一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种飞行时间测距系统和方法，具体涉及一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法。解决了传统基于单光子探测器件的TOF距离测量分辨率低以及基于条纹相机的线扫描三维成像速度慢的技术问题。本发明专利技术系统包括照明单元、信号采集单元、数据处理单元和同步控制单元；照明单元用于照明待测目标成像区域产生回波信号；信号采集单元包括耦合成像装置、光纤转换装置、光纤传输模块和条纹相机；回波信号经耦合成像装置耦合成像在光纤转换装置进行面阵光纤转换为线阵光纤，再经光纤传输模块送入条纹相机输出条纹图像；条纹图像经数据处理单元处理得到三维图像。同时，本发明专利技术还提供了一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法。时间三维成像方法。时间三维成像方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种飞行时间测距系统和方法，具体涉及一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法。

技术介绍

[0002]传统直接飞行时间测距技术使用脉冲光作为照明光源，使用单光子探测器件耦合时间相关单光子计数电路记录回波光子的到达时间，以推算目标的距离信息，尤其在激光雷达等领域发展迅速。然而，飞行时间测距技术的距离测量分辨率由探测器件的时间分辨率决定，单光子探测器件时间分辨率通常在亚纳秒量级，对应距离分辨率在厘米到百毫米量级，难以满足目标毫米级甚至亚毫米级三维形貌精细化测量需求(参见Heinrichs R.,Aull B.F.,Marino R M.,et al.Three
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dimensional laser radar with SPAD arrays.Laser Radar Technology and Applications VI.International Society for Optics and Photonics,2001,4377:106
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118.；以及Wang F.,Zhao Y.,Zhang Y.,et al.Range accuracy limitation of pulse ranging systems based on Geiger mode single
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photon detectors.Applied Optics,2010,49(29):5561/>‑
5566.)。
[0003]条纹相机是一维超快成像设备，时间分辨率在皮秒甚至百飞秒量级，在飞行时间(TOF)测距中，可实现亚毫米的距离测量分辨率，然而，传统条纹相机飞行时间三维成像方法中，条纹相机需要线扫描对待测目标进行三维形貌的测量，存在成像速度慢的问题(参见Zhaodong C.,Rongwei F.,Guangchao Y.,Tong L.,Jiayu G.,Zhigang Z.,et al.Depth resolution improvement of streak tube imaging lidar system using three laser beams.Chin Opt Lett.2018；16:041101.)，例如，帧频在10Hz的条纹相机，获取一张100
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100像素的深度图像，需要10s，不利于高速动态目标的三维成像，限制了其进一步应用。亟需发展满足飞行时间测距技术要求的亚毫米量级高距离分辨率、高速三维成像方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决传统基于单光子探测器件的TOF距离测量分辨率低以及基于条纹相机的线扫描三维成像速度慢的技术问题，而提供一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特殊之处在于：包括照明单元、信号采集单元、数据处理单元和同步控制单元；
[0007]所述照明单元包括脉冲激光模块、光束扫描模块、扩束模块；
[0008]所述脉冲激光模块用于生成脉冲光；
[0009]所述光束扫描模块设置在脉冲光光路上，用于对脉冲光进行二维扫描并调整脉冲光的方向使其入射到待测目标；
[0010]所述扩束模块设置在光束扫描模块和待测目标之间，扩束模块将脉冲光进行扩束
后照射至待测目标区域，待测目标产生回波信号；
[0011]所述信号采集单元包括位移扫描成像模块、光纤传输模块和条纹相机；
[0012]所述位移扫描成像模块包括耦合成像装置和光纤转换装置；
[0013]所述耦合成像装置和光纤转换装置沿回波信号路径依次设置，回波信号经耦合成像装置耦合成像在光纤转换装置上，光纤转换装置将所成的目标二维图像转换为一维图像；
[0014]所述光纤传输模块的入射端和出射端分别与光纤转换装置和条纹相机连接；
[0015]所述数据处理单元与条纹相机电连接，用于处理条纹相机输出的条纹图像，并根据飞行时间测距原理，获得三维图像；
[0016]所述同步控制单元分别与脉冲激光器模块、光束扫描模块和条纹相机电连接。
[0017]进一步地，所述位移扫描成像模块还包括位移扫描装置；所述耦合成像装置和光纤转换装置均设置在位移扫描装置上，位移扫描装置用于将耦合成像装置以及光纤转换装置整体位移，对准待测目标待成像区域；所述位移扫描装置与同步控制单元电连接。
[0018]进一步地，所述条纹相机的时间分辨率为皮秒至飞秒量级；
[0019]所述脉冲光的脉冲宽度为皮秒至飞秒，脉冲抖动小于100ps；
[0020]所述同步控制单元发射的触发脉冲抖动小于100ps。
[0021]进一步地，所述光纤转换装置由光纤束组成，其中，信号接收端为光纤束面阵排列，信号输出端为光纤束线阵排列，所述光纤束用于传输可见光谱段400
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700nm的光信号；所述光纤转换装置将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN
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CN]的一维图像，其中RN
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CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000
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5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数。
[0022]进一步地，所述条纹相机的时间分辨率小于10ps，单像素扫描时间小于6ps；所述光纤转换装置由光子晶体光纤束组成。
[0023]进一步地，所述耦合成像装置为成像镜头，根据目标成像距离和分辨率的不同，成像镜头选择定焦镜头、可调焦镜头、显微镜或远心镜头。
[0024]同时，本专利技术还提供了一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，采用上述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0025]步骤1)脉冲激光模块发射脉冲光照射至待测目标成像区域，产生回波信号；
[0026]步骤2)回波信号经耦合成像装置耦合成像在光纤转换装置上；光纤转换装置将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN
×
CN]的一维图像，其中RN
×
CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000
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5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数；一维图像经光纤传输模块传输后进入条纹相机；条纹相机将一维图像信号进行时间扫描成像，并输出条纹图像；
[0027]步骤3)图像数据处理单元根据飞行时间测距原理，处理条纹图像，重建出目标二维深度图像，即获得三维图像。
[0028]进一步地，还包括步骤4)：
[0029]使用位移扫描装置将耦合成像装置以及光纤转换装置进行多次整体位移，每次位移扫描待测目标成像区域，生成一张条纹图像，N次扫描生成N张条纹图像，经过图像数据处
理单元处理生成N个扫描区域的三维图像，进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：包括照明单元(1)、信号采集单元(2)、数据处理单元(3)和同步控制单元(4)；所述照明单元(1)包括脉冲激光模块(5)、光束扫描模块(6)、扩束模块(7)；所述脉冲激光模块(5)用于生成脉冲光；所述光束扫描模块(6)设置在脉冲光光路上，用于对脉冲光进行二维扫描并调整脉冲光的方向使其入射到待测目标(8)；所述扩束模块(7)设置在光束扫描模块(6)和待测目标(8)之间，扩束模块(7)将脉冲光进行扩束后照射至待测目标(8)成像区域，待测目标(8)产生回波信号；所述信号采集单元(2)包括位移扫描成像模块(9)、光纤传输模块(10)和条纹相机(11)；所述位移扫描成像模块(9)包括耦合成像装置(12)和光纤转换装置(13)；所述耦合成像装置(12)和光纤转换装置(13)沿回波信号路径依次设置，回波信号经耦合成像装置(12)耦合成像在光纤转换装置(13)上，光纤转换装置(13)将所成的目标二维图像转换为一维图像；所述光纤传输模块(10)的入射端和出射端分别与光纤转换装置(13)和条纹相机(11)连接；所述数据处理单元(3)与条纹相机(11)电连接，用于处理条纹相机(11)输出的条纹图像，并根据飞行时间测距原理，获得三维图像；所述同步控制单元(4)分别与脉冲激光器模块(5)、光束扫描模块(6)和条纹相机(11)电连接。2.根据权利要求1所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：所述位移扫描成像模块(9)还包括位移扫描装置(14)；所述耦合成像装置(12)和光纤转换装置(13)均设置在位移扫描装置(14)上，位移扫描装置(14)用于将耦合成像装置(12)以及光纤转换装置(13)整体位移，对准待测目标待(8)成像区域；所述位移扫描装置(14)与同步控制单元(4)电连接。3.根据权利要求1或2所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：所述条纹相机(11)的时间分辨率为皮秒至飞秒量级；所述脉冲光的脉冲宽度为皮秒至飞秒，脉冲抖动小于100ps；所述同步控制单元(4)发射的触发脉冲抖动小于100ps。4.根据权利要求3所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：所述光纤转换装置(13)由光纤束组成，其中，信号接收端为光纤束面阵排列，信号输出端为光纤束线阵排列，所述光纤束用于传输可见光谱段400
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700nm的光信号；所述光纤转换装置(13)将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN
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CN]的一维图像，其中RN
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CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000
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5000像素范围内，RN和CN为大于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立，李亚晖，温珂瑶，尚杨，杜婉怡，岳猛猛，王迪，李知兵，蔡高迪，何凯，闫欣，刘冲，张杰，姚东，高贵龙，汪韬，田进寿，尹飞，李鸣，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：