時，開啟第二計數器計數，同時關閉第一計數 器；第三個上升沿來臨時，開啟第三計數器計數，同時關閉第二計數器；第四個上升沿來臨 時，開啟第四計數器計數，同時關閉第三計數器；後面以此類推，循環操作；即將正弦波調 制光的周期平均分為四份，利用四個計數器分別在正弦波調製光每四分之一周期內，記錄 電脈衝信號上升沿的數量，實現正弦波調製光的每四分之一周期內光強的積分；
[0025] (b)計算被測物體深度圖像的像素值：按照步驟（a)累積測量若干個正弦波調製 光整周期後，四個計數器將各自的計數值發送給深度圖像像素值計算模塊，所述深度圖像 像素值計算模塊按照以下公式對被測物體深度圖像的一個像素值進行計算，並將計算結果 發送給控制器：
[0026]
【權利要求】
1. 基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置，其特徵在於：包括光源模塊 (100)、光學掃描模塊（200)、光電轉換與信號處理模塊（300)和控制模塊（400); 所述光源模塊（100)，包括依次連接的振蕩器（101)、分頻器（102)、調製波形發生器 (103)和光源（104); 所述光學掃描模塊（200)包括依次設置在光源輸出光路上的勻光棒（201)、第一聚焦 透鏡（202A)和DMD (204)、依次設置在DMD (204)反射光路上的半反半透鏡（203)和投影組 合透鏡（205)以及依次設置在半反半透鏡（203)反射光路上的第二聚焦透鏡（202B)、帯通 濾光片（206)和光闌（207)，所述DMD(204)將勻光棒（201)的輸出光通過半反半透鏡（203) 和投影組合透鏡（205)投影到被測物體（11)上；被測物體（11)的散射光通過投影組合透 鏡（205)和半反半透鏡（203)依次作用於第二聚焦透鏡（202B)、帯通濾光片（206)和光闌 (207)； 所述光電轉換與信號處理模塊（300)包括單光子探測模塊（301)、積分選通模塊 (302) 、電脈衝信號計數模塊（303)和深度圖像像素值計算模塊（304)，所述單光子探測模 塊（301)的輸入端連接光闌（207)的出射端，所述單光子探測模塊（301)的輸出端通過積 分選通模塊（302)連接電脈衝信號計數模塊（303)的輸入端，所述電脈衝信號計數模塊 (303) 的輸出端連接深度圖像像素值計算模塊（304)的輸入端，所述積分選通模塊（302)的 輸入端連接振蕩器（102)的輸出端； 所述控制模塊（400)包括控制器（401)、顯示模塊（402)和存儲模塊（403)，所述控 制器（401)的輸入端連接深度圖像像素值計算模塊（304)的輸出端，所述控制器（401)的 輸出端連接顯示模塊（402)、存儲模塊（403)、積分選通模塊（302)和電脈衝信號計數模塊 (303)的輸入端，所述控制器（401)與DMD(204)交互式信號連接。
2. 根據權利要求1所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置，其特徵 在於：所述單光子探測模塊（301)包括單光子雪崩光電二極體（301A)、放大器（301C)、濾波 器（301D)、比較器（301E)和高壓電源模塊（301B)，所述單光子雪崩光電二極體（301A)的 輸入端連接光闌（207)的出射端，所述單光子雪崩光電二極體（301A)的輸出端依次通過放 大器（301C)、濾波器（301D)和比較器（301E)連接積分選通模塊（302);所述高壓電源模 塊（301B)，用於為單光子雪崩光電二極體（301A)提供高壓工作電源，使其工作於蓋革模式 下；所述電脈衝信號計數模塊（303)由第一計數器（303A)、第二計數器（303B)、第三計數器 (303C)和第四計數器（303D)組成。
3. 根據權利要求1所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置，其特徵 在於：所述光源（104)採用雷射二極體或LED光源。
4. 根據權利要求1所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方 法，其特徵在於，包括以下步驟： (1) 振蕩器（101)輸出信號，經由分頻器（102)後作用於調製波形發生器（103)，產 生帶有正向偏置的調製正弦波信號，所述調製正弦波信號作用於光源（104)，產生高速正 弦波調製光，所述高速正弦波調製光經過勻光棒（201)和第一聚焦透鏡（202A)後入射到 DMD (204)上； (2) 控制器（401)控制DMD(204)開啟一個像素，進行被測物體（11)深度圖像一個像素 值的測量；DMD(204)開啟完畢後，向控制器（401)發送開啟完畢信號，並將反射的高速正弦 波調製光通過半反半透鏡（203)和投影組合透鏡（205)投影到被測物體（11)上；被測物體 (11)的散射光經過投影組合透鏡（205)收集後，再經由半反半透鏡（203)反射後依次作用 於第二聚焦透鏡（202B)、帯通濾光片（206)和光闌（207)，單光子探測模塊（301)對從光闌 (207)出射的散射光進行探測，產生相應的電脈衝信號發送給積分選通模塊（302); (3)控制器（401)接收到DMD(204)反饋的開啟完畢信號後，使能積分選通模塊（302); 積分選通模塊（302)以振蕩器（101)的輸出信號為參考時鐘，在振蕩器（101)輸出信號的 每個上升沿來臨時，切換選通計數器，並利用計數器對接收到的電脈衝信號進行累計計數， 再利用四個計數器的計數值，計算獲得被測物體（11)深度圖像的一個像素值，實現積分相 位測距； ⑷在被測物體（11)深度圖像的一個像素值測量完成後，控制器（401)將四個計數器 清零並關閉積分選通模塊（302); (5)重複上述步驟⑵?（4)，控制器（401)控制DMD (204)逐個像素掃描被測物體； 在所有像素掃描完成後，控制器（401)將測量的被測物體（11)深度圖像每個像素值按照 DMD (204)的像素掃描次序排列，獲得被測物體（11)的深度圖像，存儲於存儲模塊（403)，並 在顯示模塊（402)上顯示。
5. 根據權利要求4所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方 法，其特徵在於：步驟（1)中，所述分頻器（102)對振蕩器（101)的輸出信號進行四分頻。
6. 根據權利要求4所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方 法，其特徵在於：步驟（2)中，所述DMD(204)每次開啟一片微鏡作為一個像素，或每次同時 開啟相鄰的多片微鏡作為一個像素。
7. 根據權利要求4所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方 法，其特徵在於：步驟（3)中，所述積分相位測距實現的流程包括以下兩個步驟： (a) 完成正弦波調製光每四分之一周期內光強的積分：在振蕩器（101)輸出信號的每 個上升沿來臨時，由控制器（401)依次開啟四個計數器中的一個進行計數，即在第一個上 升沿來臨時，開啟第一計數器（303A)計數；第二個上升沿來臨時，開啟第二計數器（303B) 計數，同時關閉第一計數器（303A);第三個上升沿來臨時，開啟第三計數器（303C)計數，同 時關閉第二計數器（303B);第四個上升沿來臨時，開啟第四計數器（303D)計數，同時關閉 第三計數器（303C);後面以此類推，循環操作；即將正弦波調製光的周期平均分為四份，利 用四個計數器分別在正弦波調製光每四分之一周期內，記錄電脈衝信號上升沿的數量，實 現正弦波調製光的每四分之一周期內光強的積分； (b) 計算被測物體（11)深度圖像的像素值：按照步驟（a)累積測量若干個正弦波調製 光整周期後，四個計數器將各自的計數值發送給深度圖像像素值計算模塊（304)，所述深度 圖像像素值計算模塊（304)按照以下公式對被測物體（11)深度圖像的一個像素值進行計 算，並將計算結果發送給控制器（401) : ^ rarctan(C4-C3)+arctan(C*- C2)+arc 16/T./〇L q -Q Cl -Γ4 C2-C3 C2-C3 其中，d表示被測物體深度圖像的一個像素值，c表示光速，&表示正弦波調製光頻率， Q、C2、C3、C4分別表示四個計數器的計數值。
8. 根據權利要求4所述的基於DMD掃描和積分相移測距的深度圖像獲取裝置的獲取方 法，其特徵在於：步驟（3)中，在計數過程中，當振蕩器（101)輸出信號的上升沿來臨時，若 該時刻被積分選通模塊（302)切換選通的計數器檢測到的電脈衝信號為高電平，則該電脈 衝信號不被該計數器記錄。
【文檔編號】G02B27/22GK104301707SQ201410566345
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】王煥欽, 楊義新, 黃哲, 曹陽陽, 桂華僑, 王傑, 陳寅 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院