CN109814253A - 结构光模组及三维感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结构光模组及三维感测装置，属于三维扫描感测技术领域。包括：光源、准直透镜、微电子振镜以及线型光栅；所述光源用于发射光束，沿所述光束的主光轴方向依次设置有准直透镜、微电子振镜以及线型光栅；所述微电子振镜用于将经所述准直透镜出射的光束反射并沿直线扫描方向进行扫描，所述线型光栅沿所述直线扫描方向对扫描光束进行匀光和扩束。能够提升光扫描线的均匀度，进而提升扫描效果。
Description
技术领域
本发明涉及三维扫描感测技术领域，具体而言，涉及一种结构光模组及三维感测装置。
背景技术
随着人工智能的发展，三维感测在工业检测、移动机器人场景认知、逆向工程、激光遥感监测、人机交互、生物识别等领域潜在巨大的应用空间。三维扫描技术也逐渐的进入了公众的视野。在三维扫描技术中，线阵结构光模组作为主要部件具有相当重要的作用。
通常线阵结构光模组包括激光器、准直透镜以及微电子振镜，通过微电子振镜实现激光器所发射光束沿直线方向进行扫描。但是通常情况下，线阵结构光装置中激光器发射出的光束为高斯光束，高斯光束的光强度分布不均匀，而激光器发射出的光束经过准直透镜之后并不能得到良好的匀光和扩束的效果，这样就容易导致线阵结构光模组出光连续性较差，扫描效果不理想，严重制约着三维感测技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构光模组及三维感测装置，能够提升微电子振镜出射光扫描线的均匀度，进而提升扫描效果。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例的一方面，提供一种结构光模组，包括：光源，所述光源用于发射光束，沿所述光束的主光轴方向依次设置有准直透镜、微电子振镜以及线型光栅；所述微电子振镜用于将经所述准直透镜出射的光束反射并沿直线扫描方向进行扫描，所述线型光栅沿垂直于所述直线扫描方向对扫描光束进行匀光和扩束。
可选地，所述线型光栅包括载体和形成于所述载体上的多个光学光栅结构。
可选地，所述光学光栅结构包括在所述载体上加工的刻线，或者，包括在所述载体上制作的栅线。
可选地，所述线型光栅的光学光栅结构为直线型，相邻所述光学光栅结构的间距相等。
可选地，所述线型光栅的光学光栅结构为直线型，相邻所述光学光栅结构的间距由中心向两边缘方向依次增大。
可选地，所述光学光栅结构在所述载体上排列的有效区域宽度等于所述扫描光束的宽度。
可选地，所述光学光栅结构的间距在200nm至200μm之间。
可选地，所述光学光栅结构的截面形状为弧形、多边形或二者的组合。
本发明实施例的另一方面，提供一种三维感测装置，包括上述任意一项的结构光模组。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供的结构光模组，由光源出射的光束首先入射准直透镜，光束经过准直透镜准直为平行光束之后入射至微电子振镜，微电子振镜能够将经过准直之后的光束反射至线型光栅的入射面上，并且可以使光束在线型光栅的入射面上进行周期性扫描，形成扫描光束。由于线型光栅具有较好的匀光和扩束的效果，所以入射线型光栅的扫描光束出射之后能够得到更好的匀光和扩束作用，从而使扫描光束最终出射线型光栅之后能够在待扫描面上形成清晰连续的扫描线。由于线型光栅具有良好的匀光和扩束性，所以经过线型光栅的匀光和扩束作用之后的扫描光束，在待扫描面上形成的扫描线，线条粗细更加均匀清晰，连续性更好。从而使该结构光膜组发射出的扫描光束具有更好的应用效果。另外，本实施例对光源、准直透镜、微电子振镜及线型光栅的位置要求精度相对较低，有利于降低工艺复杂性，进而有利于降低生产成本。
本发明实施例提供的三维感测装置采用上述的结构光模组，能够发射出具有更好匀光和扩束效果的扫描光束，在待扫描面上能够形成更加均匀清晰、连续性更好的扫描线，从而拥有更好的三维扫描感测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的结构光模组的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的线型光栅的结构示意图之一；
图3为本发明实施例提供的线型光栅的结构示意图之二；
图4为本发明实施例提供的结构光模组的结构示意图之二；
图5为本发明实施例提供的光束通过线型光栅匀光和扩束效果示意图；
图6为本发明实施例提供的微电子振镜偏转角与匀光和扩束后线长的关系示意图。
图标：100-结构光模组；110-光源；120-准直透镜；130-微电子振镜；140-线型光栅；142-载体；144-光学光栅结构；150-高斯光束；P-中心位置处相邻光学光栅结构距离；D-边缘位置处相邻光学光栅结构距离；L-扫描光束的宽度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1，本发明实施例提供一种结构光模组100，包括光源110、准直透镜120、微电子振镜130以及线型光栅140；光源110用于发射光束，沿光束的主光轴方向依次设置有准直透镜120、微电子振镜130以及线型光栅140；微电子振镜130用于将经准直透镜120出射的光束反射并沿直线扫描方向进行扫描，线型光栅140沿直线扫描方向对扫描光束进行匀光和扩束。
需要说明的是，第一，微电子振镜130通常包括摆动驱动以及连接在摆动驱动上的反射装置。如图4所示，微电子振镜130通过反射装置将入射的光束反射至线型光栅140的入射面，通过摆动驱动带动反射装置在一定的角度范围内做往复摆动旋转，使反射装置反射的光束能够在线型光栅140的入射面上实现一定范围内的扫描，即入射微电子振镜130后出射的光束在线型光栅140上形成扫描光束。其中，扫描光束指的是经微电子振镜130反射后的光束。
第二，准直透镜120用于对光源110发射出的光束进行准直，在本发明实施例中对于准直透镜120的具体选择不做限定。示例地，准直透镜120选用占用空间相对较小的自聚焦透镜。当然，准直透镜120还可以选用比较常见，成本相对较低的平凸透镜等。
第三，由于激光单色性、方向性和相干性好，亮度高，该结构光模组100通常采用激光器作为光源110。这样一来，更加利于准直透镜120进一步的准直，从而使射入微电子振镜130的光束具有更好的准直效果，微电子振镜130出射形成的扫描光束精度更高。当然，在本发明实施例中，光源110还可以是其他设置，比如发光二极管等能够发射光束的发光体。此处对于光源110的具体选择不做限制。
第四，在实际应用中，为了使光束能够透过线型光栅140，尽可能减轻光学结构对光束传输过程造成的损耗，该结构光模组100中设置的线型光栅140为透射光栅。当然，也可采用反射式光栅，本发明对此不做限定。光束在线型光栅140入射面为光斑，光束通过线型光栅140后，经过线型光栅140的扩束和匀光作用，最终使入射的光斑扩展为一条亮度均匀的线型光束射出，并在微电子振镜130的快速连续转动下形成一个扫描面。
本发明实施例提供的一种结构光模组100，包括光源110，由光源110出射的光束首先入射准直透镜120，光束经过准直透镜120准直为平行光束之后入射至微电子振镜130，微电子振镜130能够将经过准直之后的光束反射至线型光栅140的入射面上，并且可以使光束在线型光栅140的入射面上进行周期性扫描，形成扫描光束。由于线型光栅140具有较好的匀光和扩束效果，所以入射线型光栅140的扫描光束出射之后能够得到更好的匀光和扩束效果的扫描线，从而使扫描光束最终出射线型光栅140之后能够在待扫描面上形成清晰连续的扫描线。由于线型光栅140具有良好的匀光和扩束性，所以经过线型光栅140匀光和扩束之后的扫描光束，在待扫描面上形成的扫描线，线条粗细更加均匀清晰，连续性更好。从而使该结构光模组100发射出的扫描光束具有更好的应用效果。另外，本实施例对光源110、准直透镜120、微电子振镜130及线型光栅140的位置要求精度相对较低，有利于降低工艺复杂性，进而有利于降低生产成本。
可选地，如图2所示，线型光栅140包括载体142和形成于载体142上的多个光学光栅结构144。
需要说明的是，线型光栅140通常在载体142上刻出大量平行刻线制成，形成间隔排布的凸起(即光学光栅结构144)。本实施例中，光学光栅结构144为具有一定宽度的线状结构，且相邻的光学光栅结构144之间具有一定的间距(刻线)。其中，光学光栅结构144可以是曲线形状，也可以是直线形状，在本发明实施例中对于线型光栅140的线性结构具体的为曲线还是直线不做具体限制，只要能够起到良好的匀光和扩束效果即可。
具体的，光源110发出的光束，经过线型光栅140时，在线型光栅140的入射面为一个光斑，该光斑经过载体142上的多个光学光栅结构144及相邻光学光栅结构144之间的凸起或凹槽，使光斑沿一定的方向(以直线形状的光学光栅结构为例，该方向为垂直于光学光栅结构144的延伸方向)以不同的角度折射，由于光学光栅结构144较为致密，入射的光斑经过上千条甚至上万条光学光栅结构144折射后，在一定方向形成线型排列的上千个甚至上万个亮度分布均匀的小光斑从出射面射出，即最终使入射的光斑扩展为一条亮度均匀的线型光束射出。
传统的衍射光学元件光能利用效率较低，畸变严重，出射角度受限，零级衍射亮度高，高级衍射亮度低，严重限制了扫描质量。本实施例提供的线型光栅140采用光的折射原理，通过光学光栅结构144的折射作用，提升了扫描光束的亮度，并且使出射线型光栅140的光束更好的匀光和扩束，进而提升扫描效果。
可选地，光学光栅结构144包括在载体142上加工的刻线，或者，包括在载体142上制作的栅线。
具体的，实现线型光栅140高精度可调的方法主要有开模制作、机械刻划和全息光刻三种，且均可根据实际需要进行光学光栅结构144的同周期加工或变周期加工。机械刻划通过在载体142上消减材料进行加工，加工灵活，方便加工参数的更改。全息光刻制作变周期线型光栅140的优点是光栅周期连续变化(由光路干涉形成)且制作效率较高，适合于高线密度的变周期线型光栅140。线型光栅140开模制作的开模费用极低，成品价格也极为低廉，可以有效控制成本。
可选地，如图2所示，线型光栅140的光学光栅结构144为直线型，相邻光学光栅结构144的间距相等。其中，直线型指的是加工的刻线或者栅线沿直线方向延伸，这样一来，可以减小加工难度，有利于降低生产成本，提升线型光栅140的稳定性，减小了因受温度变化而导致光学光栅结构144产生不规则形变的几率。
可选地，如图3所示，线型光栅140的光学光栅结构144为直线型，相邻光学光栅结构144的间距由中心向两边缘方向依次增大。
具体的，中心位置处相邻光学光栅结构距离P小于边缘位置处相邻光学光栅结构距离D。其中，中心位置处与边缘位置处只是相对的位置关系，越靠近中心相邻光栅光学结构的距离越小，越靠近边缘相邻光栅光学结构的距离越大。通常光源110发出的光束为高斯光束150，可近似看作是一种非均匀球面波，光线强度集中在轴线及其附近。如图5所示，虚线代表线束的光强，扫描光束的宽度L的中心处光强最高，当越靠近线型光栅140中心相邻光栅光学结构的距离越小，越靠近线型光栅140边缘相邻光栅光学结构的距离越大时，能够最大强度的增强匀光和扩束的效果，提升扫描线束的质量。
如图6所示，图6为微电子振镜130偏转角与匀光和扩束后线长的关系示意图，通过微电子振镜130的偏转与线型光栅140结合，在不同位置生成均匀的扫描线，有利于提升扫描线束的质量，进而提升扫描效果。
可选地，如图2和5所示，光学光栅结构144在载体142上排列的有效区域宽度大于或等于扫描光束的宽度L。其中，有效区域宽度指光学光栅结构144在载体142上依次排列后形成的光栅区域，通过微电子振镜130偏转的光照射到光栅区域的宽度范围即为有效区域宽度。
这样一来，可以提升线型光栅140的利用率，即可避免因为有效区域的宽度过小而使大量的光束超出线型光栅140的范围造成光强的损失。其中，光学光栅结构144在载体142上排列的有效区域宽度大于扫描光束的宽度L时，有效区域宽度也不可过大，从而避免因为有效区域的宽度过大而影响结构的紧凑性，增加制造材料和成本。
在本实施例中，光学光栅结构144的间距在200nm至200μm之间。
本实施例的线型光栅140可采用传统注塑或者玻璃模仁生产，故在本实施例中，光学光栅结构144的间距在200nm至200μm之间，示例的，光学光栅结构144的间距可以为200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、50μm、100μm、200μm等。
如图2和图5所示，光学光栅结构144的截面形状可以为弧形、多边形或者二者的组合。
本实施例对光学光栅结构144的截面形状不做具体限制，示例的，弧形可以为圆弧形，也可以是抛物线等曲线弧形。另外，该光学光栅结构144的截面形状为多边形时，可以是三角形，例如：等腰三角形、等边三角形或者其他的不对称的三角形；或者也可以是四边形，例如：矩形或者正方形；该光学光栅结构144的截面形状也可以是三角形与四边形的组合。但是不限于此，除了三角形、四边形之外可以是其他的多边形，本领域技术人员可以根据实际需要做适当调整。
由于透明材质的光透过性优良，在本实施例中，载体142为透明材料，透明材料为玻璃基材或热塑性塑料中的任意一种。在保证光透过率的前提下，为了控制成本，在本实施例中，光学光栅结构144的材质可以为聚丙稀、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙酯或聚甲基丙烯酸酯中的任意一种。但不限于此，本领域技术人员也可以适当选用其他材料。
本发明实施例的另一方面，提供一种三维感测装置，包括上述的结构光模组100。本发明实施例提供的三维感测装置能够发射出具有更好匀光和扩束效果的扫描光束，在待扫描面上能够形成更加均匀清晰、连续性更好的扫描线，从而拥有更好的三维扫描感测效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种结构光模组，其特征在于，包括：光源，所述光源用于发射光束，沿所述光束的主光轴方向依次设置有准直透镜、微电子振镜以及线型光栅；所述微电子振镜用于将经所述准直透镜出射的光束反射并沿直线扫描方向进行扫描，所述线型光栅沿垂直于所述直线扫描方向对扫描光束进行匀光和扩束。
2.根据权利要求1所述的结构光模组，其特征在于，所述线型光栅包括载体和形成于所述载体上的多个光学光栅结构。
3.根据权利要求2所述的结构光模组，其特征在于，所述光学光栅结构包括在所述载体上加工的刻线，或者，包括在所述载体上制作的栅线。
4.根据权利要求2所述的结构光模组，其特征在于，所述线型光栅的光学光栅结构为直线型，相邻所述光学光栅结构的间距相等。
5.根据权利要求2所述的结构光模组，其特征在于，所述线型光栅的光学光栅结构为直线型，相邻所述光学光栅结构的间距由中心向两边缘方向依次增大。
6.根据权利要求2所述的结构光模组，其特征在于，所述光学光栅结构在所述载体上排列的有效区域宽度大于或等于所述扫描光束的宽度。
7.根据权利要求4或5所述的结构光模组，其特征在于，所述光学光栅结构的间距在200nm至200μm之间。
8.根据权利要求4或5所述的结构光模组，其特征在于，所述光学光栅结构的截面形状为弧形、多边形或二者的组合。
9.一种三维感测装置，其特征在于，包括根据权利要求1至8任一项的结构光模组。
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