CN109443237B - 一种远距离结构光三维测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离结构光三维测量装置，其特征是，包括由计算机终端连接的结构光面阵发射端和调制信息接收端。这种远距离三维测量装置具有抗干扰、实时探测、装置简单、成本低、测量范围广的优点。

Description

一种远距离结构光三维测量装置

技术领域

本发明涉及结构光探测和三维场景测量技术，具体是一种远距离结构光三维测量装置。

背景技术

远距离三维测量装置可以看作是一种主动传感器，返回信息受环境干扰小，精度高，能够很容易获取物体的深度信息，目前在移动机器人传感器系统中有较多的利用远距离三维测量装置进行目标检测。作为一种综合的光探测和测量系统，远距离三维测量装置能够提供的几何图像、距离图像、速度图像都是高分辨率且辐射强度高的。起初主要应用于军事方面应用，后来在生活领域得到广泛的关注，其中在无人驾驶领域使用最为广泛。现在很多企业都在逐渐使用远距离三维测量装置的感知解决方案，已经成为了无人驾驶技术中的最基本的配置了:在3D打印里面，基于成熟的宽幅工业喷墨打印设备，通过紫外线固化的透明聚合物液滴喷射出来，然后被集成在打印头上的强紫外线灯固化，最终可以形成各种各样的几何形状，远距离三维测量装置在这里面扮演者测量、监控等角色；在智慧交通方面，远距离三维测量装置能精确地检测车道级和毫秒级的数据，这种检测是微观的，同时也是实时和准确的，可以用于信号灯控制机即时感应控制、自适应控制和绿波带控制；在海洋探索领域，海洋远距离三维测量装置作为一种先进的海洋探索与监测手段，已经成为主流。远距离三维测量装置与海洋生物相关的应用主要体现在渔业资源调查和海洋生态环境监测上。

现有技术之一：参见“严惠民,胡剑,张秀达,等.基于面阵探测器的凝视成像激光雷达[J].光电工程,2013,40(2):8-16.”，浙江大学研制了基于面阵探测器的凝视成像激光雷达系统，研究该系统在探测一些具体目标中的应用。该系统在400m的探测范围内，雷达系统的测距误差约为0.6m，相比单点探测成像雷达成像速度快、信息量大，可以快速获得目标物的距离信息。对于高度有变化的复合目标，凝视成像激光雷达系统探测的是复合目标的加权平均距离，可能受角度和探测目标影响到精度。

现有技术之二：参见“董士军.车载激光雷达系统设计与实验研究[D].南京理工大学,2017.”，该论文中设计了一个12线车载激光雷达的系统样机，采用米格FHB3901步进电机作为旋转驱动步进电机，SRH3899-12s型滑环作为供电和数据传输组件，该系统样机实现了100米范围内5HZ帧频的360度扫描成像，测距精度达5mm。测量速度和机械体积的限制是该雷达的不足。

现有技术之三：参见“http://www.robosense.cn/”深圳速腾聚创，S-LiDAR-32是速腾聚创量产的32线混合固态激光雷达系列产品，专为满足高速自动驾驶需求而设计的小型激光雷达，产品采用了中间密两边疏的激光头布局设计，垂直测角40°，最小垂直角分辨率为0.33°，让32线取得比64线拥有更优的探测效果，更加专注于车辆行驶区域的点云数据采集。该雷达采用飞行时间法(TOF)，测量的精度不高，不能很好的还原测量表面。

现有技术之四：参见“https://quanergy.com/”quanergy M8，M8是一款长距离激光雷达传感器，能够在动态情况下使用智能传感生成3D图形，具有安全性，稳定性。M8传感器设计小型化，适用于多种天气状况和光线条件下，多个激光束和飞行时间(TOF)深度感知产生用于空间感测的3D点云，测量范围广，凭借360°视野，每秒可测420,000点，具有长测量范围，但是在近距离探测效果差强人意。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种远距离结构光三维测量装置。这种装置具有抗干扰、实时探测、装置简单、成本低、测量范围广的优点。

实现本发明目的的技术方案是：

一种远距离结构光三维测量装置，与现有技术不同的是，包括由计算机终端连接的结构光面阵发射端和调制信息接收端。

所述结构光面阵发射端包括顺序连接的单模红外激光器、液晶散光板、半波片、第一扩束准直单元、正交偏振结构光单元、第二扩束准直单元、KDP楔形棱镜扫描器和扫描控制器，其中，KDP楔形棱镜扫描器对准待测物体，扫描控制器与计算机终端连接。

所述第一扩束准直单元和第二扩束准直单元均为允许波长在900-1100nm之间、波前误差1/5λ的伽利略式望远透镜组，其中透镜组的前镜为凹透镜，后镜为凸透镜，实现对入射光放大扩束功能。

所述正交偏振结构光单元包括顺序连接的第一偏振分光棱镜、第一平面反光镜、第二平面反光镜和第二偏振分光棱镜，其中第一平面反光镜和第二平面反光镜平行设置，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜对称设置，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的光线入射面与第一平面反光镜的光线反射面平行，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的光线反射面与第二平面反光镜的光线入射面平行，第一偏振分光棱镜将偏振光分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，第二偏振分光棱镜将偏振方向垂直的两束偏振光合束，通过光束分离与合束，得到正交偏振光，第一偏振分光镜的分光作用将偏振光分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，其中，两束光分别受到与光路呈45度放置的第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射，刚好在处于相交位置的第二偏振分光镜上合束，得到探测所需要的正交偏振结构光。

所述KDP楔形棱镜扫描器为电光扫描器件，设有两块KDP直角棱镜，改变施加电压时产生横向电光效应，通过改变棱镜出射光的偏转角实现光束扫描的作用，加在双KDP楔形棱镜扫描器上的电压由扫描控制器和计算机终端控制，其中偏转角与施加的电场和晶体的厚度、晶体折射率有关，偏转公式如下，

其中，θ是光束的偏转角，L和d是KDP直角棱镜的纵向长度和横向长度，n₀是KDP直角棱镜的寻常光的折射率，E_z是z轴方向上的电矢量。

所述第一平面反光镜的光线入射面与第一扩束准直单元的出射光呈45度。

所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的材质均为通光孔径>90％、消光比>1000:1。

所述调制信息接收端包括顺序连接的长焦镜头单元和面阵图像感应器CCD，面阵图像感应器CCD与计算机终端连接，调制信息接收端用来采集来自测量场景的反射光，通过长焦镜头单元，在面阵图像感应器CCD上采集到M×M像素的图像，CCD采集带有调制信息的图案发送到计算机终端，计算机终端得到调制的相位图，重建出物体表面的三维形貌，测得测量装置与待测物体的绝对距离。

重建三维形貌原理如下：

重建出物体的三维轮廓,需要得到物体的调制信息，采用的是基于三角法的傅里叶轮廓术(FTP)，这种方法是对经过测量场景调制后的变形条纹图像信息进行傅立叶变换、滤波和傅里叶逆变换及相位展开，得到物体的调制度图。

CCD获得的条纹信息为：

I(x,y)＝B(x,y)+A(x,y)exp[-2πf₀x+φ₀(x,y)]

引入的附加相位一般只沿x或y方向变化，此时光场信息可表示为：

利用欧拉公式整理得：

进行傅里叶变换,利用乘积的傅里叶变换性质得到：

B_ft(p,q)是B(x,y)的傅里叶变换，A_ft(p,q)是A(x,y)的傅里叶变换，和分别是/>的傅里叶变换，*代表卷积，

可见，干涉条纹傅里叶变换的频率分布由三部分组成：第一部分是在零空间频率附近的背景频率分布；第二部分是分布在空间附加载波频率f_s附近的物光频率分布；第三部分是分布在空间附加载波频率-f_s附近的共轭物光波频率分布，如果附加空间频率足够大，而B_ft(p,q)，A_ft(p,q)和的频率范围足够小,利用滤波窗口分离出并做傅里叶逆变换可得：

得到如上调制后的相位，经过相位解包裹后，即可得出调制度图，可重建出待测场景的三维表面。

测距原理为：正交结构光从结构光面阵发射端出射，在场景反射到调制信息接收端，出射角度α、镜头焦距f已知，面阵图像感应器CCD和发射端中心距x固定，在面阵图像感应器CCD上的中心偏移量L由条纹可得，反射光夹角可由L、f求出，由入射光和反射光与中心距组成的三角形的两个角和一条边，所以可以求出发射光线和发射光线边的长度；再在该三角形中的任一直角三角形中因为已知一角一边，利用正弦定理可以求出D,即所需的距离。

所述长焦镜头单元的焦距为800mm。

所述单模红外激光器，可以减少环境光的干扰，功率较低，并且功率范围可调谐,功率稳定性<3PV，中心波长为1050nm。

所述半波片为激光偏振方向改变器件，适用波长为1050nm。

由单模红外激光器出射的激光，通过液晶散光板后，透过半波片改变偏振方向，入射到第一扩束准直单元上，经由正交偏振结构光单元，出射振动方向互相垂直的两束偏振光，两束偏振光再次经过第二扩束准直单元，得到理想的正交结构光，扫描控制器接收来自计算机终端的扫描信息，改变施加在KDP楔形棱镜扫描器上的电压，起到扫描的作用，从测试场景返回的反射光通过长焦镜头单元入射到面阵图像感应器CCD上，获得M×M的像素，将带有物体表面调制信息的图案发送到计算机终端，最终得到调制的相位图，重建出物体表面的三维信息，测得雷达与待测物体的绝对距离。

这种远距离三维测量装置可以快速扫描周围的场景，达到预期的探测识别功能。

这种远距离三维测量装置具有抗干扰、实时探测、装置简单、成本低、测量范围广的优点。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中测距原理示意图。

图中，1.单模红外激光器 2.液晶散光板 3.半波片 4.第一扩束准直单元 5.第一偏振分光棱镜 6.第一平面反光镜 7.第二平面反光镜 8.第二偏振分光棱镜 9.正交偏振结构光单元 10.第二扩束准直单元 11.KDP楔形棱镜扫描器 12.扫描控制器 13.计算机终端 14.长焦镜头单元 5.面阵图像感应器 CCD 16.调制信息接收端 17.结构光面阵发射端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种远距离结构光三维测量装置，包括由计算机终端13连接的结构光面阵发射端17和调制信息接收端16。

所述结构光面阵发射端17包括顺序连接的单模红外激光器1、液晶散光板2、半波片3、第一扩束准直单元4、正交偏振结构光单元9、第二扩束准直单元10、KDP楔形棱镜扫描器11和扫描控制器12，其中，KDP楔形棱镜扫描器11对准待测物体，扫描控制器12与计算机终端13连接。

所述第一扩束准直单元4和第二扩束准直单元10均为允许波长在900-1100nm之间、波前误差1/5λ的伽利略式望远透镜组，其中透镜组的前镜为凹透镜，后镜为凸透镜，实现对入射光放大扩束功能。

所述正交偏振结构光单元9包括顺序连接的第一偏振分光棱镜5、第一平面反光镜6、第二偏振分光棱镜8和第二平面反光镜7，其中第一平面反光镜6和第二平面反光镜7平行设置，第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜8对称设置，第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜8的光线入射面与第一平面反光镜6的光线反射面平行，第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜8的光线反射面与第二平面反光镜7的光线入射面平行，第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜8两个偏振分光棱镜将偏振光分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，通过光束分离与合束，得到正交偏振光，第一偏振分光镜5的分光作用将偏振光分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，其中，两束光分别受到与光路呈45度放置的第一平面反射镜6、第二平面反射镜7的反射，刚好在处于相交位置的第二偏振分光镜8上合束，得到探测所需要的正交偏振结构光。

所述KDP楔形棱镜扫描器11为电光扫描器件，设有两块KDP直角棱镜，改变施加电压时产生横向电光效应，通过改变棱镜出射光的偏转角实现光束扫描的作用，加在双KDP楔形棱镜扫描器上的电压由扫描控制器12和计算机终端13控制，其中偏转角与施加的电场和晶体的厚度、晶体折射率有关，偏转公式如下，

其中，θ是光束的偏转角，L和d是KDP直角棱镜的纵向长度和横向长度，n₀是KDP直角棱镜的寻常光的折射率，E_z是z轴方向上的电矢量。

所述第一平面反光镜6的光线入射面与第一扩束准直单元4的出射光呈45度。

所述第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜8的材质均为通光孔径>90％、消光比>1000:1，本例选用K9玻璃材质。

所述调制信息接收端16包括顺序连接的长焦镜头单元14和面阵图像感应器CCD15，面阵图像感应器CCD15与计算机终端13连接，调制信息接收端16用来采集来自测量场景的反射光，通过长焦镜头单元14，在面阵图像感应器CCD15上采集到M×M像素的图像，CCD15采集带有调制信息的图案发送到计算机终端13，计算机终端13得到调制的相位图，重建出物体表面的三维形貌，测得本例中的测量装置与待测物体的绝对距离。

所述调制信息接收端16的三维形貌重建原理如下：重建出物体的三维轮廓,需要得到物体的调制信息，采用的是基于三角法的傅里叶轮廓术(FTP)，这种方法是对经过测量场景调制后的变形条纹图像信息进行傅立叶变换、滤波和傅里叶逆变换。得到调制后的相位后，经过相位解包裹后，即可重建出待测场景的三维表面。

测距原理为：参照图2，正交结构光从结构光面阵发射端17出射，在场景反射到调制信息接收端16，出射角度α、镜头焦距f已知，面阵图像感应器CCD15和发射端中心距x固定，在面阵图像感应器CCD15上的中心偏移量L由条纹可得，反射光夹角可由L、f求出。由入射光和反射光与中心距组成的三角形的两个角和一条边，所以可以求出发射光线和发射光线边的长度；再在该三角形中的任一直角三角形中因为已知一角一边，利用正弦定理可以求出D,即所需的距离。

所述长焦镜头单元14的焦距为800mm。

所述单模红外激光器1，可以减少环境光的干扰，功率较低，并且功率范围可调谐,功率稳定性<3PV，中心波长为1050nm。

半波片3为激光偏振方向改变器件，适用波长为1050nm。

由单模红外激光器1出射的激光，通过液晶散光板2后，透过半波片3改变偏振方向，入射到第一扩束准直单元4上，经由正交偏振结构光单元9，出射振动方向互相垂直的两束偏振光，两束偏振光再次经过第二扩束准直单元10，得到理想的正交结构光，扫描控制器12接收来自计算机终端13的扫描信息，改变施加在KDP楔形棱镜扫描器11上的电压，起到扫描的作用，从测试场景返回的反射光通过长焦镜头单元14入射到面阵图像感应器CCD15上，获得M×M的像素，将带有物体表面调制信息的图案发送到计算机终端13，最终得到调制的相位图，重建出物体表面的三维信息，测得雷达与待测物体的绝对距离。

Claims (5)

1.一种远距离结构光三维测量装置，其特征是，包括由计算机终端连接的结构光面阵发射端和调制信息接收端；

所述结构光面阵发射端包括顺序连接的单模红外激光器、液晶散光板、半波片、第一扩束准直单元、正交偏振结构光单元、第二扩束准直单元、KDP楔形棱镜扫描器和扫描控制器，其中， KDP楔形棱镜扫描器对准待测物体，扫描控制器与计算机终端连接；

所述正交偏振结构光单元包括顺序连接的第一偏振分光棱镜、第一平面反光镜、第二偏振分光棱镜和第二平面反光镜，其中第一平面反光镜和第二平面反光镜平行设置，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜对称设置，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的光线入射面与第一平面反光镜的光线反射面平行，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的光线反射面与第二平面反光镜的光线入射面平行，所述第一平面反光镜的光线入射面与第一扩束准直单元的出射光呈45度；

所述调制信息接收端包括顺序连接的长焦镜头单元和面阵图像感应器CCD，面阵图像感应器CCD与计算机终端连接。

2.根据权利要求1所述的远距离结构光三维测量装置，其特征是，所述第一扩束准直单元和第二扩束准直单元均为允许波长在900-1100nm之间、波前误差1/5λ的伽利略式望远透镜组，其中透镜组的前镜为凹透镜，后镜为凸透镜。

3.根据权利要求1所述的远距离结构光三维测量装置，其特征是，所述KDP楔形棱镜扫描器为电光扫描器件，设有两块KDP直角棱镜，改变施加电压时产生横向电光效应，通过改变棱镜出射光的偏转角实现光束扫描的作用。

4.根据权利要求1所述的远距离结构光三维测量装置，其特征是，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的材质均为通光孔径>90%、消光比>1000:1。

5.根据权利要求1所述的远距离结构光三维测量装置，其特征是，所述长焦镜头单元的焦距为800mm。