CN104284625A - 用于对目标对象的表面的深度进行仿形的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对目标对象(30)的表面的深度进行仿形的装置(1)，具有二维激光器阵列(5)，用于将二维照明图案(31)投射到所述目标对象的所述表面的区域上的光学装置(15)，被布置成捕获投射到所述目标对象的所述表面的所述区域上的所述二维照明图案的图像的图像捕获装置(10)，和配置成处理所捕获的图像以便从由所述图像捕获装置捕获的所述图像重建所述目标对象的所述表面的所述二维区域的深度轮廓的处理器(25)。

Description

用于对目标对象的表面的深度进行仿形的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于对目标对象的表面的深度进行仿形的装置和方法。

背景技术

用于产生3D数字数据的技术是一个活跃的研究领域，例如，以允许手势控制和记录3D场景。存在三个主要的测距技术，干涉测量、三角测量和飞行时间成像。飞行时间成像可用于较大的深度范围，而三角测量更好地适于近范围。为了实现高分辨率，可以使用以干涉测量为基础的方法。三角测量是已知的技术，其中使用主动照明和图像记录装置。主动照明技术利用投影到目标对象上的特定光图案。随后，所检测到的光图案的失真可以被用来重新构建深度轮廓。

表面(例如皮肤)深度仿形(profiling)的非接触方法可能被需以检测和量化表面质量，如皱纹和细纹。用于近范围测量的非接触方法可能被需要，其中，深度仿形装置和表面之间的接触可能使待被扫描的表面的深度轮廓变形，并导致错误的测量。在医疗领域，深度仿形可被用来在家庭环境下扫描痣(黑素细胞痣)，并用于跟踪痣随时间推移的生长。在另一个领域，人可能会想要扫描叶片的表面起伏结构。对于微米或更大的量级的特征，深度仿形可能是令人感兴趣的。

激光线扫描仪是已知的，其在工业生产线中描绘3D对象的轮廓，由此激光线通过光学衍射元件被成像并被移动跨过目标对象的表面。然而，这些需要精确的运动和/或可能跟踪激光线或者对象以获得调查中的对象的3D数据。来自于激光的斑点噪声是一个限制因素。

另一种方法是使用投光器装置，但这些都比较大而且昂贵。此外，投影装置通常被用于具有几毫米的较低深度分辨率的如完整面部的较大对象。

产生特定的、往往是复杂的光图案的另一种方式是通过使用多个衍射光学元件。然而，衍射元件的设计并不简单。而且进一步的小型化增加了对衍射光学元件的设计要求，具有对于较小结构的必要性。存在对最小结构的尺寸的限制，该最小结构可以通过在透明的玻璃或塑料板上借助具有成本效益的方式制成。参考US2011/013006A1、US2011/040192A1和US 2009/118720。

发明内容

本发明提供了一种用于对目标对象的表面的深度进行仿形的装置，该装置包括具有二维激光器阵列的第一光源；光学装置，用于将二维多线照明图案投射到所述目标对象的所述表面的区域上；图像捕获装置，被布置成捕获被投射到所述目标对象的所述表面的所述区域上的所述二维照明图案的图像；和处理器，被配置成处理所捕获的图像以便从由所述图像捕获装置捕获的所述图像重建所述目标对象的所述表面的所述二维区域的深度轮廓，其中所述二维阵列包括多个行，其中至少一行相对于相邻的行横向偏移。

本发明可提供包括至少两个具有不同形状的激光器的二维激光器阵列。

本发明可提供被配置成在均匀照明模式和结构照明模式之间进行切换的二维阵列。

本发明可提供用于确定二维阵列和目标对象的表面之间的距离的装置。

本发明可提供，用于确定二维阵列和目标对象的表面之间的距离的装置包括以预定的角度相对于第一光源倾斜的第二光源，其中第二光源被配置为将第二照明图案投射到目标对象的表面上，并且图像捕获装置被配置为捕获第二照明图案的图像，并且其中处理器被进一步配置为处理第二照明图案的所捕获的图像，并基于预定角度和第二照射图案的所捕获的图像确定第一主动光源和目标对象的表面之间的距离。

本发明可提供二维激光器阵列包括发射激光的垂直腔表面。

本发明提供一种对目标对象的表面的深度进行仿形的方法，该方法包括：将来自包括二维激光器阵列的第一光源的二维多线照明图案投射到目标对象的表面的区域上，捕获照明图案的图像，并且处理所捕获的图像以便从由图像捕获装置捕获的图像重建目标对象的表面的区域的深度轮廓，其中二维阵列包括多个行，其中至少一行相对于相邻的行横向偏移。

本发明可以提供在均匀照明模式和结构照明模式之间切换二维阵列。

本发明可以提供确定二维阵列和目标对象的表面之间的距离。

本发明可以提供，确定二维阵列和目标对象的表面之间的距离包括朝向目标对象引导第二光源，第二光源以预定角度相对于第一光源定向，从第二光源投射第二照明图案到目标对象的表面上，捕获第二照明图案的图像，处理第二照明图案的所捕获的图像，并基于预定角度和第二照明图案的所捕获的图像确定第一主动光源与目标对象的表面之间的距离。

本发明可以提供计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质被布置成存储计算机程序指令，所述计算机程序指令当由处理器执行时，执行由本发明提供的方法。

附图说明

将参考附图仅通过示例的方式描述实施例，以使本发明可以被充分地被理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的深度仿形装置的示意图；

图2A和图2B是根据本发明的相应实施例的激光器阵列的平面图；

图3是示出了本发明的一个实施例的侧视图；

图4A和图4B是根据本发明的相应实施例的照明图案的平面图；

图5是本发明的一个实施例的示意图；

图6是本发明的一个实施例的示意图；以及

图7是根据本发明的一个实施例的支撑激光器阵列的芯片的平面图。

具体实施方式

图1示出了一个深度仿形装置1，包括二维激光阵列5、诸如CCD或CMOS照相机之类的图像捕获装置10，以及耦合到激光器阵列5的第一透镜15。图像捕获装置10可包括图像捕获阵列和第二透镜20以聚焦由图像捕获装置10捕获的图像。深度仿形装置1可以进一步包括处理器25，以控制深度仿形装置1和处理由图像捕获装置10捕获的图像。深度仿形装置1可以进一步包括存储器26，用于存储由处理器使用以控制深度仿形装置1和处理所捕获的图像的软件。深度仿形装置1可进一步包括电源27，例如电池或电源接头，并且可以包括用户接口28，用户接口28具有诸如显示屏的输出单元，和/或诸如键盘的输入单元。

图2A和图2B示出根据两个示例性实施例的激光阵列5的平面图。

图2A示出了矩形激光器阵列5，其中激光器阵列5的特定行上的每个激光器(第一，第二，第三等)具有与前面的行和后面的行上的相应激光器(第一，第二，第三等)相同的x轴坐标，其中x轴是行方向，如在图2B的底部的箭头所示。

图2B示出了激光器阵列5，其中与前面的行相比，连续行被沿x轴移位一定距离。

激光器阵列5可以是发射激光的垂直腔表面阵列(以下简称VCSEL)。由于其高效率、低电流阈值电流和高调制带宽，在激光器阵列5中VCSEL的使用是有利的。此外，由于激光的垂直发射使用VCSELs阵列具有成本优势，该激光的垂直发射允许直接处理和晶圆级测试以及晶圆级光学的集成。在诸如激光器阵列5之类的阵列中多个VCSEL的布局在制造过程中可以通过一个光刻步骤进行控制，该布局允许关于形状、尺寸和在阵列表面区域上的密度的选择的高自由度。

在优选的实施例中，激光器阵列5可以具有大约1平方毫米(在下文，sq mm)或更小的面积。具有激光器的阵列是有利的，这是因为可以实现降低制造成本的小尺寸。此外，使用圆柱形透镜在一个维度(即，行)中成像阵列是比使用更复杂的光学装置更简单的结构。

激光器阵列5可以包括5和50之间的行，每行包含10-50个激光器。连续的行可以在x-方向上相对于前一行被移动，基本上如图2B所示。

在激光器阵列5内每个激光器均可具有在约1微米至约25微米(下文中，microns)之间的直径，并且可以被间隔大约25微米。例如，可以使用包括18行的阵列，每行包括25个激光器，每个激光器直径为大约5微米，并且每个激光器之间间隔大约25微米。如图2B所示，每个连续的行可以在x方向上移动每个激光器之间的间隔的一半。在上面的例子中，位移可以是大约12.5微米。这样，在一行内连续的激光器(即第一，第二，第三，...)在x方向上的位置与在替代行内连续激光器在x方向上的位置相对应。

如图1所示的第一透镜15可以是圆柱形透镜，其被放置在阵列5的前方。圆柱形透镜可以被用来将穿过那里的光聚集到一条线上。第一透镜15可以是平凸的或凸-凸的，尽管也可以使用菲涅耳(Fresnel)透镜或单衍射光学元件代替。激光器阵列5和第一透镜15一起形成激光投影仪16。

图3示出了根据一个实施例的激光器阵列5、第一透镜15和具有投射在其上的二维照明图案31的目标对象30。在本实施例中，第一透镜15是圆柱形透镜，并且二维照明图案31是多线图案。所投射的线的数量取决于激光器阵列5的布置。

例如，诸如图2A所示的之类的矩形阵列将投射等于每一行中的激光器的数量的8条线。诸如图2B所示的之类的阵列将产生15条线31。在上述实例中，其中每一行有25个激光器，并且每个连续行在x方向上被移动等于激光器间间隔的一半的距离(类似于图2B所示的结构)，然后将50条线投射到目标对象30的表面上。

本发明的实施例可具有连续的激光器行，所述激光器行在x-方向上相对于前面的行移动变化量。因此，激光阵列5中的每个激光器均可以具有在x方向上的独特位置，从而将投射到目标对象30的表面上的激光线的数量增加到等于激光器阵列5中的激光器的数量。

当使用圆柱形第一透镜15时，图4A以平面图示出了从图2A所示的激光器阵列5中获得的照明图案31，图2B以平面图示出了从图2B所示的激光器阵列5中获得的照明图案31。

图5是一个示意图，其示出了被配置用于描绘目标对象30的激光投影仪16和图像捕获装置10。图像捕获装置10被以角度θd相对于激光投影仪16定向。激光投影机16具有开度角θp，并且图像捕获装置10具有θs的视场。

第一透镜15可具有几毫米的量级的焦距，并且激光投影器16可以具有在大约5度至大约45度之间的开度角θp。

激光器阵列5可以相对于第一透镜15被定位，以使它在焦点之内或在焦点之外。如果激光阵列5位于距第一透镜15的等于焦距的距离处，则激光器阵列5在无穷远处被成像，并具有最大的焦深。

在本发明的实施例中，第一透镜15可具有3mm的焦距，并且激光器阵列5可以位于距离第一透镜15为3.5毫米的距离处置。因此，激光器阵列5的图像被创建在距激光器阵列5为21毫米的距离处，图像被放大了6倍。这导致6×6毫米的量级的照明区域。在本发明的这个实施例中，激光投影仪16具有大约17°的开度角θp。开度角θp可以通过使用具有较短焦距的第一透镜15被增加。

在使用中，包括多条线的二维照明图案可以如上所述通过激光投影仪16被投射到目标对象30的表面上。照明图案的漫散射或反射发生并且在目标对象30的表面上的照明图案被图像捕获装置10捕获。

图像捕获装置10被布置成使得它具有如图4所示的在大约5mm和大约50mm之间的基距b。在本发明的一些实施例中，角度θd可在大约25度和大约45度之间。然而，角度θd取决于目标对象30的表面的深度范围和面积。

图像捕获装置10捕获并记录目标对象30的表面的图像和被激光投影仪16投射在其上的二维照明图案。照明图案被目标对象30的表面的深度轮廓失真。使用存储在存储器26中的软件，处理器25重建照明图案被投射到其上的目标对象30的表面的深度轮廓。合适的深度轮廓重建软件对本领域技术人员将是显而易见的。深度轮廓信息可以通过用户接口28输出。

有利的是，表面的二维区域的深度可以被仿形而无需扫过跨过目标对象30的照明图案。由于软件被配置成识别几个所捕获的图像的所共同的表面特征，由图像捕获装置10捕获的目标对象30的表面的若干个图像可以被组合以获得大面积的表面的深度轮廓。因此，当组合若干个图像时，跟踪装置1的运动是没有必要的。

在上述的本发明的实施例中，投射到目标对象30的表面上的照明图案包括多条线。然而，在本发明的替代实施例中，照明图案可以具有不同的结构。例如，不同的形状可被投射到目标对象30的表面上。

在本发明的优选实施例中，激光器阵列5和目标对象30的表面之间的距离被确定。确定激光器阵列5和目标对象30的表面之间的距离使得能够计算出照明图案的放大因数，并允许装置1在非静态或手持模式下被运行。

激光器阵列5和目标对象30的表面之间的距离可以使用投射到目标对象30的表面上的照明图案的三角测量来计算。使用投射的图案的三角测量是本领域技术人员熟悉的常规方法。另选地，可以采用飞行时间方法，其中激光脉冲被投射到目标对象30的表面上，检测散射或反射的激光所用的时间被测量。然后，所述距离可以以本领域技术人员熟悉的方式被计算。激光器阵列5和目标对象30的表面之间的距离也可以使用对本领域技术人员显而易见的基于干涉测量的已知方法来计算。

在又另一个实施例中，深度仿形装置可以包括第二光源50。激光器阵列5和目标对象30的表面之间的距离可以通过使用如图6所示的第二光源50来确定。第二激光光源50可以是第二激光器阵列或可替代地，单个激光器。在第二光源50中使用的激光器可以是VCSEL。

第二激光光源50是准直的并被以角度θ₁相对于激光投影仪16定位，独立于从激光器阵列5获得的照明图案的第二照明图案被投射到目标对象30的表面上。第二照明图案然后可以使用图像捕获装置10被捕获。第二照明图案在目标对象30的表面上的位置随着装置1和目标对象30之间的距离而变化。第二照明图案的位置和角度θ₁可被处理器25使用，以使用存储在存储器26中合适的软件来确定距离。

如图6所示，只有一定的深度范围△h可以由图像捕获装置10检测。装置1可以被设置有由处理器25控制的声音警报(未示出)。处理器25可被配置为当装置1处于距目标对象30的一定距离处时致动声音警报，这允许目标对象30的表面被仿形。

在某些实施例中，激光器阵列5的间隔区域可以被单独寻址，以便随时间变化的照明图案可以被获得，这能够改善上述的基于三角测量的距离确定的准确性。通过激光器阵列5的脉冲操作，激光器阵列5的占空比可被降低。激光器阵列5的操作可以与图像捕获装置10的操作同步，以降低功耗。

在某些实施例中，单个激光器的形状可以改变，以使用光刻掩模产生任意二维形状，诸如圆形、正方形或梯形等。组合不同形状的、被投射到目标对象30的表面上的的照明图案因此可以被产生。这样的实施例的一个优点在于，处理器25所使用的图像处理算法可以被简化，这是因为单个激光器可以基于投射的照明图案被识别。

在某些实施例中，激光器阵列5可以包括具有不同形状的单独的VCSEL，以产生与前述图案不同的照明图案。这样的照明图案具有的优点是，在阵列5中单独的VCSEL可基于所观察到的照明图案被识别。因为不同形状的激光器可以并联运行，单独的激光器的有效面积的变化可以被限制到+/-10％的范围内。

激光器阵列5由芯片支撑。图7示出了根据一个实施例的芯片60。芯片60包括可分别接触到电源，以允许在均匀照明和结构照明之间电子切换的第一芯片区域61和第二芯片区域62。如果所有的激光器都被运行，具有矩形均匀强度图案的照明图案被获得。通过只寻址芯片区域61、62中的一个，每一交替行被照射，从而产生条纹图案，以允许阵列5和目标对象30的表面之间的距离的测量。本领域技术人员将会理解的是芯片的两个以上的区域可以使用已知的方法来寻址。

激光器阵列5可以被布置成使得单独的激光器可以被接通和断开。这一特征具有降低由图像捕获装置10捕获的照明图案的特征之间的模糊性的优点。

在某些其它实施例中，衍射光栅可以被添加到每个单独的激光器上。衍射光栅的添加是一个晶圆级过程。衍射光栅可以稳定发射的激光的偏振。

图像捕获装置可以设置有偏振器，以减少捕获的环境光的量。环境光相对于所感兴趣的所捕获的照明图像是噪声。在阵列5中单独的激光器的偏振方向可以改变。采用这种方式，两个或更多照明图案可以从阵列中获得，并且通过使用正确的偏振器的照相机被检测。这将避免额外的电子设备以必须接通或断开激光器，并且将有利地允许飞行时间和三角测量的方法在同一时间的使用。

应当理解的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个处理器可以实现权利要求中列举的若干项的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中被列举的单纯事实并不意味着这些技术措施的组合不能被利用。在权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

虽然在本申请中权利要求已针对特征的特定组合被构想，但是应当理解的是，本发明的公开范围还包括本文所明确或隐含或其任何概括的公开的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，无论它是否涉及目前所要求保护的同样的发明的任何权利要求，以及无论它是否如母发明一样减轻任何或所有相同的技术问题。申请人仅此通知，在本申请的审查过程中，新的权利要求可以由这些特征和/或这些特征的组合或从其获得的任何进一步的应用被构想。

落入所附权利要求书的范围内的其它修改和变化对本领域技术人员将会很明显。

Claims (11)

1.一种用于对目标对象(30)的表面的深度进行仿形的装置(1)，所述装置包括：

第一光源，包括二维激光器阵列(5)；

光学装置(15)，用于将二维多线照明图案(31)投射到所述目标对象的所述表面的区域上；

图像捕获装置(10)，被布置成捕获投射到所述目标对象的所述表面的所述区域上的所述二维照明图案的图像；以及

处理器(25)，被配置成处理所捕获的图像以便从由所述图像捕获装置捕获的所述图像重建所述目标对象的所述表面的所述二维区域的深度轮廓；

其中所述二维阵列包括多个行，其中至少一行相对于相邻的行横向偏移。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述二维激光器阵列包括至少两个具有不同形状的激光器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述二维阵列被配置成在均匀照明模式和结构照明模式之间进行切换。

4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于确定所述二维阵列和所述目标对象的所述表面之间的距离的装置。

5.根据权利要求4所述的装置，其中用于确定所述二维阵列和所述目标对象的所述表面之间的距离的所述装置包括相对于所述第一光源以预定角度(θ₁)倾斜的第二光源(50)，

其中所述第二光源被配置为将第二照明图案投射到所述目标对象的所述表面上，并且所述图像捕获装置被配置为捕获所述第二照明图案的图像，并且

其中所述处理器被进一步配置为处理所述第二照明图案的所捕获的图像，并基于所述预定角度和所述第二照射图案的所捕获的图像确定所述第一主动光源和所述目标对象的所述表面之间的距离。

6.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述二维激光器阵列包括发射激光的垂直腔表面。

7.一种对目标对象(30)的表面的深度进行仿形的方法，所述方法包括：

将来自包括二维激光器阵列(5)的第一光源的二维多线照明图案(31)投射到所述目标对象的所述表面的区域上；

捕获所述照明图案的图像；以及

处理所捕获的图像以便从由所述图像捕获装置捕获的所述图像重建所述目标对象的所述表面的所述区域的深度轮廓；

其中所述二维阵列包括多个行，其中至少一行相对于相邻的行横向偏移。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：在均匀照明模式和结构照明模式之间切换所述二维阵列。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，进一步包括：确定所述二维阵列和所述目标对象的所述表面之间的距离。

10.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述二维阵列和所述目标对象的所述表面之间的距离包括：

朝向所述目标对象引导第二光源(50)，所述第二光源以预定的角度(θ₁)相对于所述第一光源被定向，

从所述第二光源将第二照明图案投射到所述目标对象的所述表面上，

捕获所述第二照明图案的图像，

处理所述第二照明图案的所捕获的图像，以及

基于所述预定角度和所述第二照明图案的所捕获的图像确定所述第一主动光源与所述目标对象的所述表面之间的所述距离。

11.一种计算机可读存储介质，被配置成存储计算机程序指令，所述计算机程序指令当由处理器实施时，执行根据权利要求7至10中的任一项所述的方法。