一种单光子三维成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单光子三维成像装置，由激光发射系统和回波接收系统以及窗口组成，激光发射系统包括脉冲激光光源、准直光学系统和衍射光学元件，回波接收系统包括SPAD阵列、窄带滤光片、宽带滤光片和接收光学系统；本发明专利技术使用控制电路将SPAD阵列上的像元根据与发射激光光束的对应关系进行分区域控制，每个区域对应一束激光光束。控制电路处理每个区域像元的响应事件，并进行统计，并根据计算的目标距离进行区域自校正。最终将自校正区域中像元响应事件进行统计，输出单束激光探测目标的回波光子数信息与距离信息。光子数信息与距离信息。光子数信息与距离信息。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子三维成像装置


[0001]本专利技术属于三维激光雷达成像探测领域，具体涉及一种基于单光子探测器阵列的三维成像装置。

技术介绍

[0002]飞行时间测量技术（ToF，Time
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Flight）广泛应用三维激光雷达成像系统（三维测绘系统）中。直接ToF测量法，即脉冲激光光源向测量场景或目标发射激光脉冲，进而使用时间分辨的光电探测器测量场景或目标反射激光脉冲回波的到达时间。并根据每个像素测量的回波到达时间计算场景中目标对应点的距离。
[0003]为了获取更高的探测灵敏度和作用距离，三维成像探测系统使用单光子雪崩二极管阵列（SPAD）探测器逐步替代普通的探测器阵列。SPAD，也被称作盖革模式雪崩二极管阵列，能够捕捉单个光子，并具有极高的时间分辨率（几十皮秒）。为了实现有效探测，在SPAD外围集成处理电路，与其中的每个像元相耦合。外围处理电路主要包含门控发生器和存储器，其中门控发生器用于为像元设置不同的门控开启时间与门控持续间隔，而存储器用于记录每个采集周期内光子在像元上入射的时间。
[0004]为了完成快速的三维成像，会使用衍射光学元件（DOE）将脉冲激光分成多束激光同时照射场景或目标。每个光束与SPAD上的若干个像元向耦合，即SPAD上n
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n个像素用来接收同一个光束的回波。
[0005]SPAD虽然能够较大的提升三维成像系统的极限探测能力，但是由于探测器灵敏度的提高，对噪声光子的响应次数也会相应提高，因此部分未接收目标回波的像元也可能产生光子响应事件。为了避免噪声的影响，在以往的方法中针对每一束发射光，会读取固定区域像元的光子响应结果进行统计平均后输出回波光子数统计和目标距离值，而因为目标远近距离的不同引起的视差，同一束光的回波照亮的像元区域大小会发生变化，位置会发生平移。
[0006]如果设定像元区域覆盖视差变化的范围，则在较近距离的探测中目标回波实际照亮区域较小的时候，会因噪声像素的问题引发目标回波光子数和距离统计不准确的问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于视差自校正技术的单光子三维成像装置，旨在解决单光子三维成像对不同距离目标的成像过程中，因目标距离不一引发视差导致目标回波光子数和距离统计不准确的问题。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单光子三维成像装置，主要由激光发射系统和回波接收系统以及窗口组成；所述的激光发射系统包括脉冲激光光源、准直光学系统和衍射光学元件；所述的回波接收系统包括SPAD阵列、窄带滤光片、宽带滤光片和接收光学系统，SPAD阵列配备了外围控制电路，用于驱动SPAD对目标回波光子进行统计与输出；脉冲激光光源发射激光脉冲束，经过准直光学系统进行光束准直后入射到衍射光
学元件中分成激光光束后入射到成像场景中，激光脉冲传输到成像场景中的目标后反射激光回波，经接收光学系统收集后再经过宽带滤光片和窄带滤光片进行杂散光抑制后投影到SPAD阵列靶面上，每束激光打到目标后的激光回波投影光斑分别落到不同的像元集合上。
[0009]所述的一种单光子三维成像装置，用于读取SPAD阵列的测量结果的控制电路包括寻址电路、综合控制电路、模拟前端电路、选择逻辑电路、时间数字转换电路、直方图生成电路和读出电路；综合控制电路对控制电路中的寻址电路、模拟前端电路、选择逻辑电路、时间数字转换电路、直方图生成电路和读出电路进行控制；综合控制电路通过控制寻址电路对SPAD阵列中的单个SPAD像元进行控制，形成不同的像元集合，并控制模拟前端电路单个SPAD像元的门控，并读取单个SPAD像元的光子响应事件，选择逻辑电路根据综合控制电路形成的不同像元集合选择性的将像元集合范围中的光子响应事件传输到时间数字转换电路中计算每个光子事件的时间信息；进而直方图生成电路根据综合控制电路形成的不同像元集合，将多个周期内时间数字转换电路中计算获得每个光子事件的时间信息进行统计与计算，获取像元集合内每个像元光子事件总计数值与光子事件时间平均值；最终经过读出电路输出直方图生成电路计算获得的每个像元集合的光子事件总计数值与光子事件时间平均值，最终可通过光子事件时间平均值计算出目标距离。
[0010]所述的一种单光子三维成像装置，其激光发射系统和回波接收系统为旁轴安置，且激光发射系统和回波接收系统的光轴平行。
[0011]所述的一种单光子三维成像装置，其脉冲激光光源的发射波长为905nm，脉宽不大于5ns，人眼安全，使用衍射光学元件向目标成像场景中目标发射64束激光脉冲，使用32
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32像元的SPAD阵列传感器用于接收目标成像场景中目标的回波光信号。
[0012]所述的一种单光子三维成像装置，其准直光学系统为伽利略望远镜，准直后激光光束发散角优于0.2mrad。
[0013]所述的一种单光子三维成像装置，其SPAD阵列为硅基盖革APD阵列，分辨率32
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32，所述的窄带滤光片中心波长为905nm，带宽不大于1nm，透过率优于90%。
[0014]所述的一种单光子三维成像装置，其宽带滤光片截止波长1100nm，透过率优于95%，所述的接收光学系统接收视场角优于0.3mrad。
[0015]所述的一种单光子三维成像装置，其时间数字转换电路的时间分辨率为5ns。
[0016]本专利技术控制电路将SPAD阵列上的像元根据与发射激光光束的对应关系进行分区域控制，每个区域对应一束激光光束。控制电路处理每个区域像元的响应事件，并进行统计，并根据计算的目标距离进行区域自校正。最终将自校正区域中像元响应事件进行统计，输出单束激光探测目标的回波光子数信息与距离信息。
[0017]通过本专利技术所构思的技术方案，与现有技术相比，使用了控制电路对SPAD上的像元进行分区控制，并针对分区探测的结果进行区域自校正，能够消除目标因远近不同的视差效应引起的目标回波光子数和距离统计不准确的问题，从而在保证目标回波完全统计的情况下，有效减小噪声影响，从而获取更加准确的目标距离与回波光子数信息。
附图说明
[0018]图1是本专利技术成像装置的系统框图；图2是本专利技术激光光束回波光斑与SPAD像元对应关系示意图；
图3 是本专利技术SPAD阵列的外围控制电路组成示意图；图4 是本专利技术视差自校正方法示意图。
[0019]各附图标记为：10—激光发射系统，11—回波接收系统，12—窗口，13—近距离目标，14—远距离目标，20—脉冲激光光源，21—准直光学系统，22—衍射光学元件，30—SPAD阵列，31—窄带滤光片，32—宽带滤光片，33—接收光学系统，40—单个SPAD像元，41—激光回波投影光斑，42、61、62—像元集合，50—寻址电路，51—综合控制电路，52—模拟前端电路，53—选择逻辑电路，54—时间数字转换电路，55—直方图生成电路，56—读出电路，60—搜索区域， 63—近距离目标回波光斑，64—远距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子三维成像装置，其特征在于：由激光发射系统（10）和回波接收系统（11）以及窗口（12）组成；所述的激光发射系统（10）包括脉冲激光光源（20）、准直光学系统（21）和衍射光学元件（22）；所述的回波接收系统（11）包括SPAD阵列（30）、窄带滤光片（31）、宽带滤光片（32）和接收光学系统（33），SPAD阵列（30）配备控制电路，用于对目标回波光子进行统计与输出；脉冲激光光源（20）发射激光脉冲束，经过准直光学系统（21）进行光束准直后入射到衍射光学元件（22）中分成激光光束后入射到成像场景中，激光脉冲传输到成像场景中的目标后反射激光回波，经接收光学系统（33）收集后再经过宽带滤光片（32）和窄带滤光片（31）进行杂散光抑制后投影到SPAD阵列（30）靶面上。2.根据权利要求1所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述的控制电路包括寻址电路（50）、综合控制电路（51）、模拟前端电路（52）、选择逻辑电路（53）、时间数字转换电路（54）、直方图生成电路（55）和读出电路（56）；综合控制电路（51）通过控制寻址电路（50）对单个SPAD像元（40）进行控制，形成不同的像元集合（42），并控制单个SPAD像元（40）的门控，并读取单个SPAD像元（40）的光子响应事件，选择逻辑电路（53）选择性的将像元集合（42）范围中的光子响应事件传输到时间数字转换电路（54）中计算每个光子事件的时间信息；直方图生成电路（55）将多个周期内时间数字转换电路（54）中计算获得每个光子事件的时间信息进行统计与计算，获取像元集合（42）内每个像元光子事...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宪江，李忠，朱方顺，刘班，李邦旭，
申请(专利权)人：华中光电技术研究所中国船舶重工集团公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：