CN109581787B - 一种使用激光点扫描的水下成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用激光点扫描的水下成像装置及方法，所述的装置包括光源、成像单元和同步电路；所述的光源为激光点扫描光源，所述的激光点扫描光源中包含半导体激光器模块；所述的成像单元为具备卷帘快门曝光功能的CMOS图像传感器的照相机或摄像机；整套装置放置在被拍摄目标的同侧。本发明使用激光点扫描光源，相比线状光源或条带状光源，结构更简单体积更小，能量利用率更高。本发明可以使用多个半导体激光器合成一束激光，既可以提高光源的功率，也可以使光源包含多个波长，在不同的水质下通过改变光源波长以实现更好的后向散射消除效果，或者颜色校正效果。本发明扫描速度更高，功耗更低，稳定性更高，体积更小。

Description

一种使用激光点扫描的水下成像装置及方法

技术领域

本发明涉及成像设备技术领域，具体涉及到一种采用激光光源点扫描方式进行照明的水下成像装置及方法。

背景技术

由于水分子的自身特性以及自然水体中的存在大量的杂质，水下图像的清晰度受散射光影响巨大。由于水分子和杂质的吸收，光在水中衰减速度快，为了获得适当亮度的数字图像，水下成像系统中往往包含照明光源。但由于光源和成像单元通常被设计在水下目标的同侧，此时对目标物的观察受到水体后向散射的强烈影响，获得的图像会产生局部过曝光而景物欠曝光的情况，所以难以获得水下目标物清晰的图像。

目前从光学角度缓解成像过程中水体后向散射主要有三个技术路径，分别是激光距离选通成像、偏振成像和减小光路重叠。激光距离选通成像使用大功率窄脉冲激光器作为光源，使用增强型电荷耦合器件(ICCD)作为图像传感器，在发出激光脉冲一定时间间隔后，只接收激光脉冲的反射光，从而达到消除后向散射的目的。激光距离选通成像系统作用距离远，后向散射消除效果好，但是系统体积较大，不利于小型化，ICCD输出图像信噪比低，图像噪声大，并且大功率激光器和ICCD成本高昂，这些缺点限制了该方法的广泛应用。

如果在光源端加装起偏器，使光源发出偏振光，在成像单元窗口加装与之正交的检偏器，则可以减小后向散射对图像质量的影响。但是相互正交的偏振片对光源能量损失巨大，在最好的情况下光能量会衰减为原来的1/8，若目标偏振特性特殊，也可能衰减为0。若要获得适当曝光亮度的图像，则需要加大光源功率或增加成像单元的曝光时间。增大光源功率对能量受限的水下应用不利，比如靠电池驱动的无缆水下机器人。而增加曝光时间会在有湍流的水中使每张图像变得更加模糊，失去了减小后向散射的意义。

目前最为简便的减小后向散射方法是减小光源与成像单元光路的重叠。从宏观角度，光源与成像单元摆放关系如图1-3所示。图1中，成像单元与光源靠近放置，光路重合区域大，成像单元视场中大部分受到强烈后向散射的影响。图2中，光源与成像单元分开呈一定角度放置，光路重合区域减小，后向散射减小，但减小的程度与放置的距离正相关。图3中，光源与成像单元的光路完全不重合，依靠光源散射光进行照明，后向散射很小，但是需要大幅提高光源的亮度，现实中往往很少采用。通过图1-3可见，后向散射的减小程度与光路重合程度反相关。因此，为了进一步减小光路的重合，中国专利CN106534632A公开了“同步扫描成像系统”，用于在人工照明条件下的成像，该系统利用线状或者带状激光作为光源对目标区域进行扫描照明，并利用CMOS图像传感器卷帘快门的曝光方式，使曝光区域和照明区域重合，从而进一步在微观上减小了光路的重合部分，从原理上，该发明是有效的。但是，该发明要求成像单元与光源放置距离大于1/2最远成像距离，该要求在大部分水下机器人上难以实现，并且一旦安装位置确定，则只能对固定距离范围的目标成像。另外，相较于激光点光源，该发明所采用的线状或者带状光源结构更为复杂，不利于实际应用。第三，该发明中使用光源阵列轮流选通的扫描方式存在结构复杂和体积较大的问题，并且扫描精度难以提高。最后，该发明还提出了使用单一线光源加匀速旋转装置实现扫描光源的方法，为了匹配光源扫描速度和卷帘快门的扫描速度，还设计了非球面透镜，非固态的机械旋转结构降低了系统的可靠性，而非球面透镜增加了系统的实现难度和成本。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种易于在水下机器人上实现、光源结构简单、精度高、可靠性高、成本低的使用激光点扫描的水下成像装置及方法，以更好地解决现有水下成像中减小后向散射的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种使用激光点扫描的水下成像装置，包括光源、成像单元和同步电路；所述的光源为激光点扫描光源，所述的激光点扫描光源中包含半导体激光器模块；所述的成像单元为具备卷帘快门曝光功能的互补型金属氧化物半导体图像传感器即CMOS图像传感器的照相机或摄像机，所述同步电路用于连接成像单元和光源，协调两者的工作时间；整套装置放置在被拍摄目标的同侧。

所述的光源由半导体激光器和微振镜组成。所述的微振镜为基于微机电技术即MEMS的微振镜，且能在驱动信号的控制下进行二维摆动。半导体激光器产生激光，经微振镜反射到成像单元视场的景物中形成点照射光源，通过微振镜的二维摆动，激光点扫描整个成像单元视场范围，实现整个视场的照明。

进一步地，所述的光源包括多个激光，多个激光通过棱镜汇聚成一束激光照射到微振镜上。

进一步地，所述的同步电路将成像单元和光源连接在一起，控制成像单元和光源的同步，即保证光源扫描点的移动和成像单元条带状曝光区域的移动保持固定位置关系，且以固定的周期重复。所述同步电路与成像单元或者光源集成为一体。

一种使用激光点扫描的水下成像方法，包括以下步骤：

A、根据微振镜的工作方式选择同步方式。当微振镜工作在谐振频率时，其摆动频率固定，将光源作为同步源，选择光源同步方式；转步骤B；当微振镜摆动速度远小于谐振频率，将成像单元作为同步源，选择成像单元同步方式；转步骤C；

B、光源同步方式

在光源同步方式下，光源在开始扫描时，发送开始工作信号给同步电路，同步电路将信号延时后发送给成像单元，触发成像单元工作；转步骤D；

C、成像单元同步方式

在成像单元同步方式下，成像单元在拍照时，发送开始工作信号给同步电路，同步电路将信号延时后发送给光源，触发光源扫描；

D、成像单元在光源的照明下输出图像，直至图像输出完成，则完成一次成像过程。转步骤A直至完成所有的成像过程。

本发明通过激光点扫描加卷帘快门曝光的方式可以极大程度上减小水下成像中后向散射的影响，相比之前同类技术，具有如下优点：

1、本发明使用激光点扫描光源，相比线状光源或条带状光源，结构更简单体积更小，能量利用率更高。

2、本发明可以使用多个半导体激光器合成一束激光，既可以提高光源的功率，也可以使光源包含多个波长，在不同的水质下通过改变光源波长以实现更好的后向散射消除效果，或者颜色校正效果。

3、本发明使用基于MEMS技术的固态微振镜，相比匀速机械转动机构，扫描速度更高，功耗更低，稳定性更高，体积更小。

4、本发明的光源窗口不需要任何透镜，光学结构简单。

5、本发明的点扫描激光光路极窄，相比线状和条带装光源，与成像单元光路重合率更低，光源与成像单元可以靠近放置，成像系统结构更加紧凑，因此可应用在有缆或者无缆水下机器人领域。

6、本发明可以调整光源扫描区域和成像区域的位置关系，实现直接和间接两种照明方式；当同步电路的延时使光源扫描点始终落在成像单元卷帘快门滚动区域所对应的目标场景内，此时为直接照明方式，成像单元和光源路径重合极小，能减小后向散射对图像质量的影响。当同步电路的延时使光源扫描点始终落在CMOS成像单元卷帘快门滚动区域所对应的目标场景外，此时为间接照明方式，可以消除后向散射，但是需要功率较大的激光器配合。

附图说明

图1是光源与成像单元近距离放置的示意图。

图2是光源与成像单元远距离放置的示意图。

图3是光源与成像单元近距离放置但视场不重合的示意图。

图4是本发明的成像装置及方法的示意图。

图5是激光点扫描光源与成像单元横向放置的俯视图。

图6是激光点扫描光源与成像单元纵向放置的侧视图。

图中：1、成像单元，2、光源，3、同步电缆，4、同步电路，5、半导体激光器模块，6、微振镜，7、激光，8、目标物所在平面，9、光斑，10、Z字形的路径，11、带状区域，12、镜头，13、图像传感器，14、曝光区域，15、传感器纵方向，16、目标物平面纵方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地说明。

如图4所示，本发明的成像装置包括使用卷帘快门曝光方式的成像单元1和激光点扫描光源，成像单元1和激光点扫描光源通过同步电缆3和同步电路4连接。光源2放置在成像单元1的正上方，但这不是唯一的放置方式。激光点扫描光源中包含半导体激光器模块5，该模块可以产生一束激光7，该束激光7可以包含一个波长或多个波长。激光点扫描光源中还包含一个二维的微振镜6。半导体激光器模块5发出的激光7经微振镜6反射到目标物所在平面8，形成一个激光的光斑9，激光的光斑9随着微振镜6的摆动而移动，在目标物所在平面8上形成Z字形路径10，从而对目标物所在平面8进行照明。在光源2开始工作的同时，发送同步信号给成像单元1开始曝光。目标物所在平面8上一条带状区域11通过成像单元1的镜头12在CMOS图像传感器13的曝光区域14上成像，曝光区域14沿传感器纵方向15自下而上运动，则对目标物所在平面8上的条带状区域11的目标物平面纵方向16自上而下运动。与此同时，激光的光斑9也在目标物平面纵方向16自上而下运动，并且其运动速度与条带状区域11相同。当成像单元1完成一次成像过程，微振镜6立刻控制光斑9回到初始位置，准备下次成像过程。由于微振镜6回到初始位置的速度极快，因此可以调整一次成像过程的占空比，也就是帧有效时间和帧周期的比值，从而满足主流视频格式如ITU-R规定的BT.1120视频规范的要求，进而将该方法应用在摄像领域。

在这个具体实施方案中，微振镜6是同步信号的发送端，成像单元1是图像信号的接收端。成像单元1也可以发出同步信号，控制微振镜6工作，由于两种方式在系统结构和原理上是一样的，所以不再赘述。微振镜6控制光斑9运行的路径可以是Z字形，当微振镜6工作在谐振方式，路径多呈正弦形，Z字形路径10仅为扫描路径的一种。另外，微振镜6在扫描目标物所在平面8的过程中，由于惯性的作用，视场中心位置光斑9运行速度要高于两边，这会造成目标物所在平面8照射亮度的不均匀，数字图像的左右两边亮度偏高。在对光源2均匀性要求较高的应用领域，可以在光源2中集成亮度控制器，让激光器的亮度与微振镜6的摆动速度正相关，则可校正光源2照度不均的问题。

激光点扫描光源相对于成像单元1的最佳放置位置应该是正上方或者正下方，以光源2顶置和侧置分别为例，图5为光源2与成像单元1横向放置的俯视图，图中光源2光轴和成像单元1光轴在同一水平面上，图中标出的光源2光路是一次水平扫描所覆盖的范围，该范围与成像单元1曝光区域14重合，并且重合度大，无法达到减小后向散射的目的，因此该种放置方式无法应用在直接照明的情况下，只能在间接照明中使用。图6为光源2与成像单元1纵向放置的侧视图，光源2一次水平扫描的平面与成像单元1曝光光路重合度非常的小，可以极大程度上减小后向散射对输出数字图像的影响。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种使用激光点扫描的水下成像装置，其特征在于：包括光源(2)、成像单元(1)和同步电路(4)；所述的光源(2)为激光点扫描光源，所述的激光点扫描光源中包含半导体激光器模块(5)；所述的成像单元(1)为具备卷帘快门曝光功能的互补型金属氧化物半导体图像传感器(13)即CMOS图像传感器(13)的照相机或摄像机，所述同步电路(4)用于连接成像单元(1)和光源(2)，当同步电路的延时使光源扫描点始终落在成像单元卷帘快门滚动区域所对应的目标场景内，此时为直接照明方式；当同步电路的延时使光源扫描点始终落在CMOS成像单元卷帘快门滚动区域所对应的目标场景外，此时为间接照明方式；整套装置放置在被拍摄目标的同侧；

所述的光源(2)由半导体激光器和微振镜(6)组成；所述的微振镜(6)为基于微机电技术即MEMS的微振镜(6)，且能在驱动信号的控制下进行二维摆动；半导体激光器产生激光(7)，经微振镜(6)反射到成像单元(1)视场的景物中形成点照射光源(2)，通过微振镜(6)的二维摆动，激光点扫描整个成像单元(1)视场范围，实现整个视场的照明。

2.根据权利要求1所述的一种使用激光点扫描的水下成像装置，其特征在于：所述的光源(2)包括多个激光(7)，多个激光(7)通过棱镜汇聚成一束激光(7)照射到微振镜(6)上。

3.根据权利要求1所述的一种使用激光点扫描的水下成像装置，其特征在于：所述的同步电路(4)将成像单元(1)和光源(2)连接在一起，控制成像单元(1)和光源(2)的同步，即保证光源(2)扫描点的移动和成像单元(1)条带状曝光区域(14)的移动保持固定位置关系，且以固定的周期重复；所述同步电路(4)与成像单元(1)或者光源(2)集成为一体。

4.一种使用激光点扫描的水下成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、根据微振镜(6)的工作方式选择同步方式；当微振镜(6)工作在谐振频率时，其摆动频率固定，将光源(2)作为同步源，选择光源同步方式；转步骤B；当微振镜(6)摆动速度远小于谐振频率，将成像单元(1)作为同步源，选择成像单元同步方式；转步骤C；

B、光源同步方式

在光源同步方式下，光源(2)在开始扫描时，发送开始工作信号给同步电路(4)，同步电路(4)将信号延时后发送给成像单元(1)，触发成像单元(1)工作；转步骤D；

C、成像单元同步方式

在成像单元同步方式下，成像单元(1)在拍照时，发送开始工作信号给同步电路(4)，同步电路(4)将信号延时后发送给光源(2)，触发光源(2)扫描；

D、成像单元(1)在光源(2)的照明下输出图像，直至图像输出完成，则完成一次成像过程；转步骤A直至完成所有的成像过程。

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