CN109709661B - 一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,包括共轴依次排布的投影光源、结构光发射装置、全景环带投影物镜以及图像处理器;图像处理器将平面结构光图案映射成环带结构光图案,输出到结构光发射装置进行显示;全景环带投影物镜符合柱面成像规律,投影出柱面结构光,由共轴排布的像差平衡镜组及全景环带块状单元镜组组成;全景环带块状单元镜组将近轴光线变换到大视场轴外光线。本发明可以实现柱面全景式结构光投影,显著扩大了结构光的投影范围,有效增强了四周物体的表面图像特征,有利于图像匹配、三维重建编解码;同时,采用单显示模组、单投影镜头方式,避免多光源式结构光投影的串扰问题,结构简单,体量轻巧,成本可控。
Description
技术领域
本发明涉及投影显示技术中的一种投影光学系统,尤其涉及一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置。
背景技术
对物体的三维信息感知是准确的空间定位、表面轮廓检测的基础,也构成了机器视觉的基础技术。在宏观尺度上,常见的三维感知光学技术分为被动式和主动式两种。
被动式三维感知技术包括多视图立体视觉、由运动信息估计三维信息、由纹理信息估计三维信息、由阴影信息估计三维信息等,其中最常用的是多视图立体视觉技术。多视图立体视觉技术模仿人类的双眼,通过左右成像系统获得的图像视差来计算深度。由于多视图立体视觉技术依赖于左右成像系统获得图像的差异,这一技术要求对左右图像中的像素进行匹配。但是,当场景中的物体表面没有纹理信息时(如墙壁、白纸等),或者处于较暗环境中时(如黑夜、暗室等),左右图像像素的匹配会出现较大的误差甚至失败,这种情况下就依赖于主动投射具有一定特征的图案来产生或增强物体表面纹理,这一类具有特征图案的光场分布称为结构光。
主动式三维感知技术包括结构光三维重建、时间飞行技术、激光雷达等等,其中最常用的是结构光三维重建技术。结构光三维重建技术通过向场景中投影特殊编码的光斑或图案即结构光,经过相机拍摄经结构光照明的场景图片,通过计算反演方法重建出场景的三维信息。
随着光学工程与计算机视觉技术的发展,人们对结构光投影的使用越来越普遍,目前已经广泛应用于移动设备、体感游戏、工业检测、安防监控、自动驾驶等领域。然而,现有结构光投影技术通常只能对小视场范围进行投影,彼此独立的结构光投影系统之间还会产生强烈的串扰,同步使用与集成难度较大,极难实现对全景空间范围内的高集成度的结构光投影。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,实现对结构光的大视场范围柱面式投影。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,包括共轴依次排布的投影光源、结构光发射装置、全景环带投影物镜以及图像处理器;所述图像处理器将平面结构光图案映射成环带结构光图案,输出到结构光发射装置进行显示;所述全景环带投影物镜符合柱面成像规律,投影出柱面结构光,所述全景环带投影物镜由共轴排布的像差平衡镜组及全景环带块状单元镜组组成;所述全景环带块状单元镜组包括两个反射面和若干透射面,将近轴光线变换到大视场轴外光线。
进一步地,像差平衡镜组由共轴依次排布的第一球面胶合透镜、第一球面双凸透镜、第二球面双凸透镜和第二球面胶合透镜组成;全景环带块状单元镜组由两块球面玻璃胶合而成,整体前表面包括前反射面和位于前反射面中心的前透射面,整体后表面包括后透射面和位于后透射面中心的后反射面。
进一步地,图像处理器做如下处理:将预期的柱面结构光图案根据柱面到平面映射关系,映射生成适合投影的平面结构光图案;将平面结构光图案由矩阵描述,然后进行切向极坐标化处理,将平面结构光图案各行向量提取,生成关于旋转角的临时向量;最后进行径向极坐标化处理,将临时向量根据其对应的投影视场角进行降采样,再重新映射至线性空间并叠加组合形成环带结构光图案作为待投影图案。
进一步地,通过投影光源照明结构光发射装置显示出待投影图案,由全景环带投影物镜完成投影。
进一步地,投影光源可根据照明需求选用对应光谱特性和发光强度的光源;投影光源之后使用匀光元件,采用柯拉照明形式。
进一步地,结构光发射装置根据结构光的特征选取,可选自液晶显示单元(LCD)、硅基液晶显示单元(LCoS)、数字微镜器件(DMD)、衍射光学元件(DOE)等。
进一步地,全景环带投影物镜设计时需与结构光发射装置耦合,以补偿结构光发射装置中的光学元件的像差。
进一步地,全景环带投影物镜的光瞳应与结构光发射装置的发光角匹配,可通过拉格朗日不变量计算,以避免能量的浪费。
本发明的有益效果是:
1、本发明实现了基于单投影显示器件的全景空间范围结构光投影效果,具有投影视场大,无拼接串扰的优点,可以在单显示器件的条件下,将平面结构光图案映射投影成为柱面空间分布的结构光光场,为全景空间内的物体提供有效的图案特征,既有利于被动式三维感知技术的图像匹配需要,又有利于主动式三维感知系数的编解码投影需要。
2、本发明采用全景环带式投影镜头设计,镜片数量少,体量轻巧,结构紧凑,使用全球面玻璃镜片,加工难度小,成像质量好,热稳定性优越,装配公差影响小。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图2是本发明装置的结构光投影图案的投影映射关系。
图3是本发明装置的结构光投影图案预处理算法流程框图。
图4是本发明优化后的全景环带投影物镜结构图。
图5是本发明优化后的全景环带投影物镜的调制传递函数图。
图6是本发明优化后的全景环带投影物镜的畸变曲线图。
图7是本发明优化后的全景环带投影物镜的垂轴色差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,如图1所示,包括共轴依次排布的投影光源、结构光发射装置、全景环带投影物镜以及图像处理器;图像处理器将平面结构光图案映射成环带结构光图案,输出到结构光发射装置进行显示;全景环带投影物镜符合柱面成像规律,投影出柱面结构光;投影映射关系如图2所示,图像处理器的结构光投影图案预处理算法流程框图如图3所示。
在本发明中,对投影光源而言,光源可根据照明需求选用对应光谱特性和发光强度的光源。为了防止光源的不均匀性影响照明的照度分布,应当在光源之后使用复眼透镜等匀光元件,采用柯拉照明形式。
在本发明中,结构光发射装置可根据结构光的特征选取,常见的发射装置有液晶显示单元(LCD)、硅基液晶显示单元(LCoS)、数字微镜器件(DMD)、衍射光学元件(DOE)等。常见的结构光形式包括单帧或多帧编码散斑、连续或离散的条纹、点阵等,可根据图像特征增强的需求及三维重建的精度要求进行选择。其中,如果采用基于液晶的结构光发射装置,往往需要引入一些额外的光学元件如合束棱镜等,如图1结构光发射装置中的虚线部分所示。
在本发明中,全景环带投影物镜由共轴排布的像差平衡镜组及全景环带块状单元镜组组成;全景环带块状单元镜组包括两个反射面和若干透射面。光线经过多次折射和全景环带块状单元镜组中的两次反射投影到柱面空间。全景环带投影物镜的分辨率在其空间截止频率上应符合投影显示的像质要求,空间截止频率由显示单元像素尺寸确定。考虑到投影光源的能量及杂散光情况,在符合像质要求的情况下,镜片数量应尽量少。考虑到投影系统的工作温度变化范围较大,全景环带投影物镜应进行一定程度的消热差设计。
在本发明中,全景环带投影物镜设计时需与结构光发射装置耦合,以补偿结构光发射装置中的光学元件如合束棱镜的像差。全景环带投影物镜的光瞳应与结构光发射装置的发光角匹配,可通过拉格朗日不变量计算,以避免能量的浪费。
在本发明中,所涉及的光学元件表面需要镀增透膜,以提高光能利用率,避免形成鬼像和眩光。
在本发明中,在图像处理器中完成结构光投影图案预处理算法,算法由柱面降维、切向极坐标化处理、径向极坐标化处理三部分构成。首先将预期的柱面结构光图案根据柱面到平面映射关系,映射生成适合投影的平面结构光图案;将平面结构光图案由矩阵描述,然后进行切向极坐标化处理,将平面结构光图案各行向量提取,生成关于旋转角的临时向量;最后进行径向极坐标化处理,将临时向量根据其对应的投影视场角进行降采样,再重新映射至线性空间并叠加组合形成环带结构光图案作为待投影图案。
本发明的一个具体实现的示例如下:
本实施例考虑设计一套基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,采用数字微镜器件(DMD)作为结构光发射装置,投影可见光波段的结构光图案。DMD显示一般通过显示芯片配合色轮旋转实现,考虑与全景环带投影物镜耦合,将其考虑为厚度为1mm的介质平板。
本实施例设计的投影半视场为30°~95°,光圈数F=3的全景环带投影物镜,工作波段为可见光区,参考波长为C,d,F光。在利用光学设计软件进行优化设计时,通过多重结构完成其优化设计。优化后的系统具体结构及光路图如图4所示,从显示单元各像素发出的光线分别经多次折射和两次反射投影到柱面空间。
全景环带投影物镜的像差平衡镜组及全景环带块状单元镜组各表面均采用球面,减少加工难度。像差平衡镜组由共轴依次排布的第一球面胶合透镜、第一球面双凸透镜、第二球面双凸透镜和第二球面胶合透镜组成,全景环带块状单元镜组由两块球面玻璃胶合而成,整体前表面包括前反射面和位于前反射面中心的前透射面,整体后表面包括后透射面和位于后透射面中心的后反射面,参数如表1所示,其光路图如图4所示。
表1实施例的透镜参数表
透镜序号 | 半径 | 厚度或间隔 | 折射率 | 阿贝数 |
L1-1 | Infinity | 3.10 | 1.72-1.85 | 20-32 |
L1-2 | 48.60 | 9.50 | 1.49-1.55 | 58-70 |
-42.61 | 2.00 | |||
L2 | 60.90 | 7.20 | 1.49-1.55 | 58-70 |
-104.65 | 12.20 | |||
L3 | 45.22 | 8.80 | 1.49-1.55 | 58-70 |
-64.82 | 2.00 | |||
L4-1 | 22.84 | 9.60 | 1.56-1.63 | 55-62 |
L4-2 | -44.00 | 3.20 | 1.68-1.75 | 36-40 |
光阑 | 16.20 | 3.60 | ||
LP-1 | 23.40 | 18.80 | 1.68-1.73 | 48-55 |
LP-2 | -120.16 | 23.00 | 1.66-1.70 | 40-50 |
-50.00 | - |
考虑上述设计的全景环带投影物镜,由图5可见,该物镜的调制传递函数MTF在空间截止频率处约0.6。考虑上述设计的全景环带投影物镜,由图6可见,在视场范围内,按f-θ成像模式考虑,畸变小于1%。考虑上述设计的全景环带投影物镜,图7为视场范围内的垂轴色差曲线图。
上述具体实施方式用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,包括共轴依次排布的投影光源、结构光发射装置、全景环带投影物镜以及图像处理器;所述图像处理器将平面结构光图案映射成环带结构光图案,输出到结构光发射装置进行显示;所述全景环带投影物镜符合柱面成像规律,投影出柱面结构光,所述全景环带投影物镜由共轴排布的像差平衡镜组及全景环带块状单元镜组组成;所述全景环带块状单元镜组包括两个反射面和若干透射面,将近轴光线变换到大视场轴外光线;
光阑位于像差平衡镜组与全景环带块状单元镜组之间;所述像差平衡镜组由共轴依次排布的第一球面胶合透镜、第一球面双凸透镜、第二球面双凸透镜和第二球面胶合透镜组成;所述全景环带块状单元镜组由两块球面玻璃胶合而成,整体前表面包括前反射面和位于前反射面中心的前透射面,整体后表面包括后透射面和位于后透射面中心的后反射面。
2.根据权利要求1所述的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,所述图像处理器做如下处理:将预期的柱面结构光图案根据柱面到平面映射关系,映射生成适合投影的平面结构光图案;将平面结构光图案由矩阵描述,然后进行切向极坐标化处理,将平面结构光图案各行向量提取,生成关于旋转角的临时向量;最后进行径向极坐标化处理,将临时向量根据其对应的投影视场角进行降采样,再重新映射至线性空间并叠加组合形成环带结构光图案作为待投影图案。
3.根据权利要求1所述的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,通过投影光源照明结构光发射装置显示出待投影图案,由全景环带投影物镜完成投影。
4.根据权利要求1所述的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,所述投影光源根据照明需求选用对应光谱特性和发光强度的光源;所述投影光源之后使用匀光元件,采用柯拉照明形式。
5.根据权利要求1所述的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,所述结构光发射装置根据结构光的特征选取,选自液晶显示单元LCD、硅基液晶显示单元LCoS、数字微镜器件DMD、衍射光学元件DOE之一。
6.根据权利要求1所述的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,所述全景环带投影物镜设计时需与结构光发射装置耦合,以补偿结构光发射装置中的光学元件的像差。
7.根据权利要求1所述的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置,其特征在于,所述全景环带投影物镜的光瞳应与结构光发射装置的发光角匹配,通过拉格朗日不变量计算,以避免能量的浪费。
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