[發明專利]一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法

在審

• 申請號: 202110792694.7
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN115615349A
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 胡雪梅;常晨;倪思琪;岳濤
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01S17/08;G01S17/894
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 李媛媛

1.一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟1，基于光子飛行時間采集原理搭建皮秒級別時間分辨率的非視域成像系統，該系統包括皮秒激光器、二維掃描振鏡、收光鏡頭、空間光調制器、聚光透鏡、單光子雪崩探測器和時間相關光子時間統計計數器，其中皮秒激光器用于發射激光，二維掃描振鏡負責調控激光出射方向，收光鏡頭用于將攜帶時空信息的光子匯聚到空間光調制器進行調制，聚光透鏡用于匯聚調制后的光子輸送給單光子雪崩探測器；

步驟2，開啟皮秒激光器發射激光，二維掃描振鏡將激光投射到由漫反射平整白墻充當的中繼面，光子在中繼面和隱藏場景中發生多次反射；

步驟3，經過中繼面和隱藏場景的多次反射和衰減后，最開始發射的光子只有極少部分能夠回到中繼面探測區域，此時由收光鏡頭收集所有這些經多次反射后的光子，并投射到空間光調制器上，空間光調制器調制經收集透鏡聚焦之后的中繼面探測區域得到的光子信息，并最終由聚光透鏡匯聚調制后的信息輸送給單光子雪崩探測器記錄，時間相關光子時間統計計數器據此記錄光子事件并生成光子計數直方圖，經過數據預處理得到三維光子瞬態圖τ′；

步驟4，根據調制后的三維光子瞬態圖τ′壓縮恢復出包含所有光子信息的非共聚焦光子數據τ_recon；

步驟5，將非共聚焦光子數據τ_recon利用正常時差校正方法近似為共聚焦數據τ_{recon_conf}；

步驟6，將共聚焦數據τ_{recon_conf}利用共聚焦后向算法重建出隱藏場景包含表面反照率信息的三維深度圖像。

2.根據權利要求1所述的一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法，其特征在于，所述步驟2的具體處理步驟為：

步驟21，皮秒激光器發射特定波長以及設定好重復頻率和能量的激光，激光經由二維掃描振鏡改變傳輸方向投射到中繼面上，入射光子經過中繼面的反射，部分到達隱藏場景并再次由場景表面反射回中繼面，以中繼面探測區域中心為原點建立三維直角坐標系，x、y軸位于中繼面，z軸正方向垂直于中繼面指向隱藏場景，中繼面的z坐標為0；令當前激光打在中繼面的點坐標為(x_l，1，y_l，1，0)，隱藏場景中的某點坐標為(x，y，z)；

步驟22，調控二維掃描振鏡上下兩鏡片的偏轉角度，改變激光傳輸方向，進而改變打在中繼面的位置(x_l，i，y_l，j，0)，其中i＝1，2，...，w；j＝1，2，...，w，w為掃描點個數；

步驟23，按一定的掃描順序重復步驟22，直至中繼面探測區域已完全被逐點掃描到，探測區域的空間分辨率為掃描點個數w×w，設探測區域坐標集合為S，隱藏場景表面點的集合為F。