CN112817007A - 一种非视域扫描成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种非视域扫描成像系统，所述系统包括扫描单元和信号探测单元，光源光束经过所述扫描单元的内部光路后出射，经中继面反射绕过障碍物照射在目标物上，从目标物上反射的光束再度由所述中继面反射后被所述信号探测单元接收，根据接收的信息可通过后续的重建算法恢复所述目标物的信息；所述扫描单元包括第一扫描振镜、第二扫描振镜和第一4f光学系统，所述第一扫描振镜的几何中心点、第二扫描振镜的几何中心点皆与所述第一4f光学系统位于同一光轴；所述第一扫描振镜的旋转轴与所述第二扫描振镜的旋转轴正交；所述第一、第二扫描振镜绕各自旋转轴旋转，使自所述扫描单元出射的光束在所述中继面上的落点移动。
Description
技术领域
本发明涉及光学扫描，具体地说涉及一种非视域扫描成像系统。
背景技术
非视域成像技术可用于观测隐藏在直接视场外的场景，如路口拐角、有门窗的房间等，在国防、机器人视觉、遥感、医学成像、自动驾驶等领域有着重要的应用。非视域成像通过检测散射观测区域内隐藏目标的返回信号来恢复静态场景的三维结构。
目前，非视域成像主要采用激光源进行主动成像，通过扫描镜控制光束照射位置，选择性地对目标进行成像。在共焦非视域成像中，激光每次只对相同的点进行照明，并对该点进行光栅扫描来获得三维瞬态图像，具有成像速度快、质量高、点照明定位精准等优点；全局照明是在中继面上设置不同的点来尽可能地照明并采集目标图像，各点的反射光束会相互干扰。通过扫描点的坐标与目标的方位关系，可以计算出飞行时间继而重建目标图像。
现有技术能够实现高质量成像的前提是对中继面上的点进行精准地照明，但是，现有技术仍存在如下问题：非视域成像中脉冲激光在中继面上扫描时产生的光束偏移，造成对中继面上的点扫描结果不准确，从而影响最终成像结果。
因此，有必要设计一种技术方案以解决非视域成像中脉冲激光在中继面上扫描时产生的光束偏移的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种非视域扫描成像系统，所述非视域扫描成像系统采用的具体技术方案如下：
一种非视域扫描成像系统，所述系统包括扫描单元和信号探测单元，光源光束经过所述扫描单元的内部光路后出射，经中继面反射绕过障碍物照射在目标物上，从目标物上反射的光束再度由所述中继面反射后被所述信号探测单元接收，根据接收的信息可通过后续的重建算法恢复所述目标物的信息；所述扫描单元包括第一扫描振镜、第二扫描振镜和第一4f光学系统，所述第一扫描振镜的几何中心点、第二扫描振镜的几何中心点皆与所述第一4f光学系统位于同一光轴；所述第一扫描振镜的几何中心点位于所述第一4f光学系统的前焦面，所述第二扫描振镜的几何中心点位于所述第一4f光学系统的像平面；所述第一扫描振镜的旋转轴与所述第二扫描振镜的旋转轴正交；所述光源光束在所述扫描单元中的光路依次经过所述第一扫描振镜、第一4f光学系统、第二扫描振镜，所述第一、第二扫描振镜绕各自旋转轴旋转，使自所述扫描单元出射的光束在所述中继面上的落点移动。
优选的，所述第一4f光学系统包括两个同轴共焦设置的透镜，所述两个透镜完全一致。
优选的，以所述4f光学系统的光轴为基准建立空间直角坐标系，所述光学系统的光轴为Z轴，所述第一扫描振镜的旋转轴平行于X轴，所述第二扫描振镜的旋转轴平行于Y轴；所述第一、第二扫描振镜的几何中心点皆处于各自的旋转轴上。
优选的，所述光源光束保持在所述第一扫描振镜的扫描中心。
优选的，在所述中继面上设置点阵列，所述扫描单元分别对点阵列上的各个点进行扫描。
优选的，所述信号探测单元包括收集透镜、第三振镜、第二4f光学系统、第四振镜、聚焦透镜、探测器，所述收集透镜与中继面平行放置；所述第三振镜的几何中心点、第四振镜的几何中心点皆与所述第二4f光学系统位于同一光轴；所述第三振镜的几何中心点位于第二4f光学系统的前焦面，所述第四振镜的几何中心点位于第二4f光学系统的像平面；所述第三振镜的旋转轴与所述第四振镜的旋转轴正交。
优选的，以所述第二4f光学系统的光轴为基准建立空间直角坐标系，其中，所述第二4f光学系统的光轴为Z轴，所述第三振镜的旋转轴平行于X轴，所述第四振镜的旋转轴平行于Y轴，第三振镜、第四振镜的几何中心点皆处于各自的旋转轴上。
优选的，所述收集透镜沿Z轴方向移动，所述第三振镜绕该第三振镜的旋转轴旋转，使由所述收集透镜收集到的光束经所述第三振镜反射后平行于所述第二4f光学系统的光轴。
优选的，所述中继面一直位于所述收集透镜的前焦面。
优选的，所述第四振镜绕该第四振镜的旋转轴旋转，使得经过所述第二4f光学系统的光束自该第四振镜反射后由所述聚焦透镜聚焦再被所述探测器接收。
本发明所提供的非视域扫描成像系统具有优点：
双扫描振镜结构与4f光学系统的结合使得光束不产生偏移，扫描点阵列坐标更准确；
先设置一个收集透镜收集大部分带有目标信息的光并将其变为平行光，振镜的转动使得可以收集到较大视场内的信号，其中的第二4f光学系统确保光束不发生偏移，使得微弱光被聚焦后可以被探测器采集到。
附图说明
图1为非视域扫描成像系统的示意图；
图2为扫描单元的示意图；
图3为信号探测单元的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示的本发明提供的非视域扫描成像系统结构示意图，所述非视域扫描成像系统包括扫描单元100和信号探测单元500，图1中还标注了障碍物2、目标探测物3以及中继面4。
扫描单元100发射出扫描光束，扫描光束对设置在中继面上的点阵列中的各个点依次进行扫描，扫描光束经过中继面反射后越过障碍物照射在目标物上，扫描光束再度依次经过目标物和中继面的反射后由信号探测单元500接收。
如图2所示，扫描单元100包括第一扫描振镜101、第二扫描振镜103、第一4f光学系统102和第一扫描驱动系统，所述第一扫描振镜101的几何中心点、第二扫描振镜103的几何中心点皆与所述第一4f光学系统102位于同一光轴；所述第一扫描振镜101的几何中心点位于所述第一4f光学系统102的前焦面，所述第二扫描振镜103的几何中心点位于所述第一4f光学系统102的像平面；所述第一扫描振镜101的旋转轴与所述第二扫描振镜103的旋转轴正交；入射光束光路依次经过所述第一扫描振镜101、第一4f光学系统102及第二扫描振镜103；所述第一扫描驱动系统分别带动第一扫描振镜101、第二扫描振镜103绕各自旋转轴旋转。
扫描单元还包括光源104，光源104可以为脉冲激光，光源104发出的光束方向相对扫描单元100固定，光源104发出的光束作为入射光束，入射光束经过扫描单元100的其它部分组件对中继面上设置的点阵列中的扫描点依次进行扫描。
如上所述的第一4f光学系统102包括两个同轴共焦设置的透镜，所述两个透镜可以完全一致，其中，将所述入射光束光路第一给经过的透镜命名为第一透镜102a，第二个经过的透镜命名为第二透镜102b，第一透镜102a和第二透镜102b的焦距皆为f，故将两焦距为f且同轴共焦设置的光学系统称为4f光学系统。
如上所述的第一4f光学系统102中第一透镜102a的后焦面为第二透镜102b的前焦面，所述第一透镜102a的后焦面为整个第一4f光学系统102的频谱面或称变换平面，第二透镜102b的后焦面是整个第一4f光学系统102的像平面。
以所述第一4f光学系统102的光轴为基准建立如图2所示的空间直角坐标系，其中，所述光学系统2的光轴为Z轴，所述第一扫描振镜101的旋转轴平行于X轴，所述第二扫描振镜103的旋转轴平行于Y轴。
第一扫描振镜101、第二扫描振镜103的几何中心点皆处于各自的旋转轴上。
工作时，利用一束小的平行光束作为入射光束进行二维扫描，所述入射光束保持在所述第一扫描振镜101的扫描中心。
所述入射光束进入本发明提供的扫描单元100后经过第一扫描振镜101反射进入第一4f光学系统102，光束从第一4f光学系统102透出后落在第二扫描振镜103上，最后经过第二扫描振镜103的反射落在目标面。
为了让如上所述的双扫描振镜结构进行二维扫描，所述扫描第一扫描驱动系统分别驱动第一扫描振镜101和第二扫描振镜103绕各自旋转轴旋转。
本发明利用两个一维扫描振镜组合实现了二维扫描，在不添加4f光学系统的情形下，当两个扫描振镜同时或不同时旋转时会无可避免地出现落在第二扫描振镜上的光束偏移影响扫描精度的情况。
因此，本发明利用第一4f光学系统102的物象共轭特性，使得落在第二扫描振镜103上的光束与第一扫描振镜101反射过来的光束共轭。由于入射光束保持在所述第一扫描振镜101的扫描中心，因此落在第二扫描振镜103上的光束也保持在第二扫描振镜103的扫描中心，避免了几何中心点的偏移，提高了扫描精度。
对于扫描的精确度，还可以在系统结构上进行改善优化。例如，在扫描振镜后设有调焦装置，用于控制图像信息的高频分量；在光学系统中增加棱镜，消除由振镜反射时产生的影像旋转；设置视场光阑，抑制杂散光；在光路中采用非球面透镜，对光束进行整形等等。其中，4f光学系统由两个间隔二倍焦距的透镜组成，物像共轭，并且可在频谱面进行滤波。
所述第一扫描振镜101绕其旋转轴的旋转角度范围的限制条件为：不得使该第一扫描振镜101的反射光光路超出所述第一4f光学系统102的接收范围。
所述第二扫描振镜103绕其旋转轴的旋转角度范围的限制条件为：该第二扫描振镜103仍可反射经过所述第一4f光学系统102后的平行光束。
现结合附图对本发明提供的扫描单元100的工作状态进行详细解释：
如图2所示，当第一扫描振镜101绕旋转轴旋转且第二扫描振镜103保持不动时，扫描光束最终落在目标面的水平方向移动；同理可知，当第二扫描振镜103绕旋转轴旋转时，扫描光束最终落在目标面的垂直方向步进。
即，第一扫描振镜101和第二扫描振镜103同时分别绕各自旋转轴旋转，扫描光束首先沿水平方向连续扫描，在垂直方向步进，起点为扫描视场的右上角，终点为左下角，一次扫描行程完成扫描视场的全覆盖。
如图3所示为信号探测单元500示意图，信号探测单元500包括收集透镜501、第三振镜502、第二4f光学系统503、第四振镜504、聚焦透镜505、探测器506以及第二驱动系统，其中收集透镜501与中继面平行放置。
所述第三振镜502的几何中心点、第四振镜504的几何中心点皆与所述第二4f光学系统503位于同一光轴；所述第三振镜502的几何中心点位于第二4f光学系统503的前焦面，所述第四振镜504的几何中心点位于第二4f光学系统503的像平面；所述第三振镜502的旋转轴与所述第四振镜504的旋转轴正交。
如上所述的第二4f光学系统503包括两个同轴共焦设置的透镜，所述两个透镜可以完全一致。
以所述第二4f光学系统503的光轴为基准建立如图3所示的空间直角坐标系，其中，所述第二4f光学系统503的光轴为Z轴，所述第三振镜502的旋转轴平行于X轴，所述第四振镜504的旋转轴平行于Y轴。
第三振镜502、第四振镜504的几何中心点皆处于各自的旋转轴上。
如图3所示，第三振镜502所处平面垂直于空间直角坐标系YOZ平面，其中，O表示空间直角坐标系的原点；收集透镜501所处平面到第三振镜502的几何中心所处的XOZ平面距离为d，中继面4一直位于收集透镜501的前焦面。
假设，将第三振镜502所处平面与Z轴夹角为因变量θ，收集透镜501在Z轴方向上移动的距离为自变量x，则所述因变量θ与自变量x之间的关系可以用公式(1)表示：
公式(1)表示的含义为当收集透镜501沿Z轴方向移动距离x1时，第三振镜502绕X轴旋转，使第三振镜502所处平面与Z轴夹角为
从而使得自第三振镜502反射的光束平行于所述第二4f光学系统503的光轴。
由收集透镜501收集的光束经第三振镜502反射后通过第二4f光学系统503投影到第四振镜504上，第四振镜504绕旋转轴旋转，光束经第四振镜504反射后由聚焦透镜505聚焦到探测器506上完成信号探测，探测器506的位置可以固定不动。
当中继面4上设置的点阵列的坐标足够精确时，就可以排除光源-中继面和中继面-探测器的这两段光束的飞行时间，只计算光束在中继面-目标-中继面的飞行时间，继而根据探测到的信号计算出目标不同部位与中继面的距离，可以通过三维重建算法进行后续的目标重建，恢复目标信息。
第二驱动系统可以分别驱动第三振镜502和第四振镜504绕各自旋转轴旋转。
尽管为示例目的,已经公开了本发明的优选实施方式,但是本领域的普通技术人员将意识到,在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下,各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (10)
1.一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述系统包括扫描单元和信号探测单元，光源光束经过所述扫描单元的内部光路后出射，经中继面反射绕过障碍物照射在目标物上，从目标物上反射的光束再度由所述中继面反射后被所述信号探测单元接收，根据接收的信息可通过后续的重建算法恢复所述目标物的信息；所述扫描单元包括第一扫描振镜、第二扫描振镜和第一4f光学系统，所述第一扫描振镜的几何中心点、第二扫描振镜的几何中心点皆与所述第一4f光学系统位于同一光轴；所述第一扫描振镜的几何中心点位于所述第一4f光学系统的前焦面，所述第二扫描振镜的几何中心点位于所述第一4f光学系统的像平面；所述第一扫描振镜的旋转轴与所述第二扫描振镜的旋转轴正交；所述光源光束在所述扫描单元中的光路依次经过所述第一扫描振镜、第一4f光学系统、第二扫描振镜，所述第一、第二扫描振镜绕各自旋转轴旋转，使自所述扫描单元出射的光束在所述中继面上的落点移动。
2.根据权利要求1所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述第一4f光学系统包括两个同轴共焦设置的透镜，所述两个透镜完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：以所述4f光学系统的光轴为基准建立空间直角坐标系，所述光学系统的光轴为Z轴，所述第一扫描振镜的旋转轴平行于X轴，所述第二扫描振镜的旋转轴平行于Y轴；所述第一、第二扫描振镜的几何中心点皆处于各自的旋转轴上。
4.根据权利要求3所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述光源光束保持在所述第一扫描振镜的扫描中心。
5.根据权利要求1所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：在所述中继面上设置点阵列，所述扫描单元分别对点阵列上的各个点进行扫描。
6.根据权利要求1所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述信号探测单元包括收集透镜、第三振镜、第二4f光学系统、第四振镜、聚焦透镜、探测器，所述收集透镜与中继面平行放置；所述第三振镜的几何中心点、第四振镜的几何中心点皆与所述第二4f光学系统位于同一光轴；所述第三振镜的几何中心点位于第二4f光学系统的前焦面，所述第四振镜的几何中心点位于第二4f光学系统的像平面；所述第三振镜的旋转轴与所述第四振镜的旋转轴正交。
7.根据权利要求6所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：以所述第二4f光学系统的光轴为基准建立空间直角坐标系，其中，所述第二4f光学系统的光轴为Z轴，所述第三振镜的旋转轴平行于X轴，所述第四振镜的旋转轴平行于Y轴，第三振镜、第四振镜的几何中心点皆处于各自的旋转轴上。
8.根据权利要求7所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述收集透镜沿Z轴方向移动，所述第三振镜绕该第三振镜的旋转轴旋转，使由所述收集透镜收集到的光束经所述第三振镜反射后平行于所述第二4f光学系统的光轴。
9.根据权利要求8所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述中继面一直位于所述收集透镜的前焦面。
10.根据权利要求7所述的一种非视域扫描成像系统，其特征在于：所述第四振镜绕该第四振镜的旋转轴旋转，使得经过所述第二4f光学系统的光束自该第四振镜反射后由所述聚焦透镜聚焦再被所述探测器接收。
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