一种凝视型无镜头激光三维成像装置及成像方法制造方法及图纸

为解决传统三维成像装置体积较大，成本较高的问题，本发明专利技术提供了一种凝视型无镜头激光三维成像装置及成像方法。其中，三维成像装置包括脉冲激光器、光束整形器、光调制器、阵列探测器和信号处理单元；脉冲激光器用于产生脉冲激光；光束整形器用于对脉冲激光进行整形，使激光脉冲能够均匀入射到待测目标表面；光调制器用于对待测目标反射回来的回波脉冲光信号进行调制；阵列探测器用于接收经光调制器调制后的回波脉冲光信号；信号处理单元与脉冲激光器和阵列探测器均电连接；阵列探测器产生的信号输入至信号处理单元，由信号处理单元将阵列探测器输出的数据进行处理，重建待测目标的三维图像。本发明专利技术三维成像装置省去了光学镜头，体积小、成本低。

Staring 3D laser imaging device without lens and imaging method

To solve the problems of large volume and high cost of traditional three-dimensional imaging device, the invention provides a staring type lensless laser three-dimensional imaging device and an imaging method. The three-dimensional imaging device includes a pulse laser, a beam shaper, a light modulator, an array detector and a signal processing unit; a pulse laser is used to generate a pulse laser; a beam shaper is used to shape the pulse laser so that the laser pulse can be uniformly incident on the target surface; and a light modulator is used to treat the target. The echo pulse light signal reflected from the measuring target is modulated; the array detector is used to receive the echo pulse light signal modulated by the optical modulator; the signal processing unit is electrically connected with the pulse laser and the array detector; the signal generated by the array detector is input to the signal processing unit, and the array is processed by the signal processing unit. The output data of the detector is processed to reconstruct the three-dimensional image of the target. The 3D imaging device eliminates the optical lens, and has small volume and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种凝视型无镜头激光三维成像装置及成像方法
本专利技术属于三维成像
，特别涉及一种凝视型无镜头激光三维成像装置及成像方法。
技术介绍
在智能化、自动化、信息化的社会，二维图像信息已经不能满足人们的需求，在生产与生活中，人们对真实场景的三维图像获取需求不断增长。基于光学传感的三维成像技术具有非接触、成像效率高等优点，在工业制造、科学研究、文化生活等领域具有广泛的应用。现有的传统三维成像技术主要有双目视觉法和激光主动探测法。双目视觉法即采用相机在不同方位坐标上获得同一目标的不同维度信息，再经过后期数据处理重建得到被测目标的三维图像；激光主动探测法即采用激光入射目标获取某点的距离信息，通过扫描装置或者阵列探测器获取目标不同部位的距离信息，再经过后期信号处理重建出目标三维图像。基于上述方法的传统三维成像装置都必须采用光学镜头将目标反射的光波耦合至相机或者是耦合至探测器，这使得成像装置体积较大，成本较高，限制了这些三维成像装置的应用。另外，在物联网图像数据采集，可穿戴设备，嵌入式成像，识别跟踪组件中通常需要成像装置满足紧凑的外形、轻质量、低功耗、低成本等要求。传统三维成像装置由于透镜的数量与厚度，透镜前后需要保留的距离空间，法兰距等因素使得成像装置的厚度不能进一步缩小。
技术实现思路
为解决传统三维成像装置体积较大，成本较高的问题，本专利技术提供了一种凝视型无镜头激光三维成像装置及成像方法。本专利技术的技术解决方案是：一种凝视型无镜头激光三维成像装置，其特殊之处在于：包括脉冲激光器、光束整形器、光调制器、阵列探测器和信号处理单元；脉冲激光器用于产生脉冲激光；光束整形器用于对所述脉冲激光进行整形，使激光脉冲能够均匀入射到待测目标表面；光调制器用于对待测目标反射回来的回波脉冲光信号进行调制；阵列探测器用于接收经光调制器调制后的回波脉冲光信号；信号处理单元同时与脉冲激光器和阵列探测器电连接；阵列探测器产生的信号输入至信号处理单元，由信号处理单元将阵列探测器输出的数据进行处理，重建待测目标的三维图像。进一步地，所述光调制器为具有滤波功能的光调制器。进一步地，所述光调制器为采用具有滤光作用材料制成的编码掩模光调制器，掩模图案采用二维可分离编码图案。进一步地，所述光调制器为不具有滤波功能的光调制器，光调制器前加设滤波片。进一步地，所述光调制器与阵列探测器集成贴放在一起，或者所述光调制器设置在阵列探测器前方。进一步地，若所述光调制器设置在阵列探测器前方，光调制器应距离阵列探测器的光敏面1-2mm处。进一步地，所述脉冲激光器为小型激光器。本专利技术同时提供了利用凝视型无镜头激光三维成像装置的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1，获取待测目标的强度图像；步骤2，获取待测目标的距离图像；步骤3，将待测目标的距离图像与强度图像进行数据处理融合，重建出待测目标的三维图像。进一步地，所述步骤1获取待测目标的强度图像的方法为：首先，确定光调制器的调制作用φ；然后，由阵列探测器获取待测目标的测量结果y；最后，根据y＝φ·x+e重建出待测目标的强度图像；上式中，x是一个表示待测目标场景的矩阵；y是一个表示阵列探测器测量结果的矩阵；φ是一个表示光调制器调制作用的矩阵，也即光调制器的离散点扩散函数；e表示成像装置的噪声项。进一步地，所述步骤2是采用距离门控时间切片方法获取待测目标的距离图像:首先，通过对阵列探测器进行延迟触发获取N幅待测目标的测量图像序列；其次，通过步骤1所述的强度图像获取方法获取由N幅待测目标的强度图像构成的强度图像序列{I1(x,y),I2(x,y),…,IN(x,y)}；然后，通过强度图像序列{I1(x,y),I2(x,y),…,IN(x,y)}计算出待测目标与阵列探测上像素(x,y)之间的往返飞行时间最后，获得待测目标与阵列探测上像素(x,y)之间的距离也即获取了待测目标的距离图像；上式中，Ii(x,y)表示待测目标的强度图像，i＝1,2,…,N表示获取的强度图像个数，表示这一系列强度图像的强度叠加，ti表示每个强度图像发射到阵列探测器上的时间。本专利技术具有的有益效果是：1)本专利技术的三维成像装置与现有技术相比，省去了光学镜头，因此，装置体积较小、成本低。2)本专利技术的三维成像装置中，光调制器靠近阵列探测器设置，优选的，距离阵列探测器的光敏面1-2mm，极大的减少了成像装置的厚度、体积与重量。3)本专利技术的三维成像装置中光调制器与阵列探测器在制造工艺允许的情况下，具有可集成贴放在阵列探测器前方，一体化加工制造的潜力。4)本专利技术的三维成像装置中，脉冲激光器采用小型激光器，进一步减小了装置的体积。5)本专利技术成像方法简单，便于实现。附图说明图1为本专利技术的凝视型无镜头激光三维成像装置的结构示意图。图2为本专利技术的凝视型无镜头激光三维成像装置的工作原理图。图3a为编码掩模光调制器示意图。图3b为图3a的编码掩模光调制器采用的一种二维可分离编码图案。图4为标定图案示例。图5为本专利技术的凝视型无镜头激光三维成像装置训练过程示意图。图6为利用时间切片技术获取的强度图像序列。图7为距离图像获取原理图。图8为本专利技术的三维成像流程图。附图标记说明：10-脉冲激光器，11-光束整形器，12-光调制器，13-阵列探测器，14-信号处理单元，15-待测目标。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术作进一步描述。如图1所示，本专利技术所提供的凝视型无镜头激光三维成像装置，包括脉冲激光器10、光束整形器11、光调制器12、阵列探测器13和信号处理单元14。脉冲激光器10用于发射激光脉冲，优选小型激光器；脉冲激光器10的波长根据阵列探测器选取：硅基的面阵探测器，其响应波段一般为300nm至1000nm，此时脉冲激光器10的激光波长可采用可见光波段，具体可以是532nm、632.8nm等等；对于基于InGaAs的面阵探测器时，激光器波长则需选取1000-1600nm波段，比如1064nm、1550nm。光束整形器11用于调整脉冲激光器发射出的激光脉冲的光斑大小、光斑能量分布等，使激光脉冲能够均匀入射到待测目标表面；光束整形器11优选工程漫反射体，发射图样为圆形图样，透射效率达90％以上。光调制器12用于调制待测目标反射回来的回波光；光调制器12可采用带滤波功能的光调制器，也可采用不带滤波功能的光调制器，而在光调制器前加滤波片。本专利技术优选具有滤光作用材料(只允许激光器发射的激光反射回波通过)制成的编码掩模光调制器，掩模图案采用二维可分离编码图案，该编码掩模光调制器具有简单且成本较低的优点。阵列探测器13，用于接收经光调制器12调制后的待测目标的回波信号，优选硅基的面阵探测器，其响应波段为300nm至1000nm。光调制器12与阵列探测器13以适当距离靠近放置在一起，优选的，光调制器设置在距离阵列探测器的光敏面1-2mm处。在一定条件下，光调制器12与阵列探测器13两者可集成在一起，一体化制造。信号处理单元14是一个芯片模块，与脉冲激光器10和阵列探测器13电连接，用于控制脉冲激光器10的输出与阵列探测器13的延迟与读出，记录阵列探测器13上的响应数据，将获取信息进行数据处理、重建出待测目标的三维图像。信号处理单元14可采用Xilin本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：包括脉冲激光器、光束整形器、光调制器、阵列探测器和信号处理单元；脉冲激光器用于产生脉冲激光；光束整形器用于对所述脉冲激光进行整形，使激光脉冲能够均匀入射到待测目标表面；光调制器用于对待测目标反射回来的回波脉冲光信号进行调制；阵列探测器用于接收经光调制器调制后的回波脉冲光信号；信号处理单元同时与脉冲激光器和阵列探测器电连接；阵列探测器产生的信号输入至信号处理单元，由信号处理单元将阵列探测器输出的数据进行处理，重建待测目标的三维图像。

【技术特征摘要】
1.一种凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：包括脉冲激光器、光束整形器、光调制器、阵列探测器和信号处理单元；脉冲激光器用于产生脉冲激光；光束整形器用于对所述脉冲激光进行整形，使激光脉冲能够均匀入射到待测目标表面；光调制器用于对待测目标反射回来的回波脉冲光信号进行调制；阵列探测器用于接收经光调制器调制后的回波脉冲光信号；信号处理单元同时与脉冲激光器和阵列探测器电连接；阵列探测器产生的信号输入至信号处理单元，由信号处理单元将阵列探测器输出的数据进行处理，重建待测目标的三维图像。2.根据权利要求1所述的凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：所述光调制器为具有滤波功能的光调制器。3.根据权利要求2所述的凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：所述光调制器为采用具有滤光作用材料制成的编码掩模光调制器，掩模图案采用二维可分离编码图案。4.根据权利要求1所述的凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：所述光调制器为不具有滤波功能的光调制器，光调制器前加设滤波片。5.根据权利要求1-4任一所述的凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：所述光调制器与阵列探测器集成贴放在一起，或者所述光调制器设置在阵列探测器前方。6.根据权利要求5所述的凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：若所述光调制器设置在阵列探测器前方，光调制器应距离阵列探测器的光敏面1-2mm处。7.根据权利要求5所述的凝视型无镜头激光三维成像装置，其特征在于：所述脉冲激光器为小型激光器。8.基于权利要求1-7任一所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马彩文，朱文华，苏秀琴，魏朝奇，汪书潮，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61