專(zhuān)利名稱(chēng)：高分辨率三維成像的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)一般涉及三維成像的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字電子設(shè)備已經(jīng)使得將場(chǎng)景的灰度級(jí)或彩色圖像記錄為靜態(tài)圖像、一系列靜態(tài)圖像或者視頻成為可能。視頻是持續(xù)延長(zhǎng)的時(shí)間段的一系列靜態(tài)圖像，每個(gè)圖像之間具有特定間隔。模擬成像利用攝影膠片獲得圖像，而數(shù)字成像利用焦平面陣列(FPA)來(lái)獲得圖像，該焦平面陣列響應(yīng)于光照明而提供信號(hào)，然后該信號(hào)被數(shù)字化。FPA包括位于對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行成像的光學(xué)器件的焦平面處的光檢測(cè)元件或像素的陣列。許多近來(lái)的努力已經(jīng)致力于改進(jìn)FPA的密度、尺寸、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和噪聲特性，以及相關(guān)聯(lián)的光學(xué)器件和電子設(shè)備，這使得能夠獲取更高分辨率的圖像。然而，大多數(shù)FPA本質(zhì)上不能檢測(cè)色彩，僅能檢測(cè)光的存在和量。已經(jīng)開(kāi)發(fā)另外的技術(shù)來(lái)重建人眼在彩色數(shù)字圖像中看到的色彩，諸如在美國(guó)專(zhuān)利 No. 3，971，065中描述的使用拜爾(Bayer)濾波器以及其隨后的改進(jìn)或者具有帶通濾色鏡的多個(gè)FPA。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了直接檢測(cè)色彩的其它FPA。此外，F(xiàn)PA被限于收集關(guān)于從成像設(shè)備前方(通常稱(chēng)為視場(chǎng)(FOV))以?xún)蓚€(gè)維度 (水平(X)和垂直(y))從場(chǎng)景發(fā)出的光的信息。在不使用復(fù)雜、高速、昂貴的讀出電路的情況下，大多數(shù)FPA不能通過(guò)其自身獲得關(guān)于對(duì)象距FPA的距離(ζ)的信息。已經(jīng)開(kāi)發(fā)多種成像技術(shù)來(lái)試圖從二維圖像提取關(guān)于場(chǎng)景的距離以及該場(chǎng)景內(nèi)的三維對(duì)象的距離的信息。 一些這樣的技術(shù)可能基于單個(gè)二維圖像中的信息，諸如分析任何陰影的位置和深度以及光源的表觀位置(apparent position)和類(lèi)型，以推測(cè)關(guān)于圖像中的對(duì)象的距離的信息。通常稱(chēng)為立體視法或立體攝影測(cè)量的其它這類(lèi)技術(shù)可能基于用位于相對(duì)于場(chǎng)景的不同位置的多個(gè)相機(jī)獲得多個(gè)二維圖像，并且比較這些圖像中的信息以推斷場(chǎng)景內(nèi)各對(duì)象的范圍和三維特征。這兩種類(lèi)型的技術(shù)典型地是計(jì)算密集的，僅提供關(guān)于場(chǎng)景的三維特征的有限信息，并且可能不適于移動(dòng)中的對(duì)象。此外，立體視法典型地要求精確知曉獲得多個(gè)二維圖像的相對(duì)位置和角度，所以需要許多校準(zhǔn)程序，且靈活性有限。多個(gè)視圖也意味著更多的視線將被遮掩。這限制了這種系統(tǒng)在非受控環(huán)境中的使用，可能大大增加任何實(shí)施方式的成本，并且限制了任何計(jì)算的距離值的準(zhǔn)確度和精度。用于獲得場(chǎng)景中的對(duì)象的距離信息的另一方法基于用激光束掃描場(chǎng)景，并且基于從該對(duì)象的反射之后該激光束的相位或時(shí)間延遲來(lái)確定場(chǎng)景中的對(duì)象的范圍和三維形狀。 具體地，可以基于激光束的相位延遲或飛行時(shí)間(TOF)以及光速，計(jì)算激光束從光源進(jìn)行到場(chǎng)景中的特定點(diǎn)然后到傳感器的距離。可通過(guò)一次一個(gè)點(diǎn)地用激光束掃描整個(gè)場(chǎng)景，并確定該激光束在每個(gè)點(diǎn)處的相位延遲或T0F，來(lái)獲得關(guān)于場(chǎng)景中的對(duì)象的距離和形狀信息。 例如，可以通過(guò)移動(dòng)鏡或光束控制元件以改變光束方向來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的掃描。這樣，最大掃描速度可能受限于在每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量所需的時(shí)間量和鏡或光束控制元件的速度。一些這樣的激光掃描器被局限于每秒處理幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。因此，獲得復(fù)雜場(chǎng)景的高分辨率圖像可能花費(fèi)大量時(shí)間，盡管降低圖像的分辨率可以減少獲得圖像所需的時(shí)間。圖像質(zhì)量也可能被掃描期間的性能偏離或場(chǎng)景內(nèi)的運(yùn)動(dòng)降低。此外，掃描僅僅提供了每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的距離值，這導(dǎo)致了可能稱(chēng)為“點(diǎn)云”的事物，其通常沒(méi)有獲得色彩或強(qiáng)度信息，并且需要額外的步驟來(lái)將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為更適于人解讀的數(shù)字表現(xiàn)形式。例如，如果希望完整的3維圖像，則可以在分開(kāi)的步驟中收集色彩或灰度級(jí)圖像，并將其與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組合。Taboada等人的美國(guó)專(zhuān)利No. 5，157,451( “Taboada”，在本文中通過(guò)引用并入其全部?jī)?nèi)容)描述了一種替代技術(shù)，其將數(shù)字成像與距離測(cè)量組合用于目標(biāo)對(duì)象的長(zhǎng)距離成像。具體地，Taboada公開(kāi)了通過(guò)用激光脈沖照射該對(duì)象，并且使用Kerr盒或Pockels盒來(lái)將從對(duì)象反射的激光脈沖的偏振改變?yōu)闀r(shí)間的函數(shù)，以獲得目標(biāo)對(duì)象的三維坐標(biāo)。結(jié)果，由該對(duì)象的更接近成像系統(tǒng)的特征(較短的T0F)反射的激光脈沖的各部分的偏振狀態(tài)受影響程度小，而由該對(duì)象的距成像系統(tǒng)更遠(yuǎn)的特征(較長(zhǎng)的T0F)反射的激光脈沖的各部分的偏振狀態(tài)將受更多影響。通過(guò)將偏振調(diào)制的激光束的兩個(gè)偏振分量成像在兩個(gè)分開(kāi)的FPA 上，可以計(jì)算關(guān)于該對(duì)象的位置信息。然而，由Taboada公開(kāi)的系統(tǒng)和方法具有有限的適用性，下面將進(jìn)一步討論其中的一些適用性。如上所述，Taboada的系統(tǒng)利用作為特殊類(lèi)型的電光調(diào)制器(EOM)的Kerr盒或 Pockels盒來(lái)調(diào)制反射的激光脈沖的偏振。在EOM中，將電場(chǎng)施加到在電場(chǎng)的影響下改變特性的材料上。EOM的特性改變修改了傳輸通過(guò)其中的光的相位。Pockels盒基于Pockels 效應(yīng)，其中材料的折射率隨著施加的電場(chǎng)線性變化，而Kerr盒基于Kerr效應(yīng)，其中材料的折射率隨著電場(chǎng)二次變化。對(duì)于某些材料和施加電場(chǎng)的某些取向，Pockels效應(yīng)在材料的折射率方面形成了各向異性。這樣的材料和場(chǎng)可以用于創(chuàng)建Pockels盒，其中引起的各向異性將傳輸通過(guò)其中的光的偏振狀態(tài)線性地改變?yōu)槭┘与妷旱暮瘮?shù)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，可以將諸如Pockels盒的EOM置于交叉的偏振器之間，以便調(diào)制光的強(qiáng)度。在一些情況下，Pockels盒的時(shí)間響應(yīng)可能小于1納秒，這使得它能夠用作快速光學(xué)快門(mén)。盡管廣泛用于激光器應(yīng)用，但是傳統(tǒng)上認(rèn)為Pockels盒具有明顯的局限性，這使得這樣的設(shè)備不適于其它類(lèi)型的應(yīng)用中的光學(xué)切換。例如，在一些應(yīng)用中，入射光可能包含大范圍的角度。然而，典型的Pockels盒可能僅有效地調(diào)制偏離表面法線小于大約1度的入射光。此外，Pockels盒可能要求高的電場(chǎng)(例如，超過(guò)幾千伏)以充分旋轉(zhuǎn)通過(guò)它的光的偏振。生成這樣的場(chǎng)所需的電子設(shè)備可能是昂貴和笨重的。用于降低驅(qū)動(dòng)Pockels盒所需的電壓的一個(gè)方法是使用橫向電場(chǎng)和橫向取向的Pockels盒。在這樣的盒中引起的相位改變與晶體厚度d(其也是電極之間的間距)和晶體長(zhǎng)度L的比率成比例，如由以下公式所給出
_3] fx^v⑴其中V1/2是半波電壓(即，在相對(duì)于正交偏振光的一個(gè)偏振光中引起η的相位延遲所要求的電壓)，λ是光的波長(zhǎng)，η是晶體的折射率，并且是晶體的電光張量系數(shù)。減少電光晶體的厚度以使得電極相互之間更為接近可以減少該電壓，但是也可能減少Pockels 盒的通光孔徑，并且可能導(dǎo)致漸暈(vignetting)，例如，圖像邊緣的信息的丟失，這降低了圖像質(zhì)量。正在尋找可以在較低電壓下令人滿意地工作的新材料，諸如周期性極化的鈮酸鋰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了高分辨率三維成像的系統(tǒng)和方法，包括那些具有寬視場(chǎng)和可調(diào)景深的系統(tǒng)和方法。具體地，這些系統(tǒng)和方法以高分辨率(例如，亞厘米距離分辨率)來(lái)捕獲關(guān)于場(chǎng)景中多個(gè)對(duì)象(這些對(duì)象可能位于多個(gè)不同的距離處)的范圍和形狀的信息。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種三維成像系統(tǒng)，包括照明子系統(tǒng)，該照明子系統(tǒng)被配置成發(fā)出具有足以照射具有寬視場(chǎng)的場(chǎng)景的發(fā)散的光脈沖。該系統(tǒng)還包括傳感器子系統(tǒng)， 該傳感器子系統(tǒng)被配置成在寬視場(chǎng)上接收由該場(chǎng)景反射或散射的光脈沖的部分，該傳感器子系統(tǒng)包括調(diào)制器，其被配置成將所接收的光脈沖部分的強(qiáng)度調(diào)制為時(shí)間的函數(shù)，以形成經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分；以及用于生成對(duì)應(yīng)于該接收的光脈沖部分的第一圖像和對(duì)應(yīng)于該經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分的第二圖像的裝置。該系統(tǒng)還包括處理器子系統(tǒng)，該處理器子系統(tǒng)被配置成基于第一和第二圖像獲得三維圖像。在一些實(shí)施例中，該用于生成的裝置包括光傳感器的第一和第二分立陣列，并且可選地還包括圖像構(gòu)造器。該光傳感器的第一和第二分立陣列可以相互配準(zhǔn)。在其他實(shí)施例中，該用于生成的裝置包括光傳感器的單個(gè)陣列。在一些實(shí)施例中，該光脈沖具有小于2納秒或小于1納秒的持續(xù)時(shí)間。在一些實(shí)施例中，該發(fā)散度在1和180度之間，例如，在5和40度之間。在一些實(shí)施例中，照明子系統(tǒng)包括低相干性激光器，其被配置成生成包含足夠數(shù)目的模式的光，以產(chǎn)生平滑的空間輪廓。 在一些實(shí)施例中，該低相干性激光器包括具有大于50 μ m的直徑的有源光纖芯。在一些實(shí)施例中，該光脈沖包含可見(jiàn)光波長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，該光脈沖包含近紅外波長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，該近紅外波長(zhǎng)在1400nm和2500nm之間。在一些實(shí)施例中，該光脈沖具有基本均勻的空間輪廓。在一些實(shí)施例中，該光脈沖還具有基本平滑的時(shí)間輪廓。在一些實(shí)施例中，該接收透鏡具有至少1英寸或至少2英寸的直徑。在一些實(shí)施例中，該調(diào)制器具有至少0. 5英寸或至少1英寸的通光孔徑。在一些實(shí)施例中，該調(diào)制器包括Pockels盒。例如，調(diào)制器可以包括Pockels組件，該組件包括橫向Pockels盒的堆疊，每個(gè)橫向Pockels盒包括電光材料的板以及分別布置在該板的相對(duì)主表面上的第一和第二電極；與每個(gè)橫向Pockels盒的第一電極電接觸的第一導(dǎo)體；與每個(gè)橫向Pockels盒的第二電極電接觸的第二導(dǎo)體；以及與第一和第二電極電接觸的電壓源。在一些實(shí)施例中，該電壓源經(jīng)由第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels 盒的第一和第二電極上施加小于IOOV的電壓。在一些實(shí)施例中，該電壓源經(jīng)由第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的第一和第二電極上施加小于25V的電壓。在一些實(shí)施例中， 從由磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋰(LN)、周期性極化的鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧銣(RTP)、偏硼酸鋇(BBO)和它們的同形體組成的組中選擇電光材料。在一些實(shí)施例中，該板具有小于100 μ m的厚度。在一些實(shí)施例中，第一和第二電極包括透明導(dǎo)體。該透明導(dǎo)體可以具有與電光材料的折射率近似相同的折射率。在一些實(shí)施例中，Pockels組件
r Ad2n
具有近似等于以下的長(zhǎng)度L = m了其中m是整數(shù)，d是板的厚度，η是該組件中橫向
Pockels盒的數(shù)目，并且λ是光脈沖的波長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，該處理器子系統(tǒng)包括控制器，其配置成發(fā)送控制信號(hào)到調(diào)制器， 該調(diào)制器被配置成響應(yīng)于控制信號(hào)而將接收的光脈沖部分單調(diào)地調(diào)制為時(shí)間的函數(shù)。在一些實(shí)施例中，該處理器子系統(tǒng)可以包括分立的現(xiàn)成組件。在一些實(shí)施例中，該處理器子系統(tǒng)包括控制器，其配置成發(fā)送控制信號(hào)到調(diào)制器，該調(diào)制器被配置成響應(yīng)于控制信號(hào)而將接收的光脈沖部分單調(diào)地調(diào)制為時(shí)間的函數(shù)。在一些實(shí)施例中，該調(diào)制器具有是時(shí)間和電壓的函數(shù)的響應(yīng)函數(shù)，并且該系統(tǒng)存儲(chǔ)了表征該調(diào)制器的響應(yīng)函數(shù)的信息。一些實(shí)施例還包括補(bǔ)償器，其被配置成增加該調(diào)制器的接收角。在一些實(shí)施例中，該用于生成的裝置包括偏振分束器。在其它實(shí)施例中，該用于生成的裝置包括棱鏡。在一些實(shí)施例中，該用于生成的裝置包括至少一個(gè)焦平面陣列，該焦平面陣列包括多個(gè)像素，每個(gè)像素具有100，000個(gè)或更多個(gè)電子的阱深。在一些實(shí)施例中，該用于生成的裝置包括至少一個(gè)包括多個(gè)像素的焦平面陣列，并且還包括具有多個(gè)區(qū)域的濾波器，每個(gè)區(qū)域位于像素的前方，并且被配置成以預(yù)定方式衰減傳送到該像素的光。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)存儲(chǔ)了表征濾波器的矩陣。在一些實(shí)施例中，該傳感器子系統(tǒng)還包括寬頻帶或多頻帶(例如，可見(jiàn))成像子系統(tǒng)，該成像子系統(tǒng)包括圖像傳感器，其被配置成獲得場(chǎng)景的寬頻帶或多頻帶圖像；以及光學(xué)器件，其被配置成將接收的光的一部分引導(dǎo)到圖像傳感器。該處理器子系統(tǒng)可以被配置成將該三維圖像與寬頻帶或多頻帶圖像組合在一起以生成場(chǎng)景的圖像。在一些實(shí)施例中，第一和第二圖像中的至少一個(gè)包含最大強(qiáng)度的區(qū)域，其中該用于生成的裝置包括具有飽和極限的傳感器陣列，并且其中該系統(tǒng)被配置成通過(guò)將光脈沖的能量增加到傳感器陣列的飽和極限之上來(lái)增加三維圖像的動(dòng)態(tài)范圍。在一些實(shí)施例中，該第一和第二圖像中的至少一個(gè)包含最大強(qiáng)度的區(qū)域，該用于生成的部件包括具有飽和極限的傳感器陣列，并且該處理器子系統(tǒng)被配置成發(fā)送第一控制信號(hào)到照明子系統(tǒng)，該第一控制信號(hào)包括用于生成具有第一能量的光脈沖的指示，該第一能量被選擇成使得該最大強(qiáng)度的區(qū)域處于傳感器陣列的飽和極限的閾值百分比處或在該百分比之上，但是在飽和極限之下；并且獲得基于具有該第一能量的光脈沖的反射或散射部分的第一三維圖像。處理器子系統(tǒng)還可以被配置成發(fā)送第二控制信號(hào)到照明子系統(tǒng)， 該第二控制信號(hào)包括用于生成具有第二能量的光脈沖的指示，該第二能量被選擇成使得最大強(qiáng)度的區(qū)域在傳感器陣列的飽和極限之上；并且獲得基于具有第二能量的光脈沖的反射或散射部分的第二三維圖像。該處理器子系統(tǒng)還可以被配置成組合第一和第二三維圖像， 以獲得與第一和第二三維圖像相比具有增加的分辨率的第三三維圖像。在一些實(shí)施例中， 選擇第二能量，使得最大強(qiáng)度的區(qū)域至少是該焦平面陣列的飽和極限的4倍。
在一些實(shí)施例中，該處理器子系統(tǒng)被配置成指示該照明子系統(tǒng)發(fā)射多個(gè)光脈沖； 調(diào)節(jié)調(diào)制器的時(shí)序，使得對(duì)于該多個(gè)光脈沖中的每個(gè)光脈沖，調(diào)制在不同時(shí)間開(kāi)始；獲得對(duì)應(yīng)于該多個(gè)光脈沖中的每個(gè)光脈沖的多個(gè)三維圖像；以及基于該多個(gè)三維圖像獲得增強(qiáng)的三維圖像，該增強(qiáng)的三維圖像對(duì)應(yīng)于比該多個(gè)三維圖像中的任一個(gè)的距離窗更大的距離窗。在一些實(shí)施例中，該處理器子系統(tǒng)被配置成發(fā)送第一控制信號(hào)到照明子系統(tǒng)，該第一控制信號(hào)包括用于生成第一光脈沖的指示；發(fā)送第二控制信號(hào)到調(diào)制器，該第二控制信號(hào)包括用于在第一時(shí)間窗上調(diào)制該第一光脈沖的接收部分的指示；獲得基于第一光脈沖的調(diào)制部分的第一三維圖像；發(fā)送第三控制信號(hào)到照明子系統(tǒng)，該第三控制信號(hào)包括用于生成第二光脈沖的指示；發(fā)送第四控制信號(hào)到調(diào)制器，該第四控制信號(hào)包括用于在第二時(shí)間窗上調(diào)制該第二光脈沖的接收部分的指示；獲得基于第二光脈沖的調(diào)制部分的第二三維圖像；以及組合第一和第二三維圖像，以獲得與第一和第二三維圖像相比具有增加的范圍的第三三維圖像。該第一和第二時(shí)間窗可以相互重疊。第一時(shí)間窗可以具有比第二時(shí)間窗更短的持續(xù)時(shí)間。第一時(shí)間窗可以具有與第二時(shí)間窗不同的開(kāi)始時(shí)間。在一些實(shí)施例中，該三維圖像具有亞厘米分辨率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種三維成像的方法，包括發(fā)射具有發(fā)散度的光脈沖， 該光脈沖足以照射具有寬視場(chǎng)的場(chǎng)景；在寬視場(chǎng)上接收由該場(chǎng)景反射或散射的光脈沖部分；用調(diào)制器將接收的光脈沖部分調(diào)制為時(shí)間的函數(shù)，以形成經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分；生成對(duì)應(yīng)于該接收的光脈沖部分的第一圖像；生成對(duì)應(yīng)于經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分的第二圖像；以及獲得基于第一和第二圖像的該場(chǎng)景的三維圖像。在一些實(shí)施例中，生成該第一圖像包括將第二圖像加入第三圖像。在一些實(shí)施例中，用該調(diào)制器調(diào)制包括調(diào)制所接收光脈沖部分的偏振狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于調(diào)制具有波長(zhǎng)λ的光的偏振的調(diào)制器，該調(diào)制器包括橫向Pockels盒的堆疊，每個(gè)橫向Pockels盒包括電光材料的板以及分別布置在該板的相對(duì)主表面上的第一和第二電極；與每個(gè)橫向Pockels盒的第一電極電接觸的第一導(dǎo)體；與每個(gè)橫向Pockels盒的第二電極電接觸的第二導(dǎo)體；以及與第一和第二電極電接觸
的電壓源，每個(gè)橫向Pockels盒的板具有近似等于Z = 的長(zhǎng)度L，其中m是整數(shù)，d是
/I
板的厚度，并且η是堆疊中的橫向Pockels盒的數(shù)目。在一些實(shí)施例中，該電壓源經(jīng)由第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的第一和第二電極上施加小于IOOV的電壓。在一些實(shí)施例中，該電壓源經(jīng)由第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的第一和第二電極上施加小于25V的電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，從由磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋰(LN)、周期性極化的鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧銣(RTP)、偏硼酸鋇(BBO)和它們同形體組成的組中選擇電光材料。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該電光材料包括周期性極化的鈮酸鋰。在一些實(shí)施例中，該板具有小于IOOym的厚度。 在一些實(shí)施例中，第一和第二電極包括透明導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)在近紅外范圍。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)在1400nm和2500nm之間。在一些實(shí)施例中，調(diào)制器具有至少40度的接收角。在一些實(shí)施例中，調(diào)制器具有至少5度的接收角。在一些實(shí)施例中，調(diào)制器具有至少1度的接收角。在一些實(shí)施例中，調(diào)制器還具有至
11少1英寸(例如，至少2英寸)的通光孔徑。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于調(diào)制光的偏振的調(diào)制器，該調(diào)制器包括橫向 Pockels盒的堆疊，每個(gè)橫向Pockels盒包括電光材料的板以及分別布置在該板的相對(duì)主表面上的第一和第二電極；與每個(gè)橫向Pockels盒的第一電極電接觸的第一導(dǎo)體；與每個(gè)橫向Pockels盒的第二電極電接觸的第二導(dǎo)體；以及與第一和第二電極電接觸的電壓源， 該第一和第二導(dǎo)體包括具有與電光材料具有的折射率近似相同的折射率的透明電極。


圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于獲得場(chǎng)景的三維圖像的系統(tǒng)的透視圖。圖2示意性圖示從圖1的場(chǎng)景反射的光脈沖部分的單調(diào)偏振調(diào)制。圖3示意性圖示使用來(lái)自圖2的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光脈沖部分形成的二維和三維圖像。圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的獲得場(chǎng)景的三維圖像的方法的總覽。圖5示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)中的部件。圖6A圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于生成具有小于1納秒的持續(xù)時(shí)間的空間均勻的光脈沖的光源。圖6B-6C示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖6A的光源的空間和時(shí)間模式結(jié)構(gòu)。圖7A圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的寬孔徑、低電壓Pockels組件的透視圖。圖7B圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的替代性的寬孔徑、低電壓Pockels組件的透視圖。圖7C圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的替代性的寬孔徑、低電壓Pockels組件的透視圖。圖8圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于增加三維圖像的信息內(nèi)容的方法中的各步驟。圖9A示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的濾色鏡，其可以用于增加在三維成像系統(tǒng)中使用的焦平面陣列的動(dòng)態(tài)范圍。圖9B圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的可買(mǎi)到的濾色鏡的傳輸光譜，該濾色鏡可以用于增加焦平面陣列的動(dòng)態(tài)范圍。圖10圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的擴(kuò)展三維圖像的范圍的方法中的各步驟。圖11示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三維成像系統(tǒng)的替代性實(shí)施例。圖12示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三維成像系統(tǒng)的替代性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式1.概述本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于獲得場(chǎng)景(包括寬視場(chǎng)場(chǎng)景)的高分辨率圖像的系統(tǒng)和方法。具體地，該系統(tǒng)和方法可以用高的空間和距離分辨率同時(shí)記錄場(chǎng)景中多個(gè)對(duì)象的三維位置信息，以及關(guān)于場(chǎng)景的強(qiáng)度(灰度級(jí)或色彩)信息。對(duì)于每個(gè)圖像，為像素陣列中的每個(gè)像素記錄了該信息(坐標(biāo)和強(qiáng)度兩者)。該強(qiáng)度和位置信息被組合為與人對(duì)場(chǎng)景的視覺(jué)近似的單個(gè)三維圖像，并且該單個(gè)三維圖像還記錄場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象的形狀和相對(duì)位置的三維坐標(biāo)。可以以與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)類(lèi)似的方式獲取一系列這樣的圖像，提供場(chǎng)景中隨著時(shí)間改變的“影片(movie)”，該影片中的每個(gè)三維圖像稱(chēng)為幀。在許多情況下，該被成像的場(chǎng)景可以包括處于距系統(tǒng)多種距離的許多對(duì)象。本發(fā)明的系統(tǒng)記錄了對(duì)應(yīng)于每個(gè)像素元件的對(duì)象的部分的三維坐標(biāo)和強(qiáng)度，從而相對(duì)于三維成像設(shè)備以及由三維成像設(shè)備記錄的圖像中該場(chǎng)景的其它部分，提供了場(chǎng)景中每個(gè)個(gè)體對(duì)象的三維形狀以及總體坐標(biāo)。如果希望獲得參照物的絕對(duì)幀，則可以包括GPS單元或用于確定成像系統(tǒng)的絕對(duì)位置的其它適當(dāng)?shù)难b置。本發(fā)明的一個(gè)方面提供了記錄多種場(chǎng)景的三維信息和彩色或單色圖像的能力，其中特別關(guān)注包括接近的對(duì)象的那些場(chǎng)景。對(duì)于短距離成像應(yīng)用(例如，對(duì)象比Ikm更接近)， 觀察在大的空間區(qū)域上分布的對(duì)象通常是有用的。這轉(zhuǎn)化為對(duì)于寬視場(chǎng)(FOV)的需要。在本發(fā)明的環(huán)境中，“寬視場(chǎng)”指朝向一度或更大角度的視場(chǎng)。視場(chǎng)典型地表達(dá)為場(chǎng)景的側(cè)邊之間的角度間隔。對(duì)于在本文中描述的系統(tǒng)和方法的一些使用，大于1度或大于5度或大于10度的FOV是有用的，因?yàn)樗鼈兛梢岳缤ㄟ^(guò)提供關(guān)于對(duì)象的環(huán)境的信息來(lái)增加場(chǎng)景的信息內(nèi)容。之前已知的系統(tǒng)已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)這樣的寬F0V。例如，Taboada描述了用于成像單個(gè)、遠(yuǎn)距離目標(biāo)和單調(diào)偏振斜坡(monotonic polarization ramp)的三維坐標(biāo)的技術(shù)。這將從目標(biāo)返回的光脈沖的時(shí)間特征映射到可以通過(guò)一對(duì)攝像機(jī)容易地測(cè)量的特性強(qiáng)度范圍上。盡管該簡(jiǎn)單技術(shù)足以獲得關(guān)于遠(yuǎn)距離對(duì)象的一些深度信息，但是可以對(duì)其進(jìn)行若干改進(jìn)。本發(fā)明的實(shí)施例在由Taboada描述的基礎(chǔ)上提供了若干改進(jìn)方面。這些方面可能是重要的，因?yàn)榘l(fā)明的系統(tǒng)和方法可以用于記錄關(guān)于場(chǎng)景中的若干對(duì)象的三維信息，具體地是因?yàn)榫嘞到y(tǒng)和對(duì)象的距離變得更短。這些實(shí)施例可以采用這些改進(jìn)方面的任一個(gè)或其任何組合，包括提供高的動(dòng)態(tài)范圍、自適應(yīng)景深、寬視場(chǎng)、高分辨率、幀到幀配準(zhǔn)以及其它。圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于獲得場(chǎng)景190的三維、寬FOV圖像的系統(tǒng)100的透視圖。以下在題為“方法”的部分中提供了使用諸如系統(tǒng)100的系統(tǒng)獲得場(chǎng)景的三維圖像的方法的更多細(xì)節(jié)，并且以下在題為“系統(tǒng)”的部分中提供了諸如系統(tǒng)100的系統(tǒng)的部件的更多細(xì)節(jié)。盡管結(jié)合笛卡爾坐標(biāo)系描述了圖示的實(shí)施例，但是可以使用其它坐標(biāo)系。如圖1所示，系統(tǒng)100包括照明子系統(tǒng)110、傳感器子系統(tǒng)120、處理子系統(tǒng)140和其中安裝了各種子系統(tǒng)的主體150。主體150還可以包括保護(hù)罩(未示出)。系統(tǒng)100的具體形式可以根據(jù)希望的性能參數(shù)和期望的應(yīng)用而不同。例如，如果希望將系統(tǒng)100用于家用，則它優(yōu)選地是足夠小和輕的，以便類(lèi)似于便攜式攝像機(jī)地由單手持有，并且可以被配置成以適中的分辨率記錄相對(duì)接近的場(chǎng)景。或者，如果希望將系統(tǒng)100用于調(diào)查建筑工地， 則它可以被配置成以高分辨率成像大和/或遠(yuǎn)的場(chǎng)景，并且系統(tǒng)的尺寸將是次要的考慮因
ο照明子系統(tǒng)110包括圖1中未示出但是以下被更詳細(xì)地描述的光源和發(fā)送透鏡 (transmission lens) 112，該發(fā)送透鏡112可以包括單個(gè)透鏡、復(fù)合透鏡或透鏡的組合。該光源被配置成生成光脈沖119，取決于ζ方向上的希望的分辨率，該光脈沖優(yōu)選地具有2納秒或更小的持續(xù)時(shí)間，例如，1納秒和50皮秒之間的持續(xù)時(shí)間。發(fā)送透鏡112被配置成將脈沖119的發(fā)散度增加到1度或更大的角度φ,例如1和180度之間、或者1和120度之間、或者2和90度之間、或者2和40度之間、或者5和40之間，且將脈沖引向該場(chǎng)景，使得該脈沖照射要成像的場(chǎng)景190的一部分。場(chǎng)景190中的對(duì)象191和192中的每一個(gè)處于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中的x-、y-和ζ-方向中(或者在球面坐標(biāo)系統(tǒng)中的r-和Θ-方向中)的不同位置，并且還具有不同形狀。這樣，在對(duì)象將脈沖部分127、128、1 散射和/或反射回系統(tǒng) 100之前，激光脈沖的不同部分將行進(jìn)不同的距離以照射對(duì)象191、192，以及個(gè)別地照射每個(gè)對(duì)象的不同特征或區(qū)域。這樣，脈沖部分127、128、129中的每一個(gè)將具有不同的飛行時(shí)間(TOF)。此外，取決于每個(gè)對(duì)象的被照射特征的反射率以及該特征相對(duì)于系統(tǒng)100的角度，脈沖部分127、1觀、1四具有不同強(qiáng)度。傳感器子系統(tǒng)120包括大孔徑接收透鏡121，其收集反射的脈沖部分127、128、 129。該適當(dāng)?shù)目讖匠叽鐚⑷Q于具體應(yīng)用，并且可以是例如小于Icm和2. 5cm之間。該反射脈沖的其它部分(例如，在不同于回到系統(tǒng)100的方向上反射的、由點(diǎn)劃線圖示的那些部分)可能不會(huì)被接收光學(xué)器件121捕獲。至于發(fā)射透鏡112，接收透鏡121可以包括單個(gè)透鏡、復(fù)合透鏡或透鏡的組合或其它反射或折射元件。接收光學(xué)器件121還可以收集關(guān)于場(chǎng)景190的寬頻帶或多頻帶(例如，可見(jiàn))信息，例如，場(chǎng)景190散射或反射向接收光學(xué)器件 121的環(huán)境光。這樣，對(duì)于這種情況，接收透鏡121優(yōu)選地被配置成減少或消除光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中已知的可能像差，該像差可能會(huì)相對(duì)于接收的一個(gè)或多個(gè)頻帶劣化圖像質(zhì)量。 或者，可以提供獨(dú)立的接收透鏡來(lái)接收寬頻帶或多頻帶光。如以下詳細(xì)描述的，傳感器子系統(tǒng)可以包括獨(dú)立的可見(jiàn)光成像子系統(tǒng)，其基于從場(chǎng)景收集的可見(jiàn)光而記錄場(chǎng)景190的彩色或灰度級(jí)圖像。稍后這樣的圖像被與關(guān)于場(chǎng)景的位置和形狀信息相組合。傳感器子系統(tǒng)120基于接收透鏡121收集的脈沖部分127、1觀、1四創(chuàng)建多個(gè)圖像。這些圖像包含關(guān)于場(chǎng)景190中的對(duì)象191、192的位置信息。為了創(chuàng)建這樣的圖像，傳感器子系統(tǒng)例如使用以下更詳細(xì)描述的寬視場(chǎng)Pockels組件來(lái)將進(jìn)入脈沖部分127、128、 129的偏振狀態(tài)改變?yōu)闀r(shí)間的函數(shù)。當(dāng)跟隨有分析器(例如，放置在Pockels盒之后的偏振元件)時(shí)，通過(guò)分析器的相應(yīng)傳輸作為時(shí)間的函數(shù)而變化。例如，如圖2所示，傳感器子系統(tǒng)120可以在50到100納秒的時(shí)間之間(其中0納秒對(duì)應(yīng)于生成該光脈沖的時(shí)刻)將由接收透鏡121收集的、通過(guò)光的分析器的傳輸200從零變?yōu)橐?。這樣，因?yàn)樾羞M(jìn)不同距離到達(dá)和遠(yuǎn)離場(chǎng)景190中的對(duì)象而在時(shí)間上相對(duì)于彼此延遲的脈沖部分127、1觀、1四經(jīng)歷程度各不相同的傳輸。具體地，相對(duì)于脈沖部分128，脈沖部分1 從對(duì)象191的更近部分反射，所以經(jīng)歷比脈沖部分1 更少的傳輸。脈沖部分127從更遠(yuǎn)的對(duì)象192反射，所以經(jīng)歷比脈沖部分1 更多的傳輸。這樣，傳感器子系統(tǒng)120調(diào)制脈沖部分的傳輸，將該脈沖部分的TOF編碼在由該FPA接收的強(qiáng)度上，且從而編碼了該脈沖部分行進(jìn)到和離開(kāi)場(chǎng)景中的對(duì)象的具體特征的距離。傳感器子系統(tǒng)120通過(guò)使用諸如棱鏡或偏振分束器的光學(xué)元件來(lái)將每個(gè)脈沖分為它的正交偏振分量(例如，H-和V-偏振分量)，然后記錄該兩個(gè)偏振分量的互補(bǔ)圖像，而確定每個(gè)脈沖部分127、128、129的偏振的程度。例如，如圖3所示，第一圖像201分別以強(qiáng)度區(qū)域227、228、229的形式包含關(guān)于脈沖部分127、128、129的H偏振分量的信息。第二圖像201，分別以強(qiáng)度區(qū)域227，、2觀，、229，的形式包含關(guān)于脈沖部分127、既129的V偏振分量的信息。圖像201中的強(qiáng)度區(qū)域229顯著地比圖像201’中的強(qiáng)度區(qū)域229’更暗，因?yàn)槿鐖D2所示，脈沖部分1 相對(duì)較早到達(dá)，并且經(jīng)歷了相對(duì)少的偏振調(diào)制。相反，圖像201中的強(qiáng)度區(qū)域227顯著比圖像201’中的強(qiáng)度區(qū)域227’更暗，因?yàn)槊}沖部分127相對(duì)較晚到達(dá)，并且經(jīng)歷了顯著的偏振調(diào)制。強(qiáng)度區(qū)域2 和228’為大約相同的強(qiáng)度，因?yàn)槊}沖部分1 通過(guò)該偏振的調(diào)制200到達(dá)大約中途之處，并且從而包含大約相等數(shù)量的正交偏振分量(例如，H和V)。圖1所示的處理器子系統(tǒng)140可以存儲(chǔ)圖像201、201，，并且進(jìn)一步執(zhí)行用于獲得場(chǎng)景190中的對(duì)象191、192的距離和形狀信息的處理。例如，如以下更詳細(xì)所述的，處理器子系統(tǒng)140可以規(guī)格化圖像201、201’，以便補(bǔ)償對(duì)象191、192之間反射或散射方面的變化。 處理器子系統(tǒng)140然后可以基于規(guī)格化圖像(形成圖3所示的三維圖像300)計(jì)算場(chǎng)景190 中不同對(duì)象的位置和形狀，這形成了圖3中所示的三維圖像300，其包括關(guān)于對(duì)象191、192 的距離信息。圖像300包括分別對(duì)應(yīng)于脈沖部分127、128、129的對(duì)象區(qū)域327、328、329， 并且包括關(guān)于對(duì)象191和192的位置和形狀信息。此外，處理器子系統(tǒng)140可以將計(jì)算的距離信息與白光圖像組合，以提供包括關(guān)于場(chǎng)景的灰度級(jí)或色彩信息的場(chǎng)景190的三維圖像，從而模擬了人對(duì)于該場(chǎng)景的視覺(jué)。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，處理器子系統(tǒng)140還可以控制和協(xié)調(diào)照明子系統(tǒng)110和傳感器子系統(tǒng)120的操作。在一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，系統(tǒng)100具有在20米的距離處大約Imm的距離分辨率， 以及在100米的距離處大約3mm或更小的距離分辨率。數(shù)據(jù)獲取速率可以是例如在每秒 3000萬(wàn)到10億點(diǎn)之間，這明顯地快于使用基于掃描的設(shè)備可能取得的數(shù)據(jù)獲取速率。在30 到45度的視場(chǎng)的情況下，角度分辨率可以是例如大約0. 02度。該設(shè)備可以是“面包盒”或更小的尺寸，或者甚至在一些實(shí)施例中是“咖啡杯”或更小的尺寸，其具有小于約10000美元或者甚至小于1000美元的成本。盡管系統(tǒng)100在一些方面類(lèi)似于Taboada所公開(kāi)的，但是它在許多重大的方面存在不同。首先，Taboada沒(méi)有記載他的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、距離分辨率和光學(xué)分辨率，而這對(duì)于實(shí)現(xiàn)商業(yè)上可行的成像系統(tǒng)，特別是設(shè)計(jì)成收集關(guān)于可能位于場(chǎng)景內(nèi)的不同距離處的多個(gè)對(duì)象的信息的系統(tǒng)是重要的。相比之下，如在本文中更詳細(xì)描述的，系統(tǒng)100可以被配置成通過(guò)例如使用多種技術(shù)中的任何一種或全部來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，而獲得場(chǎng)景的任何方面的任何希望的分辨率的圖像。此外，Taboada的系統(tǒng)通常表現(xiàn)為限于獲取單個(gè)遠(yuǎn)程對(duì)象的長(zhǎng)距離圖像(如可以從飛機(jī)觀看的圖像)。例如，Taboada公開(kāi)了使用之前已知的Kerrh 盒或Pockels盒來(lái)調(diào)制反射光的偏振(具體是被安排成相互光串聯(lián)并且電并聯(lián)的Pockels 盒的排列)。之前已知的Pockels盒可能要求無(wú)論何處的從幾千到幾萬(wàn)伏的電壓，具有小的孔徑(例如，Icm或更小)，并且具有低的接收角(例如，1度的小的分?jǐn)?shù))。雖然其要求較低的電壓，但是Taboada的所公開(kāi)的光串聯(lián)并且電并聯(lián)的Pockels盒的排列將進(jìn)一步減小通光孔徑和接收角。從而，Taboada的系統(tǒng)將不能夠使用從Pockels盒的表面法線偏離超過(guò)1度的某一小分?jǐn)?shù)的光獲得精確的距離信息，更不必說(shuō)使用偏離該法線5度或更大角度的光。相比之下，如以下更詳細(xì)描述的，系統(tǒng)100包括調(diào)制器，其使得能夠使用偏離5到 50度的光、從分布在整個(gè)寬視場(chǎng)中的對(duì)象散射的光來(lái)獲取高分辨率距離信息，并且可能僅需要低得多的電壓(例如，約幾十伏或甚至小于十伏的電壓)。首先，將提供用于獲得場(chǎng)景的三維圖像的方法的概述。然后，將詳細(xì)描述用于獲得三維圖像的系統(tǒng)。然后，將描述三維成像的各種潛在應(yīng)用。最后，將描述其他實(shí)施例的一些實(shí)例。所描述的方法、系統(tǒng)、應(yīng)用和實(shí)施例僅為示例性的，而非限制性的。
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2.方法現(xiàn)在將結(jié)合圖4描述根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例(例如，系統(tǒng)100)的用于獲得三維圖像的方法。圖4所示的方法400包括生成具有例如小于2納秒的持續(xù)時(shí)間和寬視場(chǎng)的光脈沖 G10)，之后用這樣的脈沖照射場(chǎng)景020)。例如，可以通過(guò)本文中描述的照明子系統(tǒng)之一或任何其它合適的光脈沖發(fā)生器來(lái)生成這樣的光脈沖。優(yōu)選地，該光脈沖是空間均勻的?！翱臻g均勻”意味著光脈沖的空間強(qiáng)度(在x-y 平面中)在光束的大部分空間輪廓上的變化小于大約50%、或者小于40%、或者小于30%、 或者小于20%、或者小于10%、或者小于5%、或者小于2%。例如，可以將該脈沖表征為具有“半高全寬(FWHM) ”，其是通過(guò)識(shí)別該光束的最大強(qiáng)度并且識(shí)別具有該強(qiáng)度的一半或更大的光束的空間范圍來(lái)確定的。在一些實(shí)施例中，脈沖的空間強(qiáng)度在由FWHM表征的空間區(qū)域上變化小于50%、或者小于40%、或者小于30%、或者小于20%、或者小于10%、或者小于 5%、或者小于2%。在其它實(shí)施例中，空間強(qiáng)度輪廓的變化可以大于50%，或者甚至100%。 如以下更詳細(xì)描述的，在一些實(shí)施例中，可以用具有大量空間模式(例如，大于20個(gè)空間模式)的脈沖激光器生成這樣的空間均勻的光脈沖。由這樣的激光器生成的脈沖的時(shí)間輪廓也可以是基本平滑的，這意味著作為時(shí)間的函數(shù)的該脈沖的強(qiáng)度平滑地變化。如以下更詳細(xì)地描述的，在一些實(shí)施例中，可以用具有大量時(shí)間模式(例如，大于20個(gè)時(shí)間模式)的脈沖激光器生成這樣的時(shí)間均勻光脈沖?？梢栽陔姶殴庾V的任何合適的部分內(nèi)(例如，在光譜的可見(jiàn)光部分 (400nm-700nm)中、或者在光譜的近紅外部分(700nm-2500nm)中、或者在電磁光譜中的另一范圍中)生成光脈沖。優(yōu)選地，激光的脈沖能量足夠高，以便提供可接受的信號(hào)量來(lái)表征感興趣的場(chǎng)景，而同時(shí)也足夠低，以對(duì)于系統(tǒng)的用戶(hù)和場(chǎng)景的任何占據(jù)者的眼睛而言是安全的，且不需要特殊的預(yù)防。例如，與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相比，大于1400nm(例如，在1400nm和 2500nm之間)的波長(zhǎng)可以提供約為最大允許曝光限制的一千倍的增加，這意味著，與使用具有可見(jiàn)光波段中的波長(zhǎng)的脈沖的情形相比，在使用具有大于1400nm波長(zhǎng)的脈沖的情況下，可以用一千倍于之前的能量安全地照射該場(chǎng)景。實(shí)現(xiàn)眼睛安全的其它方式包括管理控制、高發(fā)散度和低的空間相干性。應(yīng)當(dāng)理解，可以基于具體應(yīng)用來(lái)選擇光脈沖的持續(xù)時(shí)間和發(fā)散度。例如，1納秒脈沖可以用于實(shí)現(xiàn)0. 01米的距離分辨率，而100皮秒脈沖可以用于實(shí)現(xiàn)0. 001米的距離分辨率。在各個(gè)實(shí)施例中，取決于希望的距離分辨率，光脈沖的持續(xù)時(shí)間可以是例如1納秒和10 皮秒之間、或者500皮秒和50皮秒之間、或者200皮秒和100皮秒之間、或者100皮秒和10 皮秒之間。此外，所希望的用于在特定距離成像的視場(chǎng)越寬，則可以選擇的發(fā)散度(圖1中的角度φ)越大。為了某些目的，更適中的分辨率、視場(chǎng)和距離可能是可以接受的，而為了其它目的，可能希望極高的分辨率、視場(chǎng)和距離。如以下更詳細(xì)描述的，透射光學(xué)器件可以包括手動(dòng)或自動(dòng)控制的變焦透鏡，其用于根據(jù)需要調(diào)節(jié)光脈沖的發(fā)散度，以便照射要成像的具體場(chǎng)景的所希望視場(chǎng)。方法400包括用大孔徑透鏡收集由場(chǎng)景反射和散射的光脈沖的各部分(430)。如上所述，這些光脈沖部分?jǐn)y帶了關(guān)于場(chǎng)景的若干類(lèi)型的信息。例如，盡管用單個(gè)脈沖照射該場(chǎng)景，但是取決于場(chǎng)景中不同對(duì)象或者對(duì)象的不同部分的相對(duì)位置和形狀，接收透鏡接收具有各種TOF的脈沖部分。方法400也包括將收集的光脈沖部分的偏振調(diào)制為時(shí)間的函數(shù)(440)。這樣的調(diào)制例如可以是時(shí)間的單調(diào)函數(shù)，如圖2所示。在這樣的實(shí)施例中，具有較短TOF的脈沖將比具有較長(zhǎng)TOF的脈沖經(jīng)歷較少的偏振調(diào)制，使得能夠容易地獲得距離信息。然而，如以下更詳細(xì)描述的，這樣的調(diào)制不必是單調(diào)的。此外，可以調(diào)制收集的光脈沖部分的強(qiáng)度而非其偏振。對(duì)其中偏振被調(diào)制為時(shí)間的單調(diào)函數(shù)的實(shí)施例而言，可以從場(chǎng)景的特定圖像中獲得的距離信息至少部分地基于該調(diào)制的持續(xù)時(shí)間。例如，再次參考圖2，在50納秒處開(kāi)始， 傳輸在50納秒的跨度上從0變?yōu)?。這樣，僅在該50納秒調(diào)制窗(對(duì)應(yīng)于7.5米的距離窗)期間到達(dá)的脈沖部分才將經(jīng)歷0和1之間的傳輸。從比7. 5米更接近的對(duì)象反射并且因此在該調(diào)制窗于50納秒處開(kāi)始之前到達(dá)的脈沖部分，或者從比30米更遠(yuǎn)的對(duì)象反射并且因此在該調(diào)制窗已經(jīng)關(guān)閉之后到達(dá)的脈沖部分，將具有更長(zhǎng)或更短的T0F，所以將不會(huì)被圖2中的具體波形調(diào)制。為了訪問(wèn)其它距離窗，偏振調(diào)制的開(kāi)始時(shí)間和/或持續(xù)時(shí)間可以適當(dāng)?shù)刈兓?。在一個(gè)實(shí)施例中，使用多種用于偏振調(diào)制的持續(xù)時(shí)間和/或開(kāi)始時(shí)間重復(fù)方法400，并且組合得到的圖像以形成具有比使用單個(gè)偏振調(diào)制可能獲得的距離信息大得多的距離信息的三維圖像。方法400也包括獲得調(diào)制的光脈沖部分的正交偏振分量(例如，H-和V-偏振分量，或者左和右圓偏振分量)的互補(bǔ)圖像G50)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用偏振分束器將這些脈沖部分分成它們的正交分量，并且將這些正交分量成像在各個(gè)焦平面陣列(FPA) 上，獲得這樣的圖像。FPA可以適于在或接近在步驟410處生成的光脈沖的中心波長(zhǎng)處具有高靈敏度。在光脈沖處于可見(jiàn)光波段(例如，400到700nm)的情況下，基于可買(mǎi)到的CCD 或CMOS的陣列可能是適合的，而如果光脈沖處于近紅外波段(例如，700nm到2500nm)，則可能要求其它陣列技術(shù)或材料。方法400也包括將來(lái)自步驟450的互補(bǔ)圖像規(guī)格化和組合，以便獲得場(chǎng)景中對(duì)象的距離和形狀信息G60)。如以下更詳細(xì)描述的，可以逐像素進(jìn)行這樣的處理。經(jīng)由這樣的方法或通過(guò)被配置成實(shí)現(xiàn)這樣的方法的系統(tǒng)(例如，以下結(jié)合圖5討論的系統(tǒng)500)可獲得的距離分辨率可以部分基于調(diào)制波形的長(zhǎng)度，以及在測(cè)量該波形的輻照度和時(shí)序方面涉及的不確定性。輻照度測(cè)量中的不確定性與信噪比(SNR)有關(guān)。對(duì)于諸如由Taboada公開(kāi)的長(zhǎng)距離應(yīng)用，從目標(biāo)接收的光子數(shù)因?yàn)殚L(zhǎng)距離而受限，這是因?yàn)樾盘?hào)按1/R2衰減，其中R是到目標(biāo)的距離。則主導(dǎo)噪聲項(xiàng)與暗電流、讀出噪聲和背景光(例如陽(yáng)光)有關(guān)。對(duì)于這樣的應(yīng)用，使用非常低噪聲的成像陣列可能是關(guān)鍵的。相比之下，根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的各種實(shí)施例，運(yùn)行在近得多的距離上意味著設(shè)計(jì)照明子系統(tǒng)(例如，激光器)來(lái)提供足夠的照明輻照度以提供高的SNR是實(shí)際的。對(duì)于這樣的運(yùn)行模式，主導(dǎo)的噪聲項(xiàng)可能是返回信號(hào)的散粒噪聲，其為接收信號(hào)的平方根。然后可以將該焦平面陣列選擇為具有高動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)焦平面陣列(其可以用可以測(cè)量的最大信號(hào)除以該陣列的本征噪聲級(jí)來(lái)定義)。因?yàn)樯⒘Ｔ肼暭?jí)而非本征噪聲水平是限制項(xiàng)，該焦平面陣列的一個(gè)有用的特征可以包括深阱(對(duì)應(yīng)于高飽和水平)的存在。例如，100000電子或更大的阱深可以提供大約 300或更大的SNR，只要本征噪聲級(jí)為大約100個(gè)電子或更小。此外，盡管諸如由Taboada 公開(kāi)的應(yīng)用可能要求配置焦平面陣列來(lái)最小化本征噪聲，這樣的陣列可能要求限制像素的數(shù)目或增加成本的具體設(shè)計(jì)，這可能降低了系統(tǒng)的實(shí)際性能。系統(tǒng)圖5示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三維成像系統(tǒng)500中的選定的部件。 應(yīng)該理解，可以用其他光學(xué)配置(如以下所述的)來(lái)替代性地提供系統(tǒng)500的功能。如圖5 所示，系統(tǒng)500包括照明子系統(tǒng)510、傳感器子系統(tǒng)520和處理器子系統(tǒng)M0。現(xiàn)在將詳細(xì)描述這些子系統(tǒng)中的每一個(gè)。A.照明子系統(tǒng)510照明子系統(tǒng)510包括用于生成光脈沖的光源511、用于控制生成的光脈沖的發(fā)散度的發(fā)送(Tx)透鏡512、以及用于增強(qiáng)光脈沖的空間輪廓的可選相位板或其它光束整形元件513。或者，可以顛倒該透鏡512和該可選的相位板513的位置。也可以將這些元件組合在單個(gè)光學(xué)器件或一套光學(xué)器件中。照明子系統(tǒng)510可以與控制器541通信，而后者可以控制和/或監(jiān)視來(lái)自光源511的光脈沖的發(fā)射，并且還可以控制和/或監(jiān)視發(fā)送透鏡512 給予生成的光脈沖的發(fā)散度。如上所述，參見(jiàn)圖1，照明子系統(tǒng)優(yōu)選地生成具有平滑的空間輪廓、平滑的時(shí)間輪廓和例如5和40之間的發(fā)散度的光脈沖。該光脈沖可以處于電磁光譜的任何合適部分，例如，處于可見(jiàn)光波段(例如，400-700nm)或處于近紅外波段(例如，700nm-2500nm)。通常， 認(rèn)為在近紅外波段的特定區(qū)域中生成的脈沖比可見(jiàn)光波段中的相當(dāng)功率的脈沖對(duì)眼睛更安全。光源511被配置成在希望的電磁波段中生成光脈沖，并且透鏡512和可選的相位板 513被配置成提供具有希望的發(fā)散度的光脈沖，并且可選地進(jìn)一步增強(qiáng)該脈沖的光學(xué)輪廓。 在一些實(shí)施例中，光源511是產(chǎn)生具有至少5 μ J能量、或者至少100 μ J能量、或者至少I(mǎi)mJ 能量、或者至少I(mǎi)OmJ能量的光脈沖的激光器。因?yàn)樵摷す馐母甙l(fā)散度，這樣的激光能量對(duì)眼睛可能是相對(duì)安全的。首先，將提供與之前已知的激光器相關(guān)聯(lián)的一些事項(xiàng)的簡(jiǎn)要描述。然后，將提供可以用作光源511的低相干性激光器的描述。激光脈沖的獨(dú)特特征之一是它被聚焦為小直徑并且(與之有關(guān)地)傳播長(zhǎng)距離而不會(huì)明顯地改變直徑的能力。自I960年代早期激光器的發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行大量的工作來(lái)在這些方面改進(jìn)激光器設(shè)備的性能(特別是能夠?qū)⒓す饩劢沟窖苌錁O限)。一些這樣的努力集中在例如通過(guò)仔細(xì)地設(shè)計(jì)激光腔以限制激光器的空間和時(shí)間模式的數(shù)目、提供最佳曲率的腔鏡、通過(guò)在激光腔內(nèi)的特定位置處設(shè)置小的孔徑以抑制較高階模式的激光發(fā)射、和/ 或控制諸如熱透鏡效應(yīng)的引起像差的效應(yīng)，來(lái)增加激光束的空間和時(shí)間相干性。其它設(shè)備和技術(shù)也可以用于改進(jìn)光束特性。用于提高主要以基模輸出能量的激光器的效率的技術(shù)是將增益體積(gain volume)的直徑與激光腔的模體積的直徑匹配。模直徑由腔鏡的曲率半徑和這些鏡的間距確定。對(duì)于穩(wěn)定諧振腔，該直徑典型地是小的。因?yàn)樵鲆骘柡托?yīng)的緣故，這限制了可以從每個(gè)脈沖的激光提取的總能量。不穩(wěn)定諧振器設(shè)計(jì)可以用于增加基礎(chǔ)空間模式的腔內(nèi)模式尺寸，使得可以使用更大的增益體積，同時(shí)仍?xún)H僅激發(fā)基礎(chǔ)空間模式。然而，要求高增益激光器介質(zhì)來(lái)克服不穩(wěn)定腔中固有的高損失，并且源自腔鏡的衍射效應(yīng)引起了輸出空間輪廓的顯著的調(diào)制。在激光腔外部，可以使用可變形鏡和相位校正器來(lái)校正可能降低激光束的聚焦能力的像差。
激光器設(shè)計(jì)中這類(lèi)技術(shù)的使用可能導(dǎo)致激光器設(shè)備的其它特性方面的犧牲。例如，在試圖減小熱失真的影響、增益飽和效應(yīng)、更高階橫向模式的影響等期間，可能減小設(shè)計(jì)輸出功率或能量。用于改進(jìn)光束的空間相干性(例如，用于消除更高階模式)的設(shè)計(jì)選擇還可能導(dǎo)致使用更昂貴的鏡和光學(xué)設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)考慮可能增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。然而，在諸如激光成像的領(lǐng)域存在許多應(yīng)用，其中激光束的聚焦能力不重要。實(shí)際上，可以引入額外的光學(xué)元件以擴(kuò)展激光束來(lái)填充感興趣的區(qū)域。在這樣的應(yīng)用中，激光束的空間和時(shí)間相干性可能導(dǎo)致“斑點(diǎn)(speckle) ”，在其中激光束與自身發(fā)生干涉，這導(dǎo)致了目標(biāo)上的激光點(diǎn)上的不希望的強(qiáng)度變化。對(duì)于一些激光成像應(yīng)用，可能希望減少激光束的空間和時(shí)間相干性，使得激光主要用作單色的、控制良好的、均勻的“閃光”。用于產(chǎn)生配置成用于這樣的低相干性應(yīng)用的激光的標(biāo)準(zhǔn)可能顯著地不同于那些用于衍射受限光束的標(biāo)準(zhǔn)。例如，低相干性激光可能被配置成以相對(duì)低的成本為脈沖和連續(xù)波(CW)激光設(shè)備提供高輸出功率或能量。較低的空間相干性也可以減小激光在眼睛的視網(wǎng)膜上的聚焦能力，從而提高了對(duì)眼睛的安全性。再次參見(jiàn)圖5，三維成像系統(tǒng)是寬視場(chǎng)系統(tǒng)的一個(gè)非限制性例子，其中減小的空間和/或時(shí)間相干性可能是有用的。照明子系統(tǒng)510可以生成具有大的發(fā)散度(例如，在1 和180之間、或者1和90之間、或者1和40之間、或者2和40之間、或者5和40度的發(fā)散度之間)和低的空間和/或時(shí)間相干性的激光脈沖，而衍射受限的激光可能具有一度的僅僅一小部分的發(fā)散度和大量的空間和時(shí)間相干性。大的發(fā)散度和缺少空間和/或時(shí)間相干性可能減少在用該激光束照射的對(duì)象的表面處的激光輻照度的強(qiáng)度波動(dòng)量。由照明子系統(tǒng) 510生成的激光束的更為平滑的強(qiáng)度輪廓可以提高傳感器子系統(tǒng)520的性能。圖6A示意性圖示適于用作圖5的光源511的低相干性激光器600的一個(gè)實(shí)施例。 激光器600包括生成光脈沖的種子激光器610，并且可選地還包括放大器620，其可以包括用于放大由種子激光器610生成的激光脈沖的強(qiáng)度的一級(jí)或多級(jí)。激光器600可以在圖5 所示的控制器541的控制下運(yùn)行。應(yīng)該注意，激光器600也可以是獨(dú)立系統(tǒng)(也就是說(shuō)，不包括在系統(tǒng)500中)，在這種情況下它可以包括它自身的激光控制器。參見(jiàn)圖6A，種子激光器610包括增益介質(zhì)631、第一和第二腔鏡623、633、二極管或其它泵浦634、可選的Q開(kāi)關(guān)635和可選的偏振器636。腔鏡633優(yōu)選地是高反射鏡，而腔鏡623是部分透射性的，以允許激光從激光器輸出并且進(jìn)入可選的放大器620或到達(dá)場(chǎng)景。 腔鏡632、633中的至少一個(gè)可選地可以直接覆蓋在增益介質(zhì)631上，這消除了對(duì)于獨(dú)立的光學(xué)部件的需要。有源Q開(kāi)關(guān)635和偏振器636可以被配置成拖延腔內(nèi)的激光發(fā)射，直到希望的時(shí)間為止(例如，直到希望從種子激光器610獲得激光脈沖的時(shí)間為止)。盡管在本文中描述的許多實(shí)施例涉及種子激光器610被配置成生成激光脈沖，種子激光器610也可以被配置成生成連續(xù)波(CW)激光束。在一些實(shí)施例中，種子激光器610優(yōu)選地生成1納秒或更短的激光脈沖，并且包括足夠數(shù)目的空間模式來(lái)提供基本均勻的空間輪廓。上面給出了 “基本均勻的”時(shí)間和空間模式的含義。此外，許多空間模式的存在也可以增加激光束中存在的縱向模式的總數(shù)。例如，如圖6B-6C所示，由種子激光器610生成的激光脈沖優(yōu)選地包括足夠數(shù)目的空間模式 651、…659，當(dāng)這樣的空間模式可能相互干涉時(shí)，結(jié)果是基本平滑的總體空間輪廓650，以及足夠數(shù)目的時(shí)間模式(其可以與空間模式相關(guān))661、…669，這樣的時(shí)間模式可以相互干涉，以便提供基本平滑的總體時(shí)間輪廓660。在一些實(shí)施例中，種子激光器610生成具有至少10個(gè)空間模式、或者至少20個(gè)空間模式、或者至少30個(gè)空間模式、或者至少40個(gè)空間模式、或者至少50個(gè)空間模式、或者至少100個(gè)空間模式(例如，可以提供平滑的空間輪廓的任何數(shù)目)的激光脈沖。在一些實(shí)施例中，種子激光器610生成具有至少10個(gè)時(shí)間模式、或者至少20個(gè)時(shí)間模式、或者至少30個(gè)時(shí)間模式、或者至少40個(gè)時(shí)間模式、或者至少 50個(gè)時(shí)間模式、或者至少100個(gè)時(shí)間模式(例如，可以提供平滑的時(shí)間輪廓的任何數(shù)目)的激光脈沖。在其他實(shí)施例中，種子激光器610僅包括幾個(gè)模式，例如2和10之間的空間和 /或時(shí)間模式數(shù)目。再次參見(jiàn)圖6A，可以基于激光器600的希望運(yùn)行波長(zhǎng)，從本領(lǐng)域已知或尚待發(fā)現(xiàn)的各種增益介質(zhì)中的任何一種選擇增益介質(zhì)631。例如，如以下更詳細(xì)描述的，增益介質(zhì) 631可以包括大芯有源光纖(該光纖的芯中具有有源激光器摻雜物)。或者，例如，增益介質(zhì) 631 可以包括固態(tài)介質(zhì)，如 Nd YAG、Er YAG、Cr YAG、Ti Sapphire 或 Tm, Ho YAG。或者， 增益介質(zhì)631可以包括半導(dǎo)體材料，如InGaAs，并且種子激光器610是脈沖二極管激光器， 其不需要用于激發(fā)增益介質(zhì)的獨(dú)立光學(xué)泵浦。二極管634或用于激發(fā)增益介質(zhì)631的任何其它泵浦被配置成激發(fā)增益介質(zhì)631， 以便在由鏡632、633限定邊界且具有長(zhǎng)度L的諧振腔內(nèi)引起激光發(fā)射。通過(guò)設(shè)計(jì)種子激光器610以便支持諧振腔內(nèi)的大量空間模式，實(shí)現(xiàn)了激光束的低空間相干性。例如，可以使得增益直徑D顯著大于基模直徑d。較高階模式具有比基模更大的直徑，所以更大的增益直徑D同時(shí)支持許多空間模式。此外，或者替代地，可以選擇鏡623、633的曲率以減小或最小化較高階模式和基模之間的損耗差別。這也可以被描述為配置該腔，以便增加其菲涅爾數(shù)。 已知使用平面鏡或接近平面鏡的諧振腔在區(qū)別較高階模式方面效果不好。這樣，鏡623、633 中的一個(gè)或兩者可以是平面的或接近平面。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，鏡632(或63 是平面的，并且鏡633(或632)是具有大于1米的曲率半徑的凹面。此外，或替代地，腔長(zhǎng)L(S卩，鏡632、633之間的間距)可以減小。最小腔長(zhǎng)是將包含諧振腔內(nèi)所有要求的部件的最小距離。如果配置腔使得單程增益顯著高于與較高階空間模式相關(guān)聯(lián)的損耗，例如，該單程增益大于3，激光發(fā)射可以在整個(gè)增益直徑D上出現(xiàn)，并且離開(kāi)激光諧振器的光束將具有反映增益分布的空間輪廓的空間輪廓。優(yōu)選地，該光束將包括足夠數(shù)目的空間模式，使得該光束的總體空間強(qiáng)度輪廓將基本平滑。鏡623、633之間相對(duì)小的間距L和相對(duì)大的增益直徑D使得可以緊湊地制造種子激光器610，且使其具有對(duì)于泵浦源的復(fù)雜程度減小的耦合光學(xué)器件和簡(jiǎn)化的機(jī)械設(shè)計(jì)，這可以導(dǎo)致增強(qiáng)的穩(wěn)定性。所有這些方面可以導(dǎo)致與單?；蚱渌鼈鹘y(tǒng)激光器設(shè)計(jì)相比具有對(duì)于激光器成像應(yīng)用和設(shè)備而言的成本較低的和效率更高的激光器。在一些實(shí)施例中，配置種子激光器610，使得增益分布的空間輪廓在與激光諧振器的光軸垂直的方向(圖6A中的ζ方向)上近似均勻。這樣的配置可以提供具有基本平坦的空間輪廓和包含許多空間模式的激光脈沖。在其它實(shí)施例中，配置種子激光器610，使得增益分布的空間輪廓被調(diào)整，以增加激光束中較高階模式的數(shù)目。例如，如果基模優(yōu)選地位于接近增益分布的中心的位置，則可以調(diào)節(jié)增益輪廓，以減小中心的增益，其中基模位于該中心。這樣的調(diào)節(jié)可以例如通過(guò)減小腔中心附近的鏡623或633的反射率或通過(guò)在腔內(nèi)提供被配置成吸收腔中心附近的少量能量的附加光學(xué)元件來(lái)進(jìn)行。減小腔中心附近的增益可以降低可用于基模和/或其它較低階模式的能量數(shù)量，從而增加可用于較高階模式的能量數(shù)量。許多空間模式的存在也可以增加激光束中存在的縱向模式的總數(shù)。此外，或替代地，諸如相位板的光學(xué)器件可選地可以被包括在種子激光器610的腔中。這樣的光學(xué)器件可以減小空間諧振器模式之間的區(qū)別，以及隨著能量在諧振腔內(nèi)逐步積聚而增加模式之間的能量傳送的耦合。這樣的光學(xué)器件也可以用于增加與基模相關(guān)聯(lián)的損耗。這樣的光學(xué)器件可以作為獨(dú)立的光學(xué)部件來(lái)提供，或者可以作為在鏡623、633中之一或兩者上的涂層來(lái)提供。也可以通過(guò)最大化光束的光譜帶寬來(lái)減小光束的時(shí)間相干性。例如，上述用于增加空間模式的數(shù)目的技術(shù)中的一些或全部也可以增加激光的帶寬?；蛘?，例如，減小脈沖長(zhǎng)度τ p也可以增加光譜帶寬Δ λ，因?yàn)橥ㄟ^(guò)以下等式將這兩個(gè)量相關(guān)
權(quán)利要求
1.一種三維成像系統(tǒng)，包括照明子系統(tǒng)，其被配置成發(fā)射具有足以照射具有寬視場(chǎng)的場(chǎng)景的發(fā)散度的光脈沖； 傳感器子系統(tǒng)，其被配置成在寬視場(chǎng)上接收由所述場(chǎng)景反射或散射的光脈沖的部分， 所述傳感器子系統(tǒng)包括調(diào)制器，其被配置成將接收的光脈沖的強(qiáng)度調(diào)制成時(shí)間的函數(shù)，以形成經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分；以及用于生成對(duì)應(yīng)于所述接收的光脈沖部分的第一圖像和對(duì)應(yīng)于所述經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分的第二圖像的裝置；以及處理器子系統(tǒng)，其被配置成基于所述第一和第二圖像獲得三維圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置包括光傳感器的第一和第二分立陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的成像系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置還包括圖像構(gòu)造器。
4.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置包括光傳感器的單個(gè)陣列。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光脈沖具有小于2納秒的持續(xù)時(shí)間。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)散度在1和180度之間。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)散度在5和40度之間。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述照明子系統(tǒng)包括低相干性激光器，其被配置成生成包含足夠數(shù)目的空間模式的光脈沖，以產(chǎn)生平滑的空間輪廓。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述低相干性激光器包括具有大于50μ m的直徑的有源光纖芯。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光脈沖包含可見(jiàn)波長(zhǎng)。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光脈沖包含近紅外波長(zhǎng)。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述近紅外波長(zhǎng)在1400nm和2500nm之間。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光脈沖具有基本平滑的空間輪廓。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光脈沖具有基本平滑的時(shí)間輪廓。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述接收透鏡具有至少1英寸的直徑。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器具有至少0.5英寸的通光孔徑。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器包括Pockels盒。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器包括Pockels組件，所述組件包括 橫向Pockels盒的堆疊，每個(gè)橫向Pockels盒包括電光材料的板以及分別布置在所述板的相對(duì)主表面上的第一和第二電極；與每個(gè)橫向Pockels盒的第一電極電通信的第一導(dǎo)體； 與每個(gè)橫向Pockels盒的第二電極電通信的第二導(dǎo)體；以及與所述第一和第二電極電通信的電壓源。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述電壓源被配置成經(jīng)由所述第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的第一和第二電極上施加小于IOOV的電壓。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述電壓源被配置成經(jīng)由所述第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的第一和第二電極上施加小于25V的電壓。
21.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中從由磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋰(LN)、周期性極化的鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧銣(RTP)、偏硼酸鋇(BBO)和它們的同形體組成的組中選擇所述電光材料。
22.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述板具有小于100μ m的厚度。
23.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二電極包括透明導(dǎo)體。
24.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述透明導(dǎo)體具有與所述電光材料的折射率近似相同的折射率。
25.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，所述Pockels組件具有近似等于以下的長(zhǎng)度L
26.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器子系統(tǒng)包括控制器，該控制器被配置成發(fā)送控制信號(hào)到所述調(diào)制器，該調(diào)制器被配置成響應(yīng)于所述控制信號(hào)將所述光脈沖部分單調(diào)地調(diào)制成時(shí)間的函數(shù)。
27.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器子系統(tǒng)包括控制器，該控制器被配置成發(fā)送控制信號(hào)到所述調(diào)制器，該調(diào)制器被配置成響應(yīng)于所述控制信號(hào)將所述接收的光脈沖部分非單調(diào)地調(diào)制成時(shí)間的函數(shù)。
28.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器具有響應(yīng)函數(shù)，所述響應(yīng)函數(shù)是時(shí)間和電壓的函數(shù)，且其中所述系統(tǒng)存儲(chǔ)了表征所述調(diào)制器的響應(yīng)函數(shù)的信息。
29.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器被配置成增加所述調(diào)制器的接收角。
30.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置包括偏振分束器。
31.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置包括棱鏡。
32.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中光傳感器的所述第一和第二分立陣列被相互配準(zhǔn)。
33.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置包括至少一個(gè)焦平面陣列，所述焦平面陣列包括多個(gè)像素，每個(gè)像素具有100，000或更多個(gè)電子的阱深。
34.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于生成的裝置包括至少一個(gè)焦平面陣列， 所述焦平面陣列包括多個(gè)像素以及還包括具有多個(gè)區(qū)域的濾波器，每個(gè)區(qū)域位于像素的前方，并且被配置成以預(yù)定方式衰減發(fā)送到該像素的光。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)存儲(chǔ)了表征所述濾波器的矩陣。
36.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器子系統(tǒng)還包括寬頻帶或多頻帶成像子系統(tǒng)，所述成像子系統(tǒng)包括圖像傳感器，其被配置成獲得場(chǎng)景的寬頻帶或多頻帶圖像；以及光學(xué)器件，其被配置成將接收的光的一部分引導(dǎo)到所述圖像傳感器。
37.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述處理器子系統(tǒng)被配置成將所述三維圖像與所述寬頻帶或多頻帶圖像進(jìn)行組合，以生成所述場(chǎng)景的圖像。
38.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二圖像中的至少一個(gè)包含最大強(qiáng)度的區(qū)域，其中所述用于生成的裝置包括具有飽和極限的傳感器陣列，并且其中所述系統(tǒng)被配置成通過(guò)將所述光脈沖的能量增加到所述傳感器陣列的飽和極限之上來(lái)增加所述三維圖像的動(dòng)態(tài)范圍。
39.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二圖像中的至少一個(gè)包括最大強(qiáng)度的區(qū)域，其中所述用于生成的裝置包括具有飽和極限的傳感器陣列，并且其中所述系統(tǒng)被配置成發(fā)送第一控制信號(hào)到所述照明子系統(tǒng)，所述第一控制信號(hào)包括用于生成具有第一能量的光脈沖的指示，所述第一能量被選擇成使得所述最大強(qiáng)度的區(qū)域處于所述傳感器陣列的所述飽和極限的閾值百分比或在所述百分比之上，但是在所述飽和極限之下； 基于具有所述第一能量的光脈沖的反射或散射部分，獲得第一三維圖像； 發(fā)送第二控制信號(hào)到所述照明子系統(tǒng)，所述第二控制信號(hào)包括用于生成具有第二能量的光脈沖的指示，所述第二能量被選擇成使得所述最大強(qiáng)度的區(qū)域在傳感器陣列的飽和極限之上；基于具有所述第二能量的光脈沖的反射或散射部分，獲得第二三維圖像；以及組合所述第一和第二三維圖像，以獲得與所述第一和第二三維圖像相比具有增加的分辨率的第三三維圖像。
40.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中選擇所述第二能量，使得所述最大強(qiáng)度的區(qū)域是所述焦平面陣列的所述飽和極限的至少4倍。
41.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器子系統(tǒng)被配置成 指示所述照明子系統(tǒng)發(fā)射多個(gè)光脈沖；調(diào)節(jié)所述調(diào)制器的時(shí)序，使得對(duì)于所述多個(gè)光脈沖中的每個(gè)光脈沖，調(diào)制在不同時(shí)間處開(kāi)始；獲得對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)光脈沖中的每個(gè)光脈沖的多個(gè)三維圖像；以及基于所述多個(gè)三維圖像獲得增強(qiáng)的三維圖像，所述增強(qiáng)的三維圖像對(duì)應(yīng)于比所述多個(gè)三維圖像中的任何一個(gè)的距離窗更大的距離窗。
42.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器子系統(tǒng)被配置成發(fā)送第一控制信號(hào)到所述照明子系統(tǒng)，該第一控制信號(hào)包括用于生成第一光脈沖的指示；發(fā)送第二控制信號(hào)到所述調(diào)制器，該第二控制信號(hào)包括用于在第一時(shí)間窗上調(diào)制第一光脈沖的接收部分的指示；基于所述第一光脈沖的調(diào)制部分獲得第一三維圖像；發(fā)送第三控制信號(hào)到所述照明子系統(tǒng)，該第三控制信號(hào)包括用于生成第二光脈沖的指示；發(fā)送第四控制信號(hào)到所述調(diào)制器，該第四控制信號(hào)包括用于在第二時(shí)間窗上調(diào)制所述第二光脈沖的接收部分的指示；基于所述第二光脈沖的調(diào)制部分獲得第二三維圖像；以及組合所述第一和第二三維圖像，以獲得與所述第一和第二三維圖像相比具有增加的范圍的第三三維圖像。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二時(shí)間窗相互重疊。
44.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第一時(shí)間窗具有比所述第二時(shí)間窗的持續(xù)時(shí)間更短的持續(xù)時(shí)間。
45.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第一時(shí)間窗具有與所述第二時(shí)間窗的開(kāi)始時(shí)間不同的開(kāi)始時(shí)間。
46.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述三維圖像具有亞厘米分辨率。
47.一種三維成像的方法，包括發(fā)射具有足以照射具有寬視場(chǎng)的場(chǎng)景的發(fā)散度的光脈沖；在寬視場(chǎng)上接收由所述場(chǎng)景反射或散射的所述光脈沖的部分；用調(diào)制器將接收的光脈沖部分調(diào)制成時(shí)間的函數(shù)，以形成經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分；生成對(duì)應(yīng)于所述接收的光脈沖部分的第一圖像； 生成對(duì)應(yīng)于所述經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分的第二圖像；以及基于所述第一和第二圖像獲得所述場(chǎng)景的三維圖像。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其中生成所述第一圖像包括將所述第二圖像加入第三圖像。
49.如權(quán)利要求47所述的方法，其中用所述調(diào)制器調(diào)制包括調(diào)制所述接收的光脈沖部分的偏振狀態(tài)。
50.一種用于調(diào)制具有波長(zhǎng)λ的光的偏振的調(diào)制器，所述調(diào)制器包括橫向Pockels盒的堆疊，每個(gè)橫向Pockels盒包括電光材料的板以及分別布置在所述板的相對(duì)主表面上的第一和第二電極；與每個(gè)橫向Pockels盒的第一電極電接觸的第一導(dǎo)體；與每個(gè)橫向Pockels盒的第二電極電接觸的第二導(dǎo)體；以及與所述第一和第二導(dǎo)體電通信的電壓源，每個(gè)橫向Pockels盒的板具有近似等于以下的長(zhǎng)度L 其中m是整數(shù)，d是所述板的厚度，η是所述堆疊中的橫向Pockels盒的數(shù)目。
51.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述電壓源經(jīng)由所述第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的所述第一和第二電極上施加小于IOOV的電壓。
52.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述電壓源經(jīng)由所述第一和第二導(dǎo)體在每個(gè)橫向Pockels盒的所述第一和第二電極上施加小于25V的電壓。
53.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中從由磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋰(LN)、周期性極化的鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧銣(RTP)、偏硼酸鋇(BBO)和它們的同形體組成的組中選擇所述電光材料。
54.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述電光材料包括周期性極化的鈮酸鋰。
55.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述板具有小于100μ m的厚度。
56.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述第一和第二電極包括透明導(dǎo)體。
57.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)。
58.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述波長(zhǎng)在近紅外范圍內(nèi)。
59.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，其中所述波長(zhǎng)在1400nm和2500nm之間。
60.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，具有至少40度的接收角。
61.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，具有至少5度的接收角。
62.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，具有至少1度的接收角。
63.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，具有至少1英寸的通光孔徑。
64.如權(quán)利要求50所述的調(diào)制器，具有至少2英寸的通光孔徑。
65.一種用于調(diào)制光的偏振的調(diào)制器，所述調(diào)制器包括橫向Pockels盒的堆疊，每個(gè)橫向Pockels盒包括電光材料的板以及分別布置在所述板的相對(duì)主表面上的第一和第二電極；與每個(gè)橫向Pockels盒的第一電極電接觸的第一導(dǎo)體； 與每個(gè)橫向Pockels盒的第二電極電接觸的第二導(dǎo)體；以及與所述第一和第二導(dǎo)體電通信的電壓源，所述第一和第二導(dǎo)體包括透明電極，該透明電極具有與所述電光材料具有的折射率近似相同的折射率。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例提供了以寬視角和精確的時(shí)間進(jìn)行三維成像的系統(tǒng)和方法。根據(jù)一個(gè)方面，一種三維成像系統(tǒng)包括照明子系統(tǒng)，該照明子系統(tǒng)被配置成發(fā)射具有足以照射具有寬視場(chǎng)的場(chǎng)景的發(fā)散度的光脈沖。一種傳感器子系統(tǒng)被配置成在寬視場(chǎng)上接收由場(chǎng)景反射或散射的光脈沖的部分，該傳感器子系統(tǒng)包括調(diào)制器，其被配置成將所接收光脈沖的強(qiáng)度調(diào)制成時(shí)間的函數(shù)，以形成經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分；以及用于生成對(duì)應(yīng)于該接收的光脈沖部分的第一圖像和對(duì)應(yīng)于該經(jīng)過(guò)調(diào)制的所接收光脈沖部分的第二圖像的裝置。處理器子系統(tǒng)被配置成基于該第一和第二圖像獲得三維圖像。
文檔編號(hào)H04N5/89GK102292980SQ200980155306
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者保羅·S·班克斯 申請(qǐng)人:泰特拉維公司