[发明专利]一种单光子三维成像装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

飞行时间测量技术（ToF，Time-of-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。

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。

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×n个像素用来接收同一个光束的回波。

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。

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。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明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。

本发明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。