CN111880318B

CN111880318B - 结构光投射器和三维成像装置

Info

Publication number: CN111880318B
Application number: CN202010385943.6A
Authority: CN
Inventors: 彭天才; 戴书麟; 刘风雷
Original assignee: Dongguan Ekos Technology Co ltd
Current assignee: Dongguan Ekos Technology Co Ltd
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111880318A

Abstract

本发明提供一种结构光投射器和一种三维成像装置，属于三维成像技术领域。结构光投射器，包括：激光光源、整型透镜以及衍射光学元件；激光光源包括多个且呈阵列排布，激光光源出射的激光光束入射整型透镜，经整型透镜整型后出射多条第一光束，多条第一光束沿第一方向相互具有夹角、且分别沿第二方向发散，第一光束经衍射光学元件出射形成线阵结构光，其中，第一方向、第二方向以及整型透镜的光轴相互垂直。本发明的目的在于提供一种结构光投射器，能够直接出射线阵结构光而不需要扫描振镜扫描，成本较低且结构简洁紧凑。

Description

结构光投射器和三维成像装置

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，具体而言，涉及一种结构光投射器和一种三维成像装置。

背景技术

三维测量技术是获取待测物体表面各点空间坐标的一种技术。三维模型很好的反映了物体的真实形貌，快速三维测量技术在许多诸如军事、文物、医学、教育、工业检测等领域都有着巨大的应用前景。

目前的三维测量技术，通常采用结构光投射器与图像采集器相配合，通过对图像采集器接收的被测物反射的结构光投射器投射的结构光进行计算处理，得到被测物的深度信息，从而根据深度信息进行三维成像。一般结构光投射器投射的结构光类型包括点阵结构光、线阵结构光以及面结构光等。

其中，能够出射线阵结构光的结构光投射器，通常采用扫描振镜对激光光束进行阵列扫描的形式实现。但是，该种结构光投射器，由于设置有扫描振镜，因此成本较高，且结构复杂不易小型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构光投射器和一种三维成像装置，能够直接出射线阵结构光而不需要扫描振镜扫描，成本较低且结构简洁紧凑。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种结构光投射器，包括：激光光源、整型透镜以及衍射光学元件；激光光源包括多个且呈阵列排布，激光光源出射的激光光束入射整型透镜，经整型透镜整型后出射多条第一光束，多条第一光束沿第一方向相互具有夹角、且分别沿第二方向发散，第一光束经衍射光学元件出射形成线阵结构光，其中，第一方向、第二方向以及整型透镜的光轴相互垂直。

可选地，整型透镜包括层叠设置的至少一个准直透镜、以及平面透镜，平面透镜位于层叠设置的准直透镜远离激光光源的一侧，平面透镜远离准直透镜的一侧形成有平行排布的多条凹槽，所述凹槽的槽底呈曲面，激光光束从准直透镜入射、平面透镜出射。

可选地，衍射光学元件为多阶浮雕衍射透镜。

可选地，多个激光光源阵列排布于与整型透镜的光轴垂直的平面上。

可选地，激光光源的出射的激光光束的波长为940nm或850nm。

可选地，激光光源为垂直腔面发射激光器。

本发明实施例的另一方面，提供一种三维成像装置，包括：参考面、处理器、图像采集器以及上述任意一项的结构光投射器，结构光投射器用于向被测物投射线阵结构光，图像采集器用于接收被测物反射的线阵结构光并转化为图像信号，参考面用于标定线阵结构光的参考图像信号，处理器用于接收图像信号，并根据参考图像信号处理得到被测物的深度信息。

可选地，结构光投射器的激光光源出射的激光光束波长为940nm或850nm，图像采集器为红外摄像头。

本发明实施例的又一方面，提供一种三维成像方法，应用于上述任一项的三维成像装置，该方法包括：

处理器接收图像采集器发送的图像信号，其中，图像信号为图像采集器，根据被测物反射的结构光投射器投射的线阵结构光转化的电信号；

处理器根据图像信号以及参考图像信号，得到被测物反射的线阵结构光中各线条的相位，其中，参考图像信号为图像采集器接收的参考面反射的线阵结构光转化的电信号；

处理器根据各线条的相位得到被测物体的深度信息，并根据深度信息进行三维成像。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的一种结构光投射器，包括激光光源、整型透镜以及衍射光学元件。激光光源包括多个且阵列排布，由激光光源出射的激光光束依次经过整型透镜和衍射光学元件后出射。其中，整型透镜能够将各激光光源入射的激光光束沿与整型透镜的光轴垂直的第一方向分散为多条具有夹角的第一光束，并且，能够沿垂直于第一方向的第二方向使各第一光束分散呈平顶分布。因此，从整型透镜出射的多条第一光束能够在平面上形成相互间隔且平行排布的条纹图案，该多条第一光束形成的条纹图案经过衍射光学元件衍射后出射便能够多个相互平行排列的条纹图案，即线阵结构光图案。该结构光投射器，通过整型透镜和衍射光学元件构成的组件，能够将激光光源出射的激光光束分散为线阵结构光出射，结构相对简单紧凑，便于小型化设计，并且由于没有采用扫描振镜，因此其成本相对较低，且便于维护。

本发明实施例提供的一种三维成像装置，采用上述的结构光投射器，能够直接出射线阵结构光而不需要扫描振镜扫描，成本较低且结构简洁紧凑，便于维护。

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投射器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的结构光投射器的激光光源的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的结构光投射器的整型透镜的结构示意图之一；

图4为本发明实施例提供的结构光投射器的整型透镜的结构示意图之二；

图5为本发明实施例提供的结构光投射器的衍射光学元件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的结构光投射器的整型透镜的结构示意图之三；

图7为本发明实施例提供的结构光投射器的整型透镜的结构示意图之四。

图标：110-激光光源；120-整型透镜；121-准直透镜；122-平面透镜；1221-凹槽；130-衍射光学元件。

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“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。

本发明实施例提供一种结构光投射器，如图1和图2所示，包括：激光光源110、整型透镜120以及衍射光学元件130；激光光源110包括多个且呈阵列排布，如图3和图4所示，激光光源110出射的激光光束入射整型透镜120，经整型透镜120整型后出射多条第一光束，多条第一光束沿第一方向相互具有夹角、且分别沿第二方向发散，如图5所示，第一光束经衍射光学元件130出射形成线阵结构光，其中，第一方向、第二方向以及整型透镜120的光轴相互垂直。

其中，激光光源110可以采用垂直腔面发射激光器((Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)、边发射激光器等，此处不做限制，只要能够出射激光光束即可。需要说明的是，通常激光光源采用单色光源。

在实际应用中，本领域技术人员可以根据实际情况对整型透镜120进行设置，以使其能够将激光光束沿第一方向分散为多条相互具有夹角的第一光束，并使各第一光束沿第二方向发散，即各第一光束在平面上呈线形光斑即可。当然，本领域技术人员还可以采用鲍威尔棱镜或柱面透镜等具有光学划线功能的透镜，此处不做限制。

需要说明的是，在本发明实施例中，激光光源110、整型透镜120以及衍射光学元件130的光轴可以相互平行设置，以减小该结构光投射器的空间占用，当然，在本发明的其他实施例中，激光光源110和整型透镜120之间以及整型透镜120和衍射光学元件130之间还可以设置反射镜等反光元件，以使激光光源110出射的激光光束可以经反光元件反射后入射整型透镜120，和/或，整型透镜120出射的第一光束经反光元件反射后入射衍射光学元件130，所以在本发明中对于激光光源110、整型透镜120以及衍射光学元件130之间的光轴关系不做限制，只要激光光源110出射的激光光束能够依次经过整型透镜120和衍射光学元件130后出射即可。

本发明实施例提供的一种结构光投射器，包括激光光源110、整型透镜120以及衍射光学元件130。激光光源110包括多个且阵列排布，由激光光源110出射的激光光束依次经过整型透镜120和衍射光学元件130后出射。其中，如图3和图4所示，整型透镜120能够将各激光光源110入射的激光光束沿与整型透镜120的光轴垂直的第一方向分散为多条具有夹角的第一光束，并且，能够沿垂直于第一方向的第二方向使各第一光束分散。因此，从整型透镜120出射的多条第一光束能够在平面上形成相互间隔且平行排布的条纹图案，如图5所示，该多条第一光束形成的条纹图案经过衍射光学元件130衍射后出射便能够多个相互平行排列的条纹图案，即线阵结构光图案。该结构光投射器，通过整型透镜120和衍射光学元件130构成的组件，能够将激光光源110出射的激光光束分散为线阵结构光出射，结构相对简单紧凑，便于小型化设计，并且由于没有采用扫描振镜，因此其成本相对较低，且便于维护。

可选地，如图6和图7所示，整型透镜120包括层叠设置的至少一个准直透镜121、以及平面透镜122，平面透镜122位于层叠设置的准直透镜121远离激光光源110的一侧，平面透镜122远离准直透镜121的一侧形成有平行排布的多条凹槽1221，凹槽1221的槽底呈曲面，激光光束从准直透镜121入射、平面透镜122出射。

需要说明的是，当准直透镜121包括多个时，层叠设置的准直透镜121远离激光光源110的一侧，为距离激光光源110最远的一个准直透镜121远离激光光源110的一侧。

在实际应用中，上述由准直透镜121和平面透镜122构成的整型透镜120，可以采用一体成型结构也可以采用分体结构此处不做限制。

上述结构，能够使阵列排布的各激光光源110出射的各激光光束从准直透镜121入射后被准直，并且与准直透镜121的主光轴平行但不重合的激光光束最终会以一定偏角准直出射，因此各激光光束经准直透镜121后能够发散成相互具有夹角的多条准直光束(第一光束)，而各条光束在通过平面透镜122出射时，利用平面透镜122的各凹槽1221能够将照射在其上的相应光束沿凹槽1221排布的方向(第二方向)进行分散(凹槽1221的槽底可看做鲍威尔棱镜的屋顶结构或柱面透镜的柱面结构，可实现类似鲍威尔棱镜或柱面透镜的光学划线功能)，从而使各条光束的光斑为沿凹槽1221排布方向(第二方向)延伸的直线，进而使出射该整型透镜120的激光光束能够呈间隔且平行排布的条纹图案(其中各光斑条纹的延伸方向为上述第二方向，平行排布的方向为上述第一方向)。

通过该结构的整型透镜120，能够使各激光光束出射后形成的条纹图案的条纹间距更加均匀，并且使各条纹在其延伸方向上的光强度更加均匀(平顶分布)，使条纹图案更加规则均匀，提高基于该条纹图案的三维成像装置的成像精度。并且，该结构相对简单，厚度较薄，便于结构光投射器的小型化设置。

可选地，衍射光学元件130为多阶浮雕衍射透镜。

在实际应用中，可以根据实际需要在平面透镜表面刻蚀不同的图案，以形成衍射光学元件130实现对入射光束的不同衍射效果，本领域技术人员应当知晓如何设置衍射光学元件130以实现对前述条纹图案进行复制，形成多个平行排布的条纹图案，例如，可以是刻蚀在透镜出光表面的阶梯状结构、栅线结构等。因此，此处不对衍射光学元件130的表面刻蚀图案进行详细说明。

可选地，结合图1和图2所示，多个激光光源110阵列排布于与整型透镜120的光轴垂直的平面上。

将多个激光光源110阵列排布于与整型透镜120的光轴垂直的平面上，使各激光光源110出射的激光光束均能够沿平行于整型透镜120的光轴的方向入射整型透镜120，且各激光光源110之间不产生相互阻挡，能够提高阵列排布的激光光源110的出光效果。

需要说明的是，在实际应用中，各激光光源110可以采用棋盘阵列(矩阵阵列)的形式排布也可以采用蜂窝阵列(六边形阵列)的形式排布等，此处不做具体限制。

可选地，衍射光学元件130可以贴合于整型透镜120的表面上。

需要说明的是，由于整型透镜120出射的光束经衍射光学元件130出射，因此衍射光学元件130位于整型透镜120的出光侧。

将衍射光学元件130贴合于整型透镜120的表面，能够使该结构光投射器整体结构的空间占用减小，从而使其更加紧凑，便于进行小型化设置。

通常，在实际应用中，激光光源110通常采用红外激光器，示例地，激光光源110的出射的激光光束的波长为940nm或850nm。其中，优选地激光光束的波长为940nm，使其经过整型透镜120和衍射光学元件130后形成的线阵结构光具有更高的精度。

可选地，激光光源110为垂直腔面发射激光器。

通过将激光光源110设置为垂直腔面发射激光器，能够节省激光器的设置空间，并且具有相对较高的功率，能够提高采用该结构光投射器的三维成像装置对线阵结构光的接收效果。

通过该三维成像装置对被测物进行三维成像，由于采用了上述的结构光投射器，因此其成本相对较低，且便于维护。

需要说明的是，在实际应用中，该三维成像装置，可以通过结构光投射器向被测物投射线阵结构光，以在被测物上投影出条纹图案，该条纹图案在被测物上由于被测物表面的起伏或间隙会出现对应位置的条纹弯曲，即被测物能够对条纹图案进行调制。通过图像采集器拍摄被测物上被其调制的条纹图案之后，通过对拍摄图案进行解调得到条纹弯曲后的相位从而便能够得出被测物的深度信息，从而可以根据深度信息对被测物进行三维成像。

本领域技术人员应当知晓通过线阵结构光进行三维成像的具体原理和算法，因此，此处不做赘述。

可选地，结构光投射器的激光光源110出射的激光光束波长为940nm或850nm，图像采集器为红外摄像头。

上述装置实施例中的结构光投射器的实施方式及其有益效果，还可以参见前述结构光投射器中的相关描述，此处不再一一赘述。

处理器接收图像采集器发送的图像信号，其中，图像信号为图像采集器，根据被测物反射的结构光投射器投射的线阵结构光转化的电信号。

处理器根据图像信号以及参考图像信号，得到被测物反射的线阵结构光中各线条的相位，其中，参考图像信号为图像采集器接收的参考面反射的线阵结构光转化的电信号。

其中，结构光投射器采用上述实施例中的任一种，其结构相对简洁紧凑，成本较低，便于维护。并且，由于该结构光投射器不需要通过扫描振镜扫描，其出光稳定，且没有扫描时间，因此图像采集器拍摄条纹图案的曝光时间可以更短，使三维成像的速度更快。

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

1.一种结构光投射器，其特征在于，包括：激光光源、整型透镜以及衍射光学元件；所述激光光源具有多个且呈阵列排布，所述激光光源出射的激光光束入射所述整型透镜，经所述整型透镜整型后出射多条第一光束，多条所述第一光束沿第一方向相互具有夹角、且分别沿第二方向发散，所述第一光束经所述衍射光学元件出射形成线阵结构光，其中，所述第一方向、所述第二方向以及所述整型透镜的光轴相互垂直；

所述整型透镜包括层叠设置的至少一个准直透镜、以及平面透镜，所述平面透镜位于层叠设置的所述准直透镜远离所述激光光源的一侧，所述平面透镜远离所述准直透镜的一侧形成有平行排布的多条凹槽，所述凹槽的槽底呈曲面，所述激光光束从所述准直透镜入射、所述平面透镜出射。

2.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，所述衍射光学元件为多阶浮雕衍射透镜。

3.如权利要求1所述的结构光投射器，其特征在于，多个所述激光光源阵列排布于与所述整型透镜的光轴垂直的平面上。

4.如权利要求1至3任一项所述的结构光投射器，其特征在于，所述激光光源的出射的激光光束的波长为940nm或850nm。

5.如权利要求1至3任一项所述的结构光投射器，其特征在于，所述激光光源为垂直腔面发射激光器。

6.一种三维成像装置，其特征在于，包括参考面、处理器、图像采集器以及如权利要求1至5任一项所述的结构光投射器，所述结构光投射器用于向被测物投射线阵结构光，所述图像采集器用于接收所述被测物反射的所述线阵结构光并转化为图像信号，所述参考面用于标定所述线阵结构光的参考图像信号，所述处理器用于接收所述图像信号，并根据所述参考图像信号处理得到所述被测物的深度信息。

7.如权利要求6所述的三维成像装置，其特征在于，所述结构光投射器的激光光源出射的激光光束波长为940nm或850nm，所述图像采集器为红外摄像头。