[發(fā)明專利]一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011438523.6
• 申請(qǐng)日: 2020-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN112698348A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾憲江;王晨晟;余徽;杜衛(wèi)超;陳銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中光電技術(shù)研究所（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所）
• 主分類號(hào): G01S17/89
• 分類號(hào): G01S17/89;G01S7/481;G01S7/484;G01S7/486
• 代理公司: 武漢藍(lán)寶石專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42242
• 代理人: 高蘭

1.一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，包括：

激光發(fā)射單元，用于發(fā)射激光脈沖；

回波探測(cè)單元，包括位于激光發(fā)射單元出射光路上的穿孔反射鏡、望遠(yuǎn)鏡設(shè)備、以及單光子探測(cè)器；所述激光發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖穿過所述穿孔反射鏡中心的圓孔進(jìn)入所述望遠(yuǎn)鏡設(shè)備，所述望遠(yuǎn)鏡設(shè)備對(duì)所述激光脈沖進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的所述激光脈沖向前傳輸投射至待測(cè)目標(biāo)，在待測(cè)目標(biāo)表面形成目標(biāo)回波，所述望遠(yuǎn)鏡設(shè)備能反向接收所述目標(biāo)回波并收束后入射至所述穿孔反射鏡的反射面，所述單光子探測(cè)器接收目標(biāo)回波光信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到第一電信號(hào)；以及

數(shù)據(jù)處理單元，連接所述單光子探測(cè)器以采集所述第一電信號(hào)，并將所述第一電信號(hào)處理成時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)直方圖，基于所述直方圖得到所述待測(cè)目標(biāo)的距離信息，在未完成所述待測(cè)目標(biāo)成像區(qū)域的掃描時(shí)，繼續(xù)調(diào)整激光脈沖的光束指向，直至完成所述目標(biāo)成像區(qū)域的掃描，顯示三維掃描成像結(jié)果，其中，所述直方圖為預(yù)設(shè)采樣時(shí)間內(nèi)累計(jì)的回波光子數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射單元包括用于發(fā)射激光脈沖的激光發(fā)射部件以及位于激光發(fā)射部件的出射光路上的分束部件，所述分束部件能將激光發(fā)射部件發(fā)出的所述激光脈沖分成能量較大的第一激光束及能量較小的第二激光束，第一激光束與第二激光束相互垂直，所述第一激光束穿過所述穿孔反射鏡中心的圓孔。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述回波探測(cè)單元還包括位于第二激光束的出光光路上的PIN型光電二極管；所述PIN型光電二極管用于接收所述第二激光束，并將所述第二激光束轉(zhuǎn)換為第二電信號(hào)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述回波探測(cè)單元還包括位于所述穿孔反射鏡與所述望遠(yuǎn)鏡設(shè)備之間的二維掃描件，所述第一激光束穿過穿孔反射鏡中心的圓孔后經(jīng)所述二維掃描件反射后進(jìn)入所述望遠(yuǎn)鏡設(shè)備。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述二維掃描件為掃描振鏡，所述掃描振鏡的掃描量程為25mrad，掃描振鏡的直徑介于20-30mm之間。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器、處理器及掃描控制器；

所述時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器的觸發(fā)信道與所述PIN型光電二極管連接，所述時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量信道與所述單光子探測(cè)器連接，所述時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器的輸出端與所述處理器連接；

所述處理器與所述掃描控制器連接；

所述時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器，用于在接收到所述第二電信號(hào)的觸發(fā)后，由所述測(cè)量信道接收并存儲(chǔ)所述第一電信號(hào)，并將在所述預(yù)設(shè)采樣時(shí)間內(nèi)采集的第一電信號(hào)處理成時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)直方圖；

所述掃描控制器，用于根據(jù)所述處理器的控制信息，調(diào)整所述二維掃描件的鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整所述第一激光束的光軸指向及調(diào)整目標(biāo)回波的光軸指向；

所述處理器，用于基于所述時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)直方圖得到所述目標(biāo)的距離信息，在未完成所述目標(biāo)成像區(qū)域的掃描時(shí)，調(diào)整所述二維掃描件的偏轉(zhuǎn)角度，繼續(xù)下一個(gè)像素點(diǎn)的測(cè)量，直至完成所述目標(biāo)成像區(qū)域的掃描，顯示三維掃描成像結(jié)果。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述望遠(yuǎn)鏡設(shè)備為伽利略望遠(yuǎn)鏡。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述回波探測(cè)單元還包括位于所述目標(biāo)回波光路上的檢偏器以及窄帶濾光片，所述檢偏器以及窄帶濾光片依次位于所述穿孔反射鏡與所述單光子探測(cè)器之間。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于單光子探測(cè)器與所述窄帶濾光片之間的光纖準(zhǔn)直器，所述光纖準(zhǔn)直器與所述單光子探測(cè)器之間通過光纖連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單光子三維掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光部件發(fā)射發(fā)射的激光脈沖的直徑介于0-2mm之間，發(fā)散角小于0.5mrad。