CN112739981B - 一种光学系统、装置及终端 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光学系统、装置及终端，该光学系统包括光源模块和光发射模块；所述光源模块，用于输出第一偏振光，所述第一偏振光包含N个颜色的线偏振光，其中，不同颜色的线偏振光具有相同的偏振角度和不同的传输方向，所述N为大于1的整数；所述光发射模块，用于接收所述第一偏振光，根据所述第一偏振光生成第二偏振光，所述第二偏振光用于投射N个颜色的光栅条纹，其中，不同颜色的光栅条纹的空间频率不同。本申请公开的方案，用于同步投射多频光栅条纹，提高光栅条纹投射和接收过程的便捷性及高效性，该方案可应用于自动驾驶、辅助驾驶等智能驾驶领域及智能网联车、智能汽车等相关领域，例如在各领域中可用于对目标对象进行探测和跟踪等。

Description

一种光学系统、装置及终端
技术领域
本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统、装置及终端。
背景技术
结构光测量技术能够获取目标的三维轮廓信息，在自动驾驶领域，可以应用到驾驶员身份验证、车内监视系统、手势识别、近距离障碍物探测等场景中。
其中，相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，PMP)由于具有非接触、精度高、测量速度快等优点，被广泛应用于结构光测量中。相位测量轮廓术的测量原理是向被测目标发射正弦光栅条纹，并拍摄经被测目标调制而发生形变的正弦光栅条纹图像，然后从获得的形变图像中计算出被测目标的三维形貌。
目前，利用PMP进行结构光测量时需要向被测目标分别投射不同相位、不同空间频率的光栅条纹，并对应拍摄多张经被测目标调制得到的形变条纹图像，从而计算被测目标的三维轮廓信息。该方法的测量过程复杂，存在便捷性差及测量效率较低的问题。
发明内容
本申请提供一种光学系统、装置及终端，用于同步投射多频光栅条纹，提高光栅条纹投射和接收过程的便捷性及高效性。
第一方面，本申请提供一种光学系统，所述光学系统包括光源模块和光发射模块；所述光源模块，用于输出第一偏振光，所述第一偏振光包含N个颜色的线偏振光，其中，不同颜色的线偏振光具有相同的偏振角度和不同的传输方向，所述N为大于1的整数；所述光发射模块，用于接收所述第一偏振光，根据所述第一偏振光生成第二偏振光，所述第二偏振光用于投射N个颜色的光栅条纹，其中，不同颜色的光栅条纹的空间频率不同。
在该方案中，光学系统的光源模块和光发射模块配合，实现根据多种颜色的线偏振光生成用于投射不同空间频率光栅条纹的第二偏振光，因此该光学系统能够同步投射多频光栅条纹，进而简化光栅条纹投射流程，提高光栅条纹投射的便捷性和高效性，对应的，该光学系统能够支持接收端实现多频光栅条纹的同步接收，进而提高光栅条纹接收的便捷性和高效性。
在一种可能的设计中，所述光学系统还包括光探测模块；所述光探测模块，用于接收对应于所述第二偏振光的目标偏振光，并根据所述目标偏振光获取多个目标光栅条纹图像，所述多个目标光栅条纹图像包括所述N个颜色中每个颜色对应的多个目标光栅条纹图像，其中，每个颜色对应的至少两个目标光栅条纹图像中光栅条纹的初始相位不同。
在该方案中，光学系统进一步包括光探测模块，该光学系统可独立实现光的发射与接收，光源模块和光发射模块配合投射出第二偏振光后，光探测模块可探测所述第二偏振光对应的目标偏振光，并根据所述目标偏振光获得多种空间频率和多种初始相位的光栅条纹即多频多相光栅条纹的图像。因此，该光学系统中，可通过一次偏振光投射和探测，同时确定多张多频多相光栅条纹的图像，能够大大减少投射和采集多频多相光栅条纹的次数，提高多频多相光栅条纹测量过程的便捷性和高效性。
在一种可能的设计中，所述目标偏振光为所述第二偏振光经目标对象调制后的偏振光。
在该方案中，上述光学系统可实现便捷高效的对目标对象进行轮廓测量。光学系统通过投射所述第二偏振光，能够向所述目标对象同步投射多频光栅条纹，通过光探测模块接收所述第二偏振光经所述目标对象调制后的目标偏振光，能够获取所述多频光栅条纹经所述目标对象调制后对应的多频多相的形变光栅条纹图像，进而根据多频多相的形变光栅条纹图像对所述目标对象进行三维轮廓测量。
在一种可能的设计中，所述光探测模块包括成像模块和彩色偏振探测模块；所述成像模块，用于接收所述目标偏振光，其中，所述目标偏振光用于投射N个颜色的初始目标光栅条纹，所述初始目标光栅条纹为所述第二偏振光投射的光栅条纹经调制后的光栅条纹；所述彩色偏振探测模块，用于分别对每个颜色对应的初始光栅条纹进行至少两种不同相位值的移相，并生成每个颜色对应的多个目标光栅条纹图像。
在该方案中，所述光探测模块中的成像模块接收第二偏振光经调制后的目标偏振光，所述光探测模块中的彩色偏振探测模块根据所述成像模块接收的所述目标偏振光获取多频多相光栅条纹，使得所述光探测模块在一次偏振光接收过程中就能获取到多频多相光栅条纹，提高了光栅条纹接收的效率。
在一种可能的设计中，所述光源模块包括N个单色光源、N个角度调整模块和合束模块；在所述N个单色光源中，每个单色光源用于输出对应颜色的线偏振光；在所述N个角度调整模块中，每个角度调整模块用于将来自对应的单色光源的线偏振光的偏振角度调整为目标角度；所述合束模块，用于将来自所述N个角度调整模块的N束线偏振光的传输方向调整为分别与目标方向具有不同夹角，得到所述第一偏振光。
在一种可能的设计中，所述N个单色光源与所述N个颜色一一对应，所述N个角度调整模块与所述N个单色光源一一对应。
在该方案中，光源模块能够分别对不同单色光源发出的线偏振光进行调整，使得不同单设光源发出的各束线偏振光的偏振角度一致，而传输方向不同，以便于进一步生成用于投射多频光栅条纹的偏振光。
在一种可能的设计中，所述角度调整模块包括1/2波片，所述角度调整模块位于对应的单色光源与所述合束模块之间。
在该方案中，在不同单色光源与合束模块之间设置的角度调整模块采用1/2波片，可方便快速的对单色光源发出的线偏振光的偏振角度进行调整，且系统的设置复杂度和元件的操作复杂度均较低。
在一种可能的设计中，所述合束模块包括N-1个合束元件，其中：所述N-1个合束元件中的第一合束元件，用于透射来自所述N个角度调整模块中第一角度调整模块的第一线偏振光，反射来自所述N个角度调整模块中第二角度调整模块的第二线偏振光，以及控制所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角；或者所述第一合束元件，用于透射来自第二合束元件的第三线偏振光，反射来自所述N个角度调整模块中第三角度调整模块的第四线偏振光，以及控制所述第三线偏振光和所述第四线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角。
在该方案中，合束元件通过选择性透射或反射接收到的线偏振光，对接收到的线偏振光的传输方向进行调整，通过多个合束元件可以分别对多个单色光源发出的线偏振光的传输方向进行调整，使得各束线偏振光的传输方向不同，且各束线偏振光投射的光栅条纹的空间频率不同。
在一种可能的设计中，任一个合束元件包括二向色分光片。
在该方案中，采用多个二向色分光片可方便快速的对多个单色光源发出的线偏振光的偏振角度分别进行调整，且系统的设置复杂度和元件的操作复杂度均较低。
在一种可能的设计中，所述目标方向为所述N个单色光源中的一个单色光源输出的线偏振光的传输方向。
在该方案中，将目标方向设置为其中一个单色光源发出的线偏振光的传输方向，再以该方向为参考，对其它单色光源发出的线偏振光的传输方向进行调整，可以提高系统设置的操作简便性。
在一种可能的设计中，所述光发射模块包括第一分光模块、方向调整模块、第二分光模块和偏振调整模块；所述第一分光模块，用于接收所述第一偏振光，并将所述第一偏振光分束为沿第一方向的第一线偏振光和沿第二方向的第二线偏振光；所述方向调整模块，用于接收所述第二线偏振光，并将所述第二线偏振光的传输方向调整为第三方向；所述第二分光模块，用于接收来自所述第一分光模块的所述第一线偏振光和来自所述方向调整模块的第二线偏振光，并生成所述第一线偏振光和第二线偏振光干涉后的干涉光；所述偏振调整模块用于接收所述干涉光，并将所述干涉光的偏振类型调整为圆偏振类型，得到所述第二偏振光。
在该方案中，光发射模块通过第一分光模块，将来自光源模块的第一偏振光分成两束偏振光，这两束偏振光再汇聚在第二分光模块，发生干涉后可得到干涉条纹，因此干涉光能够用于投射光栅条纹。而方向调整模块能够调整两束偏振光之间的角度，进而调整干涉光投射的光栅条纹的形状特征。偏振调整模块通过调整偏振光的偏振类型，可使偏振光投射的光栅条纹显现出来。通过各模块的配合，能够使光发射模块输出能够投射多频条纹的第二偏振光。
在一种可能的设计中，所述方向调整模块包括第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜，用于接收来自所述第一分光模块的第二线偏振光，并将接收到的第二线偏振光反射至所述第二反射镜；所述第二反射镜，用于反射接收到的第二线偏振光，以使所述第二线偏振光被反射后沿所述第三方向入射至所述第二分光模块。
在该方案中，方向调整模块通过两个反射镜之间的配合，可以方便快捷的对线偏振光的传输方向进行调整，且系统的设置复杂度和元件的操作复杂度均较低。
在一种可能的设计中，所述第二方向与所述第一方向垂直。
在一种可能的设计中，所述第一分光模块和所述第二分光模块包括偏振分光棱镜。
在该方案中，偏振分光棱镜是一种用于分离光线的水平偏振和垂直偏振的光学元件，同时也可以合束水平偏振的光线和竖直偏振的光线。因此，通过两个偏振分光棱镜的配合，可以便捷高效的对第一偏振光进行分束及后续合束，以实现偏振光的干涉。
在一种可能的设计中，所述光发射模块还包括投影模块，所述投影模块用于接收所述第二偏振光，并将所述第二偏振光投射至目标对象。
在该方案中，光学系统可用于对目标对象进行轮廓探测，光学系统生成第二偏振光后，可通过投影模块将第二偏振光投射的多频光栅条纹投影到目标对象，以便进行后续探测流程。
在一种可能的设计中，所述光调整模块包括1/4波片，且位于所述第二分光模块与所述投影模块之间。
在该方案中，在第二分光模块与投影模块之间设置的光调整模块采用1/4波片，可方便快速的对光发射模块发出的线偏振光的偏振类型进行调整，且系统的设置复杂度和元件的操作复杂度均较低。
第二方面，本申请提供一种装置，所述装置包括如上述第一方面或第一方面任一可能的设计中所述的光学系统。
第三方面，本申请提供一种终端，所述终端包括如上述第一方面或第一方面任一可能的设计中所述的光学系统。
在一种可能的设计中，所述终端为以下任一种：车辆、无人机、机器人。
附图说明
图1为本申请提供的一种基于相位测量轮廓术的结构光系统的示意图；
图2为本申请提供的一种光学系统的示意图；
图3为本申请提供的一种光源模块的示意图；
图4为本申请提供的一种光源模块的组成示意图；
图5为本申请提供的一种光发射模块的示意图；
图6为本申请提供的一种光探测模块的示意图；
图7为本申请提供的一种彩色偏振探测模块的结构示意图；
图8为本申请提供的一种偏振阵列和像素阵列的示意图；
图9为本申请提供的一种目标光栅条纹图像的示意图；
图10为本申请提供的一种可能的光学系统的组成示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。其中，在本申请实施例的描述中，以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
应理解，本申请实施例中“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一(项)个”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a、b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c，或a、b和c，其中a、b、c可以是单个，也可以是多个。
图1为一种基于相位测量轮廓术的结构光系统的示意图。如图1所示，目前在结构光测量技术中，基于相位测量轮廓术的测量方法的主要原理是通过投影仪向目标对象投射正弦光栅条纹，正弦光栅条纹被投射到目标对象后受到目标对象的调制而发生形变，摄像机拍摄发生形变的光栅条纹的图像，进而可以从发生形变的光栅条纹图像中计算出目标对象的三维轮廓信息。
其中，相位测量轮廓术的实施主要包括基于移相的相位提取和基于多频条纹的相位解缠两个步骤。在基于移相的相位提取步骤中，需要向目标对象分别投射不同初始相位的光栅条纹，在基于多频条纹的相位解缠步骤中，需要向目标对象分别投射不同空间频率的光栅条纹。通过获取两个步骤中光栅条纹经目标对象调制后对应的形变光栅条纹，可以计算目标对象的三维轮廓信息。
但是，在目前的结构光测量系统或测量方法中，向目标对象投射不同初始相位的光栅条纹、向目标对象分别投射不同空间频率的光栅条纹这两个步骤的实施是时分的，因此在探测过程中，需要分多次分别向目标对象投射不同类型的光栅条纹，并采集对应的多帧形变光栅条纹图像，才能进一步对目标对象的三维轮廓信息进行计算。
因此，目前的结构光测量系统或测量方法存在过程复杂、便捷性差及测量效率低等问题。
此外，上述方法中，在探测过程需要采集多帧形变光栅条纹图像，因此，为了保证探测的准确度，需要被测目标对象维持静止状态。因此，上述方法无法适用于对运动目标对象的检测，例如，在自动驾驶场景下，无法满足对运动目标成像的需求。
基于上述问题，本申请实施例提供一种光学系统，该光学系统能够实现多波长多空间频率光栅条纹的同步投影，还可以进一步实现基于偏振同步移相的多相位光栅条纹的探测。
所述光学系统可以但不限于应用到目标检测、结构光测量等场景中。本申请实施例中，所述光学系统可应用于自动驾驶、辅助驾驶、安防监控等领域。例如，所述光学系统可以设置在车辆上，用于对车辆周边的目标(如行人、其它车辆、障碍物等)进行检测。又例如，所述光学系统可以设置在车辆内部，用于实现目标检测和识别、车辆内部监视等功能。本申请实施例中，所述光学系统还可以应用到终端、机器人、无人机、车载终端等各种终端中。
需要说明的是，上述各场景仅是对本申请实施例所提供的光学系统可能应用的场景的示例性说明，并不构成对所述光学系统的应用场景的限制。
下面结合附图，对本申请实施例提供的光学系统进行说明。
图2为本申请实施例提供的一种光学系统的示意图。如图2所示，所述光学系统200中至少包括光源模块201和光发射模块202。
所述光源模块201，用于输出第一偏振光，所述第一偏振光包含N个颜色的线偏振光，其中，不同颜色的线偏振光具有相同的偏振角度和不同的传输方向，所述N为大于1的整数；所述光发射模块202，用于接收所述第一偏振光，根据所述第一偏振光生成第二偏振光，所述第二偏振光用于投射N个颜色的光栅条纹，其中，不同颜色的光栅条纹的空间频率不同。
在本申请一些实施例中，所述光学系统200还可以包含光探测模块203，所述光探测模块203，用于接收对应于所述第二偏振光的目标偏振光，并根据所述目标偏振光获取多个目标光栅条纹图像，所述多个目标光栅条纹图像包括所述N个颜色中每个颜色对应的多个目标光栅条纹图像，其中，每个颜色对应的至少两个目标光栅条纹图像中光栅条纹的初始相位不同。
在本申请一些实施例中，所述目标偏振光可以为所述第二偏振光经目标对象调制后的偏振光。具体的，如图2中所示，所述光发射模块202生成所述第二偏振光后，可以向目标对象204投射所述第二偏振光，所述第二偏振光经所述目标对象204调制后得到所述目标偏振光。所述光探测模块203接收来自所述目标对象204的目标偏振光，进而根据所述目标偏振光获取所述多个目标光栅条纹图像。
其中，所述第二偏振光经所述目标对象204调制后得到所述目标偏振光，可以理解为：所述第二偏振光投射出的N个颜色的光栅条纹经所述目标对象204调制后发生形变，得到N个颜色的目标光栅条纹，所述N个颜色的目标光栅条纹是由所述目标偏振光投射出来的。
在上述光学系统200中，光源模块201和光发射模块202配合，能够实现光发射模块202输出用于投射多频光栅条纹(多种空间频率的光栅条纹)的第二偏振光，光探测模块203接收对应于所述第二偏振光的目标偏振光，并根据目标偏振光获得多个目标光栅条纹图像。一方面，所述多个目标光栅条纹图像包含N个颜色的光栅条纹图像，而不同颜色的光栅条纹的空间频率是不同的，因此可以得到多频光栅条纹图像。另一方面，每个颜色对应的光栅条纹图像中，存在光栅条纹的初始相位不同的光栅条纹图像，因此可以得到多相光栅条纹(多种初始相位的光栅条纹)图像。这样，在光学系统200中，通过一次偏振光传输，就可以同时投射出多种不同空间频率的光栅条纹，通过对应的一次偏振光接收，就可以同时获取到多频光栅条纹图像，以及不同空间频率下的多相光栅条纹图像，大大减少了投射和采集光栅条纹的次数，简化了多频多相光栅条纹的获取流程，便捷性和测量效率都得到极大提高。
此外，本申请的方法中，通过一次偏振光投射和接收的过程，可以实现同时获取多频、多相光栅条纹，因此，该方法能够对运动目标进行探测，并能保证检测准确度。
下面对光学系统200中的光源模块201、光发射模块202、光探测模块203分别进行详细说明。
为了便于介绍，在下文中，以上述N取值为3、对应的N种颜色分别为红色、绿色和蓝色为例进行说明。
一、光源模块201
所述光源模块201包括N个单色光源、N个角度调整模块和合束模块；在所述N个单色光源中，每个单色光源用于输出对应颜色的线偏振光；在所述N个角度调整模块中，每个角度调整模块用于将来自对应的单色光源的线偏振光的偏振角度调整为目标角度；所述合束模块，用于将来自所述N个角度调整模块的N束线偏振光的传输方向调整为分别与目标方向具有不同夹角，得到所述第一偏振光。
其中，所述合束模块包括N-1个合束元件，所述N-1个合束元件中的第一合束元件，用于透射来自所述N个角度调整模块中第一角度调整模块的第一线偏振光，反射来自所述N个角度调整模块中第二角度调整模块的第二线偏振光，以及控制所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角；或者，所述第一合束元件，用于透射来自第二合束元件的第三线偏振光，反射来自所述N个角度调整模块中第三角度调整模块的第四线偏振光，以及控制所述第三线偏振光和所述第四线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角。
图3为本申请实施例提供的一种光源模块的示意图。
示例性的，如图3所示，所述光源模块201包括3个单色光源及与所述3个单色光源一一对应的3个角度调整模块，其中，3个单色光源分别为红色光源301、绿色光源302和蓝色光源303，3个角度调整模块分别为对应红色光源的第一角度调整模块304、对应绿色光源的第二角度调整模块305和对应蓝色光源的第三角度调整模块306；所述光源模块201还包括合束模块307。
示例性的，如图3中所示，可以设定的主光轴方向作为参考方向。
在本申请一些实施例中，第一角度调整模块304、第二角度调整模块305、第三角度调整模块306包括1/2波片(半波片)，其中，作为一种可选的实施方式，所述第一角度调整模块304、第二角度调整模块305、第三角度调整模块306可以为图3中所示的1/2波片。
在本申请一些实施例中，所述第一角度调整模块304位于所述红色光源301和所述合束模块307之间，所述第二角度调整模块305位于所述绿色光源302和所述合束模块307之间，所述第三角度调整模块306位于所述蓝色光源303和所述合束模块307之间。
在角度调整模块为1/2波片时，所述红色光源301发出的红色线偏振光经过第一角度调整模块304后，其偏振角度被调整为目标角度，其中，1/2波片的位置与所述红色线偏振光的传输方向之间具有不同夹角时，对所述红色线偏振光的偏振角度的调整量不同。所述目标角度可以为设定的角度。同理，所述绿色光源302发出的绿色线偏振光经过第二角度调整模块305后，其偏振角度被调整为所述目标角度，以及，所述蓝色光源303发出的蓝色线偏振光经过第三角度调整模块306后，其偏振角度被调整为所述目标角度。
在本申请一些实施例中，所述合束模块307包括2个合束元件，分别为第三合束元件308和第四合束元件309。
可选的，第三合束元件308和第四合束元件309包括二向色分光片，其中，作为一种可选的实施方式，第三合束元件308和第四合束元件309可以为图3中所示的二向色分光片。
在合束元件为二向色分光片时，第三合束元件308透射来自第一角度调整模块304的红色线偏振光，同时反射来自第二角度调整模块305的绿色线偏振光，并控制两束线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角；第四合束元件309透射来自第三合束元件308的线偏振光，同时反射来自第三角度调整模块306的蓝色线偏振光，并控制两束线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角，其中，第四合束元件309接收到的来自第三合束元件308的线偏振光包含红、绿两色的线偏振光。
其中，线偏振光的传输方向可以由该线偏振光的光线方向与主光轴之间的夹角来标定，不同线偏振光的传输方向不同，可以理解为：不同线偏振光的光线与主光轴之间的夹角不同。二向色分光片的位置与主光轴之间具有不同夹角时，对入射的线偏振光的传输方向的调整量不同，因此可以通过调整二向色分光片的位置，来控制不同颜色线偏振光的传输方向。
示例性的，如图3中所示，所述第四合束元件309发出的偏振光即为所述光源模块201输出的第一偏振光。在所述第一偏振光中，3种颜色的线偏振光的传输方向各不相同，可以理解为，所述三种颜色的线偏振光的光线方向与主光轴方向之间的夹角不同，也可以理解为，所述三种颜色中任意两种颜色的线偏振光的光线方向之间具有夹角，该夹角的角度大小可以为大于零且小于设定阈值，该夹角的角度大小可以通过调节二向色分光片与主光轴之间的夹角来调整。所述光源模块201输出的所述第一偏振光被传输到所述光发射模块202，并用于所述光发射模块202生成第二偏振光。
在本申请一些实施例中，所述目标方向可以为主光轴方向，或者，所述目标方向可以为3个单色光源中的一个单色光源输出的线偏振光的传输方向，或者，所述目标方向为设定的方向。
在本申请一些实施例中，3个单色光源中，至多存在一个单色光源发出的线偏振光的传输方向与所述主光轴方向或所述目标方向重合。
下面对光源模块201中各元件的布局给出两种示例。
示例1
如图3中所示，红色光源301发出的红色线偏振光的传输方向为目标方向，且与所述主光轴方向重合。绿色光源302发出的绿色线偏振光的传输方向、蓝色光源303发出的蓝色线偏振光的传输方向分别与所述主光轴方向垂直。
红色光源301发出的红色线偏振光垂直入射至第一角度调整模块304，经所述第一角度调整模块304调整后，依次透射经过合束元件308和合束元件309；绿色光源302发出的绿色线偏振光垂直入射至第二角度调整模块305，经所述第二角度调整模块305调整后，到达合束元件308并被反射，沿与红色线偏振光不同的传输方向传输，并透射经过合束元件309；蓝色光源303发出的蓝色线偏振光垂直入射至第三角度调整模块306，经所述第三角度调整模块306调整后，到达合束元件309并被反射，沿与红、绿两色线偏振光不同的传输方向传输。
其中，可以通过调整合束元件308对应的二向色分光片的旋转角度(二向色分光片的平面与主光轴之间的夹角)，来控制绿色线偏振光经合束原件308反射后，沿与红色线偏振光不同的传输方向传输；可以通过调整合束元件309对应的二向色分光片的旋转角度，来控制蓝色线偏振光经合束原件309反射后，沿与红、绿两色线偏振光不同的传输方向传输。
示例2
图4为本申请实施例提供的一种光源模块的组成示意图。
如图4中所示，目标方向为主光轴方向，红色光源401发出的红色线偏振光的传输方向、绿色光源402发出的绿色线偏振光的传输方向、蓝色光源403发出的蓝色线偏振光的传输方向分别与所述主光轴方向具有不同夹角。
红色光源401发出的红色线偏振光垂直入射至第一角度调整模块404，经所述第一角度调整模块404调整后，依次透射经过第三合束元件408和第四合束元件409；绿色光源402发出的绿色线偏振光垂直入射至第二角度调整模块405，经所述第二角度调整模块405调整后，到达第三合束元件408并被反射，沿与红色线偏振光不同的传输方向传输，并透射经过第四合束元件409；蓝色光源403发出的蓝色线偏振光垂直入射至第三角度调整模块406，经所述第三角度调整模块406调整后，到达第四合束元件409并被反射，沿与红、绿两色线偏振光不同的传输方向传输。
其中，可以通过调整第三合束元件408对应的二向色分光片的旋转角度，来控制绿色线偏振光经第三合束元件408反射后，沿与红色线偏振光不同的传输方向传输；可以通过调整第四合束元件409对应的二向色分光片的旋转角度，来控制蓝色线偏振光经第四合束元件409反射后，沿与红、绿两色线偏振光不同的传输方向传输。
上述实施例中，光源模块201利用多种单色光源分别生成不同颜色的线偏振光，通过不同单色光源对应的角度调整模块分别调整不同颜色线偏振光的偏振角度相同和传输方向不同，能够同时生成多束具有不同波长和相同偏振特征的线偏振光，以便进一步生成用于同时投射多频光栅条纹的偏振光。
二、光发射模块202
图5为本申请实施例提供的一种光发射模块的示意图。如图5所示，所述光发射模块202包括第一分光模块501、方向调整模块502、第二分光模块503和偏振调整模块504；
其中，所述第一分光模块501，用于接收来自光源模块201的第一偏振光，并将所述第一偏振光分束为沿第一方向的第一线偏振光和沿第二方向的第二线偏振光；所述方向调整模块502，用于接收所述第二线偏振光，并将所述第二线偏振光的传输方向调整为第三方向；所述第二分光模块503，用于接收来自所述第一分光模块501的所述第一线偏振光和来自所述方向调整模块502的第二线偏振光，并生成所述第一线偏振光和第二线偏振光干涉后的干涉光；所述偏振调整模块504用于接收所述干涉光，并将所述干涉光的偏振类型调整为圆偏振类型，得到所述第二偏振光。
在本申请一些实施例中，所述方向调整模块包括第一反射镜505和第二反射镜506；其中，所述第一反射镜505，用于接收来自所述第一分光模块的第二线偏振光，并将接收到的第二线偏振光反射至所述第二反射镜506；所述第二反射镜506，用于反射接收到的第二线偏振光，以使所述第二线偏振光被反射后沿所述第三方向入射至所述第二分光模块503。
在本申请一些实施例中，所述第一分光模块501和所述第二分光模块503包括偏振分光棱镜，其中，作为一种可选的实施方式，所述第一分光模块501和所述第二分光模块503可以为偏振分光棱镜。所述第一分光模块501对应的第一偏振分光棱镜和所述第二分光模块503对应的第二偏振分光棱镜对称分布。
在本申请一些实施例中，所述光发射模块202还包括投影模块507，所述投影模块507用于接收所述第二偏振光，并将所述第二偏振光投射至所述目标对象。所述投影模块507包括投影镜头或其它具有投影功能的元件，其中，作为一种可选的实施方式，所述投影模块507可以为投影镜头或其它具有投影功能的元件。
在本申请一些实施例中，所述偏振调整模块504包括1/4波片，且位于所述第二分光模块503与所述投影模块507之间，其中，作为一种可选的实施方式，所述偏振调整模块504可以为1/4波片。
示例性的，在所述第一分光模块501和所述第二分光模块503均为偏振分光棱镜时，所述第一方向可以为水平偏振方向，所述第二方向可以为竖直偏振方向，与所述第一方向垂直。所述第一分光模块501接收来自光源模块201的第一偏振光后，将所述第一偏振光分束为互相垂直的透射光和反射光，所述透射光为沿水平偏振方向的水平线偏振光(p光)即第一线偏振光，所述反射光为沿竖直偏振方向的竖直偏振光(s光)。其中，经所述第一分光模块501透射的所述第一线偏振光经所述第二分光棱镜透射后，入射至所述偏振调整模块504；经所述第一分光模块501反射的所述第二线偏振光经所述第一反射镜505反射后，到达所述第二反射镜506，并经所述第二反射镜506反射，再经所述第二分光模块503反射后，入射至所述偏振调整模块504。所述第一线偏振光和所述第二线偏振光发生干涉，得到的干涉光经过所述偏振调整模块后，其偏振类型变为圆偏振光，得到所述第二偏振光。
其中，可以通过调整第一反射镜505和/或第二反射镜506的旋转角度(反射镜平面与水平或竖直方向的夹角)，来调整第一线偏振光和第二线偏振光之间的夹角，进而控制根据第一线偏振光和第二线偏振光得到的第二偏振光投射出的光栅条纹的空间频率。
需要注意的是，为方便描述，图5中仅以一条线表示所述第一偏振光，实际所述第一偏振光包含上述光源模块201中输出的3个颜色对应的3束线偏振光。
在对目标对象进行轮廓检测的场景中，所述偏振调整模块得到所述第二偏振光后，将所述第二偏振光传输至所述投影模块507，所述投影模块507将所述第二偏振光投影到所述目标对象。
上述实施例中，光发射模块202通过先将来自光源模块201的第一偏振光分束为不同的两束偏振光，再由得到的两束偏振光发生干涉得到第二偏振光，能够使第二偏振光同时投射出多种空间频率的光栅条纹，以便进一步获取多频、多相光栅条纹图像。
三、光探测模块203
图6为本申请实施例提供的一种光探测模块的示意图。如图6所示，所述光探测模块203包括成像模块601和彩色偏振探测模块602。
其中，所述成像模块601，用于接收对应于所述第二偏振光点的目标偏振光，其中，所述目标偏振光用于投射N个颜色的初始目标光栅条纹，所述初始目标光栅条纹为所述第二偏振光投射的光栅条纹经调制后的光栅条纹；所述彩色偏振探测模块602，用于分别对每个颜色对应的初始光栅条纹进行至少两种不同相位值的移相，并生成每个颜色对应的多个目标光栅条纹图像。
在所述光学系统200应用于对目标进行轮廓检测的场景中时，所述目标偏振光可以为所述第二偏振光经目标对象调制后的偏振光。
具体的，光发射模块202向目标对象投射第二偏振光后，所述第二偏振光投射出的光栅条纹由于所述目标对象的调制作用发生形变，产生对应的目标偏振光，反射到光探测模块203中的成像模块601，并经由所述成像模块601传输至所述彩色偏振探测模块602。
在本申请一些实施例中，所述成像模块601包括成像镜等成像元件，其中，作为一种可选的实施方式，所述成像模块601可以为成像镜；所述彩色偏振探测模块可以包括具有不同偏振镀膜和不同彩色镀膜的彩色偏振探测器(或传感器)，或者可以包括具有多色光源和像素级镀膜的彩色偏振相机等，其中，作为一种可选的实施方式，所述彩色偏振探测模块可以为所述彩色偏振探测器。
图7为本申请实施例提供的一种彩色偏振探测模块的结构示意图。
本申请实施例中，所述彩色偏振探测模块用于基于偏振对所述目标偏振光投射的光栅条纹进行不同移相，以及对不同颜色的目标偏振光进行接收，实现多频、多相光栅条纹的选通。如图7所示，所述彩色偏振探测模块602的硬件组成中包括位于底层的像素阵列、位于中间层的偏振阵列和位于顶层的微透镜阵列。其中，所述微透镜阵列用于透射所述目标偏振光；所述偏振阵列用于对所述目标偏振光进行至少两种不同相位值的移相，以便得到多相光栅条纹信号；所述像素阵列用于分别接收不同颜色的目标偏振光，以便得到多频光栅条纹信号。所述彩色偏振探测模块602获取到多相光栅条纹信号和多频光栅条纹信号后，对应生成多频、多相光栅条纹图像，得到多个目标光栅条纹图像。
图8为本申请实施例提供的一种偏振阵列和像素阵列的示意图。
以下对所述目标偏振光进行四种不同相位值的移相为例进行说明。
如图8中所示，偏振阵列的最小处理单元以像素为单位。在该偏振阵列中，每个像素单元对应一种相位值的移相，投射到该像素单元的目标偏振光被执行该像素单元对应的相位值的移相。对所述目标偏振光进行四种不同相位值的移相时，该偏振阵列中包含四种相位值的移相，即包含四种不同偏振方向的像素单元，分别与四种相位值的移相对应的四个相邻的像素单元作为一组，其中，四个相邻的像素单元对应的相位值可以分别为0°、45°、90°、135°。
如图8中所示，在像素阵列中，与所述偏振阵列中一组的四个像素单元对应的四个像素单元对应同一颜色的镀膜，用于在接收到的目标偏振光中滤除其它颜色的光信号，仅接收像素单元对应颜色的光信号。
图9为本申请实施例提供的一种目标光栅条纹图像的示意图。在利用红、绿、蓝3种颜色的偏振光投射光栅条纹、对目标偏振光进行四种不同相位值的移相的场景下，光探测模块203可以根据目标偏振光，获取12张不同的目标光栅条纹图像。如图9所示，获取的12张目标光栅条纹图像包括图9中(a)示意图所示的4张红色的光栅条纹图像、(b)示意图所示的4张绿色的光栅条纹图像以及(c)示意图所示的4张蓝色的光栅条纹图像。其中，(a)示意图所示的4张红色的光栅条纹图像中，光栅条纹的初始相位各不相同，(b)、(c)示意图中同理。其中，图9中以人作为目标对象为例进行示意。
通过上述方式，所述彩色偏振探测模块602可以根据一次接收到的目标偏振光，通过偏振阵列，选择性接收同一空间频率的光栅条纹经移相后的光栅条纹，以及选择性接收不同颜色的光栅条纹，实现同时获取多频、多相光栅条纹图像，大大减少了投射和采集光栅条纹的次数，简化了多频多相光栅条纹的获取流程，便捷性和测量效率都得到极大提高。
图10为本申请实施例提供的一种可能的光学系统的组成示意图。如图10所示，该光学系统中包含的各模块和元件可分别参考上述实施例中的描述，此处不再赘述。
可以理解的是，图10中所示的光学系统架构仅为本申请实施例提供的光学系统200的一种可能的实现方式，并不对本申请实施例提供的光学系统造成限制。
在所述光学系统200应用于对目标对象进行轮廓检测的场景中时，光探测模块203获取经目标对象调制的多张光栅条纹图像后，可以根据所述多张光栅条纹图像，计算所述目标对象的轮廓信息。
基于以上图9所示的探测结果，所述光探测模块203可以采用四步移相方法，分别将图9的(a)、(b)、(c)各示意图中的四张光栅条纹图像作为一组，计算每组对应的相位图，再根据3组光栅条纹图像对应的相位图计算得到一个相位值，最后根据确定的相位值对目标对象进行轮廓检测。
四步移相方法的光强公式如下所示：
Figure BDA0002967352460000122
其中，I(x,y,δj)为光强函数，A(x,y)为背景光强，B(x,y)为条纹的调制深度，δj为移动相位值，
Figure BDA0002967352460000123
为被测物点的相位，代表被测物的高度信息。
在标准的四步移相方法中计算的是光栅条纹图像的包裹相位，对应的四幅图像的相位位移分别为δ0＝0，δ1＝π/2，δ2＝π，δ3＝3π/2。
求解上述公式可得四步移相公式为：
Figure BDA0002967352460000121
其中，I0(x,y)、I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别为四张光栅条纹图像的光强。
通过联立上述4个公式求解，可以得到如下相位函数：
Figure BDA0002967352460000124
其中，所述
Figure BDA0002967352460000125
为求出的包裹相位。
光探测模块203通过上述方法求出每组光栅条纹图像对应的(包裹)相位后，在相位解缠步骤可以采用计算合成波长的方法来实现相位解缠。
在对目标偏振光进行三种不同相位值的移相的场景下，上述图8中所示的像素阵列中包含三种相位值的移相，即包含三种不同偏振方向的像素单元，分别与三种相位值的移相对应的三个相邻的像素单元作为一组。该方式中，对目标对象进行轮廓检测，可以采用三步移相的相关计算方法，此处不再赘述。
基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种装置，该终端可以包括本申请实施例所提供的光学系统。
基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种终端，该终端可以包括本申请实施例所提供的光学系统。
可选的，所述终端可以为车辆、无人机、机器人、车载终端等。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种光学系统，其特征在于，包括光源模块和光发射模块；
所述光源模块，用于输出第一偏振光，所述第一偏振光包含N个颜色的线偏振光，其中，不同颜色的线偏振光具有相同的偏振角度和不同的传输方向，所述N为大于1的整数；
所述光发射模块，用于接收所述第一偏振光，根据所述第一偏振光生成第二偏振光，所述第二偏振光用于投射N个颜色的光栅条纹，其中，不同颜色的光栅条纹的空间频率不同；
其中，所述光源模块包括N个单色光源、N个角度调整模块和合束模块；
在所述N个单色光源中，每个单色光源用于输出对应颜色的线偏振光；
在所述N个角度调整模块中，每个角度调整模块用于将来自对应的单色光源的线偏振光的偏振角度调整为目标角度；
所述合束模块，用于将来自所述N个角度调整模块的N束线偏振光的传输方向调整为分别与目标方向具有不同夹角，得到所述第一偏振光。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光探测模块；
所述光探测模块，用于接收对应于所述第二偏振光的目标偏振光，并根据所述目标偏振光获取多个目标光栅条纹图像，所述多个目标光栅条纹图像包括所述N个颜色中每个颜色对应的多个目标光栅条纹图像，其中，每个颜色对应的至少两个目标光栅条纹图像中光栅条纹的初始相位不同。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光探测模块包括成像模块和彩色偏振探测模块；
所述成像模块，用于接收所述目标偏振光，其中，所述目标偏振光用于投射N个颜色的初始目标光栅条纹，所述初始目标光栅条纹为所述第二偏振光投射的光栅条纹经调制后的光栅条纹；
所述彩色偏振探测模块，用于分别对每个颜色对应的初始光栅条纹进行至少两种不同相位值的移相，并生成每个颜色对应的多个目标光栅条纹图像。
4.根据权利要求1～3任一所述的光学系统，其特征在于，所述角度调整模块包括1/2波片，所述角度调整模块位于对应的单色光源与所述合束模块之间。
5.根据权利要求1～3任一所述的光学系统，其特征在于，所述合束模块包括N-1个合束元件，其中：
所述N-1个合束元件中的第一合束元件，用于透射来自所述N个角度调整模块中第一角度调整模块的第一线偏振光，反射来自所述N个角度调整模块中第二角度调整模块的第二线偏振光，以及控制所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角；或者
所述第一合束元件，用于透射来自第二合束元件的第三线偏振光，反射来自所述N个角度调整模块中第三角度调整模块的第四线偏振光，以及控制所述第三线偏振光和所述第四线偏振光的传输方向与目标方向具有不同夹角。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，任一个合束元件包括二向色分光片。
7.根据权利要求1～3任一所述的光学系统，其特征在于，所述目标方向为所述N个单色光源中的一个单色光源输出的线偏振光的传输方向。
8.根据权利要求1～3任一所述的光学系统，其特征在于，所述光发射模块包括第一分光模块、方向调整模块、第二分光模块和偏振调整模块；
所述第一分光模块，用于接收所述第一偏振光，并将所述第一偏振光分束为沿第一方向的第一线偏振光和沿第二方向的第二线偏振光；
所述方向调整模块，用于接收所述第二线偏振光，并将所述第二线偏振光的传输方向调整为第三方向；
所述第二分光模块，用于接收来自所述第一分光模块的所述第一线偏振光和来自所述方向调整模块的第二线偏振光，并生成所述第一线偏振光和第二线偏振光干涉后的干涉光；
所述偏振调整模块用于接收所述干涉光，并将所述干涉光的偏振类型调整为圆偏振类型，得到所述第二偏振光。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述方向调整模块包括第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜，用于接收来自所述第一分光模块的第二线偏振光，并将接收到的第二线偏振光反射至所述第二反射镜；
所述第二反射镜，用于反射接收到的第二线偏振光，以使所述第二线偏振光被反射后沿所述第三方向入射至所述第二分光模块。
10.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述第二方向与所述第一方向垂直。
11.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述第一分光模块和所述第二分光模块包括偏振分光棱镜。
12.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述光发射模块还包括投影模块，所述投影模块用于接收所述第二偏振光，并将所述第二偏振光投射至目标对象。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述偏振调整模块包括1/4波片，且位于所述第二分光模块与所述投影模块之间。
14.一种光学装置，其特征在于，所述光学装置包括如权利要求1至13任一项所述的光学系统。
15.一种终端，其特征在于，所述终端包括如权利要求1至14任一项所述的光学系统。
16.根据权利要求15所述的终端，其特征在于，所述终端为以下任一种：车辆、无人机、机器人。
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