CN112930468B - 三维测量设备 - Google Patents

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Abstract

一种三维测量设备，包括照明系统(I)和成像系统(II)；照明系统包括沿着照明光路的光源(8)、光束整形装置(8)、图案调制装置(6)和投影镜头(2)。图案调制装置用于形成编码图案，光束整形装置用于将光源发出的光正形成近平行光，投影镜头用于将编码图案透射到目标物体上。成像系统包括沿着成像光路的成像镜头(3)、第一分光系统(12,13)、以及包括N个图像传感器(9,10,11)的图像传感器组。第一分光系统用于将成像镜头接收到的投射到目标物体上的编码图案传输到图像传感器组的N个图像传感器形成图像信号。由此获得结构紧凑的、能实现单帧多光谱测量的三维测量设备。

Description

三维测量设备
技术领域
本发明涉及测量设备，尤其涉及一种三维测量设备。
背景技术
近些年来，基于光学的三维测量技术得到了较为快速的发展，在光学器件、机械设备、测量数据处理算法等多个技术路线上都有所突破，也出现了包括结构光视觉测量、相移测量(PMP)、共焦扫描、数字散斑等多种已经成熟或逐步成熟的测量技术，使得三维测量被广泛的应用到工业、制造业、甚至日常生活的多个领域中。示例性的，有些设备适用于大中型物体的测量，有些设备适用于小微型物体的测量；有些设备要求具有极高的测量精度，有些设备要求具有一般的测量精度；有些设备适用于在开阔空间的测量，有些设备适用于狭窄的空腔或通道空间内测量；有些设备在完成三维测量的同时，还需要呈现彩色纹理信息等附加功能等等。目前，上述示例性的具有不同适用范围的三维测量设备几乎都是独立的专用设备，为了实现不同的测量要求，需要制造不同的专用的三维测量设备，使得设备的设计和制造的成本都较高。
此外，单帧(多光谱)测量的编码方式和设备实现方式已经存在现有技术，可以分别参见CN108038898A号专利(发明名称：一种单帧二值结构光编解码方法)和CN104634323B号专利(发明名称：一种多级摄像三维照相系统及方法)。但是主流的普兰梅卡，锐科等公司仍然多是采用多帧分时实现三维点云，形成三维测量数据的效率较低。
为此，希望提供一种结构简单紧凑的能够实现单帧(多光谱)测量的三维测量设备；还希望提供一种具有易于扩展的模块化的三维测量设备，从而易于制造成适用于多种测量要求的三维测量设备。
发明内容
为此，本发明提供了一种三维测量设备，包括照明系统(I)和成像系统(II)；所述照明系统(I)包括沿着照明光路的光源(8)、光束整形装置(7)、图案调制装置(6)和投影镜头(2)；所述图案调制装置(6)用于形成编码图案，所述光束整形装置(7)用于将光源(8)发出的光整形成近平行光，所述投影镜头(2)用于将编码图案投射到目标物体上；所述成像系统(II)包括沿着成像光路的成像镜头(3)、第一分光系统，以及包括N个图像传感器的图像传感器组；所述第一分光系统用于将成像镜头(3)接收到的投射到目标物体上的编码图案传输到图像传感器组的N个图像传感器形成N个图像信号。
附图说明
图1是本发明提供的三维测量设备的第一实施例的一种结构图；
图2是本发明提供的三维测量设备的第一实施例的另一种结构图，其中包括但没有画出照明装置(14)。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的第一实施例提供了一种三维测量设备，与现有技术类似，本发明的三维测量设备也包括照明系统(I)和成像系统(II)。
该实施例中，照明系统(I)包括沿着照明光路的光源(8)、光束整形装置(7)、图案调制装置(6)和投影镜头(2)。光束整形装置(7)用于将光源(8)发出的光整形成均匀的近平行光；该实施例中，近平行光的含义包括平行光，以及虽然不完全平行，但是仅存在工业误差允许的平行光。通过光束整形装置(7)，能够把光源发出的发散的光束整形成均匀的近平行光以提高光源利用率。图案调制装置(6)用于形成编码图案，即近平行光在通过或照射到图案调整装置(6)上时，能够形成编码图案。投影镜头(2)用于将图案调制装置(6)形成的编码图案投射到目标物体(1)上。
根据该实施例，光源(8)为N色光源，N＝1或N>1。
根据该实施例的一种可选方式，当N＝1时，光源(8)实质上为单色光源，可以物理上包括单色LED或单色激光。对应的，图案调制装置(6)为单光谱图案调制装置，可以物理上包括光栅、DMD、投影图案底片、或衍射光学元件。
根据该实施例的一种优选方式，当N>1时，光源(8)为合光光源，可以物理上包括白光光源、RGB光源(即光源有RGB三种颜色的光合光而成)、N个单色LED的合光光源或者N个单色激光的合光光源。对应的，图案调制装置(6)为多光谱图案调制装置，可以物理上包括光栅、DMD、投影图案底片。进一步的，当光源(8)包括N个单色LED或者单色激光的合光光源时，图案调制装置(6)为N光谱图案调制装置。
该实施例中，光束整形装置(7)与光源(8)配合使用，可以实现为现有技术中的任何能够将光束整形为平行光的装置。优选的，当光源(8)包括LED光源(例如单色LED光源或LED合光光源)时，光束整形装置(7)可以包括准直元件；当光源(8)包括激光光源(例如单色激光光源或激光合光光源)时，光束整形装置(7)可以包括准直元件和消散元件。前述准直元件用于将光源的发出的光整形为近平行光，可以物理实现为透镜或衍射光学元件。前述消散元件用于消除激光光源发出的光的相干性，使得近平行光沿着照明光路空间分布均匀，可选的物理实现为静态匀化片或电机驱动的动态匀化片(匀化轮)。
根据该实施例，成像系统(II)包括沿着成像光路的成像镜头(3)、第一分光系统，以及包括N个图像传感器的图像传感器组。第一分光系统用于将成像镜头(3)接收到的投射到目标物体(1)上的编码图案传输到图像传感器组的N个图像传感器形成N个图像信号。
根据该实施例的一种可选方式，当N＝1时，第一分光系统可以不使用，即不必分光，同时图像传感器组退化为1个图像传感器。
根据该实施例的另一种可选方式，当N>1时，第一分光系统包括位于成像光路上的N-1个分光镜。例如，当N＝2时，第一分光系统实现为成像光路上的分光镜。
根据该实施例的一种优选方式，当N>2时，第一分光系统中的N-1个分光镜相互平行或者交替垂直；N个图像传感器中的一个位于成像光路上，其他N-1个位于成像光路的同侧或者交替位于成像光路两侧的N-1个分光镜的反射光路上。根据该实施例，分光镜均采用光谱分光镜，即在分光面上，允许特定波长的光谱反射，其余波长的光谱透射。
如图1所示，该实施例的N＝3的优选方式中，第一分光系统包括位于成像光路上的相互垂直的第一分光镜(12)和第二分光镜(13)，图像传感器组包括3个图像传感器，分别是第一图像传感器(9)、第二图像传感器(10)、第三图像传感器(11)。
根据该实施例，图像传感器可以包括彩色图像传感器或者黑白图像传感器。但优选的实现为黑白图像传感器。进一步的，每个黑白图像传感器前置对应于合光光源(8)中的单色光光谱的滤光片，从而使得图像传感器能够获得合光光源(8)中对应的单色光的成像信息。
根据该实施例中，被投影镜头(2)投射出的带有编码图案的光束照亮的目标物体(1)，通过成像镜头(3)，沿着成像光路，通过第一、二分光镜(12)(13)，被照亮的目标物体(1)的图像信号被分别传输到第一、二、三图像传感器(9)(10)(11)上。这样，投射到目标物体(1)上的编码图案信息均被获取。通过对这些图像的解析处理即可获取目标物体(1)的三维数据。
如图2所示，该实施例的N＝3的优选方式中，第一分光系统包括位于成像光路上的棱镜(21)，即将第一分光镜(12)和第二分光镜(13)替换为棱镜(21)。这样，被投影镜头(2)投射出的带有编码图案的光束照亮的目标物体(1)，通过成像镜头(3)，沿着成像光路，通过棱镜(21)分光，被照亮的目标物体(1)的图像信号被分别传输到第一、二、三图像传感器(9)(10)(11)上。这样，投射到目标物体(1)上的编码图案信息均被获取。通过对这些图像的解析处理即可获取目标物体(1)的三维数据。
根据本发明的第一实施例，可选的，如图1所示，三维测量设备还包括用于照亮目标物体(1)的照明装置(14)。优选的，所述照明装置(14)包括单色白光LED光源、或单色RGB分时光源。根据该实施例的一种实现方式，照明装置(14)物理实现为包括多个均匀分布的LED，能够直接照亮目标物体(1)。另一种实现方式中，照明装置(14)包括LED和能够将LED发出的光传导到目标物体(1)的光纤和/或透镜。这样，在照明装置(14)的照射下，通过第一、二、三图像传感器(9)(10)(11)，能够分别获得目标物体(1)的RGB颜色，从而合成出目标物体(1)的彩色纹理图像。进一步的，结合获取的目标物体(1)的三维数据，能够获得目标物体(1)的彩色三维数据。
根据本发明的第一实施例，可选的，如图1所示，三维测量设备的照明系统(I)还包括纹理图像传感器(4)和第二分光系统，所述第二分光系统位于所述照明光路上，且能够使得所述纹理图像传感器获得所述目标物体(1)的表面图像信号。可选的，第二分光系统包括如图1所示的纹理分光镜(5)或者如图2所示的纹理棱镜(22)，所述纹理图像传感器(4)位于所述分光镜(5)的反射光路上，或者位于所述纹理棱镜(22)的反射光路上。这样，能够方便的通过纹理图像传感器(4)观察到目标物体(1)的表面情况。根据该实施例，优选的，纹理图像传感器包括彩色图像传感器，用于获得目标物体(1)的表面彩色图像信号。这样，在观察目标物体的基础上，纹理图像传感器(4)还能够获得目标物体(1)的彩色纹理图像，进一步的，结合获取的目标物体(1)的三维数据，也能够获得目标物体(1)的彩色三维数据。如前所述，纹理分光镜(5)可以为受电压控制的分光镜，也可以通过镀分光膜实现。纹理分光镜(5)的透射光线要远大于反射光线，从而保证三维数据的获取准确性和效率；优选的，纹理分光镜(5)中透射光线不低于全部光线的70％，反射光线不高于全部光线的30％。
根据本发明的第二实施例，提供一种三维测量设备，其中可以采用如图1或图2的照明系统(I)中的纹理图像传感器(4)和成像系统(II)中的图像传感器组作为三维测量系统的双目，使用照明装置(14)照亮目标物体(1)，从而基于双目立体成像原理获取目标物体(1)的三维数据。
根据本发明的第三实施例，采用如图1或图2所示的两组照明系统(Ⅰ)和一组成像系统(Ⅱ)组成两投影一接收的三维测量系统。具体的，三维测量系统包括第一照明系统、第二照明系统和成像系统，从而获得目标物体(1)的三维数据。
根据本发明的第四实施例，采用如图1或图2所示的一组照明系统(Ⅰ)和两组成像系统(Ⅱ)组成一投影两接收的三维测量系统。具体的，三维测量系统包括照明系统、第一成像系统和第二成像系统，从而获得目标物体(1)的三维数据。
通过第二、三、四实施例可知，在本发明第一实施例的技术上，能够很方便的扩展制造符合其他测量需求的三维测量设备。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种三维测量设备，包括照明系统（I）和成像系统（II）；其特征在于，所述照明系统（I）包括沿着照明光路的光源（8）、光束整形装置（7）、图案调制装置（6）和投影镜头（2）；所述图案调制装置（6）为N光谱图案调制装置，用于形成包括N个光谱通道的编码图案，所述光束整形装置（7）用于将光源（8）发出的光整形成近平行光，所述投影镜头（2）用于将编码图案投射到目标物体上；
所述成像系统（II）包括沿着成像光路的成像镜头（3）、第一分光系统，以及包括N个图像传感器的图像传感器组；所述第一分光系统用于将成像镜头（3）接收到的投射到目标物体（1）上的编码图案传输到图像传感器组的N个图像传感器形成N个图像信号；
还包括用于照亮目标物体（1）的照明装置（14）；
所述照明系统（I）还包括纹理图像传感器（4）和第二分光系统，所述第二分光系统位于所述照明光路上，且能够使得所述纹理图像传感器（4）获得所述目标物体的表面图像信号。
2.根据权利要求1所述的三维测量设备，其特征在于，所述第一分光系统包括位于成像光路上的N-1个分光镜，所述N-1个分光镜相互平行或者交替垂直；所述N个图像传感器中的一个位于成像光路上，其他N-1个位于成像光路的同侧或者交替位于成像光路两侧的N-1个分光镜的反射光路上。
3.根据权利要求2所述的三维测量设备，其特征在于，N=3；所述图像传感器组包括第一图像传感器（9）、第二图像传感器（10）、第三图像传感器（11）；所述分光系统包括位于成像光路上的第一分光镜（12）和第二分光镜（13）；优选的，图像传感器为黑白图像传感器。
4.根据权利要求3所述的三维测量设备，其特征在于，所述第一图像传感器（9）位于所述第一分光镜（12）的反射光路上，所述第二图像传感器（10）位于第二分光镜（13）的反射光路上，所述第三图像传感器（11）位于所述第一分光镜（12）和第二分光镜（13）的透射光路上。
5.根据权利要求1所述的三维测量设备，其特征在于，第一分光系统包括位于成像光路上的棱镜（21），通过所述棱镜（21）分光，被照亮的目标物体（1）的图像信号被分别传输到第一图像传感器（9）、第二图像传感器（10）和第三图像传感器（11）上。
6.根据权利要求1所述的三维测量设备，其特征在于，所述第二分光系统包括纹理分光镜（5）或者纹理棱镜（22），所述纹理图像传感器（4）位于所述纹理分光镜（5）或者所述纹理棱镜（22）的反射光路上。
7.一种包括1-6之任一所述的三维测量设备的测量系统，其特征在于，还包括与照明系统（I）相同的第二照明系统。
8.一种包括1-6之任一所述的三维测量设备的测量系统，其特征在于，还包括与成像系统（II）相同的第二成像系统。
9.根据权利要求1-6之任一所述的三维测量设备，其特征在于，所述光源（8）包括N个单色LED的合光光源，所述光束整形装置（7）包括准直元件，所述准直元件用于将LED光源的发出的光整形为近平行光。
10.根据权利要求1-6之任一所述的三维测量设备，其特征在于，所述光源（8）包括N个单色激光的合光光源，所述光束整形装置（7）包括准直元件和消散元件，所述准直元件用于将激光光源的发出的光整形为近平行光，所述消散元件用于消除激光光源发出的光的相干性。
11.根据权利要求3-5之任一所述的三维测量设备，其特征在于，所述光源（8）包括白光光源。
12.根据权利要求11所述的三维测量设备，其特征在于，所述照明装置（14）包括白光LED光源、或单色RGB分时光源，所述白光LED光源包括多个均匀分布的白光LED，或者，包括多个均匀分布的白光LED和能够将LED发出的光传导到目标物体的光纤和/或透镜；所述单色RGB分时光源包括单色RGB分时光源，或者，包括RGB分时光源和能够将RGB分时光源发出的光传导到目标物体的光纤和/或透镜。
13.根据权利要求12所述的三维测量设备，其特征在于，所述第一图像传感器（9）、所述第二图像传感器（10）和所述第三图像传感器（11），能够在第一时间获取投射到目标物体（1）上的用于解析三维数据的编码图案信息，在第二时间分别获得能够合成出目标物体（1）上的彩色纹理图像的RGB颜色。
14.根据权利要求1-6之任一所述的三维测量设备，其特征在于，所述图案调制装置（6）包括光栅、DMD、图案底片、或衍射光学元件。
15.根据权利要求1所述的三维测量设备，其特征在于，N=1，且所述成像系统（II）不包括第一分光系统。
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