CN111398977B - 一种可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备。其中，成像装置包括：发射端，包括多个光发射器，用于照射设定区域；处理模块，用于控制各光发射器的工作时序，每次使至少一个光发射器工作；分光模块，用于将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域；接收端，用于接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像；所述处理模块，还用于根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离。本发明通过发射端在不同时间段内发射光信号，经分光模块调制使光信号以阵列方式分区照射目标物体的设定区域，来使接收端分区曝光实现深度成像和测距，从而提高了图像分辨率。

Description

一种可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备
技术领域
本发明涉及光电探测技术，特别涉及一种可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备。
背景技术
飞行时间(TOF)技术是一种在特定场景中测量目标物距离的一种测距技术，通过给目标物体连续发送光脉冲，再通过传感器接收从目标物体反射回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物体距离。
此技术中，单光子探测器(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)具有极大潜力的一个应用场景，其使用场景如图1所示，先由激光发射器发射激光脉冲信号，该信号经目标物体反射后被深度传感器接收，通过TDC(Time-to-Digital Converter，时间/数字转换器)记录发射端到接收端信号之间的时间间隔，再根据光速和该时间间隔可以准确计算出被测物体的距离。
然而，现有的传感器阵列的像素数量有限，很难实现高分辨率成像，目前一般通过电机驱动单点或者多点测距装置旋转实现360°或其他大角度的扫描，或者通过MEMS微震镜来扫描光路，来提高分辨率。但此种方法需要有机械移动驱动部件，成本较高、且工作并不稳定，无法可靠提高图像分辨率。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术探测目标物体的图像分辨率低的问题，本发明的目的在于提供一种可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备。
为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：
一种可提高分辨率的成像装置，其包括：
发射端，包括多个光发射器，用于照射设定区域；
处理模块，用于控制各光发射器的工作时序，每次使至少一个光发射器工作；
分光模块，用于将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域；
接收端，用于接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像；
所述处理模块，还用于根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离；
所述光发射器为4个，所述接收端包括：传感器阵列，用于探测目标物体的反射光；所述传感器阵列包括：若干单光子探测器成像子阵列；
所述处理模块，用于控制各光发射器的工作时序，每次使一个光发射器工作；每一光发射器发出的激光经过分光模块后在远场投射出与传感器阵列相匹配的点阵，使传感器阵列中的每一个单光子探测器成像子阵列都能探测到这4个光发射器的四束激光；
所述分光模块包括：
衍射光学元件，用于根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域；
其中，所述发射端工作完成时，所述衍射光学元件使发射端发射的光覆盖所述设定区域。
在其中一个实施例中，所述接收端还包括：
控制模块，用于将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号解码处理转换为可读取的数字信号。
在其中一个实施例中，所述单光子探测器成像子阵列包括若干单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管呈矩形阵列、圆形阵列或环形阵列排列。
在其中一个实施例中，所述单光子探测器成像子阵列包括若干硅光电倍增管，所述硅光电倍增管呈矩形阵列、圆形阵列或环形阵列排列。
在其中一个实施例中，所述传感器阵列还包括：至少一用于校准探测误差的单光子探测器参考子阵列,所述单光子探测器参考子阵列位于单光子探测器成像子阵列中或者位于单光子探测器成像子阵列的一侧。
所述控制模块包括：
模拟前端，用于将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号；
解码器，用于将所述模拟电信号解码处理；
存储单元，用于存储所述数字信号。
在其中一个实施例中，所述控制模块还包括时间数字转换器，用于测量发射端发射光信号至单光子探测器成像子阵列探测到光信号的时间差，并转换为数字信号反馈给解码器。
在其中一个实施例中，所述分光模块还包括：第一透镜，设置于发射端和衍射光学元件之间，用于使发射端发射的光射向衍射光学元件。
在其中一个实施例中，在所述接收端的光入射侧设置有第二透镜。
本发明还提供一种可提高分辨率的成像装置的成像方法，其包括：
处理模块控制由多个光发射器构成的发射端，依控制时序每次使至少一个光发射器照射设定区域；
由分光模块将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域；
由接收端接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像；
由所述处理模块根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离。
在其中一个实施例中，在由衍射光学元件根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域之前，所述的成像方法还包括：
由设置在发射端和衍射光学元件之间的第一透镜使发射端发射的光射向衍射光学元件。
其中，所述由接收端接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像的步骤包括：
由传感器阵列探测目标物体的反射光；
由控制模块将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号解码处理。
本发明还相应提供一种探测设备，包括设备本体，所述设备本体上设置有可提高分辨率的成像装置。
相较于现有技术，本发明提供的可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备，由发射端在不同时间段内发射光信号，经分光模块调制使光信号以阵列方式分区照射目标物体的设定区域，来使接收端分区曝光实现深度成像和测距，从而提高了图像分辨率。
附图说明
图1为现有技术中激光测距原理图。
图2为本发明提供的可提高分辨率的成像装置的结构框图。
图3为本发明提供的可提高分辨率的成像装置的原理示意图。
图4为本发明提供的可提高分辨率的成像装置中的衍射光学元件的工作原理示意图。
图5为本发明提供的可提高分辨率的成像装置中接收端的光探测信号分布示意图。
图6为本发明提供的可提高分辨率的成像装置中的接收端的电路结构框图。
图7为本发明提供的可提高分辨率的成像装置的成像方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
请参阅图2和图3，本发明提供的可提高分辨率的成像装置包括：发射端10、处理模块20、分光模块30和接收端40，所述处理模块20连接发射端10和接收端40，所述分光模块30设置于发射端10的光出射侧。由发射端10在不同时间段内发射光信号，经分光模块30调制使光信号以阵列方式分区照射目标物体的设定区域，来使接收端40分区曝光实现深度成像和测距，从而提高了图像分辨率。
所述发射端10包括多个光发射器，用于照射设定区域，光发射器的启闭状态由处理模块20控制，通过处理模块20控制各光发射器的工作时序(即各光发射器的开启时间)，每次使至少一个光发射器工作。在一个可选的实施例中，所述光发射器可采用VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器，它是一种半导体激光器)，其激光垂直于顶面射出，通过处理模块20控制各光发射器在不同的时间工作出射激光，以降低发射端10的功耗。
所述光发射器为2-10个，即可分2-10次发射光脉冲，所述处理模块，用于控制各光发射器的工作时序，每次使一个光发射器工作，在达到提高分辨率的同时，功耗最小。较佳地，所述光发射器优选采用4个，在实现高分辨率的同时，生成图像及判断障碍物(即目标物)的距离所需的时间短，确保成像装置的响应速度，以确保及时作出判断。
所述分光模块30，用于将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域。分光模块30主要用于产生任意的光强分布，在发射端10发射完光信号后，分光模块30的光覆盖所述设定区域。
所述接收端40，用于接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像。在一个可选的实施例中，所述接收端40探测设定区域的目标物体(如障碍物)的反射光，该接收端40包括TDC(Time-to-Digital Converter，时间数字转换器)，探测光发射器发射光至接收端40接收到反射光的时间间隔。
所述处理模块20，还用于根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离。所述处理模块20为整个成像装置的控制中心，主要用于对发射端10、分光模块30和接收端40的工作状态的控制，及接收端40反馈的信号的处理，最终达到目标物图像和距离。
较佳地，请参阅图3和图4，所述分光模块30包括：衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements，DOE)32，其用于根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域。其中，所述发射端10工作完成时，所述DOE 32使发射端10发射的光覆盖所述设定区域，确保设定区域中的目标物体的每一个区域均能反射光发射器发射的光，从而提高了深度成像精度。
在一可选的实用例中，所述分光模块30还包括：第一透镜31，其第一透镜31位于发射端10与DOE 32之间，用于使发射端发射的光射向衍射光学元件。
本发明通过第一透镜31使发射端10发射的光射向DOE 32，所述DOE 32根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域，从而确保设定区域中的目标物体的每一个区域均能反射光发射器发射的光。
当然，所述第一透镜31可直接集成在DOE 32中，只要同样能实现提高深度成像精度即可。
在一可选的实施例中，在所述接收端的光入射侧设置有第二透镜45，该第二透镜45使目标物体反射的光信号射向接收端的各SPAD中，从而可进一步提高分辨率。
请一并参阅图5和图6，所述接收端40包括：传感器阵列41和控制模块42，所述传感器阵列41与控制模块42连接。其中，所述传感器阵列41即为SPAD阵列，用于探测目标物体的反射光，SPAD阵列的中的SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)的每个像素单独输出，可以直接生成影像。所述控制模块42用于将SPAD阵列接收的光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号解码处理转换为可读取的数字信号。
在一个可选的实施例中，所述传感器阵列41包括：若干单光子探测器成像子阵列43，即SPAD成像子阵列(SPAD imaging sub-array)，SPAD成像子阵列43包括若干单光子雪崩二极管(即SPAD)，所述单光子雪崩二极管呈矩形阵列、圆形阵列或环形阵列排列，直接生成影像。
较佳地，所述传感器阵列41还包括：至少一用于校准探测误差的单光子探测器参考子阵列44，即SPAD参考子阵列(SPAD reference sub-array),所述SPAD参考子阵列44位于SPAD成像子阵列43中或者位于SPAD成像子阵列43的一侧。所述SPAD参考子阵列44可以是多个，可以有序设置在一起，也可以设置在SPAD成像子阵列内，甚至SPAD成像子阵列周围任何给定的位置。
所述SPAD参考子阵列44一般用于整个成像装置测量延时的校准工作，也可以用于激光的相位调制，用来实现抗干扰能力，在SPAD成像子阵列成像时，所述SPAD参考子阵列44也可以作为SPAD成像阵列。
在其它实施例中，所述SPAD阵列41也可包括若干SiPM(Siliconphotomultiplier，硅光电倍增管)，所述SiPM呈矩形阵列、圆形阵列或环形阵列排列，该阵列中的SPAD输出端子(port)并联在一起，作为一个整体输出信号，由于有多个SPAD子单元，因此可以实现对信号光强度的识别。
请继续参阅图3、图5和图6，所述控制模块42包括：模拟前端421(AFE，Analogfront-end)、解码器422和存储单元423，所述解码器422可连接模拟前端421、存储单元423和处理模块20。
所述模拟前端421用于将SPAD阵列41接收的光信号转换为模拟电信号，其主要用于SPAD信号的探测，并配置为SPAD信号读取方式。由于发射端发射光信号时，会带编码，所述解码器422主要用于将所述模拟电信号解码处理，还可用于根据解码的信息进行运算提取有用信息。所述存储单元423用于存储所述数字信号，包括信号强度的存储。
所述控制模块42还包括时间数字转换器424，用于测量发射端10发射光信号至SPAD成像子阵列探测到光信号的时间差，并转换为数字信号反馈给解码器422。时间数字转换器424为TDC阵列，具体可根据光发射器的数量设置，所述控制模块42可直接受控于处理模块20，也可增设一控制器对其进行控制和管理，并通过控制器反馈信号至处理模块20。
应当说明的是，所述SPAD阵列41可采用SiPM阵列外，时间数字转换器424也可采用ADC转换模块，发射端10也可采用其它可发射脉冲激光的激光器，衍射光学元件32也可用采用衍射光栅等具有与衍射光学元件32相同功能的器件替代，本发明对此不作限制。
本发明还相应提供一种上述的可提高分辨率的成像装置的成像方法，请参阅图7，其包括如下步骤：
S10、处理模块控制由多个光发射器构成的发射端，依控制时序每次使至少一个光发射器照射设定区域；
S20、由分光模块将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域；
S30、由接收端接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像；
S40、由所述处理模块根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离。
本发明通过上述方法实现了对目标物(障碍物)的探测，其分辨率高、响应速度快、而且判断精确度高，具体请参阅上述成像装置对应的实施例。
在一可选的实施例中，在步骤S40之后，所述的成像方法还包括：S50、所述处理模块判断设定区域是否探测完毕；如果否，则循环步骤S10至S40再判断。由于在探测时，成像装置与目标物(障碍物)之间可能是相对运动的状态，或者发射端发射的光被移动物体(如飞行物)遮挡，所以成像装置再次成像也可能存在少许变化，所以在设定区域判断没有探测完毕时，通过再次发射光信号至再成成像和测距的方式可进一步提高深度成像的精度。当步骤S50执行若干次(如3次)时，所述处理模块输出获取的目标物体图像和距离，以确保响应速度。
进一步地，所述步骤S20包括：S21、由衍射光学元件根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域；其中，所述发射端工作完成时，所述衍射光学元件使发射端发射的光覆盖所述设定区域。
通过衍射光学元件能够在保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制，提高分辨率，具体请参阅上述成像装置对应的实施例。
其中，在步骤S21之前，所述的成像方法还包括：S210、由设置在发射端和衍射光学元件之间的第一透镜使发射端发射的光射向衍射光学元件。
在一可选的实施例中，所述步骤S30包括：
S31、由传感器阵列探测目标物体的反射光；
S32、由控制模块将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号解码处理。
SPAD具有灵敏度高、增益大、响应快等优点，而且还能直接生成图像，配合衍射光学元件实现了深度成像，具体请参阅上述成像装置对应的实施例。
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合图3、图4和图5，以发射端10采用4个VCSEL，接收端40采用SPAD阵列41(含TDC)为应用实施例，对本发明的可提高分辨率的成像装置的成像方法进行详细说明：
假如：一个100×100的SPAD阵列41的探测FOV(Field of View，视场)为80dg×80dg，则单个SPAD探测FOV为0.8dg×0.8dg。
4个VCSEL激光发射器发出的光斑分别为a、b、c、d，每一路的VCSEL发出的激光经过DOE后会在远场投射出与SPAD阵列相匹配的点阵，例如100x100个散斑点，每一个散斑点所对应的FOV为0.2dg x0.2dg，占据单个SPAD的探测FOV的1/4，在不同的时间段，启动各VCSEL激光发射器，并将这4束激光经DOE 32分别打在目标物体某个FOV的四个部分，这四个部分的光源再反射到SPAD阵列41上，实现了目标物体的分区域曝光，使SPAD阵列41中的每个SPAD都能探测到a、b、c、d这四束激光，从而使用相关数量的SPAD的同时，大大提高了图像的分辨率。
基于上述的可提高分辨率的成像装置及其成像方法和探测设备，本发明还提供一种探测设备，包括设备本体，所述设备本体上设置有可提高分辨率的成像装置。由于上文已对该成像装置进行了详细描述，此处不再赘述。所述探测设备包括但不限定扫地机器人、汽车、轮船、潜水艇、舰艇、航母，使其可应用于扫地机器人、汽车自动巡航、深海探测等领域。
综上所述，通过衍射光学元件的调制，将n个激光光源分别达到目标物体某个区域的n个部分,实现目标物体的分区域曝光，提升了输出图像的分辨率，而且该成像装置还具有响应速度快、测量精度高、功率低、成本低等特点。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种可提高分辨率的成像装置，其特征在于，包括：
发射端，包括多个光发射器，用于照射设定区域；
处理模块，用于控制各光发射器的工作时序，每次使至少一个光发射器工作；
分光模块，用于将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域，确保设定区域中的目标物体的每一个区域均能反射光发射器发射的光；
接收端，用于接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像；
所述处理模块，还用于根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离；
所述光发射器为4个，所述接收端包括：传感器阵列，用于探测目标物体的反射光；所述传感器阵列包括：若干单光子探测器成像子阵列；
所述处理模块，用于控制各光发射器的工作时序，每次使一个光发射器工作；每一光发射器发出的激光经过分光模块后在远场投射出与传感器阵列相匹配的点阵，使传感器阵列中的每一个单光子探测器成像子阵列都能探测到这4个光发射器的四束激光；
所述分光模块包括：
衍射光学元件，用于根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域；
其中，所述发射端工作完成时，所述衍射光学元件使发射端发射的光覆盖所述设定区域。
2.根据权利要求1所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述接收端还包括：
控制模块，用于将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号解码处理转换为可读取的数字信号。
3.根据权利要求1所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述单光子探测器成像子阵列包括若干单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管呈矩形阵列、圆形阵列或环形阵列排列。
4.根据权利要求1所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述单光子探测器成像子阵列包括若干硅光电倍增管，所述硅光电倍增管呈矩形阵列、圆形阵列或环形阵列排列。
5.根据权利要求1所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述传感器阵列还包括：至少一用于校准探测误差的单光子探测器参考子阵列,所述单光子探测器参考子阵列位于单光子探测器成像子阵列中或者位于单光子探测器成像子阵列的一侧。
6.根据权利要求2所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述控制模块包括：
模拟前端，用于将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号；
解码器，用于将所述模拟电信号解码处理；
存储单元，用于存储所述数字信号。
7.根据权利要求6所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述控制模块还包括时间数字转换器，用于测量发射端发射光信号至单光子探测器成像子阵列探测到光信号的时间差，并转换为数字信号反馈给解码器。
8.根据权利要求1所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，所述分光模块还包括：第一透镜，设置于发射端和衍射光学元件之间，用于使发射端发射的光射向衍射光学元件。
9.根据权利要求8所述的可提高分辨率的成像装置，其特征在于，在所述接收端的光入射侧设置有第二透镜。
10.一种如权利要求1所述可提高分辨率的成像装置的成像方法，其特征在于，包括：
处理模块控制由多个光发射器构成的发射端，依控制时序每次使至少一个光发射器照射设定区域；
由分光模块将光发射器发射的光进行分光处理，使其呈阵列方式分区域照射所述设定区域；
由接收端接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像；
由所述处理模块根据影像和光传播时间获取目标物体的图像和距离。
11.根据权利要求10所述的成像方法，其特征在于，在由衍射光学元件根据光发射器的工作状态，使光呈阵列方式分区域照射所述设定区域之前，所述的成像方法还包括：
由设置在发射端和衍射光学元件之间的第一透镜使发射端发射的光射向衍射光学元件。
12.根据权利要求10所述的成像方法，其特征在于，所述由接收端接收所述设定区域的目标物体的反射光，并根据曝光区域生成影像的步骤包括：
由传感器阵列探测目标物体的反射光；
由控制模块将传感器阵列接收的光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号解码处理。
13.一种探测设备，其特征在于，包括设备本体，所述设备本体上设置有如权利要求1-9任意一项所述的可提高分辨率的成像装置。
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