数字微镜阵列编码闪光三维成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种数字微镜阵列编码闪光三维成像装置及方法。所述装置包括：计算机；中心控制器生成编码闪光工作时序；脉冲激光器产生激光脉冲；照明镜头视场内的成像目标进行照明；成像镜头收集所述成像目标经过所述激光脉冲照射后形成的目标回波信号；选通快门采集目标回波信号并放大；整形透镜将所述选通快门放大后的目标回波信号进行光学整形后耦合至数字微镜阵列；数字微镜阵列将所述目标回波信号的一部分反射至耦合透镜，将其余部分将所述目标回波信号反射至吸光板；耦合透镜将数字微镜阵列反射的目标回波信号进行整形，并耦合至图像传感器；图像传感器根据所接收到的目标回波信号成像；吸光板吸收照射至其上的目标回波信号。

【技术实现步骤摘要】
数字微镜阵列编码闪光三维成像方法及装置
本专利技术属于三维成像
，具体涉及一种数字微镜阵列编码闪光三维成像方法及装置。
技术介绍
远距离、快速三维成像在航天交会对接、避障导航、导弹制导以及复杂环境下动目标探测及识别等领域具有重要意义和广泛的应用前景。目前远距离、快速三维成像的典型代表技术是三维闪光激光成像雷达(FlashLidar)，该技术采用脉冲激光器作为照明光源，采用雪崩光电二极管(APD)阵列作为探测器，并配以高速的读出集成电路，工作时，脉冲激光器发射一个激光脉冲后，每个APD单元利用读出集成电路可记录激光脉冲经目标反射后形成的回波信号的强度以及时延信息，进而利用时延信息可反演出成像视场内三维场景信息，因此，闪光激光成像雷达可实现利用一个激光脉冲获取全景图像三维信息的效果，是一种非扫描、快速三维成像技术。但是该技术受限于高速读出集成电路的发展，APD阵列集成度不高，目前APD阵列单元数最高约为128×128，单次成像仍难以实现高分辨率(高像素数)三维成像。为实现高分辨率、快速三维成像，2007年法德圣路易斯研究院MartinLaurenzis等人提出了一种基于梯形包络的距离选通超分辨率三维成像技术(MartinLaurenzis，FrankChristnacher，andDavidMonnin，Long-rangethree-dimensionalactiveimagingwithsuperresolutiondepthmapping，Opt.Lett.，2007，Vol.32(21)，3146-3148)，该技术通过匹配激光脉冲和选通脉冲间的延时及脉冲宽度等时域信息，构造出具有梯形距离能量包络的二维选通切片图像，进而最少可通过两幅空间交叠的选通切片图像实现三维成像。2012年中国科学院半导体研究所王新伟等人对梯形包络距离选通超分辨率三维成像技术进行了改进，提出了一种基于三角形包络的距离选通超分辨率三维成像(中国专利技术专利，申请号201210430995.6)，与德法圣路易斯研究院的方法不同，在该方法中二维选通切片图像的距离能量包络为三角形，同样地，该方法可最少通过两幅二维选通切片图像反演出三维图像。与三维闪光激光成像雷达相比，距离选通超分辨率三维成像技术采用CCD或CMOS图像传感器作为成像器件，像素数大幅提高，可实现像素数大于1000×1000高分辨率三维成像。虽然距离选通超分辨率三维成像可通过两幅选通切片图像实现快速三维重建，但是由于CCD或CMOS器件是一种时间积分器件，获取图像需要一定的曝光时间，因此，获取两幅选通切片图像时两帧图像的帧间延时将会引起运动目标的像素错位，尤其是对于高速运动的物体成像时，这将导致三维反演存在较大误差或三维反演失败等问题，使得现有距离选通超分辨率三维成像难以实现实时三维成像。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对上述现有技术存在的不足之处，本专利技术的主要目的在于提出一种数字微镜阵列编码闪光三维成像方法及其装置，以达到解决距离选通超分辨率三维成像中图像传感器帧间延时导致动目标三维成像存在较大误差或失败的问题的目的，实现实时距离选通超分辨率三维成像。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种数字微镜阵列编码闪光三维成像装置，该装置包括：计算机：用于设置工作参数以及图像解码；中心控制器：其用于根据设置的工作参数生成编码闪光工作时序，所述编码闪光工作时序用于同步激脉冲激光器、图像传感器、数字微镜阵列、和选通快门；脉冲激光器：其根据所述编码闪光工作时序的产生激光脉冲；照明镜头：其用于将所述脉冲激光器产生的激光脉冲进行整形后，对视场内的成像目标进行照明；成像镜头：用于收集所述成像目标经过所述激光脉冲照射后形成的目标回波信号，并将其汇聚至选通快门；选通快门：其在所述编码闪光工作时序的触发下开启并产生一个选通脉冲，用于采集目标回波信号并放大；整形透镜：其用于将所述选通快门放大后的目标回波信号进行光学整形后耦合至数字微镜阵列；数字微镜阵列：其包括多个行列分布的微镜单元，其在所述编码闪光工作时序的控制下，保持部分微镜单元处于开态，其余部分处于关态，处于开态的部分微镜单元将所述目标回波信号反射至耦合透镜，处于关态的其余部分将所述目标回波信号反射至吸光板；耦合透镜：其用于将数字微镜阵列反射的目标回波信号进行整形，并耦合至图像传感器；图像传感器：其根据所接收到的目标回波信号成像，其中所述成像的像素数与所述数字微镜阵列中的微镜单元个数相同，且每个像素对应一个微镜单元；吸光板：其用于吸收照射至其上的目标回波信号。本专利技术提供了一种利用如上所述的数字微镜阵列编码闪光三维成像装置的成像方法，包括：步骤1、利用计算机设置工作参数，并将其发送给中心控制器；步骤2、所述中心控制器根据所述工作参数产生编码闪光工作时序，并产生数控变焦控制信号，其中，所述编码闪光工作时序包括脉冲激光器TTL信号、选通快门TTL信号、图像传感器TTL信号和控制数字微镜阵列中各微镜单元开关的信号，分别用于同步激脉冲激光器、选通快门、图像传感器和数字微镜阵列；步骤3、脉冲激光器在中心控制器输出的脉冲激光器TTL信号触发下产生激光脉冲，照明镜头按照中心控制器输出的数控变焦控制信号调节照明视场，激光脉冲经照明镜头整形后对视场内的成像目标进行照明，当激光脉冲传输至目标时，形成后向传播的目标回波信号，该目标回波信号被经中心控制器输出的数控变焦控制信号调焦后的成像镜头收集，汇聚至选通快门，选通快门在中心控制器输出的选通快门TTL信号触发下开启工作，形成一个选通脉冲，经过选通快门采集并放大的目标回波信号透过整形透镜耦合至数字微镜阵列，数字微镜阵列在中心控制器输出的控制数字微镜阵列中各微镜单元开关的信号下实现正片模式和负片模式的空间光调制，处于关态的微镜单元反射目标回波信号至吸光板，被吸光板吸收，而处于开态的微镜单元则反射目标回波信号至耦合透镜，经耦合透镜耦合至图像传感器，图像传感器在中心控制器输出的图像传感器TTL信号触发下开始曝光工作，采集数字微镜阵列中开态微镜单元反射回的目标回波信号，将该回波信号转换为电信号，输出编码图像；步骤4、对编码图像进行解码，解码输出A型图像和B型图像，其中A型图像中行列数同为奇数或偶数的像素值等于编码图像中行列数同为奇数或偶数的像素值，其余像素值为其邻域像素值的均值；所述B型图像中行列数不同为奇数或偶数的像素值等于编码图像中行列数不同为奇数或偶数的像素值，其余像素值为其邻域像素值的均值；步骤5、根据所述A型图像和B型图像，采用距离选通超分辨率三维成像算法进行重建成像目标的三维图像。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1、利用本专利技术，由于采用数字微镜阵列编码的方式，可实现在图像传感器一帧图像中同时获取用于距离选通超分辨率三维成像三维反演的两幅空间相关的选通切片图像，所以，本专利技术可解决距离选通超分辨率三维成像中图像传感器帧间延时引起的动目标三维反演存在较大误差或失败的问题。2、利用本专利技术，由于采用数字微镜阵列编码方式后可实现单帧图像获取两幅用于距离选通超分辨率三维成像的选通切片图像，进而进行目标三维反演重建，所以，利用本专利技术可实现实时三维成像，三维成像的帧频与图像传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字微镜阵列编码闪光三维成像装置，其特征在于，该装置包括：计算机：用于设置工作参数以及图像解码；中心控制器：其用于根据设置的工作参数生成编码闪光工作时序，所述编码闪光工作时序用于同步激脉冲激光器、图像传感器、数字微镜阵列、和选通快门；脉冲激光器：其根据所述编码闪光工作时序的产生激光脉冲；照明镜头：其用于将所述脉冲激光器产生的激光脉冲进行整形后，对视场内的成像目标进行照明；成像镜头：用于收集所述成像目标经过所述激光脉冲照射后形成的目标回波信号，并将其汇聚至选通快门；选通快门：其在所述编码闪光工作时序的触发下开启并产生一个选通脉冲，用于采集目标回波信号并放大；整形透镜：其用于将所述选通快门放大后的目标回波信号进行光学整形后耦合至数字微镜阵列；数字微镜阵列：其包括多个行列分布的微镜单元，其在所述编码闪光工作时序的控制下，保持部分微镜单元处于开态，其余部分处于关态，处于开态的部分微镜单元将所述目标回波信号反射至耦合透镜，处于关态的其余部分将所述目标回波信号反射至吸光板；耦合透镜：其用于将数字微镜阵列反射的目标回波信号进行整形，并耦合至图像传感器；图像传感器：其根据所接收到的目标回波信号成像，其中所述成像的像素数与所述数字微镜阵列中的微镜单元个数相同，且每个像素对应一个微镜单元；吸光板：其用于吸收照射至其上的目标回波信号。...

【技术特征摘要】
1.一种数字微镜阵列编码闪光三维成像装置，其特征在于，该装置包括：计算机：用于设置工作参数以及图像解码；中心控制器：其用于根据设置的工作参数生成编码闪光工作时序，所述编码闪光工作时序用于同步激脉冲激光器、图像传感器、数字微镜阵列、和选通快门；脉冲激光器：其根据所述编码闪光工作时序的产生激光脉冲；照明镜头：其用于将所述脉冲激光器产生的激光脉冲进行整形后，对视场内的成像目标进行照明；成像镜头：用于收集所述成像目标经过所述激光脉冲照射后形成的目标回波信号，并将其汇聚至选通快门；选通快门：其在所述编码闪光工作时序的触发下开启并产生一个选通脉冲，用于采集目标回波信号并放大；整形透镜：其用于将所述选通快门放大后的目标回波信号进行光学整形后耦合至数字微镜阵列；数字微镜阵列：其包括多个行列分布的微镜单元，其在所述编码闪光工作时序的控制下，保持部分微镜单元处于开态，其余部分处于关态，处于开态的部分微镜单元将所述目标回波信号反射至耦合透镜，处于关态的其余部分将所述目标回波信号反射至吸光板；耦合透镜：其用于将数字微镜阵列反射的目标回波信号进行整形，并耦合至图像传感器；图像传感器：其根据所接收到的目标回波信号成像，其中所述成像的像素数与所述数字微镜阵列中的微镜单元个数相同，且每个像素对应一个微镜单元；吸光板：其用于吸收照射至其上的目标回波信号；其中，在编码闪光工作时序下，在图像传感器一帧的曝光时间里包含一个A型子帧和一个B型子帧，工作过程中，A型子帧和B型子帧具有不同的选通延时，从而实现不同成像区间的A型子帧成像区间和B型子帧成像区间的信息采集，通过偶数数字微镜阵列对A型子帧和B型子帧采集的信息进行编码调制，进而实现图像传感器单帧获取两子帧成像区间图像的目的，输出一帧编码图像，然后，可通过对该编码图像解码获得A型子帧图像和B型子帧图像，并分别对两幅子帧图像进行图像插值，插值重建A型图像和B型图像，最后，基于重建的A型图像和B型图像通过距离选通超分辨率三维成像算法进行三维反演重建，实现三维成像。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述数字微镜阵列在所述编码闪光工作时序的控制下包括两种编码调制模式：正片模式和负片模式；其中正片模式下，所述数字微镜阵列中微镜单元所处的行数和列数同为奇数或偶数时，所述微镜单元处于开态，其余微镜单元处于关态；负片模式下则相反。3.如权利要求2所述的装置，其中，所述编码闪光工作时序中控制图像传感器的同步信号包括A型子帧和B型子帧；每一子帧对应一个激光脉冲和一个选通脉冲；其中，A型子帧下所述数字微镜阵列处于正片模式，B型子帧下所述数字微镜阵列处于负片模式。4.如权利要求3所述的装置，其中，所述计算机对所述图像传感器产生的编码图像进行解码输出A型图像和B型图像，其中A型图像中行列数同为奇数或偶数的像素值等于编码图像中行列数同为奇数或偶数的像素值，其余像素值为其邻域像素值的均值；所述B型图像中行列数不同为奇数或偶数的像素值等于编码...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新伟，李友福，周燕，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11