CN112747691A - 一种大视野单幅纹理主动投影模组及3d相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视野单幅纹理主动投影模组，包括：依次同轴布置的高亮LED光源、透镜模组、掩膜板；所述LED光源用于提供侦测光；所述侦测光经所述透镜模组收光、会聚、准直、整形处理后，形成截面形状与所述掩膜板一致且截面大小略大于所述掩膜板的调制光束并照射至所述掩膜板；所述掩膜板上设有孔径为微米级别的掩膜图案，所述掩膜图案包括用于透射所述调制光束的透明特征和用于阻挡所述调制光束的不透明特征，从而使得本发明所示的主动投影模组具备大视野、高分辨率、纹理图案特异性好且后续解算速度快的优点。

Description

一种大视野单幅纹理主动投影模组及3D相机

技术领域

本发明属于三维视觉技术领域，更具体地，涉及一种大视野单幅纹理主动投影模组及3D相机。

背景技术

近年来，随着3D机器视觉技术的快速发展和图像采集设备的不断进步，3D视觉技术与3D相机被越来越多的应用于工业与物流领域，为工业制造与物流行业自动化升级改造提供视觉感知。其中，3D相机包括用于向被测物体表面投射纹理图案的相机模组以及用于采集被测物体表面调制后的纹理图案的双目工业相机。3D视觉机器人抓取作为3D相机在工业制造与物流行业自动化的主要应用场景，可用于进行零部件抓取、物流分拣、以及拆垛码垛等。

当使用3D相机进行零部件抓取、物流分拣、码垛时，需要从1.2m*1m*0.8m零部件料框内或1.2m*1.4m的托盘中或从0.8m高的垛形进行待抓取工件抓取，故需要投影模组提供足够大的视野，以使得投射出的纹理图案能够覆盖全部的料框、托盘以及码垛。同时，在进行抓取操作时，还需要通过工业相机所拍摄的图像具备高分辨率特性，以进行后续的图像识别及抓取，如在物流领域通常要求图像分辨率率为0.1mm-5mm，在工业领域则图像分辨率要求更高，为0.1mm-1mm，故也需要3D相机尤其是投影模组能够投射出高分辨率的纹理图案。

目前大视野3D测量主要通过被动双目测量、VCSEL激光结构光技术实现。

被动双目测量基于双目视差原理，通过单帧图像即可完成一个三维成像，可同时满足高分辨率、大视野、远距离成像，但其依赖于被测场景的纹理特征，在部分自然场景下，会因为环境纹理缺失而无法成像，系统鲁棒性较差，其输出的三维点云也非常稀疏，无法真正应用。

VCSEL激光结构光用于大视野成像时，通常使用激光+透镜组+DOE散斑投射方案，当垂直腔面发射激光器(VCSEL)射出的激光束经准直后，通过衍射光学元件(DOE)进行散射，即可得到所需的掩膜图案。但是由于DOE对于光束进行散射的角度(FOV)有限，且掩膜图案的特征点数量限制(特征点一般不高于30万)，所以无法进行大幅面的散斑投射，即当其工作距离大于1m时，所获取的图像分辨率只有10mm左右，而只有工作距离1m以内时，才能满足实际应用中分辨率的要求，且激光的连续输出能力在长时间工作下不太稳定。

申请号为2019103609194用于机器人无序分拣的3D相机及其测量方法公开了一种3D相机，基于一种主动纹理投射成像技术实现大视野测量，其中，散斑投射单元主体包括高亮LED光源、散斑玻片以及用于光线传播的透镜单元，透镜单元包括多个先扩散再会聚的镜片，带有掩膜图案的散斑玻片设置在多个镜片之间。该方案虽然可以实现大视野测量，但是需要复杂的光路设计以及昂贵的成本代价方可实现高分辨率要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种大视野单幅纹理主动投影模组，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种大视野单幅纹理主动投影模组，包括：依次同轴布置的高亮LED光源、透镜模组、掩膜板；

所述LED光源用于提供侦测光；所述侦测光经所述透镜模组收光、会聚、准直、整形处理后，形成截面形状与所述掩膜板一致且截面大小略大于所述掩膜板的调制光束并照射至所述掩膜板；所述掩膜板上设有孔径为微米级别的掩膜图案，所述掩膜图案包括用于透射所述调制光束的透明特征和用于阻挡所述调制光束的不透明特征。

优选的，所述透镜模组包括第一透镜、第二透镜；所述第一透镜用于所述侦测光的收光及会聚，所述第二透镜用于将所述第一透镜收集的光束进行二次聚焦及准直，通过所述LED光源与所述第一透镜的距离L1、所述第一透镜与所述第二透镜的距离L2，所述第二透镜与所述掩膜板的距离L3、所述第一透镜曲率、所述第二透镜曲率以及所述透镜模组焦距的调整进行所述侦测光的调制，使得所述调制光束的截面大小略大于所述掩膜板且截面形状和所述掩膜板一致。

进一步的，依据所述调制光束照明区域大小与所述大视野单幅纹理主动投影模组投射幅面大小之间的比例，确定所述LED光源至所述第一透镜的距离L1、所述第一透镜与第二透镜之间的距离L2以及所述第二透镜与所述掩膜板的距离L3的大小。

进一步的，所述透镜模组焦距满足以下条件：

0.7<f1/f<1.2；

1.5<f2/f<2.0；

其中，f表示透镜模组的有效焦距；f1表示所述第一透镜的有效焦距；f2表示所述第二透镜的有效焦距。

进一步的，所述第一透镜为光焦度为正、短焦距的大数值孔径非球面透镜；所述第二透镜为光焦度为正的短焦距非球面透镜。

进一步的，所述第一透镜的非球面一侧靠进所述LED光源设置；所述第二透镜的非球面一侧远离所述LED光源设置；

和/或，所述第一透镜的数值孔径大于0.7。

优选的，所述透镜模组还包括光阑，所述光阑放置于所述第一透镜与所述第二透镜之间，其用于对经过所述第一透镜的光束进行限制。

优选的，大视野单幅纹理主动投影模组还包括镜头，所述掩膜图案经由所述镜头投射至被测物体表面以形成投射图案，且调整所述掩膜板与所述镜头之间的距离L4确定投射幅面大小。

进一步的，所述镜头与所述掩膜板之间的距离L4取值为所述镜头1倍焦距至2倍焦距大小。

优选的，所述掩膜板为石英镀铬掩模板。

本发明还提供了一种3D相机，包括：如前所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组以及两个工业相机，所述两个工业相机位于所述投影模组的两侧，且所述投影模组的投射范围在两个工业相机各自的图像采集范围之内。

本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组及3D相机，具备大视野、高分辨率、纹理图案特异性好且后续解算速度快的优点。

首先，本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组，采用LED光源1提供侦测光，充分利用LED光源1本身的出光特性(即朗伯辐射出光均匀)与发散角度大的特性(为之后投射出大视野光斑提供投射张角)，侦测光经透镜模组处理后，形成截面形状与所述掩膜板4一致且截面大小略大于所述掩膜板4的调制光束，该调制光束与高透射性能的掩膜板4配合，使投射的掩膜图案保持亮度均匀和较高清晰度，最后通过掩膜板4与镜头5位置的设置，放大所述保持亮度均匀和较高清晰度掩膜图案并最终投射到待测物表面，从而实现了大视野均匀投射。

第二、本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组，投射出的掩膜图案清晰，且掩膜图案中各特征点亮度高，使得本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组的分辨率高。由于使用大功率的LED光源1，使得侦测光本身具备高亮度特性；同时该侦测光经过透镜模组后形成截面形状与所述掩膜板4一致且截面大小略大于所述掩膜板4的调制光束，使得投射到掩膜板4的调制光束亮度更高、能量更集中，即提高了光的使用效率，使得最终投射到待测物表面的掩膜图案亮度更高，从而确保掩膜图案上的各特征点能够被工业相机清晰的拍到。同时由于使用透光掩膜板4作为纹理投射图案，即通过光透原理进行掩膜图案的投射，各特征点所形成的掩膜图案也不会变形，进一步的提高了投影模组能够投射纹理图案的分辨率。

第三、掩膜图案特异性好，掩膜图案上的特征点数量相对VCSEL激光技术方案而言不受限制(可为300万级别的数量)，特征点越多，纹理图案的特异性越好，故使用工业相机拍照时，投射到待测物表面的特征点识别效果更好。

第四、节拍快且解算速度快，由于图像采集与处理时，只需投射单幅纹理图案，然后由两个工业相机拍摄一次即可成像，具备快速投采的特性，且3D相机只需要处理一组图像对，解算速度快。

第五、光路结构简单且紧凑，光路体积小。透镜模组只包括第一透镜、第二透镜。

第六、成本更低整体结构简单、整体元器件成本低。照明光源为LED光源，透镜模组为两片非球面透镜，同时掩膜板的造价也低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种大视野单幅纹理主动投影模组的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种3D相机的结构示意图；

图3是实施例一的投射图案结构示意图；

图4(a)为左相机接收到的掩膜图案；

图4(b)为右相机接收到的掩膜图案。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而非以任何方式限制本发明的保护范围。

在说明书的全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列相目中的一个或多个的任何和全部组合。在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、步骤、整体、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、步骤、整体、操作、元件、部件和/或它们的组合。

如在说明书中使用的用语“基本上”、“大约”以及类似的用于用作表示近似的用语，而不用作表示程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本发明公开了一种大视野单幅纹理主动投影模组(以下简称主动投影模组)，包括依次同轴布置的高亮LED光源1、透镜模组、掩膜板4

所述LED光源1用于提供侦测光；

所述侦测光经所述透镜模组收光、会聚、准直、整形处理后，形成截面形状与所述掩膜板一致且截面大小略大于所述掩膜板的调制光束并照射至所述掩膜板4；所述掩膜板4上设有孔径为微米级别的掩膜图案，所述掩膜图案包括用于透射所述调制光束的透明特征和用于阻挡所述调制光束的不透明特征。

本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组，具备大视野、高分辨率、纹理图案特异性好且后续解算速度快的优点。

首先，本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组，采用LED光源1提供侦测光，充分利用LED光源1本身的出光特性(即朗伯辐射出光均匀特性)与发散角度大的特性(为之后投射出大视野光斑提供投射张角)，侦测光经透镜模组处理后，形成截面形状与所述掩膜板4一致且截面大小略大于所述掩膜板4的调制光束，该调制光束与高透射性能的掩膜板4配合，使投射的掩膜图案保持亮度均匀和较高清晰度，最后通过掩膜板4与镜头5位置的设置，放大所述保持亮度均匀和较高清晰度掩膜图案并最终投射到待测物表面形成投射图案，从而实现了大视野均匀投射。

第二、本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组，投射出的掩膜图案清晰，且掩膜图案中各特征点亮度高，使得本发明所示的一种大视野单幅纹理主动投影模组形成的投射图案的分辨率高。由于使用大功率的LED光源1，使得侦测光本身具备高亮度特性；同时该侦测光经过透镜模组后形成截面形状与所述掩膜板4一致且截面大小略大于所述掩膜板4的调制光束，使得投射到掩膜板4的调制光束亮度更高、能量更集中，即提高了光的使用效率，使得最终投射到待测物表面的投射图案亮度更高，从而确保掩膜图案/投射图案上的各特征点能够被工业相机清晰的拍到。同时由于使用透光掩膜板4作为纹理投射图案，即通过光透原理进行掩膜图案的投射，各特征点所形成的掩膜图案也不会变形，进一步的提高了投影模组能够投射纹理图案的分辨率。

第三、掩膜图案特异性好，掩膜图案上的特征点数量相对而言VCSEL激光技术方案而言不受限制(可为300万级别的数量)，特征点越多，纹理图案的特异性越好，使用工业相机拍照时，投射到待测物表面的特征点识别效果也更佳。

第四、节拍快且解算速度快，由于图像采集与处理时，只需投射单幅纹理图案，然后由两个工业相机拍摄一次即可成像，具备快速投采的特性，且3D相机后续图像处理时只需要处理一组图像对，解算速度快。

其中，由于光源采取大功率LED光源1，充分利用LED光源1本身的出光特性(即朗伯辐射出光均匀)与发散角度大的特性，为之后投射出大视野光斑提供投射张角(发散角度大在有限的距离能够获取更大的视野)，同时，LED光源1在发光过程中不会产生大量热量，工作稳定性好，利用电压时序电路驱动LED发光工作，响应时间短，且自然界中蓝光少，所以相机采集单蓝色图像受外界干扰影响少，可进一步提高三维形貌测量的精度，此外，LED光源还具体寿命长的优点。作为一优选方案，本实施例中，所述LED光源1的功率为60W～80W，且为蓝光。

透镜模组用于对LED光源1发出的大发散角度的侦测光进行收光、会聚、准直、整形处理形成截面形状与所述掩膜板4一致且截面大小略大于所述掩膜板4的调制光束，以提高了光源的使用效率。本实施例中，所述透镜模组包括第一透镜2、第二透镜3；所述第一透镜2用于所述侦测光的收光及会聚，所述第二透镜3用于将所述第一透镜2收集的光束进行二次聚焦及准直，同时通过设计镜片参数以及摆放位置以达到最终照射在掩膜板4的光斑略大于掩膜板4且光斑形状和掩膜板4一致，从而使得光能利用率在70％以上，光斑均匀性超过80％。

具体而言通过LED光源1与第一透镜2的距离L1、第一透镜2与第二透镜3的距离L2，第二透镜3与掩膜板4的距离L3、第一透镜2曲率、第二透镜3曲率以及透镜模组焦距的调整进行所述侦测光的调制，使得经透镜模组调制的光束截面大小略大于掩膜板4且截面形状和掩膜板4一致。

为了实现大幅面测量，则需要将照明模块的光放大到需要的范围，本实施例中，根据预先设置的所述调制光束照明区域大小与主动投影模组的投射幅面大小之间的比例，确定所述LED光源1至所述第一透镜2的距离L1、所述第一透镜2与第二透镜3之间的距离L2以及所述第二透镜3与所述掩膜板4的距离L3的大小。同时，本实施例中，所述透镜模组焦距满足以下条件：0.7<f1/f<1.2、1.5<f2/f<2.0，其中，f表示透镜模组的有效焦距；f1表示所述第一透镜2的有效焦距；f2表示所述第二透镜3的有效焦距。此外，可依据如下公式确定两个透镜的曲率：

1/f＝(n－1)[1/R1－1/R2+(n－1)d/nR1R2]

其中，f表示透镜模组的有效焦距，n为材料折射率，R1和R2分别是第一曲面和第二曲面的曲率，平面的曲率为无穷大，d是为透镜的厚度。

依据上述参数确定方法，通过Light Tools仿真结果求解的最优透镜参数配置以及各模块之间的位置参数。在一实施例中，10mm≤f₁≤20mm，25mm≤f₂≤35mm，12mm≤f≤30mm，3mm＜L₁＜5mm，1mm＜L₂＜5mm，20mm＜L₃＜50mm。

进一步的，本实施例中，所述第一透镜2为光焦度为正、短焦距的大数值孔径非球面透镜；所述第二透镜3为光焦度为正的短焦距非球面透镜。

为了提高光束均匀性能以及减小系统体积，第一透镜2和第一透镜3均为非球面透镜，以最大限度的消除球差。本实施例中，通过调整曲面常数和非球面系数，以修正在准直和聚焦系统中所带来的球差，且相对使用球面透镜进行校正而言，每次校正只需要一片非球面透镜就可实现多片球面透镜组合所能达到的效果。

第一透镜2用于所述侦测光的收光及会聚，由于焦距越短焦点离透镜越近,平行于主光轴的光线经过第一透镜2后出射光线偏折角度越大，即折射能力越强；同时孔径越大收光能力越好，故第一透镜2为用光焦度为正、短焦距的大数值孔径非球面透镜，优选的，本实施例中，所述第一透镜2的数值孔径大于0.7。第二透镜3选用光焦度为正的短焦距透镜实现二次聚焦及准直光束到掩膜板4上。更进一步的，本实施例中，所述第一透镜2的非球面一侧靠进LED光源1设置；所述第二透镜3的非球面一侧远离LED光源1设置；以进一步消除球差。

经过透镜模组处理后的调制光束照射至掩膜板4上，通过光透原理产生投射图案，不会发生掩膜图案的变形，同时，由于掩膜板4上设置了孔径为微米级别的掩膜图案，可有效避免明显衍射现象的发生，使得调制光束穿过掩膜板4之后，可形成清晰的投射图案。掩膜图案由透射光的透明特征和阻挡光的不透明特征组成。当小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟波长差不多时，光会发生明显的衍射现象，导致最终形成的投射图案模糊，本实施例中调制光束的波长在450nm左右，而掩膜图案的孔径在微米级别，故调制光束穿过掩膜图案后可形成清晰的投射图案。作为一优选方案，本实施例中，掩膜板4为石英镀铬掩模，它由一个融合的石英板组成，石英板的一面覆盖着一个用薄铬膜定义的图案。所述掩膜板4的透明区域透光，而所述掩膜的铬膜区域阻挡光。

本实施例中，所述主动投影模组还包括：光阑；所述光阑放置于所述第一非球面透镜与所述第二非球面透镜之间，其用于对经过所述第一非球面透镜的光束进行限制。

优选的，大视野单幅纹理主动投影模组还包括镜头5，所述掩膜图案经由所述镜头投射至被测物体表面以形成投射图案，且通过调整所述掩膜板4与所述镜头5之间的距离L4确定投射幅面大小。进一步的，本实施例中，所述镜头与所述掩膜板之间的距离L4取值为所述镜头1倍焦距至2倍焦距大小。

实际使用时，可以通过镜头5将掩膜板4上的掩膜图案投射至被测物体表面，然后由光学相机进行接收，通过算法进行三维重建，如：双目视差、图像相关法等进行三维重建。在本发明实施例中，以掩膜图案的幅面为9*9mm为例，掩膜图案通过任意镜头5投射出，当镜头5为16mm时，在2.5m处通过本发明系统的投射区域的幅面为1.40*1.40m，且照度为330lux，在4.5m处系统投射区域的幅面为2.53m*2.53m，照度为75lux，可满足各种大幅面工业上下料、拆垛及码垛等应用场景。

实施例二

本发明还公开了一种3D相机，包括如实施例一中所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组10以及两个工业相机20，所述两个工业相机20位于所述投影模组的两侧，且所述投影模组10的投射范围在两个工业相机20各自的图像采集范围之内。

如图2所示，本发明所示的一种3D相机，基于双目视差原理，左右工业相机20同时拍摄设置了投射图案的被测物，以左相机为基准，针对其各像素点，在极线方向遍历右相机图像，逐点进行相关度计算，若满足相关度匹配条件，则进行三角解算并输出空间信息。依次遍历左相机图像各特征点，则可完成整视野下的三维解算。

通过主动纹理投射技术，不依赖环境纹理特征，可获取整视野下的稠密点云。其中掩膜图案最终在被测物表面形成的投射图案如图3所示，左右工业相机拍摄图例如图4所示，其中，图4(a)为左相机接收到的掩膜图案，图4(b)为右相机接收到的掩膜图案，均具有较好的亮度。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：包括依次同轴布置的高亮LED光源、透镜模组、掩膜板；

所述LED光源用于提供侦测光；所述侦测光经所述透镜模组收光、会聚、准直、整形处理后，形成截面形状与所述掩膜板一致且截面大小略大于所述掩膜板的调制光束并照射至所述掩膜板；所述掩膜板上设有孔径为微米级别的掩膜图案，所述掩膜图案包括用于透射所述调制光束的透明特征和用于阻挡所述调制光束的不透明特征。

2.根据权利要求1所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：所述透镜模组包括第一透镜、第二透镜；所述第一透镜用于所述侦测光的收光及会聚，所述第二透镜用于将所述第一透镜收集的光束进行二次聚焦及准直，通过所述LED光源与所述第一透镜的距离L1、所述第一透镜与所述第二透镜的距离L2，所述第二透镜与所述掩膜板的距离L3、所述第一透镜曲率、所述第二透镜曲率以及所述透镜模组焦距的调整进行所述侦测光的调制，使得所述调制光束的截面大小略大于所述掩膜板且截面形状和所述掩膜板一致。

3.根据权利要求2所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：依据所述调制光束的照明区域大小与所述大视野单幅纹理主动投影模组投射幅面大小之间的比例，确定所述LED光源至所述第一透镜的距离L1、所述第一透镜与第二透镜之间的距离L2以及所述第二透镜与所述掩膜板的距离L3的大小。

4.根据权利要求2所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：所述透镜模组焦距满足以下条件：

0.7<f1/f<1.2；

1.5<f2/f<2.0；

其中，f表示透镜模组的有效焦距；f1表示所述第一透镜的有效焦距；f2表示所述第二透镜的有效焦距。

5.根据权利要求2所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：所述第一透镜为光焦度为正、短焦距的大数值孔径非球面透镜；所述第二透镜为光焦度为正的短焦距非球面透镜。

6.根据权利要求5所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：所述第一透镜的非球面一侧靠进所述LED光源设置；所述第二透镜的非球面一侧远离所述LED光源设置；

和/或，所述第一透镜的数值孔径大于0.7。

7.根据权利要求2所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：所述透镜模组还包括光阑，所述光阑放置于所述第一透镜与所述第二透镜之间，其用于对经过所述第一透镜的光束进行限制。

8.根据权利要求1所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：还包括镜头，所述掩膜图案经由所述镜头投射至被测物体表面以形成投射图案，且调整所述掩膜板与所述镜头之间的距离L4确定投射幅面大小。

9.根据权利要求1所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组，其特征在于：所述掩膜板为石英镀铬掩模板。

10.一种3D相机，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的一种大视野单幅纹理主动投影模组以及两个工业相机，所述两个工业相机位于所述投影模组的两侧，且所述投影模组的投射范围在两个工业相机各自的图像采集范围之内。

Images