CN103502839A - 用于接收光束的系统、方法和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于接收光束的系统（21），包括光传感器阵列（26）。所述系统还包括像素化光开关阵列（24），所述像素化光开关阵列（24）中的每一开关适于接收所述光束的至少一部分并将其引导至所述光传感器阵列（26），并且所述像素化光开关阵列（24）包括的开关的数量大于包括在所述光传感器阵列（26）中的光传感器的数量。

Description

用于接收光束的系统、方法和计算机程序

技术领域

本发明涉及用于接收光束的方法。更具体地，本发明涉及用于接收光束的且例如可以为用于对表面进行扫描的方法的部分的方法，接收的光束为在待扫描的表面中反射的光束。

本发明还涉及用于接收光束的且适合于执行该方法的系统和计算机程序。

背景技术

现今，存在其中应用3D构图和信息来增强不同技术的宽广范围的领域，不同技术为：包括深度信息的视频生成技术、通过对交通工具所在的表面、目标位置的构图来导引交通工具、制造过程中的质量控制等。

所述领域中使用的该3D构图之一是借助于基于飞行时间测量技术（称为TOF）的系统来对表面进行扫描，该系统在过去已经被广泛用于获得具有深度信息的图像。

基于TOF技术的所述系统通常涉及用于发射和接收光束以测量距表面的距离的系统的实施。基于TOF的第一成像系统使用机械扫描技术并包括负责管理确定的方向上的光束的发射和接收的机械系统。在任何情况下，测量基于具有单个传感器的单个点，并且根据光束的机械扫描以及“测量”和“触发点”的相关性来形成图像。此外，机械扫描涉及与系统的部件的振动、它们的低的耐用性和大的大小相关的问题。

与用于描述的机械系统中的用于接收光束的系统相反，也存在基于光传感器阵列的用于接收光束的系统。

基本上，存在包括特定大小（n列乘m行）的光传感器阵列的扫描系统，其可以同时接收并探测光束在表面上的反射。这些系统，已知为闪光雷达（Flash Ladar），使用调制和/或脉冲TOF测量技术，该技术是广泛已知的。此外，通过使用这些系统来获得数字图像，不存在在二维上对表面执行机械扫描的需要，因为阵列本身限定二维表面，其最终限定图像大小。

更具体地，如从图1中能够看到的，现今通常使用的用于对表面进行扫描的系统（在此范例中，使用脉冲TOF技术的系统，然而也使用调制TOF技术）包括向待扫描的表面3发射光束2的激光器或LED束发射器1，此光束在表面上反射并由光传感器阵列4接收，光传感器阵列4用作接收系统和用作探测器以确定接收光束2的每一部分的时刻。此外，该系统包括：分束器5，分束器5将光束的部分引导至探测器9以确定开始发射光束的时刻；所需的光学元件6、7；以及装置8，用于对由光传感器阵列4接收的光束的每一部分的TOF值进行计数（考虑探测器9探测分束器5分裂的光束的部分的时刻）并用于考虑对应的TOF值来确定发射器1与表面3之间的距离。这样，该系统使得能够获得扫描表面的3D数字图像。

以下文献中描述了使用MIT研发的脉冲TOF技术装置的系统的范例：“Real-Time 3D Ladar Imaging”(Cho,Anderson等，LINCOLNLABORATORY JOURNAL,第16卷，第1期，2006)。该TOF装置包括光传感器阵列，并且其使用脉冲信号。更具体地，使用32×32像素传感器，其使得能够使用具有532nm的波长和250ps的脉冲宽度的信号以高达16KHz的频率执行测量。

在过去利用此技术工作和/或仍然在研发该技术，但是是在调制技术领域，的制造商或研发团队的其它一些范例是Mesa Imaging（瑞士电子与微技术中心(Centre Suisse d′Electronique et de Microtechnique(CSEM)分拆上市），其已经设计并商业化了TOF成像相机；德国Siegen大学（SiegenUniversity）的PMD Technologies（Zentrum für Sensorsysteme(ZESS)分拆上市），其类似于CSEM，已经研发了基于阵列的TOF成像相机；Optrima（ETRO(电子与信息系(Department of Electronics and Informatics))和VUB(布鲁塞尔自由大学(Vrije Universiteit Brussel))分拆上市），其也已经研发了另外的基于TOF阵列的成像相机；以及Canesta Inc.，其是自2004年起已经研发了用于诸如前述的TOF成像相机中的感测装置的公司。

然而，这些成像系统具有与它们的接收系统相关的局限，其中，包括在光传感器阵列中的光传感器的大小影像扫描表面的图像的分辨率。基本上，假定光传感器的整个大小（因为难以使用通常的微电子方案将传感器与其电路集成在一个硅芯片中）大，可由扫描系统探测的光束的部分的数量低（即，能够区别较小部分），并且因此，扫描图像的空间分辨率低。因为在诸如涉及视频图像中的深度信息的视频生成技术、借助于3D视觉的交通工具或机器人的导引、制造过程中的质量控制等的领域中使用该装置时，数字图像的所述空间分辨率可能是关键的，所以在需要现有装置的高的空间分辨率或性能时，具有较低空间分辨率的现有系统可能不适合于用于所述应用中。

总之，已知的接收系统具有以下缺陷：由光传感器阵列接收的光束的部分的数量太小，即从给定光束并且归因于阵列中元件的大小，系统能够接收的光束的部分的量太小（假定仅光束的一部分由每一光传感器接收），所以扫描图像的空间分辨率低。这样，这些接收系统的使用受限于某些应用，并且甚至是对于这些应用，结果也不尽人意。

发明内容

本发明的目的是提供用于接收光束的系统，该系统比前述已知的接收系统接收的光束的部分的数量高。

为了实现上述，根据第一方面，本发明提供一种用于接收光束并包括像素化光开关阵列的系统，其中，每一开关适于接收光束的至少一部分并将其引导至光传感器的阵列，并且在于像素化光开关阵列包括的开关的数量比包括在光传感器的阵列中的光传感器的数量大。

提供具有的开关的数量比包括在光传感器阵列中的光传感器的数量大的像素化光开关阵列容许接收光束的较大数量的部分。然而，同时，当将像素化光开关与用于接收光束的系统组合时，所述光束的接收变得非常精密，因为阵列的像素的惯常的大小可能通常为大约10μm（取决于阵列的类型），其意指单个像素接收的光非常低，并且装置将不得不使用具有合适的灵敏度的传感器，以能够探测具有与像素的大小对应的大小的光束。

系统的替代或附加将是，在使用中，确保用于接收光束的系统与比现有技术中使用的光源更强的光源结合使用。

重要强调的是，光传感器阵列可以理解为任何大小的阵列，包括具有单个光传感器的阵列，即1×1个光传感器的阵列。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于接收光束的方法，所述方法包括，对于像素化光开关阵列中的每一开关：

-接收所述光束的至少一部分；

-将所述光束的所接收的部分引导（例如偏转接收的部分）至光传感器阵列；

所述像素化光开关阵列包括的开关的数量大于包括在所述光传感器阵列中的光传感器的数量。

通过执行所述方法并使用用于接收光束的所述系统，与使用没有像素化光开关阵列的光传感器阵列的先前系统相比，能够根据反射表面接收反射光束的较大数量的部分。更具体地，当光束被发射并反射到表面上时，能够接收光束的较大数量的反射的部分，从而获得可以用于数个应用中的关于反射表面的更多信息，诸如获得与形状、速度、移动的类型、或所述表面的其它特性对应的图像。

还有，根据另一方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括用于使计算机系统执行前述用于接收光束的方法的程序指令。

所述计算机程序可以包含于存储构件上（例如，记录介质上、计算机存储器上、或只读存储器上），或承载于例如待从计算机下载或通过电子邮件发送的载波信号上（例如，在电或光载波信号上）。

根据本发明的优选实施例，本发明提供一种用于对表面进行扫描的系统，所述系统包括：

-光源，用于将光束发射到待扫描的所述表面；

-前述的用于接收光束的系统，用于接收在所述表面上反射的所述光束；

-第一计算机系统，用于确定所述光束的每一接收的部分的飞行时间值；

-第二计算机系统，用于考虑所述第一计算机系统确定的所述光束的每一接收的部分的飞行时间值来确定与所述光束的每一接收的部分行进的距离相关的参数；

其中，所确定的与所述光束的每一部分的距离相关的参数指示所扫描的表面的空间点。

通过使用此扫描系统，可以获得数字图像，其包括由像素化光开关阵列的开关的数量限定的二维信息集，以及第三维，第三维为与对由像素化光开关阵列限定的二维点集的每一值确定的距离相关的对应参数。与距离相关的所述参数可以是用于获得所述距离的参数，根据距离计算的参数，或距离值本身。

所述数字图像因此可以比通过现有技术的方法和系统获得的数字图像具有较大数量的点（较大空间分辨率），因此，使得对于要求较高水平的精度的应用有用，该应用诸如是制造过程中的质量控制、通过3D视觉（3Dvision）导引的移动等。

另一方面，第一计算机系统和第二计算机系统可以是单个计算机系统的部分。此外，扫描系统可以包括用于控制像素化光开关阵列的第三计算机系统。此第三计算机系统也可以是可以包括第一和/或第二计算机系统的单个计算机系统的部分。

还有，可以通过使用TOF计算来执行光束的每一接收的部分的飞行时间值的确定。典型地使用的一种该计算涉及使用以下公式：

d＝（c/2f）×（相位/2×π）

c＝光速；

f＝光的调制频率（典型的情况是20MHz的值）；

相位＝所接收的信号的相位。

以上公式是通用公式，可以根据用于计算的调制技术对其进行修改。例如，如果使用脉冲技术，当光脉冲的移位时间计算在内，且“c”为光速时，则该公式为：

d＝c×t。

包括在光传感器阵列中的光传感器可以是以下列表中的任意之一：光电二极管传感器、APD（雪崩光电二极管）类型的传感器、SPAD（单光子雪崩光电二极管）类型的传感器、SiPM（硅光电倍增器）类型的传感器或MPPC（多像素光子计数器）、以及PMT（光电倍增管）类型的传感器、任何其它类型的适合的或类似的光探测装置。

还有，为了整个系统的最佳性能，可能必需确保将传感器与外部光合适地隔离，因为由像素化光开关阵列重新引导的光束具有非常低的功率，并且它们的探测能够容易地受到通常环境光的扭曲。此外，传感器将必需实施为使得考虑到它们的低功率，其信噪比被优化。

此外，为了系统的合适的性能并避免被其它信号扭曲的测量，计算机系统和整个系统可能必需能够处理具有宽带宽的信号，从而最小化来自寄生电容的影像，以能够避免它们和任何其它抖动效应。

该效应的范例将是，待由光传感器探测的典型信号将是具有大约30ps的延迟的信号，从而使得使用不扭曲该精确信号的电子器件重要。

根据优选实施例，光源适于生成用于脉冲TOF计算技术的脉冲光束。更具体地，通过使用脉冲光束，可以使用与信号的形状相关的任何特征来设定用于确定飞行时间值的发射脉冲光束时的时间、以及开始光束的发射的时刻，信号的形状诸如是脉冲的第一次发射时脉冲的第一个上升，或脉冲的第一次发射时，脉冲的第一个下降。此外，可以以与用于获得发射的时刻的方式类似的方式，借助于与信号的形状相关的对应特征来获得借助于光传感器阵列（或借助于像素化光开关阵列）接收光束的部分的时刻。

对脉冲的上升或下降的所述探测的替代可以是使用恒定分数鉴别器（Constant Fraction Discriminator（CFD））电路，其考虑脉冲的整个持续期间，而不是上升或下降。这些类型的电路可以更有效，因为它们避免了在探测上升或下降时维持恒定和最佳水平的阈值的需求而生成的问题，在使用其它探测技术时，需要维持恒定和最佳水平的阈值。

替代地，光源可以适于生成用于调制TOF计算技术的调制光束。因此，光束的接收的部分的预定相位的简单探测足够探测光束的对应部分的飞行时间值。

根据另一实施例，光源包括用于调节并展宽光束的范围以达到较宽区域的第一元件。所述元件可以是诸如光学透镜或光学透镜组的光学元件，设置在光源的输出端前面，使得其展宽朝向表面发射的输出光束的范围，从而使得光束能够到达较宽的区域而不是较小的区域或单个点。这是有用的，因为如果可以获得表面的数字图像，则光束的反射的部分可以在所述表面的数个不同点上反射，用于对应于表面的图像。

此外，当使用输出窄光束的诸如激光器的光源时，光学元件可能是重要的，其否则将仅到达待成像的表面的非常小的区域。

还有，光学元件是能够移动的，使得它们也能够将光源输出朝向不同区引导，从而使得能够通过移动光源数次并使得光束在表面的不同区域中反射（例如，透镜可以水平、竖直旋转等）来对较宽的表面执行扫描。

根据另一实施例，扫描系统还包括用于在像素化光开关阵列上生成表面的图像的第二元件。此外，扫描系统可以包括用于将在像素化光开关阵列上接收的光束的每一部分聚焦在所述光传感器阵列上的第三元件。

为了最佳性能，当将光束的每一部分聚焦于像素化光开关阵列上时，由于阵列的像素的小的大小，所以第三透镜必需非常精确，并且，其可能必需能够合适地聚焦来自宽范围的距离的光。

以与前述光学元件的情况类似的方式，第二和第三元件可以是光学元件（诸如透镜或透镜组），在第二元件的情况下，其将在表面上反射的光束的入射部分朝向像素化光开关阵列引导，并且在第三元件的情况下，其将像素化光开关阵列反射的光束的每一部分朝向光传感器阵列聚焦。

此外，可以以与任何模拟或数字相机中找到的变焦装置类似的方式来实施第二元件，从而使得能够聚焦和放大或缩小以确定希望从表面的哪部分获得数字图像。还有，如前述情况中，此第二元件可以具有活动部分，以将元件朝向表面引导。

根据本发明的优选实施例，像素化光开关阵列包括MEMS类型的装置，其具体可以是数字微镜装置（DMD）。DMD部件是已经由德州仪器自20世纪90年待晚期研发的称为DLP（数字光投影）的技术的部分。DMD包括微镜组或阵列，其可以由连接至DMD的被编程的装置（例如前述第三计算机系统）电偏转。所述DMD以前用于数字图像投影领域，偏转光源以将其投影在屏幕上。

通过使用DMD，当企图确定来自表面的多个TOF，以获得所述反射表面的3D图像时，实现了高得多的分辨率。此外，通过使用DMD，系统在可能的误操作时可以更可靠，并且可以具有更高的耐用性，因为包括于其中的微镜是电子地驱动的，并且比机械扫描装置具有更高的耐久性。

替代地，像素化光开关阵列可以包括液晶显示器或能够变形的镜子。在液晶显示器的情况下，选项可以是诸如LCOS屏幕的屏幕。

LCOS^TM或LCoS^TM（硅上液晶）屏幕包括类似于DLP投影仪技术的“微投影”或“微显示”反射技术。然而，其使用液晶，而不是逐个镜子，像素能够偏转、透射或吸收给定方向上的入射光。从而，该装置使得能够选择性地照射屏幕的至少一个像素并且将到达像素的光引导至给定方向，该控制是电子地执行的。

通过比较，LCD投影仪使用透射LCD芯片，容许光通过液晶。在LCoS中，将液晶直接施加于涂覆有镀铝层、一些类型的钝化层的硅芯片的表面，该表面是高度反射的（定义为反射LC类型的液晶）。取决于具体LCoS芯片，可以优选地使用它来代替包括微镜的装置。

其它类型的液晶显示器可以适合于使用，诸如透射类型（例如，扭曲向列型液晶）、或铁电类型（例如，铁电液晶（FLC）、表面稳定FLC、以及现今最广泛地使用的类型，FLCOS（硅上铁电LC）），它们均适合用于本发明中。

另一方面，可以使用基于MEMS技术的能够变形的镜子组。微机电系统或MEMS使用由电驱动的非常小的机械装置的技术，该机械装置由大小在1至100微米之间的部件构成。使用MEMS装置的优点源自需要进行的仅有的驱动是电的，并且MEMS装置的尺度使得能够以较高细节或空间分辨率来执行飞行时间的确定，确定反射到表面上的光束的较小部分，其对于诸如例如获得反射表面的数字图像的应用可以是有用的。

根据本发明的另一实施例，提供了用于对表面进行扫描的方法，所述方法包括：

-将光束发射到待扫描的所述表面上；

-执行接收光束的方法，用于接收在所述表面上反射的所述光束；

-确定所述光束的每一接收的部分的飞行时间值；

-考虑所述光束的每一接收的部分的确定的飞行时间值来确定对于所述光束的每一接收的部分的距离相关的参数；

其中，所述光束的每一部分的所确定的距离相关的参数指示所扫描的表面的空间点。

距离相关的参数可以是用于获得真实距离的参数（诸如速度）、根据距离计算的参数、或例如距离的值本身。

根据本发明的实施例，提供了一种包括程序指令的计算机程序产品，所述程序指令用于使计算机系统执行前述的用于对表面进行扫描的方法。

根据另一方面，本发明提供了一种像素化光开关阵列在前述的用于对表面进行扫描的系统或用于对表面进行扫描的方法中的用途，所述像素化光开关阵列中的每一开关适于接收光束的至少一部分并将其偏转至光传感器阵列。

附图说明

以下将参照附图，通过非限制性范例描述本发明的特定实施例，其中：

图1是根据现有技术的用于对表面进行扫描的系统的示意性表示；

图2是根据本发明的用于对表面进行扫描的系统的示意性表示；以及

图3是根据本发明的用于对表面进行扫描的方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例，将借助于附图来描述用于对表面28进行扫描并获得所述表面的数字图像的系统20，其中，图2描绘用于对表面28进行扫描的系统20，其包括诸如Nd:YAG脉冲激光器的脉冲激光束发射器22的形式的光源。

激光发射器22包括第一组透镜23，其被陈列为使得，当激光器22发射激光脉冲光束信号时，透镜展宽激光束的范围，从而到达宽的表面，而不是到达聚焦点，激光通常到达聚焦点。

此外，系统包括用于接收光束21的包括像素化光开关阵列的系统，光开关阵列在此情况下为DMD^TM装置24（数字微镜装置），如德州仪器（TexasInstruments）制造的DMD^TM装置；用于探测光束的盖革（Geiger）模式的雪崩光电二极管传感器阵列26；以及被陈列于DMD24的表面之前的第二组透镜25。所述元件被陈列为进行DMD的观测的表面的图像的生成。

所述第一和第二组透镜23和25还包括用于打开和关闭其光学范围的构件，并且因此能够或多或少地将即将到来的光束引导到装置中，朝向DMD 24的开关，其方式是如照相机或视频相机的物镜工作那样。这样，在DMD的表面上产生图像，其用于获得DMD的观测的表面的图像（其可以是例如地形图像或3D图像）。

所述DMD包括由多个电子控制的微镜限定的多个“像素”，该多个电子控制的微镜适合用于接收光束在它们的表面上的反射部分并通过旋转某一度数来偏转接收光束；DMD与光电二极管阵列的相对位置是使得，当偏转DMD的微镜时，其将光束的其对应部分朝向所述阵列的光电二极管之一引导。

更精确地，微镜具有至少两个偏转位置，均具有使得第一偏转位置将入射光束朝向包括在光电二极管阵列26中的至少一个雪崩光电二极管偏转的角度，和将入射光束朝向倾倒（dump）位置偏转以确保其不被引导至任何光电二极管的第二角度。

此外，第三组透镜29布置在DMD 24与雪崩光电二极管传感器阵列26之间，其被调整为使得当任何微镜朝向阵列26偏转时，将入射光束正确地朝向阵列26的光电二极管引导。

还有，DMD装置24包括若干微镜，其数量大于光电二极管阵列的光电二极管的数量。

此外，市场上存在可以适合用于本发明的不同DMD类型的装置，各改变了数个特征，这影像它们的空间分辨率，空间分辨率可以在0.7至2兆像素之间改变。因此，通过使用DMD类型的装置获得的图像可以具有高达1920×1080个点的分辨率，在通常在市场上发现的176×144个点（即具有25344个像素的图像）的典型阵列前面。

其它特征相当类似：例如，大量DMD装置具有32.552Hz的标准帧率和高达+/-12°的微镜倾角。

另外的重要特征是“填充因子”，其涉及微镜之间的空间，其在此实施例中大约为91％，对应于微镜之间10.8μm或更大的空间。

还有，倾倒元件27被陈列为使得，当不使用DMD的开关时，其将其对应的光束入射部分朝向所述倾倒处偏转，这避免了干扰光束的由DMD的另一开关朝向光传感器引导的部分。

系统还包括诸如FPGA装置的计算机控制器30，其包括用于获得已经反射了光束的表面的数字图像的数个模块。

FPGA 30执行系统的总的控制，借助于包括在FPGA本身中的不同模块来协调其所有不同部分，诸如激光的发射，以及系统的接收部分的运作，控制诸如DMD和光电二极管阵列的不同元件以及从它们发送和接收的信号。

FPGA的计算机模块是接收控制模块31，其连接至DMD和光电二极管阵列，以电子地控制它们的移动，从它们获得信号等。例如，借助于所述接收控制模块31来执行微镜的偏转和偏转光束撞击一个光电二极管时来自光电二极管阵列的探测信号的获得。重要强调的是，光电二极管阵列可以或可以不直接连接至FPGA。例如，脉冲探测模拟电子器件可以设置于FPGA与光电二极管阵列之间以适应在它们之间发送的信号。

第二计算机模块是TOF（飞行时间）计算器模块32，通过使用广泛已知的技术以光电二极管阵列26的一个光电二极管来探测光束的每一部分、探测接收的激光脉冲信号的一个或数个脉冲的上升，其确定到达DMD的每一微镜的光束的每一部分的飞行时间值，该广泛已知的技术涉及计算发射激光脉冲信号束时和在表面上反射的光束的对应部分到达的瞬时时间。

包括在FPGA中的另外的计算机模块是成像模块33，其基于DMD的每一点的（即在其对应的微镜中接收的光束的每一部分的）计算的TOF，来计算光束的每一部分行进的距离并使用它来确定数字图像的Z轴。

通过如下方式获得反射表面的所述数字图像：采集对应于X和Y轴的由DMD的表面大小和其包括的微镜的数量确定的信息，从而获得表面的二维数字图像，以及在Z轴上增加第三分量，通过使用表面反射的已经通过DMD和光电二极管阵列到达系统的光束的不同部分行进的不同距离，最终获得具有X、Y和Z分量的反射表面的三维数字图像。

根据本发明，如图3中示例的，前述系统能够执行用于对表面进行扫描的方法，所述方法包括：

-（101）选择DMD的第一微镜；

-（102）借助于激光发射器22发射脉冲激光信号到待扫描的表面；

-（103）通过第二组透镜25在DMD装置24处接收光束的部分，光束的该部分由待扫描的表面反射；

-（104）通过偏转DMD装置24的选择的微镜来将光束的部分朝向光电二极管阵列26偏转；

-（105）计算光束的偏转部分的飞行时间值，光束的该部分由光电二极管阵列26的光电二极管探测；

-（106）根据计算的飞行时间来确定与偏转的微镜对应的扫描图案的像素的Z值；

-（107）核对是否已经偏转了DMD的所有微镜；

在否定结果的情况下，选择DMD装置24的另一微镜并返回至步骤（102）；

-（108）根据包括在扫描图案中的X、Y和Z值来获得数字图像。

在步骤（102）中，激光器发射数百或数千皮秒且峰值功率为数kW的脉冲信号，其被调节并且其范围由设置在激光器输出端前面的那组透镜23展宽，以到达待扫描的表面的另外的区域。

该激光器的范例可以是生成1.55μm附近的眼睛安全的波长区的辐射的紧凑的激光源，诸如以下文献中描述的激光源：“Eyesafe microchip laserfor laser range finder application”，Do-Hyun Park等。该激光源在涉及人或动物的扫描的数种应用中可以是有用的，因为其能够避免对人或动物的眼睛的任何物理伤害，通常的激光器典型地会伤害人或动物的眼睛。

然后，当光束在表面上反射并到达接收器时，在步骤（103）中，第二组透镜25将光束的入射部分朝向DMD 24的表面重新引导，如步骤（104）中描述的，DMD 24的表面顺序且逐个地偏转其微镜，针对DMD的每一微镜，将光束的入射部分朝向光电二极管阵列26重新引导。

在此范例中，仅一个光电二极管用于探测光束的每一偏转部分，但是存在其它替代方式。例如，能够使用一个以上的光电二极管来探测光束的偏转部分。在该情况下，微镜数量比光电二极管数量大的事实使得在将来自微镜的光束的部分向光电二极管顺序地重新引导时，该系统能够将光束向每一光电二极管重新引导，使用较少光电二极管来探测所有入射光束而获得较高的空间分辨率（较大数量的微镜）。

另一替代方案可以是使用一个以上的光电二极管并且它们能够并行探测光束的部分。这使得能够同时（at once）偏转DMD装置的微镜的子集，从而并行使用光电二极管，每一光电二极管探测由每一偏转微镜反射的光束的部分。

因此，为获得相同空间分辨率而不使用DMD，即使用借助于光电二极管阵列直接探测光束的部分的装置，将必需使用较大数量的光电二极管，使得装置的大小大于本发明的装置的大小（其包括DMD和较少的光电二极管）。

然后，每一传感器探测偏转光束，产生传输至FPGA的信号，基于发射光束时的时刻以及光束到达时刻，在FPGA处确定光束的每一对应部分的TOF值。

更精确地，根据本发明的当前实施例，FPGA预先存储（在发射的时间）发射脉冲激光信号时的时刻，即发射第一脉冲的上升时的所述时刻。然后，时间计数器在所述上升的时刻启动，并且当探测到反射光束的到达时，借助于时间计数器，确定所述发射时刻与对应脉冲的到达时刻之间的时间流逝。

关于TOF的计算的速度，描述的DMD装置的高帧率暗示系统具有32KHz的近似计算速率，其使得能够执行高达每秒32K个测量，具有高达2兆像素的空间分辨率，如先前已经描述的。然而，如果使用一个以上的光传感器来并行探测入射光束，则能够在较少的时间中执行较多的测量（例如，如果并行使用4个传感器，则能够每秒执行128K个测量）。

然后，使用基于飞行时间计算的距离计算的常用技术，对每一计算的TOF值确定距离值Z_i，与由DMD的每一微镜反射的光束的每一部分对应。

当从一个或多个扫描图案获得数字图像时，可以与物理值（米、英尺等）相关地或与其不相关地表示这些值。

可以表示X和Y值，使得，考虑第一和/或第二组透镜23和25，可以确定数字图像的像素之间的以米/英尺/其它计的真实值，但是在一些情况下，可能仅需要Z轴的“真实”值，从而使得确定与真实长度对应的图像的比例的任何计算是不必要的。

此外，可以通过飞行时间的通常计算加另外的计算来确定图像的真实Z轴值，但是有时，取决于应用，可能仅需要值之间的差异，从而不确定系统与图像的每一点之间的距离的真实值，但是确定数字图像的每一点之间的关系。

虽然于此仅描述了本发明的若干特定实施例和范例，但是本领域技术人员将理解，本发明的其它替代实施例和/或使用以及其显而易见的修改和等同物是可能的。此外，本发明涵盖描述的特定实施例的所有可能的组合。与图相关并且放置在权利要求中的括号中的参考符号仅是企图增加权利要求的可理解性，而不应视为限制权利要求的范围。从而，本发明的范围不应限于特定实施例，而是仅由对以下权利要求的合理的阐述来确定。

例如，在优选实施例的描述中，描述了使用脉冲光信号发射和接收的本发明的具体实施方式，但是替代实施方式也能够包括调制光信号发射和接收。

在该情况下，如在发明内容中描述的，发射和接收将不同，以探测调制信号（例如，通过探测信号的具体相位的接收，而不是例如探测在前述优选实施例中执行的脉冲信号的上升或下降的探测）。

除所述发射和探测外，装置能够以与描述的包括调制信号发射和接收的实施例相同的方式运作，因为能够通过使用两种情况下对应的计算来获得获得图像所必需的飞行时间、距离和X、Y以及Z值。

此外，虽然参照图描述的本发明的实施例包括计算机设备和在计算机设备中执行的过程，但是本发明也延伸到计算机程序，特别是在载体上或中的适于将本发明付诸实践的计算机程序。程序可以是源代码、目标代码、诸如部分编译形式的代码中间源和目标代码的形式，或适合用于实施根据本发明的过程的任何其它形式。载体可以是能够承载程序的任何实体或装置。

例如，载体可以包括存储介质，诸如例如CD ROM或半导体ROM的ROM或例如软盘或硬盘的磁记录介质。此外，载体可以是诸如电或光信号的能够传输的（transmissible）载体，其可以经由电或光缆或通过无线电或其它方式来传送。

当程序具体化为可以由缆线或其它装置或方式直接传送的信号时，载体可以由该缆线或其它装置或方式构成。

替代地，载体可以是嵌入了程序的集成电路，集成电路适于执行相关过程，或用于相关过程的执行中。

Claims (17)

1.一种用于接收光束的系统（21），包括光传感器阵列（26），所述系统的特征在于，其还包括像素化光开关阵列（24），所述像素化光开关阵列（24）中的每一开关适于接收所述光束的至少一部分并将其引导至所述光传感器阵列（26），并且所述系统的特征在于，所述像素化光开关阵列（24）包括的开关的数量大于包括在所述光传感器阵列（26）中的光传感器的数量。

2.一种用于接收光束的方法，包括，对于像素化光开关阵列中的每一开关：

-接收所述光束的至少一部分；

-将所述光束的所接收的部分引导至光传感器阵列；

所述像素化光开关阵列包括的开关的数量大于包括在所述光传感器阵列中的光传感器的数量。

3.一种包括程序指令的计算机程序产品，所述程序指令用于使计算机系统执行根据权利要求2所述的用于接收光束的方法。

4.根据权利要求3所述的计算机程序产品，包含于存储介质上。

5.根据权利要求3所述的计算机程序产品，承载于载波信号上。

6.一种用于对表面（28）进行扫描的系统（20），包括：

-光源（22），用于将光束发射到待扫描的所述表面（28）；

-根据权利要求1所述的用于接收光束的系统（21），用于接收在所述表面（28）上反射的所述光束；

-第一计算机系统（32），用于确定所述光束的每一接收的部分的飞行时间值；

-第二计算机系统（33），用于考虑所述第一计算机系统确定的所述光束的每一接收的部分的飞行时间值来确定与所述光束的每一接收的部分行进的距离相关的参数；

其中，所确定的与所述光束的每一部分的距离相关的参数指示所扫描的表面（28）的空间点。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述光源（22）适于生成脉冲光束。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述光源（22）适于生成调制光束。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的系统，其中，所述光源（22）包括用于展宽所述光束的范围的第一元件（23）。

10.根据权利要求6至9中的任一项所述的系统，还包括第二元件（25），用于在所述像素化光开关阵列（24）上生成所述表面（28）的图像。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括第三元件（29），用于将在所述像素化光开关阵列（24）上接收的所述光束的每一部分聚焦在所述光传感器阵列（26）上。

12.根据权利要求6至11中的任一项所述的系统，其中，所述像素化光开关阵列（24）包括数字微镜装置（DMD）。

13.根据权利要求6至11中的任一项所述的系统，其中，所述像素化光开关阵列（24）包括液晶显示器。

14.根据权利要求6至11中的任一项所述的系统，其中，所述像素化光开关阵列（24）包括能够变形的镜子。

15.一种用于对表面（28）进行扫描的方法，包括：

-将光束发射到待扫描的所述表面上；

-执行根据权利要求2所述的接收光束的方法，用于接收在所述表面上反射的所述光束；

-确定所述光束的每一接收的部分的飞行时间值；

-考虑所述光束的每一接收的部分的确定的飞行时间值来确定对于所述光束的每一接收的部分的距离相关的参数；

其中，所述光束的每一部分的所确定的距离相关的参数指示所扫描的表面的空间点。

16.一种包括程序指令的计算机程序产品，所述程序指令用于使计算机系统执行根据权利要求15所述的用于对表面进行扫描的方法。

17.一种像素化光开关阵列（24）在根据权利要求6至14中的任一项所述的用于对表面（28）进行扫描的系统（20）中或在根据权利要求15所述的用于对表面（28）进行扫描的方法中的用途，所述像素化光开关阵列（24）中的每一开关适于接收光束的至少一部分并将其引导至光传感器阵列（26）。

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