相对于普通二维图像,三维图像能给我们带来更逼真的视觉体验,具有更广阔的应用前景。近年来,随着各种高新技术的发展和相关国家政策的支持,三维成像应用在各个领域受到了广泛关注,尤其是在虚拟现实、3D打印、机器视觉和人工智能等领域。因此,设计出一种能够精确地测量三维场景的立体成像系统尤为重要。本文从三维成像的应用出发,分析了几种三维测量系统的成像原理,对比了他们的优缺点,选定了飞行时间法测距作为重点研究对象,设计实现了一种基于飞行时间法的三维成像系统。TOF测量技术包括直接TOF测量和间接TOF测量。本文在对比分析了这2种测量理论的基础上,采用了间接TOF测量技术——模拟信号相位调制解调。利用相位调制的主要目的是通过4次采样来测量调制发射信号与反射信号之间的相位延时,即模拟调制光信号在往返测量系统与目标场景过程中产生的相位差,再根据调制频率、光速计算出距离。TOF测量成像系统采用主动光源辐射调制红外信号到目标场景,接收端由感应特定波长信号的飞行时间传感器来同步解调包含有距离信息的反射信号。与此同时,本论文针对飞行时间测距精度和测量范围不足的问题,通过对其进行深入分析,改进了现有的曝光算法,引出了一种可改善测距精度或和测量范围的自动曝光算法。该自动曝光算法根据目标场景来选取感兴趣区域并自动调整调制光源的曝光时间,防止目标曝光过度或曝光不足,从而提高精度和测量范围。最后,本论文利用飞行时间法三维测距理论,分别从硬件和软件2个部分对3D TOF成像系统进行设计。硬件部分以TOF图像传感器为核心,由采集模块、控制模块、转换模块、接口模块和显示模块构成。主要功能是负责采集图像信号,将光信号转换为电信号,并通过转换处理后发送图像信号到上位机应用软件。上位机软件则是负责图像数据的接收与存储、4次采样测距算法的实现、图像滤波去噪处理、三维点云重建、以及灰度图像和三维点云图像的显示等。