[发明专利]被动式单光子成像3D摄像机及摄像方法

说明书

本申请公开了一种被动式单光子成像3D摄像机及摄像方法，通过偏振光单光子传感器在不同焦距下获得多个单光子偏振图像对应的原始数据，图像处理器对原始数据进行图像重建，获得多个含有空间信息的单光子偏振图像，对单光子偏振图像进行特征点匹配，根据焦距和像点向量计算深度信息，获得3D图像。本申请提供的被动式单光子成像3D摄像机及摄像方法无需采用大功率光源，对于人体无任何影响，而且采用偏振光单光子传感器可以全天候工作，检测距离长达200米以上，满足自动驾驶、智能机器人或无人机等高端应用领域要求。

技术领域

本申请涉及单光子成像领域，尤其涉及一种被动式单光子成像3D摄像机。

背景技术

3D成像技术是近年来较为热门的研究方向之一，3D相机也在许多领域得到了应用，比如手势识别、机器人等。

双镜头摄像机可以实现立体效果，但是结构体系复杂，算法也非常复杂，多年来没有大规模普及应用，只是在3D电影等特定场合有应用；

主动式结构光摄像机也可以实现立体效果，主要应用于距离非常短的场合，而且在算法和硬件结构上都有特定的要求，所以随着主动式TOF摄像机的出现，逐步有被替代的趋势。

主动式TOF（Time of Flight，飞行时间）摄像机是现在主要的3D成像摄像机，主要有线扫描和面阵列两种产品，主动式TOF相机采用飞行时间法进行非接触式测距，通过给目标连续发送发射光波，然后利用传感器接收从物体返回的光，通过探测光波的飞行时间来得到目标物的距离，能够快速完成对目标的识别和追踪，深度信息可以完成对目标图像的分割、标记、识别、跟踪等应用，经过进一步深化处理，可以完成三维建模等应用，并且无需扫描设备辅助工作，由于可以采用LED、激光等作为光源，分辨率也可以更高，得到了用户的普遍认可，受到广泛关注。

但是由于主动发射的激光光源的功率和人眼防护等问题，特别是大功率光源的成本较高，在应用方面主要集中在手机、平板电脑、物联网或其他智能硬件等应用，对于在自动驾驶、智能机器人、无人机等高端应用领域，还有一定的难度。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种被动式单光子成像3D摄像机及摄像方法。

为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：

第一方面，提供一种被动式单光子成像3D摄像机，其特征在于，所述摄像机包括：

光学系统，被配置为汇聚入射光和调节焦距；

偏振单光子传感器，所述偏振单光子传感器包括偏振装置，被配置为产生光；感光阴极，被配置为捕获光子并产生光电子；采集阳极，被配置为捕获光电子产生电信号；读出电路，被配置为读出电信号；ADC，被配置为将电信号转化为单光子偏振图像原始数据；接口电路，被配置为将单光子偏振图像原始数据传输到图像处理器；

图像处理器，被配置为对单光子偏振图像原始数据进行重建获得单光子偏振图像，对单光子偏振图像进行特征匹配和深度计算，获取3D图像。

优选地，所述多个含有偏振装置的像元按照菱形错位阵列方式排布。

优选地，所述多个含有偏振装置的像元中每四个互相邻近的像元对应的偏振装置具有各不相同的偏振角度。

优选地，所述偏振装置的偏振角度为0°、45°、90°或135°。

优选地，所述偏振装置是通过MEMS工艺集成在像元上。

优选地，所述感光阴极包括Si、Ge、GaAs、InGaAsP、InGaAs或InAs/GaAsSb II类超晶格。

优选地，所述采集阳极包括光电倍增管、雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管、硅光电倍增管、增强型光电极管、电子倍增CCD或科学级sCMOS。

第二方面，提供一种摄像方法，其特征在于，所述方法包括：

在第一焦距下获取第一单光子偏振图像原始数据；