CN113884019A - 三维成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种三维成像系统，包括：光学发射器，向目标场景发射光脉冲；光学调制器，对至少一部分从光学发射器发射的光脉冲和/或从目标场景返回的光脉冲的光学状态进行调制；光学元件阵列，接收经调制的返回部分，其中，至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，光学元件阵列具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能；光电探测器，包括成像透镜，接收通过光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及控制器，控制器通过电路向光学调制器施加控制，光学调制器基于控制将光脉冲的光学状态调制为时间的函数，并且控制器基于电信号和所施加的控制计算距离和/或相对光强。

Description

三维成像系统及方法
技术领域
本申请涉及光学成像领域，尤其涉及用于捕获三维信息的三维成像系统及相关方法。
背景技术
在一些传统的三维成像系统中，通过用激光脉冲照射对象，并且使用克尔盒或泡克尔斯盒来将从对象反射的激光脉冲的偏振状态改变为时间的函数，以获得目标对象的三维坐标。结果，由目标对象的更接近成像系统的特征(具有较短的飞行时间)反射的激光脉冲的各部分的偏振状态受影响程度较小，而由目标对象的更远离成像系统的特征(具有较长的飞行时间)反射的激光脉冲的各部分的偏振状态受影响程度较大。通过将偏振调制的激光束的两个偏振分量成像在两个分开的焦平面阵列上，可以计算关于目标对象的位置信息。
但是，上述方法需要将在两个焦平面上获取的图像进行标定、对齐，容易引入误差。此外，上述方法为了将偏振态分离，增加了许多附加的光学器件，从而导致光学设计更加复杂，并使得成本增加且系统尺寸和重量也增加。
现有的一些解决方案中，可以基于光信号的偏振态来确定飞行时间，其所采取的方式通常为：在电光调制器之前和之后各设置一个线偏振片，随着电光调制器对光信号的偏振方向的调制，检测通过两个线偏振片的光信号的强度，其中，设置在电光调制器之前的线偏振片和设置在电光调制器之后的线偏振片的偏振方向不平行。然而，由于设置在电光调制器之前和之后的线偏振片，使得来自目标场景的光信号的能量被大幅度减弱且通光量较低，由此造成测量精度较低，或者对成像芯片要求较为苛刻。
发明内容
本申请提出的三维成像系统以及使用三维成像系统测量的方法，可解决或部分解决现有技术中存在的问题。
根据本申请第一方面的三维成像系统可包括：光学发射器，向目标场景发射光脉冲，所述目标场景返回所述光脉冲中的至少一部分光脉冲。三维成像系统还可包括：光学调制器，对至少一部分从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的光脉冲的光学状态进行调制；光学元件阵列，接收经调制的至少一部分光脉冲，其中，至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，所述光学元件阵列具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能，所述光学状态可包括但不限于偏振状态、透射率、反射率；光电探测器，包括成像透镜，接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及控制器，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的至少一部分光脉冲的光学状态调制为时间的函数，并且所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
在一个实施方式中，所述光学状态可以是光的偏振状态。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列可以包括具有彼此不同的固定偏振方向的至少三个偏振片。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列至少包括一个偏振方向可调的偏振部件。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列由四个偏振片组成，所述四个偏振部件呈田字形设置。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列包括至少一个光学元件阵列单元，所述至少一个光学元件阵列单元中的每一个包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；以及所述光电探测器包括与所述至少一个光学元件阵列单元对应的至少一个光电探测器单元。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列单元包括四个偏振片，所述四个偏振片呈田字形设置。
在一个实施方式中，所述四个偏振部件分别是0°方向偏振片、45°方向偏振片、90°方向偏振片和135°方向偏振片。
在一个实施方式中，所述至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件中的三个偏振部件分别是0°方向线偏振片、45°方向线偏振片、以及左旋或右旋偏振片。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列包括薄膜偏振片、线栅偏振片、棱镜偏振器、液晶偏振片或其组合。
在一个实施方式中，所述光学调制器包括具有电光调制效应的晶体、液晶、和/或具有声光调制效应的晶体、液晶。
在一个实施方式中，所述光学调制器包括多个光学调制器，所述多个光学调制器串联连接。
在一个实施方式中，所述控制器与所述光学发射器和所述光学调制器单向通信，并且所述控制器与所述光电探测器双向通信。
在一个实施方式中，所述光学元件阵列和所述光电探测器一体地集成。
在一个实施方式中，所述光学发射器和所述光电探测器一体地集成、或者单独形成后进行集成。
在一个实施方式中，所述光脉冲的波长为300nm-750nm、700nm-1000nm、900nm-1600nm、1um-5um或3um-15um。
在一个实施方式中，所述光脉冲具有0.1ps-5ns、1ns-100ns、100ns-10us或10us-10ms的脉冲宽度。
在一个实施方式中，所述光电探测器包括硅基探测器CCD、CMOS，和/或Ge、InGaAs、InSb、InAs、HgCaTe、QWIP探测器或探测器阵列。
在一个实施方式中，三维成像系统还包括设置在所述光学调制器与所述光学元件阵列之间的成像透镜。
在一个实施方式中，三维成像系统还包括设置在所述光学调制器的、靠近所述目标场景的一侧上的线偏振片和/或圆偏振片。
另一方面，本申请还提供了一种形成三维成像系统的方法，包括：在光学发射器的光学路径上设置光学调制器，以使得所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回时具有随时间变化的光学态；通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；在所述光学元件阵列的后方部署光电探测器，以接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及设置控制器，以与所述光学发射器、所述光学调制器和所述光电探测器电连接，其中，所述控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数，以及所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号和施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
在一个实施方式中，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分的光学状态调制为时间的单调函数。
在一个实施方式中，形成三维成像系统的方法还包括在所述目标场景与所述光学元件阵列之间设置透镜。
另一方面，本申请还提供了一种使用如上所述的三维成像系统进行测距的方法，所述方法包括：在初始时间点处对所述目标场景进行第一次拍摄，以获得基准图像信息；以及在与所述初始时间点间隔预定时间的下一时间点处进行第二次拍摄，以获得比较图像信息，其中，基于所述基准图像信息与所述比较图像信息确定所述目标场景中各像素点与所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
再一方面，本申请还提供了一种使用如上所述的三维成像系统进行测距的方法，所述方法包括：对三维成像系统进行校准；在预定时间点处进行一次拍摄，以获得图像信息，基于所述图像信息以及系统校准信息确定所述目标场景中各像素点与所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
在另一方面，本申请还提供了一种使用如上所述的三维成像系统进行测距的方法，所述方法包括：通过所述光学调制器调制所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回的光信号；通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；利用光电探测器接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及通过控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数；以及通过所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
在又一方面，本申请还提供了一种使用如上所述的三维成像系统进行测距的方法，所述方法包括：通过所述光学调制器调制所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回的光信号；通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列至少在预定时间内包括具有传输至少三个彼此不同的光学状态的光的至少一个光学部件；利用光电探测器接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；通过控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数；以及通过所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
附图说明
根据以下结合附图的简要描述，将更清楚地理解示例性实施方式。附图表示了本文中所描述的非限制性示例性实施方式。在附图中：
图1示出了根据本公开的示例性实施方式的三维成像系统的示意图；
图2示出了根据本公开的另一示例性实施方式的三维成像系统的示意图；
图3A示出了根据本公开的示例性实施方式的偏振片阵列单元的示意图；
图3B示出了根据本公开的另一示例性实施方式的偏振片阵列单元的示意图；
图3C示出了根据本公开的又一示例性实施方式的动态偏振片的示意图；
图4示出了庞加莱球模型；
图5示出了使用庞加莱球模型确定飞行时间的示意图；
图6示出了根据本公开的示例性实施方式的三维成像系统的示意图；
图7示出了根据本申请示例性实施方式的、用于形成三维成像系统的方法的框图；以及
图8示出了根据本申请示例性实施方式的利用三维成像系统进行测距的方法的框图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关所列项中的任何一个及任何两个或更多个的任何组合。
本申请中描述的特征可以以不同形式实施，并且不应被理解为限于本申请中描述的示例。更确切地，提供本申请中描述的示例仅仅是为了说明实现本申请中描述的方法、装置和/或系统的诸多可能方式中的一些方式，这些方式将在理解本申请的公开内容之后显而易见。
相对于示例或实施方式的措辞“可”的使用(例如，关于示例或实施方式可包括或实现的内容)意指存在包括或实现这种特征的至少一个示例或实施方式，而全部示例或实施方式不限于此。
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一电光调制器可被称作第二电光调制器，第二电光调制器也可被称作第一电光调制器。
在附图中，为了便于说明，可能已稍微夸大了各部件的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
在整个说明书中，当诸如一个元件被描述为位于另一元件“上”、“连接到”或“联接到”另一元件时，该元件可直接位于该另一元件“上”、直接“连接到”或直接“联接到”该另一元件，或者可存在介于该元件与该另一元件之间的一个或多个其它元件。相反地，当元件被描述为“直接位于”另一元件“上”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件时，则可不存在介于该元件与该另一元件之间的其它元件。
为了便于描述，可在本文中使用诸如“在……上方”“较上”、“在……下方”和“较下”的空间相对措辞来描述如附图中所示的一个元件与另一元件的关系。除附图中描绘的定向之外，这种空间相对措辞旨在包括设备在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在另一元件“上方”或相对于另一元件“较上”的元件将在该另一元件“下方”或相对于该另一元件“较下”。因此，根据设备的空间定向，措辞“在……上方”包括“在……上方”和“在……下方”两种定向。设备还可以以其它方式定向(例如，旋转90度或处于其它定向)，并且应相应地解释本文中使用的空间相对措辞。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除还存在一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰列表中的全部特征，而不是仅仅修饰列表中的单独元件。
如在本文中使用的，词语“大致”、“大约”以及类似的词语用作表近似的词语，而不用作表程度的词语，并且旨在说明本领域普通技术人员能够认识到的测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，术语(例如在常用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义进行解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。
图1示出了根据本公开的示例性实施方式的三维成像系统100a的示意图，图2示出了根据本公开的另一示例性实施方式的三维成像系统100b的示意图，图3A示出了根据本公开的示例性实施方式的偏振片阵列单元的示意图，图3B示出了根据本公开的另一示例性实施方式的偏振片阵列单元的示意图，以及图3C示出了根据本公开的又一示例性实施方式的动态偏振片的示意图。
参考图1，三维成像系统100a可包括光学发射器10、光学调制器20、光学元件阵列30、光电探测器40以及控制器50。
光学发射器10用于向目标场景发射光脉冲，以照亮目标场景。例如可按照预设规律向目标场景发射光脉冲。光学发射器10可以发射波长在例如300nm-750nm、700nm-1000nm、900nm-1600nm、1um-5um或3um-15um范围内的光脉冲。脉冲宽度可以例如是0.1ps-5ns、1ns-100ns、100ns-10us或10us-10ms。这里仅以示例的方式例举了光学发射器10所发射的光脉冲的波长和脉宽的参数，然而本申请不限于此，其它未背离本申请教导的其它波长和脉宽的参数也是允许的。
在一些实施方式中，光学发射器10可以是半导体激光器、光纤激光器、固态激光器。光学发射器10还可以是锁模激光器、主动调Q激光器、被动调Q激光器或者其他直接调制的激光器。
在一些实施方式中，光学发射器10所发射的光脉冲可以是经调制的线性偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，或者非偏振光。光脉冲的脉冲重频可以选择自1Hz-100Hz、100Hz-10kHz、10kHz-1MHz或1MHz-100MHz的范围。光脉冲的相干长度可以小于100m、10m、1m或1mm。
光学发射器10发射的光脉冲射向目标场景。目标场景可以包括例如被摄物200。被摄物200反射或折射来自光学发射器10的光信号，并将部分信号导向光学调制器20。此时，光学调制器20可以用于对从所述目标场景返回的至少一部分光脉冲的光学状态进行调制。
但是光学调制器20的设置不限于此，在一些实施方式中，光学调制器20可以设置在光学发射器10与目标场景之间，用于对从光学发射器发射的光脉冲的光学状态进行调制。
光学调制器20可以包括具有电光调制效应的晶体、和/或具有声光调制效应的晶体。光学调制器20可以是可变法布里-珀罗标准具、和/或泡克尔斯(Pockels)效应器件、克尔(Kerr)效应器件等。
具有电光调制效应的晶体(在本文中，也称为“电光晶体”)可以是例如LiNbO3、BaTiO3、KD*P、ADP、KTN、PLZT、BBO中的至少一种等。电光晶体的折射率可以发生与施加到电光晶体的电场强度相关联的变化，从而使得穿过电光晶体的光信号获得相位延迟，并且使得光信号的偏折态发生对应变化。根据示例性实施方式，对电光晶体施加的电场方向可以与光信号的传播方向垂直。
然而，本申请并不限于此，在本申请教导的范围内，任何合适的电光晶体材料都是可以的，只要当一定的电压被施加到电光晶体上时，电光晶体的折射率发生与电场强度相关的变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度和/或偏振状态的调制即可。光学调制器20可以实现将光脉冲部分的强度调制成时间的函数。
对于电光调制器(EOM)而言，输入偏振Pin和输出偏振Pout满足以下关系：
Figure BDA0002568450220000101
其中，A、B、C、D是电光调制器的琼斯矩阵的参数，其与每个像素的EOM的相位延迟相关，E(t)是随时间单调变化的调制信号，以提供时间和相位延迟之间的一对一相关性。
一般而言，需要进行两次测量，即，没有调制或调制信号E(t)为恒定的，以及经过调制以使得调制信号E(t)为随时间变化的函数f(t)。
在光学调制器20前面加有固定偏振部件时，可以预先对系统进行校准，然后在实际应用中使用调制信号E(t)进行一次测量。通过时间和相位延迟的一一对应关系可以获得每个像素对应空间点的飞行时间及其距离。
在一些实施方式中，光学调制器20可以包括两个电光调制器。例如，如图2所示，光学调制器20可以包括第一电光调制器21和第二电光调制器22。第一电光调制器21和第二电光调制器22可以以串联的方式进行连接。第一电光调制器21中所包括的电光晶体的光轴方向和第二电光调制器22中所包括的电光晶体的光轴方向可以彼此垂直。然而，本申请不限于此，光学调制器20还可以包括例如三个、四个或更多个电光调制器。多个电光调制器可以以串联的方式进行连接，并且具有彼此不同或相同的光轴方向。
通过使用多个电光调制器，可以显著降低光学调制器20所需要的电压。在光学调制器20包括多个电光调制器的情况下，施加到每个电光调制器的电场方向均可以与光信号的传播方向垂直，并且施加到各个电光调制器的电场方向可以彼此不同。例如，施加到第一电光调制器21的电场方向可以与施加到第二电光调制器22的电场方向垂直。应该理解，施加到每个电光调制器的电场方向还可以平行于光的传播方向，或者在能够实现本发明构思的任何其它合适的方向上。
至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，光学元件阵列30具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能，光学状态包括但不限于偏振状态、透射率、反射率。
光学元件阵列30可以由偏振片阵列形成，其不同的区域可以用于传输具有不同偏振态的光信号。光学元件阵列30可以包括一个或多个偏振片阵列单元。光学元件阵列30、光电探测器40以及控制器50可以用于对光信号的偏振态进行检测。这在下文中将详细说明。
光学元件阵列30可以包括薄膜偏振片、线栅偏振片、棱镜偏振器、液晶偏振片或其组合。可选地，光学元件阵列30可以包括具有固定偏振方向的至少三个偏振片，至少三个偏振片的偏振方向彼此不同。
在一些实施方式中，光学元件阵列30可以包括至少一个光学元件阵列单元，至少一个光学元件阵列单元中的每一个包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件。例如，每个光学元件阵列单元可以包括四个线性偏振片。四个线性偏振片呈田字形排列，并且四个线性偏振片具有彼此不同的偏振方向。
如图3A中所示，每个偏振片阵列单元可以包括0°偏振片P0、45°偏振片P45、90°偏振片P90以及135°偏振片P135。一个或多个偏振片阵列单元形成光学元件阵列30。0°偏振片P0允许0°的偏振光从中通过，45°偏振片P45允许45°的偏振光从中通过，90°偏振片P90允许90°的偏振光从中通过，以及135°偏振片P135允许135°的偏振光从中通过。
在一些实施方式中，光学元件阵列30可以仅包括一个偏振片阵列单元，即，光学元件阵列30可以仅包括一个0°偏振片P0、一个45°偏振片P45、一个90°偏振片P90以及一个135°偏振片P135，这四个偏振片呈田字形排列，并且每一个偏振片覆盖后方光电探测器40的四分之一的区域。
偏振片阵列单元的设置方式不限于图3A中所示的排列方式。在一些其他实施方式中，每个偏振片阵列单元可以包括例如三个偏振片。三个偏振片与一个不设置偏振片的区域呈田字形排列，并且三个偏振片具有彼此不同的偏振方向。例如，如图3B中所示，每个偏振片阵列单元可以包括未设置偏振片的区域NP、0°偏振片P0、45°偏振片P45以及右旋偏振片PR。未设置偏振片的区域NP可以允许具有任何偏振态的光信号从中通过，0°偏振片P0允许0°的偏振光从中通过，45°偏振片P45允许45°的偏振光从中通过以及右旋偏振片PR允许右旋偏振态的光信号从中通过。在一些实施方式中，每个偏振片阵列单元还可以设置成包括未设置偏振片的区域NP、0°偏振片P0、45°偏振片P45以及左旋偏振片PL(未示出)。
应当理解，在本申请中的光学元件阵列30上的偏振片排列方式不限于本文中所描述的组合方式，其他能够实现对光信号偏振态检测的偏振片组合方式均是可行的。
可选地，光学元件阵列30还可以由至少一个偏振方向可调的偏振元件形成。每个偏振片阵列单元可以包括一个偏振方向可调的偏振元件，例如，偏振方向可以随时间变化的动态偏振片DP。偏振方向可调的偏振元件的偏振方向可以受控地进行改变(例如，通过高速旋转偏振元件或者通过电压调制)，例如使得偏振元件的偏振方向在0°、45°、90°和135°之间切换。偏振方向可调的偏振元件的偏振方向可以按照例如0°、45°、90°和135°的顺序依次切换，但本申请不限于此，偏振方向可调的偏振元件的偏振方向也可以按照其他角度顺序进行切换。
如图3C所示，动态偏振片DP的偏振方向可以随时间改变，并且可以例如在时间点t1处具有0°的偏振方向并持续时间△t1，在时间点t2处具有45°的偏振方向并持续时间△t2，在时间点t3处具有90°的偏振方向并持续时间△t3，以及在时间点t4处具有135°的偏振方向并持续时间△t4。△t1、△t2、△t3和△t4可以彼此相同或不同。动态偏振片DP在不同偏振方向之间的切换可以是连续的，也可以是间隔的。
在示例性实施方式中，偏振方向可调的偏振元件的偏振方向可以以极快的速度进行切换，以实现在不同时间点透过光信号中具有不同偏振方向的部分。、
每个偏振片后方可以设置有至少一个光电探测器单元，即，在每个偏振片的后方均设置有与该偏振片对应的至少一个像素点。设置在偏振片后方的光电探测器单元可以用于捕获从偏振片透过的光信号。在一些示例性实施方式中，包括偏振片阵列的光学元件阵列30可以与光电探测器40集成在一起。
光电探测器40可以包括一个或多个光电探测器单元。例如，光电探测器40可以包括一个或多个CMOS传感器或传感器阵列。光电探测器40可以将接收到的光信号转换为电信号。光电探测器40可以与控制器50联接，以从控制器50接收控制信号，并将检测到的例如光强信号发送到控制器50。作为应用实例，光电探测器40可以包括硅基探测器CCD、CMOS，和/或Ge、InGaAs、InSb、InAs、HgCaTe、QWIP探测器或探测器阵列。
控制器50可以用于控制光学发射器10、光学调制器20以及光电探测器40。控制器50可以与光学发射器10、光学调制器20以及光电探测器40单向/双向通信，以实现三维成像系统进行测距的方法。例如，控制器50可以与光学发射器10和光电探测器40双向通信，并且可以与光学调制器20单向通信。
图8示出了根据本申请的示例性实施方式的利用三维成像系统进行测距的方法800。下面将参考图8的方法进一步描述，本申请上述实施方式的三维成像系统100a的各部件之间的相互协作。
在步骤S810中，通过光学调制器20调制光学发射器10发射的脉冲光经由目标场景返回的光信号。
在步骤S830中，通过光学元件阵列30接收经光学调制器20调制后的光信号。光学元件阵列30可以包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件。可选地，光学元件阵列30至少在预定时间内包括具有传输至少三个彼此不同的光学状态的光的至少一个光学部件。
在步骤S850中，利用光电探测器40接收通过所述光学元件阵列30的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号。
在步骤S870中，通过控制器50向光学调制器20施加控制，光学调制器20基于控制将光脉冲的返回部分调制为时间的函数，以及通过控制器50基于来自光电探测器40的电信号以及施加到光学调制器20的控制计算目标场景中各像素点和光学发射器10之间的距离和/或目标场景中各像素点的相对光强以及其他信息。进一步地，光学发射器10可以基于从控制器50接收到的脉冲光控制信号发射具有预设波长和脉冲宽度的脉冲光。光学调制器20可以基于从控制器50接收到电压扫描信号对光信号的相位、幅度、强度和/或偏振状态进行调制。光电探测器40可以基于从控制器50接收到的控制信号，捕获图像信息，同时控制器50可以从光电探测器40接收电信号。
控制器50可以基于施加到光学调制器20的控制以及从光电探测器40接收电信号计算目标场景中的各像素点距光学发射器的距离、目标场景中各像素点的相对光强和/或其他信息。
控制器50对光学调制器20施加的控制不限于施加电压进行控制的方案，在未背离本申请教导的情况下，还可以采用其他可行的控制方案，例如但不限于，电流控制、电路致动的机械部件控制以及光控制等。
在示例性实施方式中，可以在光学调制器20与光学元件阵列30之间设置成像透镜组。可选地，成像透镜组也可设置在目标场景与光学调制器20之间，或其他适当的位置处。
图4示出了庞加莱球模型。下面将参考图4说明确定光信号偏振态的原理。
通过斯托克斯参数并结合庞加莱球模型，可以检测光信号的偏振态。假设百分百偏振(即，全偏振态)，斯托克斯参数S0、S1、S2和S3可以使用如下所述的方法进行计算。
当使用如图3A所示的偏振片阵列时：
S0＝L0+L90
S1＝L0-L90
S2＝L45–L135
S0 2＝S1 2+S2 2+S3 2
其中，L0是通过0°偏振片P0的光强，L45是通过45°偏振片P45的光强，L90是通过90°偏振片P90的光强以及L135是通过135°偏振片P135的光强。通过以上等式关系可以获得斯托克斯参数S0、S1、S2和S3的对应数值。
当使用如图3B所示的偏振片阵列时：
S0＝L
S1＝L0–2L
S2＝L45–2L
S3＝LR–2L
其中，L是通过未设置偏振片的区域NP的光强，L0是通过0°偏振片P0的光强，L45是通过45°偏振片P45的光强以及LR是通过右旋偏振片PR的光强。通过以上等式关系可以获得斯托克斯参数S0、S1、S2和S3的对应数值。
在得到斯托克斯参数S1、S2、S3的对应数值之后，结合庞加莱球模型即可对光信号的偏振态进行判定。如图4所示，球的两极表征的是左、右旋圆偏振光；赤道上各点表征的是振动方向不同的线偏振光；上半球表征的是左旋椭圆偏振光；下半球表征的是右旋椭圆偏振光等等。基于S1、S2、S3的对应数值在庞加莱球模型上取点，即可得到光信号的具体偏振态。
结合庞加莱球模型来对光信号的偏振态进行判定的过程可以在控制器50中进行。进一步地，控制器50从所测定的光信号的偏振态和光学调制器20的控制电压确定对应关系，确定飞行时间。
图5示出了使用庞加莱球模型确定飞行时间的示意图。下面将参考图5描述飞行时间的确定方法。
为简单计，假设光信号为全偏振状态，并且已经归一化，即S1 2+S2 2+S3 2＝1，光信号的偏振态位置均处于庞加莱球的球面上。当在初始时间点进行第一次拍摄时，可以获得光信号的初始偏振态W。随着施加到光学调制器20上的电压由小到大的增加，光信号的偏振态被改变，其在庞加莱球上的对应位置也会相应地发生变化。时间上先达到光学调制器20的光信号，其偏振态改变较小，因此，其偏振态在庞加莱球面上距离W点较近；而时间上后达到光学调制器20的光信号其偏振态改变较大，因此，其偏振态在庞加莱球面上距离W点较远。当在下一时间点处进行第二次拍摄时，初始位置(偏振态)为W的光信号沿球面移动到终止位置V。曲线WV上的不同点对应不同的飞行时间。确定W、V两点的位置并根据光学调制器20的控制电压就可以确定V点所对应的距离。
根据上述原理，使用如图1所述的三维成像系统100a进行测距的方法可以包括：在初始时间点处对所述目标场景进行第一次拍摄，以获得基准图像信息；以及在与所述初始时间点间隔预定时间的下一时间点处进行第二次拍摄，以获得比较图像信息，其中，基于基准图像信息与比较图像信息确定目标场景中各像素点与光学发射器之间的距离和/或目标场景中各像素点的相对光强。
需要说明的是，假设光信号为全偏振状态仅是出于简化模型的目的，根据本申请的确定偏振态、飞行时间并计算距离的方法可以应用于具有任何偏振状态的光信号。当光信号并非为全偏振状态时，起始点和终止点可以均位于球体内。
使用上述方法确定光信号的偏振态对初始状态的光信号的限制较小，即，初始状态的光信号可以是具有任何偏振状态的光信号，这样可以有效地降低对光能量的损耗。此外，使用如上所述的测距方法，可以在直接使用CMOS传感器加上偏振片阵列的情况下进行测量，而无需再额外设置其他传感器阵列。
图6示出了根据本公开的示例性实施方式的三维成像系统100c的示意图。
图6中所示的三维成像系统100c与图1中所示的三维成像系统100a的不同之处在于，图6中三维成像系统100c还可以包括设置在光学调制器20前方的偏振片60。也就是说，偏振片60可以设置在目标场景(包括例如被摄物200)与光学调制器20之间。偏振片60可以是线偏振片和/或圆偏振片。
在示例中，偏振片60可以是具有某一定向的线偏振片，其偏振方向不平行于光学调制器20的光轴。通过在目标场景与光学调制器20之间设置线偏振片60，可以确定向光学调制器20传播的光信号的偏振性。线偏振片60可以是0°偏振片、45°偏振片、90°偏振片、135°偏振片或其他任何角度的偏振片。
尽管在光学调制器20前方设置线偏振片60会导致部分光能量的损失，但是通过设置线偏振片60，可以使初始状态的光信号的偏振状态已知，即，初始偏振态W必定位于庞加莱球赤道上的某一点处。如此，可以仅通过一次拍摄确定场景中各点的距离和/或场景中各点的相对光强及其他信息。
因此，使用包括偏振片60的三维成像系统进行测距的方法可以包括：在预定时间点处进行一次拍摄，以获得图像信息，基于图像信息确定目标场景中各像素点与光学发射器之间的距离和/或目标场景中各像素点的相对光强。
图7示出了形成三维成像系统100a的方法的框图。
参见图7，在步骤S710中，在光学发射器10的光学路径上设置光学调制器20，以使得光学发射器10发射的脉冲光经由目标场景返回时被光学调制器10接收并进行调制。在步骤S730中，在光学调制器20的出射光的路径上设置光学元件阵列30，以接收经调制的光信号，其中，光学元件阵列30包括至少三个偏振片，至少三个偏振片具有彼此不同的偏振方向。在步骤S750中，在光学元件阵列30的后方部署光电探测器40，以接收通过光学元件阵列30的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号。在步骤S770中，设置控制器50，以与光学发射器10、光学调制器20和光电探测器40电连接，其中，控制器50与光学发射器10、光学调制器20和光电探测器40通信。
控制器50可以向所述光学调制器20施加控制电压，光学调制器20基于控制电压将光脉冲的返回部分调制为时间的函数。控制器50可以基于来自光电探测器40的电信号以及施加到光学调制器20的控制电压计算目标场景中各像素点和光学发射器10之间的距离和/或目标场景中各像素点的相对光强及其他信息。
在一些实施方式中，控制器50通过电路向光学调制器20施加控制，光学调制器20基于控制将光脉冲的返回部分的光学状态调制为时间的单调函数。
虽然本公开包括具体示例，但是在理解本申请的公开内容之后将显而易见的是，在不脱离权利要求及其等同的精神和范围的情况下，可在这些示例中进行形式和细节上的各种改变。本文中描述的示例仅以描述性含义考虑，而不是出于限制的目的。在每个示例中对本公开的特征或方面的描述将被认为可适用于其它示例中本公开的类似特征或方面。如果所描述的技术以不同的顺序执行，和/或如果所描述的系统、架构、设备和/或电路中的部件以不同的方式组合和/或由其它部件或它们的等同替换或补充，也可实现合适的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同限定，并且权利要求及其等同的范围内的所有变化应被解释为包括在本公开中。

Claims (25)

1.一种三维成像系统，包括：
光学发射器，向目标场景发射光脉冲，所述目标场景返回所述光脉冲中的至少一部分光脉冲；
其特征在于，所述三维成像系统还包括：
光学调制器，对至少一部分从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的光脉冲的光学状态进行调制；
光学元件阵列，接收经调制的至少一部分光脉冲，其中，至少在光脉冲发射前的第一预设时间范围内和/或光脉冲发射后的第二预设时间范围内，所述光学元件阵列具有传输至少三个彼此不同光学状态的光的功能，所述光学状态包括偏振状态、透射率、反射率中的至少一种；
光电探测器，包括成像透镜，接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及
控制器，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将从所述光学发射器发射的光脉冲和/或从所述目标场景返回的至少一部分光脉冲的光学状态调制为时间的函数，并且所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
2.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学状态是光的偏振状态。
3.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列包括具有彼此不同的固定偏振方向的至少三个偏振片。
4.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列至少包括一个偏振方向可调的偏振部件。
5.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列由四个偏振部件组成，所述四个偏振部件呈田字形设置。
6.根据权利要求2所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列包括至少一个光学元件阵列单元，所述至少一个光学元件阵列单元中的每一个包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；以及
所述光电探测器包括与所述至少一个光学元件阵列单元对应的至少一个光电探测器单元。
7.根据权利要求6所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列单元包括四个偏振片，所述四个偏振片呈田字形设置。
8.根据权利要求7所述的三维成像系统，其中，所述四个偏振部件分别是0°方向线偏振片、45°方向线偏振片、90°方向线偏振片和135°方向线偏振片。
9.根据权利要求6所述的三维成像系统，其中，所述至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件中的三个偏振部件分别是0°方向线偏振片、45°方向线偏振片、以及左旋或右旋偏振片。
10.根据权利要求3所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列包括薄膜偏振片、线栅偏振片、棱镜偏振器、液晶偏振片或其组合。
11.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学调制器包括具有电光调制效应的晶体、液晶、和/或具有声光调制效应的晶体、液晶。
12.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学调制器包括多个串联连接的光学调制器。
13.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学元件阵列和所述光电探测器一体地集成。
14.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光学发射器和所述光电探测器一体地集成、或者单独形成后进行集成。
15.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光脉冲的波长为300nm-750nm、700nm-1000nm、900nm-1600nm、1um-5um或3um-15um。
16.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光脉冲具有0.1ps-5ns、1ns-100ns、100ns-10us或10us-10ms的脉冲宽度。
17.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中，所述光电探测器包括硅基探测器CCD、CMOS，和/或Ge、InGaAs、InSb、InAs、HgCaTe、QWIP探测器或探测器阵列。
18.根据权利要求1所述的三维成像系统，还包括靠近所述目标场景的一侧设置透镜，和/或设置在所述光学调制器与所述光学元件阵列之间的透镜。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的三维成像系统，还包括设置在所述光学调制器的、靠近所述目标场景的一侧上的线偏振片和/或圆偏振片。
20.一种使用如权利要求1至19中任一项所述的三维成像系统进行测距的方法，包括：
在光学发射器的光学路径上设置光学调制器，以使得所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回时具有随时间变化的光学态；
通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；
在所述光学元件阵列的后方部署光电探测器，以接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；以及
设置控制器以与所述光学发射器、所述光学调制器和所述光电探测器电连接，其中，所述控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数，以及所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号和施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述控制器通过电路向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分的光学状态调制为时间的单调函数。
22.一种使用如权利要求1所述的三维成像系统进行测距的方法，包括：
在初始时间点处对所述目标场景进行第一次拍摄，以获得基准图像信息；以及
在与所述初始时间点间隔预定时间的下一时间点处进行第二次拍摄，以获得比较图像信息，
其中，基于所述基准图像信息与所述比较图像信息确定所述目标场景中各像素点与所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
23.一种使用如权利要求19所述的三维成像系统进行测距的方法，包括：
对三维成像系统进行校准；
在预定时间点处进行一次拍摄，以获得图像信息，基于所述图像信息以及系统校准信息确定所述目标场景中各像素点与所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
24.一种使用如权利要求1至19中任一项所述的三维成像系统进行测距的方法，包括：
通过所述光学调制器调制所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回的光信号；
通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列包括至少三个具有彼此不同的偏振方向的偏振部件；
利用光电探测器接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；
通过控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数；以及
通过所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
25.一种使用如权利要求1至19中任一项所述的三维成像系统进行测距的方法，包括：
通过所述光学调制器调制所述光学发射器发射的脉冲光经由目标场景返回的光信号；
通过光学元件阵列接收经所述光学调制器调制的光信号，其中，所述光学元件阵列至少在预定时间内包括具有传输至少三个彼此不同的光学状态的光的至少一个光学部件；
利用光电探测器接收通过所述光学元件阵列的光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号；
通过控制器向所述光学调制器施加控制，所述光学调制器基于所述控制将所述光脉冲的返回部分调制为时间的函数；以及
通过所述控制器基于来自所述光电探测器的所述电信号以及施加到所述光学调制器的所述控制计算所述目标场景中各像素点和所述光学发射器之间的距离和/或所述目标场景中各像素点的相对光强。
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