三维成像系统及方法技术方案

本申请公开了一种三维成像系统，包括：光学发射器，向目标场景发射光脉冲；光学调制器，对至少一部分从光学发射器发射的光脉冲和/或从目标场景返回的光脉冲的光学状态进行调制；光学元件阵列，接收经调制的返回部分，其中，至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，光学元件阵列具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能；光电探测器，包括成像透镜，接收通过光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及控制器，控制器通过电路向光学调制器施加控制，光学调制器基于控制将光脉冲的光学状态调制为时间的函数，并且控制器基于电信号和所施加的控制计算距离和/或相对光强。强。强。

【技术实现步骤摘要】
三维成像系统及方法


[0001]本申请涉及光学成像领域，尤其涉及用于捕获三维信息的三维成像系统及相关方法。

技术介绍

[0002]在一些传统的三维成像系统中，通过用激光脉冲照射对象，并且使用克尔盒或泡克尔斯盒来将从对象反射的激光脉冲的偏振状态改变为时间的函数，以获得目标对象的三维坐标。结果，由目标对象的更接近成像系统的特征(具有较短的飞行时间)反射的激光脉冲的各部分的偏振状态受影响程度较小，而由目标对象的更远离成像系统的特征(具有较长的飞行时间)反射的激光脉冲的各部分的偏振状态受影响程度较大。通过将偏振调制的激光束的两个偏振分量成像在两个分开的焦平面阵列上，可以计算关于目标对象的位置信息。
[0003]但是，上述方法需要将在两个焦平面上获取的图像进行标定、对齐，容易引入误差。此外，上述方法为了将偏振态分离，增加了许多附加的光学器件，从而导致光学设计更加复杂，并使得成本增加且系统尺寸和重量也增加。
[0004]现有的一些解决方案中，可以基于光信号的偏振态来确定飞行时间，其所采取的方式通常为：在电光调制器之前和之后各设置一个线偏振片，随着电光调制器对光信号的偏振方向的调制，检测通过两个线偏振片的光信号的强度，其中，设置在电光调制器之前的线偏振片和设置在电光调制器之后的线偏振片的偏振方向不平行。然而，由于设置在电光调制器之前和之后的线偏振片，使得来自目标场景的光信号的能量被大幅度减弱且通光量较低，由此造成测量精度较低，或者对成像芯片要求较为苛刻。

技术实现思路

[0005]本申请提出的三维成像系统以及使用三维成像系统测量的方法，可解决或部分解决现有技术中存在的问题。
[0006]根据本申请第一方面的三维成像系统可包括：光学发射器，向目标场景发射光脉冲，所述目标场景返回所述光脉冲中的至少一部分光脉冲。三维成像系统还可包括：光学调制器，对至少一部分从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的光脉冲的光学状态进行调制；光学元件阵列，接收经调制的至少一部分光脉冲，其中，至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，所述光学元件阵列具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能，所述光学状态可包括但不限于偏振状态、透射率、反射率；光电探测器，包括成像透镜，接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及控制器，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的至少一部分光脉冲的光学状态调制为时间的函数，并且所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目
标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
[0007]在一个实施方式中，所述光学状态可以是光的偏振状态。
[0008]在一个实施方式中，所述光学元件阵列可以包括具有彼此不同的固定偏振方向的至少三个偏振片。
[0009]在一个实施方式中，所述光学元件阵列至少包括一个偏振方向可调的偏振部件。
[0010]在一个实施方式中，所述光学元件阵列由四个偏振片组成，所述四个偏振部件呈田字形设置。
[0011]在一个实施方式中，所述光学元件阵列包括至少一个光学元件阵列单元，所述至少一个光学元件阵列单元中的每一个包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；以及所述光电探测器包括与所述至少一个光学元件阵列单元对应的至少一个光电探测器单元。
[0012]在一个实施方式中，所述光学元件阵列单元包括四个偏振片，所述四个偏振片呈田字形设置。
[0013]在一个实施方式中，所述四个偏振部件分别是0
°
方向偏振片、45
°
方向偏振片、90
°
方向偏振片和135
°
方向偏振片。
[0014]在一个实施方式中，所述至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件中的三个偏振部件分别是0
°
方向线偏振片、45
°
方向线偏振片、以及左旋或右旋偏振片。
[0015]在一个实施方式中，所述光学元件阵列包括薄膜偏振片、线栅偏振片、棱镜偏振器、液晶偏振片或其组合。
[0016]在一个实施方式中，所述光学调制器包括具有电光调制效应的晶体、液晶、和/或具有声光调制效应的晶体、液晶。
[0017]在一个实施方式中，所述光学调制器包括多个光学调制器，所述多个光学调制器串联连接。
[0018]在一个实施方式中，所述控制器与所述光学发射器和所述光学调制器单向通信，并且所述控制器与所述光电探测器双向通信。
[0019]在一个实施方式中，所述光学元件阵列和所述光电探测器一体地集成。
[0020]在一个实施方式中，所述光学发射器和所述光电探测器一体地集成、或者单独形成后进行集成。
[0021]在一个实施方式中，所述光脉冲的波长为300nm-750nm、700nm-1000nm、900nm-1600nm、1um-5um或3um-15um。
[0022]在一个实施方式中，所述光脉冲具有0.1ps-5ns、1ns-100ns、100ns-10us或10us-10ms的脉冲宽度。
[0023]在一个实施方式中，所述光电探测器包括硅基探测器CCD、CMOS，和/或Ge、InGaAs、InSb、InAs、HgCaTe、QWIP探测器或探测器阵列。
[0024]在一个实施方式中，三维成像系统还包括设置在所述光学调制器与所述光学元件阵列之间的成像透镜。
[0025]在一个实施方式中，三维成像系统还包括设置在所述光学调制器的、靠近所述目标场景的一侧上的线偏振片和/或圆偏振片。
[0026]另一方面，本申请还提供了一种形成三维成像系统的方法，包括：在光学发射器的光学路径上设置光学调制器，以使得所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回时具有随时间变化的光学态；通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；在所述光学元件阵列的后方部署光电探测器，以接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及设置控制器，以与所述光学发射器、所述光学调制器和所述光电探测器电连接，其中，所述控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数，以及所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号和施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
[0027]在一个实施方式中，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分的光学状态调制为时间的单调函数。
[0028]在一个实施方式中，形成三维成像系统的方法还包括在所述目标场景与所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维成像系统，包括：光学发射器，向目标场景发射光脉冲，所述目标场景返回所述光脉冲中的至少一部分光脉冲；其特征在于，所述三维成像系统还包括：光学调制器，对至少一部分从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的光脉冲的光学状态进行调制；光学元件阵列，接收经调制的至少一部分光脉冲，其中，至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，所述光学元件阵列具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能，所述光学状态包括偏振状态、透射率、反射率中的至少一种；光电探测器，包括成像透镜，接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及控制器，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的至少一部分光脉冲的光学状态调制为时间的函数，并且所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。2.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学状态是光的偏振状态。3.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列包括具有彼此不同的固定偏振方向的至少三个偏振片。4.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列至少包括一个偏振方向可调的偏振部件。5.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列由四个偏振部件组成，所述四个偏振部件呈田字形设置。6.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列包括至少一个光学元件阵列单元，所述至少一个光学元件阵列单元中的每一个包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；以及所述光电探测器包括与所述至少一个光学元件阵列单元对应的至少一个光电探测器单元。7.根据权利要求6所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列单元包括四个偏振片，所述四个偏振片呈田字形设置。8.根据权利要求7所述的三维成像系统，其中，所述四个偏振部件分别是0
°
方向线偏振片、45
°
方向线偏振片、90
°
方向线偏振片和135
°
方向线偏振片。9.根据权利要求6所述的三维成像系统，其中，所述至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件中的三个偏振部件分别是0
°
方向线偏振片、45
°
方向线偏振片、以及左旋或右旋偏振片。10.根据权利要求3所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列包括薄膜偏振片、线栅偏振片、棱镜偏振器、液晶偏振片或其组合。11.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学调制器包括具有电光调制效
应的晶体、液晶、和/或具有声光调制效应的晶体、液晶。12.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学调制器包括多个串联连接的光学调制器。13.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列和所述光电探测器一体地集成。14.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学发射器和所述光电探测器一体地集成、或者单独形成后进行集成。15.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光脉冲的波长为300nm-750nm、700nm-1000nm、900nm-1600nm、1um-5um或3um-15um。16.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光脉冲具有0.1ps-5ns、1ns-100ns、100ns-10us或10us-10ms的脉冲宽度。17.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光电探测器包括硅基探测器CCD、CMOS，和/或Ge、InGaAs、InSb、In...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜德涛，陈如新，
申请(专利权)人：睿镞科技北京有限责任公司，
类型：发明
国别省市：