一种单光子三维成像装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114325751A(43)申请公布日2022.04.12(21)申请号202111454018.5(22)申请日2021.12.01(71)申请人华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所）地址430000湖北省武汉市洪山区雄楚大街981号(72)发明人曾宪江李忠朱方顺刘班李邦旭(74)专利代理机构武汉凌达知识产权事务所(特殊普通合伙)42221代理人刘念涛(51)Int.Cl.G01S17/894(2020.01)G01S17/08(2006.01)G01S7/48(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称一种单光子三维成像装置(57)摘要本发明公开了一种单光子三维成像装置，由激光发射系统和回波接收系统以及窗口组成，激光发射系统包括脉冲激光光源、准直光学系统和衍射光学元件，回波接收系统包括SPAD阵列、窄带滤光片、宽带滤光片和接收光学系统；本发明使用控制电路将SPAD阵列上的像元根据与发射激光光束的对应关系进行分区域控制，每个区域对应一束激光光束。控制电路处理每个区域像元的响应事件，并进行统计，并根据计算的目标距离进行区域自校正。最终将自校正区域中像元响应事件进行统计，输出单束激光探测目标的回波光子数信息与距离信息。CN114325751ACN114325751A权利要求书1/1页1.一种单光子三维成像装置，其特征在于：由激光发射系统（10）和回波接收系统（11）以及窗口（12）组成；所述的激光发射系统（10）包括脉冲激光光源（20）、准直光学系统（21）和衍射光学元件（22）；所述的回波接收系统（11）包括SPAD阵列（30）、窄带滤光片（31）、宽带滤光片（32）和接收光学系统（33），SPAD阵列（30）配备控制电路，用于对目标回波光子进行统计与输出；脉冲激光光源（20）发射激光脉冲束，经过准直光学系统（21）进行光束准直后入射到衍射光学元件（22）中分成激光光束后入射到成像场景中，激光脉冲传输到成像场景中的目标后反射激光回波，经接收光学系统（33）收集后再经过宽带滤光片（32）和窄带滤光片（31）进行杂散光抑制后投影到SPAD阵列（30）靶面上。2.根据权利要求1所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述的控制电路包括寻址电路（50）、综合控制电路（51）、模拟前端电路（52）、选择逻辑电路（53）、时间数字转换电路（54）、直方图生成电路（55）和读出电路（56）；综合控制电路（51）通过控制寻址电路（50）对单个SPAD像元（40）进行控制，形成不同的像元集合（42），并控制单个SPAD像元（40）的门控，并读取单个SPAD像元（40）的光子响应事件，选择逻辑电路（53）选择性的将像元集合（42）范围中的光子响应事件传输到时间数字转换电路（54）中计算每个光子事件的时间信息；直方图生成电路（55）将多个周期内时间数字转换电路（54）中计算获得每个光子事件的时间信息进行统计与计算，获取像元集合（42）内每个像元光子事件总计数值与光子事件时间平均值；最终经过读出电路（56）输出直方图生成电路（55）计算获得的每个像元集合（42）的光子事件总计数值与光子事件时间平均值，通过光子事件时间平均值计算出目标距离。3.根据权利要求1或2所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述的激光发射系统（10）和回波接收系统（11）为旁轴安置，且激光发射系统（10）和回波接收系统（11）的光轴平行。4.根据权利要求1或2所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述脉冲激光光源（20）的发射波长为905nm，脉宽不大于5ns，使用衍射光学元件（22）向目标成像场景中目标发射64束激光脉冲，使用32×32像元的SPAD阵列（30）传感器用于接收目标成像场景中目标的回波光信号。5.根据权利要求1或2所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述的准直光学系统（21）为伽利略望远镜，准直后激光光束发散角优于0.2mrad。6.根据权利要求1或2所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述的SPAD阵列（30）为硅基盖革APD阵列，分辨率32×32，所述的窄带滤光片（31）中心波长为905nm，带宽不大于1nm，透过率优于90%。7.根据权利要求1或2所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述的宽带滤光片（32）截止波长1100nm，透过率优于95%，所述的接收光学系统（33）接收视场角优于0.3mrad。8.根据权利要求1或2所述的一种单光子三维成像装置，其特征在于，所述时间数字转换电路（54）的时间分辨率为5ns。2CN114325751A说明书1/5页一种单光子三维成像装置技术领域[0001]本发明属于三维激光雷