CN103038664A - 主动照明扫描成像器 - Google Patents

Abstract

一种主动照明扫描成像器（10），包括：光源（14），用于产生光束（16）；光学准直器（18），用于对所述光束进行准直；扫描镜（20），用于使所述光束扫描通过待成像的场景（12）；以及光探测器（22），相对于所述扫描镜（20）布置为接收经由所述扫描镜（20）从所述场景反射的所述光束的部分（24）。所述成像器还包括致动器（40），配置为将所述光源和/或所述光学准直器相对于彼此定位，和/或将所述光探测器相对于所述扫描镜定位；以及控制器（46），可操作地连接至所述致动器，用于控制所述定位。

Description

主动照明扫描成像器

技术领域

本发明总体涉及主动扫描成像器，即照明待成像的场景的扫描成像器，特别是包括使光束扫描通过待成像的场景的振荡扫描镜的扫描成像器。

背景技术

EP1289273公开了装备有绕两个相互垂直的轴振荡以扫描对象的微机械镜的扫描相机。场景被以时分复用的方式成像到点状光电子传感器上。然而，扫描相机不主动照明场景。

使用具有主动场景照明的成像器来记录例如基于飞行时间测量原理的范围图像（range image）。在本文档的上下文中，“范围图像”指包括像素的图像，每一个像素包含距离值，该距离值表示从成像器至场景中与像素相关联的点的距离。

用于创建场景的该3D表示的系统在许多不同的技术领域具有各种应用。范例是汽车传感器技术（例如，车辆所有者探测和分类）、机器人传感器技术（例如，对象标识）或安全工程（例如，工厂监视、人计数以及行人探测），仅举出几个例子。与常规2D成像相反，3D成像需要关于目标场景的深度信息。换句话说，需要确定一个或多个观测对象与系统的光学接收器之间的距离。用于距离测量的用于例如雷达应用的公知途径包括对测量信号的发射与其回波返回之间的间隔进行定时。此所谓的飞行时间（TOF）途径基于以下原理：对于在给定介质中具有已知传播速度的信号，待测量的距离由传播速度和信号来回行进所花费的时间的一半的乘积给出。在光学成像系统的情况下，测量信号是光波。对于本描述的目的，术语“光”应理解为包括可见、红外（IR）和紫外（UV）光。

主动扫描成像器的另一可能的应用是气体感测。通过以波长对应于目标气体的吸收线的激光束扫描场景并测量场景的每一个部分中对激光的吸收，可以获得气体分布图。

利用使光束扫描通过观测的场景的扫描成像器，图像的质量一定程度上取决于束发散性。待计算的图像的每一个像素对应于沿扫描光束的特定方向的立体角元。当就形状和发散性来说，照明光束近似与立体角元匹配时，通常获得了最精确的图像。如果照明光束太窄，则反射和探测的光的一个样品的性质将不必然表示整个立体角元（或像素）。如果照明光束太宽，则归因于相邻像素之间的平均，图像将受到差的对比度的影响。

主动照明激光成像器典型地使用激光二极管作为光源。当被耦合出半导体芯片时，由激光二极管产生的束迅速发散。这意指不得不将具有小的焦距（典型地，几毫米，例如1至10mm）的专门光学器件放置在激光二极管前面，以实现低的束发散性（典型地小于1°，例如约0.2°，但是如果较低的图像分辨率是可接受的，则较高的发散性是可容忍的）。归因于小的焦距，必需非常仔细地对准激光二极管和光学系统以获得沿期望的方向传播的准直束。

发明内容

技术问题

本发明的目的是方便对用于待成像的场景的主动照明的光束的准直。此目的是通过如权利要求1所述的主动照明成像器实现的。

本发明的总体描述

一种主动照明扫描成像器，包括：光源（例如激光二极管），用于产生光束；光学准直器（例如准直透镜（lens）或镜（mirror）），用于在横切于束方向的至少一个方向上对所述光束进行准直；扫描镜，用于使所述光束扫描通过待成像的场景；以及光探测器，相对于所述扫描镜布置为接收经由所述扫描镜从所述场景反射的所述光束的部分。根据本发明，主动照明扫描成像器包括：致动器（例如自动偏斜/倾斜台架，自动线性致动器、自动XY或XYZ台架、压电致动器等），配置为将所述光源和/或所述光学准直器相对于彼此定位，和/或将所述光探测器相对于所述扫描镜定位；以及控制器，可操作地连接至所述致动器，用于控制所述定位。

本领域技术人员将理解，本发明特别适合于主动照明成像器，其中，激光二极管用作光源。如以上指出的，此情况下的准直器不得不具有相对小的焦距，使得必需进行仔细的对准。束发散性实际上高度取决于准直器相对于激光二极管的精确位置。归因于系统老化，能够发生光学系统的未对准，导致束散焦。归因于致动器，可以容易地实现系统的精确对准或重新对准，致动器可以布置为定位光源或准直器或二者。

应当注意，能够仅在束的一个横向方向上对束进行准直。例如，光源和准直器能够配置为发射具有线状横截面的扇形（脉冲或连续波）光束。在此情况下，扫描镜优选地沿光束的光路布置以将光束导引到场景中，并通过使光束横切于线状横截面扫描通过场景而连续地照明场景的片段。在本发明的此实施例中，光探测器优选地是具有线状光电传感器阵列的成像器芯片的部分，所述线状光电传感器阵列安置为使得所述场景的所照明的片段被连续成像到所述线状光电传感器阵列上。致动器于是优选地受到控制器的控制并布置为保持场景的所照明的片段的图像与线状光电传感器阵列的对准和交叠。换句话说，致动器修改光探测器、准直器和/或光源的位置，使得场景的所照明的片段被成像（经由圆柱透镜或曲面镜）到线状光电传感器阵列上。

控制器优选地包括接口，用于可操作地将成像器连接至传感器（例如，束仿形器），并且优选地配置为用于通过控制定位来实现预定传感器响应。控制器的该配置对于在成像器被组装后对准光源和准直器是特别有利的。从而组装期间光源与准直器的稍微的未对准是容许的。在组装后，成像器可以安装在装备有束仿形器（诸如例如没有聚焦光学器件的CCD或CMOS相机）的测试台上。束仿形器优选地经由接口连接至控制器，并且控制器最优选地配置为执行对准程序，在对准程序期间，在标准条件下优化束轮廓。

在成像器的操作期间，光探测器（光电探测器）可以以时分复用的方式获取从场景反射的光的样品。由于扫描镜的位置对于每一个样品是已知的，所以能够将每一个样品与对应的像素（图像元）相关联，并且能够计算图像。

光探测器可以可操作地连接至控制器，其于是有利地配置为响应于来自探测器的探测信号而控制光源和准直器相对于彼此的定位。控制器能够例如配置为优化探测信号的一个或多个参数（例如信噪比）。光探测器能够例如是或包括位置敏感光电探测器（通常称为PSD），例如分段PSD（特别是二或四象限PSD），侧向效应PSD（特别是二或四侧向PSD）。如果使用位置敏感光电探测器，则该探测器的位置信号可以由控制器使用以实现定位。

优选地，扫描镜包括谐振型微机械镜。

成像器可以例如是飞行时间扫描成像器。在此情况下，发射到场景中的光束受到强度调制，并且光探测器有利地是锁定光电探测器，即与发射光的调制同步锁定的光电探测器，用于反射光的调制相位敏感探测。能够例如在R.Lange的博士论文“3D Time-of-Flight Distance Measurement WithCustom Solid-State Image Sensors in CMOS/CCD-Technology”（2000，Siegen大学）或在T.Spirig的博士论文“Smart CCD/CMOS Based Image Sensorswith Programmable，Real-time，Temporal and Spatial Convolution Capabilitiesfor Applications in Machine Vision and Optical Metrology”（1997，SwissFederal Institute of Technology，Diss.ETH No.11993）中找到锁定光电探测器的范例。替代地，在脉冲光源的情况下，光探测器能够是与时间-数字转换器（TDC）相关联的光电二极管。

致动器优选地配置并布置为改变光源与光学准直器之间的光路长度。致动器可以例如配置为沿准直器的光轴相对于光学准直器移动光源。该移动可以用于调整发射的束的发散性。附加地或替代地，致动器可以配置并布置为横切于光路移动光源和或光学准直器。作为另一可选，致动器可以配置并布置为使光源和/或光学准直器相对于彼此倾斜。最后，致动器可以配置并布置为使光探测器移位和/或倾斜。

附图说明

现在将参照附图通过范例来描述本发明的优选实施例，其中：

图1是用于记录场景的范围图像的主动照明扫描成像器的示意性布局；

图2是光源的位置如何影响束发散性的示例；

图3是在扫描成像器的组装后执行的对准程序的示例；

图4是谐振型微机械镜的示例；

图5是本发明的具有位置敏感光电探测器的实施例的示意性布局；

图6是图1的主动照明扫描成像器的优选变形的示意性布局；

图7是发射扇形束到场景中的主动照明扫描成像器的示意性布局；

图8是用于如图7中的扫描成像器的成像器芯片的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的优选实施例的主动照明扫描成像器10。主动照明扫描成像器10配置为产生观测的场景12的范围图像。其包括：激光二极管14，用于产生脉冲激光束16；光学准直器18（这里，准直透镜），用于对激光束16进行准直；扫描镜20，用于使激光束16扫描通过场景12；以及光电探测器22（例如，单光子雪崩二极管），用于探测经由扫描镜20从场景12反射的光的部分24。光电探测器24装备有时间-数字转换器（TDC，未示出），时间-数字转换器测量基准时间点（激光脉冲的发射时间）与来自场景12的返回脉冲撞击光电探测器24的时刻之间的持续时间。激光脉冲的发射与接收之间的时间间隔对应于扫描成像器10与场景12中由激光脉冲撞击的点之间的距离的两倍。

扫描镜20是谐振型微机械镜，其更详细地示于图4中。其安装于第一扭杆28、28’上，该扭杆限定第一倾斜轴30。第一扭杆28、28’将微机械镜连接至中间框架34，中间框架34自身安装于第二扭杆32、32’上。第二扭杆32、32’限定第二倾斜轴36，第二倾斜轴36与第一倾斜轴30正交。第二扭杆32、32’将中间框架34连接至外框架38。微机械镜20、中间和外框架34、38、以及扭杆28、28’、32、32’优选地整体由相同基底形成。扫描镜还包括使镜20分别绕第一和第二倾斜轴30、36振荡的致动器（未示出）。致动器和微机械镜20包括电磁元件（例如，线圈或导体环，或电容器板），并且可能还包括永磁体元件以在致动器与微机械镜20之间传输力和扭矩，使得微机械镜离开其中作用于微机械镜上的机械力（这里：扭杆28、28’、32、32’的扭力）的总和抵消的位置（平衡位置）。操作中，镜驱动器26（见图1）将振荡信号施加于电磁元件上，这创建周期性转化的电和/或磁力和扭矩），该力和扭矩作用于微机械镜20上并使得其绕第一轴30来回倾斜。同时，使得中间框架在电和/或磁力和扭矩的作用下绕第二轴36来回倾斜。结果，微机械镜20进行二维上的对应于两个简单振荡移动的叠加的移动，并且由微机械镜偏离的激光束16描述待成像的场景12中的李萨尔曲线。镜驱动器26配置为驱动在它们各自的谐振频率处或附近的两个移动，以使微机械镜20在两个方向上以低的功耗实现最佳偏移。能够在例如US专利7012737和5912608中找到关于讨论类型的扫描设备的更多细节，通过就权限的效果引用该专利的整体将该专利并入于此，其中通过引用的该并入是容许的。二维扫描设备例如可从商号Eco Scan下的Nippon Signal得到。

准直器18相对于激光二极管布置为使得在准直器18的输出端获得准直的激光束。因为激光二极管14生成的激光束是高度发散的，所以准直器18选择为具有短的焦距。因此，准直器18和激光二极管14相对于彼此的定位是关键的。主动照明扫描成像器10包括致动器40（图1中示意性地表示为箭头的交叉），以修改激光二极管14相对于准直器18的位置。在图中表示的实施例中，激光二极管14安装于致动器40上。（替代地，准直器18能够安装于致动器40上）。致动器40能够例如包括一个或多个压电元件以改变激光二极管14在光轴42上和/或横切于光轴42的位置，和/或其取向（相对于光轴的偏斜/倾斜）。如图2中所示例，光轴上激光二极管位置的调整（即，激光二极管14与准直器18之间的距离的调整）导致修改束发散性，并且从而修改场景12中表面44上的点大小。（图2中，仅表示了主动照明扫描成像器10的部分）。

激光二极管14、光电探测器22、致动器40和扫描镜26受到微控制器46（实施为例如微处理器、现场可编程门阵列－FPGA－、专用集成电路等）的控制。微控制器46包括用于将其连接至外部束仿形器48（例如，没有聚焦光学器件的CCD或CMOS相机）。该束仿形器（profiler）48用于测试台上，主动照明扫描成像器10组装后临时安装于该测试台上。微控制器46配置为在连接至外部束仿形器48时执行对准程序。在对准程序期间，微控制器46调整激光二极管14相对于准直器18的位置，直至束轮廓的参数（诸如例如束中心的位置、束宽度）与目标参数值一致。在对准程序期间，扫描镜26保持在其静止位置，直至准直器18和激光二极管14的对准已经完成。

在本发明的示例实施例中，微控制器46还配置为在主动照明扫描成像器10操作时实时调整束发散性。微控制器46根据从光电探测器22接收的探测信号来控制致动器，例如以优化信噪比的方式控制。本领域技术人员将理解，激光二极管14的位置的该实时校正还补偿对激光二极管14和准直器18的对准的老化影响。应当注意，代替使用实时对准程序，微控制器46能够配置为在进行实际成像程序之前，在主动照明扫描成像器10的每一次启动时执行重新对准。

在图5-8的实施例中，相同参考数字用于相同或类似的元件。参照图5，光电探测器22是四象限位置敏感光电探测器。四个象限中的每一个经由扫描镜20“看到”场景的不同区域12a、12b、12c、12d。如果激光斑50是良好聚集的，则光电探测器22的每一个象限生成相同的光电信号。如果激光斑50未对准（例如，由于光学准直器18相对于激光二极管14的移位），则在光电信号之间将存在不平衡。微控制器（图5中未表示）控制致动器40，使得重建平衡信号。可以实时进行该校正。参考数字52指示场景12中激光斑50的路径。激光斑描述李萨尔曲线。

图6示意性地示出了图1的主动照明扫描成像器的变形。图6的变形与图1的主动照明扫描成像器的不同在于，在激光二极管14与扫描镜20之间，脉冲激光束16通过布置在静态偏转镜54中的开口56，这将从场景12反射或散射回的光引导至光电探测器22（例如，四象限光电探测器）上。而在图1的扫描成像器中，光电探测器从与光源稍微不同的角度观看场景，在图6的扫描成像器中，发射的激光束16和反射的光部分24的光线基本上共线（但是在反向的意义上）。在静态偏转镜54处偏转后，反射光通过聚焦透镜58聚焦在光电探测器22上。应当注意，偏转镜54能够是聚焦镜，在该情况下，能够省略聚焦透镜58。

在图6的变形中，激光二极管14和准直透镜18生成基本圆形横截面的准直激光束，该激光束照明场景中的点状斑50。扫描镜20配置为“2D”扫描镜，即具有两个相互基本垂直的枢轴的扫描镜，以沿二维扫描曲线移动激光斑50。

图7示出了主动照明扫描成像器，其中，由激光二极管14生成的激光束在一个横向方向上扇出并且使用散光透镜作为光学准直器18在另一横向方向（与第一横向方向成90°）上被准直。激光束16被经由沿激光束16的光路布置的扫描镜20引导至待成像的场景12上。激光束16从而连续地照明场景12的片段60。扫描镜20在此实施例中为“1D”扫描镜，即具有单个枢轴的扫描镜，其使扇形激光束16横切于其中激光束扇出的平面扫描通过场景12。在图7中，激光束16在垂直于绘图纸张的平面的平面中扇出。在（单向）光学准直器18与扫描镜20之间，激光束16通过布置在静态偏转镜54中的狭缝62。后者将从场景12反射回的光引导至包括光电探测器22的线状阵列的成像器芯片64上。圆柱（或更一般地，散光）聚焦透镜58沿反射光的光路布置，以将场景的照明的片段60成像到光电探测器22的线状阵列上。

图8示意性地示出了图7的扫描成像器的成像器芯片64。独立光电探测器22安置在两条平行线中以形成本质上一维的光电传感器阵列。每一个光电探测器22可操作地连接至其具体电路66（例如，TDC）。设置定时和读出电路67来控制并同步光电探测器22的操作，并读出不同的测量值。

每一个光电探测器22和其关联的电路66、67测量基准时间点（激光脉冲的发射时间）与来自场景的返回脉冲撞击光电探测器22的时刻之间的持续时间。

光电探测器22优选地为SPAD（单光子雪崩二极管）。有利地，图8的光电探测器阵列包括每条线1000个以上的独立光电探测器22。从而利用ToF成像器，兆像素范围的分辨率也变得可能。

如在本发明的先前讨论的实施例中，致动器40配置并布置为保持激光束16与期望的光轴的对准。致动器由控制器（图7和8中未示出）控制，其响应于成像器芯片64进行的测量。成像器芯片64包括布置在光电探测器22的阵列的任意端的专用束位置探测器68。利用束位置探测器68，测量反射光束相对于光电探测器阵列的侧向偏移和反射光束的主轴与光电探测器阵列之间的角度。控制器使用这些测量结果来控制致动器，使得最小化侧向偏移和角度。值得注意，也能够基于独立光电探测器22的信号来最小化侧向偏移和角度，因为在最佳对准的情况下，每一对（左和右）光电探测器22的光电信号是平衡的。相应地，可以可选地考虑图8中示例的分开的束位置探测器68。

应当注意，代替具有点状或细长开口的偏转镜54，也能够使用分束器来将反射光部分引导至光电探测器。

虽然已经详细描述了具体实施例，但是本领域技术人员将理解，能够在本公开的整个教导的基础上研发对那些细节的各种修改和替代。因此，公开的特定布置仅仅意在示例，而不是限制本发明的范围，给予其所附权利要求及其任何和所有等同物的全部广度。

附图标记：

10	主动照明扫描成像器
		12	待成像的场景
14	激光二极管
		16	激光束
18	光学准直器
		20	扫描镜
22	光电探测器
		24	来自场景的反射光
26	扫描镜驱动器
		28，28’	第一扭杆
30	第一倾斜轴
		32，32’	第二扭杆
34	中间框架
		36	第二倾斜轴
38	外框架
		40	致动器
42	光轴
		44	场景中的表面
46	微控制器
		48	束仿形器
50	激光斑
		52	场景中激光斑的路径

54	静态偏转镜
		56	开口
58	聚焦透镜
		60	场景的被照明的片段
62	狭缝
		64	成像器芯片
66	光电探测器控制电路
		67	定时和读出电路
68	束位置探测器

Claims (14)

1.一种主动照明扫描成像器（10），包括：光源（14），用于产生光束（16）；光学准直器（18），用于在横切于束方向的至少一个方向上对所述光束进行准直；扫描镜（20），用于使所述光束扫描通过待成像的场景（12）；以及光探测器（22），相对于所述扫描镜（20）布置为接收经由所述扫描镜（20）从所述场景反射的所述光束的部分（24）；

其特征在于：致动器（40），配置为将所述光源（14）和/或所述光学准直器（18）相对于彼此定位，和/或将所述光探测器相对于所述扫描镜定位；以及控制器（46），可操作地连接至所述致动器（40），用于控制所述定位。

2.如权利要求1所述的成像器（10），其中，所述控制器包括接口，所述接口用于可操作地将所述扫描器（10）连接至传感器（48），所述控制器（46）配置为用于通过控制所述定位来实现预定传感器响应。

3.如权利要求1或2所述的成像器（10），其中，所述光探测器（22）可操作地连接至所述控制器（46），并且其中，所述控制器配置为响应于来自所述探测器的探测信号来控制所述定位。

4.如权利要求3所述的成像器（10），其中，所述控制器（46）配置为优化所述探测信号的一个或多个参数。

5.如权利要求4所述的成像器（10），其中，所述一个或多个参数包括信噪比。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的成像器（10），其中，所述扫描镜（20）包括谐振型微机械镜。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的成像器（10），其中，所述成像器是飞行时间扫描成像器。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的成像器（10），其中，所述致动器（40）配置并布置为改变所述光源（14）与所述光学准直器（18）之间的光路长度。

9.如权利要求1至8中的任一项所述的成像器（10），其中，所述致动器（40）配置并布置为横切于所述光路移动所述光源（14）和/或所述光学准直器（18）。

10.如权利要求1至9中的任一项所述的成像器（10），其中，所述致动器（40）配置并布置为使所述光源（14）和/或所述光学准直器（14）相对于彼此倾斜。

11.如权利要求1至10中的任一项所述的成像器（10），其中，所述致动器（40）配置并布置为使所述光探测器（22）移位和/或倾斜。

12.如权利要求1至11中的任一项所述的成像器（10），其中，所述光探测器包括位置敏感光探测器。

13.如权利要求1至12中的任一项所述的成像器（10），其中，所述准直器配置为仅在横切于所述束方向的一个方向上对所述光束进行准直，使得生成具有线状横截面的扇形光束，并且其中，所述扫描镜（20）配置并布置为使所述扇形光束横切于所述线状横截面扫描通过所述场景并照明所述场景的片段（60）。

14.如权利要求13所述的成像器（10），其中，所述光探测器是具有线状光电传感器阵列的成像器芯片（64）的部分，所述线状光电传感器阵列相对于所述扫描镜（20）安置为使得所述场景（12）的所照明的片段（60）被连续成像到所述线状光电传感器阵列上。

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