CN114001673B - 编码图案投射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量技术领域，公开了一种编码图案投射器，包括依次设置的光源发射器、匀光片、准直镜、掩膜板及投射物镜；其中，光源发射器用于发射激光光束，匀光片用于接收光源发射器发射的激光光束并使激光光束沿矩形射出，准直镜用于接收由匀光片射出的激光光束并对激光光束进行准直处理，掩膜板上具有编码图案，由准直镜射出的激光光束可穿过掩膜板并形成具有编码图案的激光光束，投射物镜用于将具有编码图案的激光光束投射至待测物体表面。本发明提供的编码图案投射器用于向物体投射具有编码图案的激光光束，以得到带特定编码图案的红外图像，进而能够获取物体的三维信息，能够解决现有编码图案投射器投射图案密度及成像质量低的技术问题。

Description

编码图案投射器

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种编码图案投射器。

背景技术

随着科技和工业的发展，物体的二维信息已经不能满足人们的需求，很多领域需要对物体的三维信息进行快速并精准的测量。目前主流的三维成像技术主要有：3D结构光成像、飞行时间法成像、双目立体法成像等。其中，3D结构光成像因具备精度高、防伪性强等优势被广泛地应用于刷脸支付、安防安检等领域。

利用3D结构光技术测量物体的三维信息时，需要用到3D结构光投射器。现有3D结构光投射器主要包括两种类型：散斑结构光及编码图案结构光。其中，散斑结构光的测量精度受限于散斑点密度，不易应用于远距离测量场景；编码图案结构光的图案密度及成像质量低，测量精度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编码图案投射器，用于测量物体的三维信息，能够解决现有编码图案投射器投射图案密度及成像质量低的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种编码图案投射器，包括：

光源发射器，用于向第一侧发射激光光束；

准直镜，位于所述光源发射器的第一侧且与所述光源发射器相对设置，所述准直镜用于对所述激光光束进行准直处理；

掩膜板，位于所述准直镜的第一侧且与所述准直镜相对设置，所述掩膜板位于所述准直镜的像方焦平面上，所述掩膜板上具有可供所述激光光束穿过的编码图案，所述激光光束穿过所述掩膜板后形成具有编码图案的激光光束；

投射物镜，位于所述掩膜板的第一侧且与所述掩膜板相对设置，所述投射物镜用于将所述具有编码图案的激光光束投射至待测物体表面。

在一实施例中，所述掩膜板包括透光基板及沉积于所述透光基板表面且不透光的图案层。

在一实施例中，所述图案层为金属图案层。

在一实施例中，所述掩膜板包括遮光基板，所述遮光基板上设有用于形成所述编码图案的透光孔。

在一实施例中，所述掩膜板采用石英玻璃、有机玻璃或树脂中任意一种制成。

在一实施例中，所述编码图案投射器还包括匀光片，所述匀光片位于所述光源发射器与所述准直镜之间且与所述光源发射器相对设置，所述匀光片用于接收所述光源发射器发射的所述激光光束并使所述激光光束沿矩形射出。

在一实施例中，所述匀光片位于所述准直镜的物方焦平面上。

在一实施例中，所述匀光片采用石英玻璃、有机玻璃或塑料中任意一种制成。

在一实施例中，所述匀光片采用纳米压印工艺、电子束光刻工艺或聚焦离子束光刻工艺制成。

在一实施例中，所述光源发射器为垂直腔面发射激光器或水平腔面发射激光器。

本发明提供的编码图案投射器包括依次设置的光源发射器、准直镜、掩膜板及投射物镜，由光源发射器发出的激光光束可依次经过准直镜、掩膜板及投射物镜。其中，光源发射器发射出的激光光束具有一定的发散角，在空间中传播时沿一定角度展开。在光源发射器及掩膜板之间设置准直镜，能够改变射向掩膜板的激光光束的传播路径，使得激光光束的发散角降低并使激光光束转变为平行光束，从而能够搭配尺寸及孔径更小的掩膜板及投射物镜使用。此外，由准直镜射出的激光光束密度较高、能量更加集中，且掩膜板设置于准直镜的像方焦平面上，能够形成远心光路，从而可搭配编码图案更加复杂的掩膜板使用，这样，通过提高掩膜板上编码图案的复杂性，还能进一步减小掩膜板射出激光光束的发散角并进一步提高激光光束的均匀性，从而还能够搭配分辨率更高的投射物镜使用，进而能够提高投射于待测物体上的编码图案的密度及成像质量，提高检测精准度。此外，掩膜板制作简单，利用掩膜板制作编码图案，不会引入额外畸变，从而还可降低整个系统的激光光束的畸变程度，进一步提高检测精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为实施例一提供的编码图案投射器的结构示意图；

图2为实施例二提供的编码图案投射器的结构示意图；

图3为现有编码图案投射器投射的光斑图及红外相机的取景图；

图4为图2所示编码图案投射器投射的光斑图及红外相机的取景图。

主要元件符号说明：

100、编码图案投射器；

1、光源发射器；2、匀光片；3、准直镜；4、掩膜板；5、投射物镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以是直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述，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，因此不能理解为对专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提供了一种编码图案投射器，用于向物体投射具有编码图案的激光光束，以得到带特定编码图案的红外图像，进而能够获取物体的三维信息。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的编码图案投射器100包括光源发射器1、准直镜3、掩膜板4及投射物镜5。光源发射器1用于向第一侧(光源发射器1的一侧)发射激光光束(如图1中箭头所示)。准直镜3位于光源发射器1的第一侧且与光源发射器1相对设置，准直镜3用于接收光源发射器1发射的激光光束并对激光光束进行准直处理，以使激光光束变为准直平行光束后向准直镜3的第一侧射出。掩膜板4位于准直镜3的第一侧且与准直镜3相对设置，掩膜板4位于准直镜3的像方焦平面上，掩膜板4上具有可供激光光束穿过的编码图案，由准直镜3射出的激光光束可穿过掩膜板4并形成具有编码图案的激光光束。投射物镜5位于掩膜板4的第一侧且与掩膜板4相对设置，投射物镜5具有放大效果，投射物镜5用于将具有编码图案的激光光束投射至待测物体表面，即向待测物体表面投射3D结构光。其中，利用上述编码图案投射器100测量物体的三维信息时，待测物体设置于编码图案投射器100的第一侧。

本发明提供的编码图案投射器100包括依次设置的光源发射器1、准直镜3、掩膜板4及投射物镜5，由光源发射器1发出的激光光束可依次经过准直镜3、掩膜板4及投射物镜5。其中，光源发射器1发射出的激光光束具有一定的发散角，在空间中传播时沿一定角度展开。在光源发射器1及掩膜板4之间设置准直镜3，能够改变射向掩膜板4的激光光束的传播路径，使得激光光束的发散角降低并使激光光束转变为平行光束，从而能够搭配尺寸及孔径更小的掩膜板4及投射物镜5使用。此外，由准直镜3射出的激光光束密度较高、能量更加集中，且掩膜板4设置于准直镜3的像方焦平面上，能够形成远心光路，从而可搭配编码图案更加复杂、极限线宽较小的掩膜板4使用，这样，通过提高掩膜板4上编码图案的复杂性，还能进一步减小掩膜板4射出激光光束的发散角并进一步提高激光光束的均匀性，从而还能够搭配分辨率更高的投射物镜5使用，进而能够提高投射于待测物体上的编码图案的密度及成像质量，提高检测精准度。此外，掩膜板4制作简单，利用掩膜板4制作编码图案，不会引入额外畸变，从而还可降低整个系统的激光光束的畸变程度，进一步提高检测精准度。

需要说明的是，掩膜板4设置于准直镜3的像方焦平面上，形成远心光路，使得掩膜板4具备视场光阑的作用，从而能够调整不同位置处射出激光光束4的发散角大小，使得由掩膜板4射出的边缘激光光束的发散角与中心激光光束的发散角保持一致，从而能够提高4射出激光光束的均匀性，同时能够避免激光光束出现畸变问题。

准直镜3的准直效果受距离影响，在一实施例中，为确保准直镜3的使用效果，如图1所示，光源发射器1位于准直镜3的物方焦平面上，以确保激光光束可转变为平行激光光束射出。

进一步地，投射物镜5与掩膜板4间间距可调。通过调整投射物镜5与掩膜板4间的间距，能够提高编码图案投射器100投射于某一特定位置待测物体上的编码图案的成像质量，其中，投射物镜5的设置位置及与掩膜板4之间的间距可根据实际投射面与编码图案投射器100之间的距离进行调整，在此不作限定。

在一实施例中，掩膜板4包括透光基板及沉积于透光基板表面且不透光的图案层，透光基板上未覆盖金属图案层的区域形成编码图案。平行激光光束照射到掩膜板4上时，射向透光区域的光束可形成与编码图案形状一致的激光光束射出，射向图案层的光束被吸收或反射。

进一步地，图案层可以为金属图案层。金属图案层反射率高，遮光效果好。可选地，金属图案层的材料可以为铝或钼。

进一步地，为提高掩膜板4上编码图案的精度以及激光光束的成像质量，可采用微纳技工工艺制备掩膜板4。微纳加工工艺精度较高，可制作出较为复杂的编码图案。

在一实施例中，掩膜板4包括遮光基板，遮光基板上设有用于形成编码图案的透光孔。平行激光光束照射到掩膜板4上时，射向透光孔区域的光束可形成与编码图案一致的激光光束射出，射向遮光基板遮光区域的光束被吸收或反射。

在一实施例中，掩膜板4的基板采用石英玻璃制成。石英玻璃均匀性好，耐高温，滤光性能好。此外，透明石英玻璃透过率高，光学性能好，利用石英玻璃制备掩膜板4，能够确保激光光束的成像质量。

在一实施例中，掩膜板4的基板采用有机玻璃制成。有机玻璃强度高，安全性强，不易损坏。此外，透明有机玻璃光透过率高，光学性能好，利用有机玻璃制备掩膜板4，能够确保激光光束的成像质量。

在一实施例中，掩膜板4的基板采用树脂制成。树脂可塑性强，耐高低温，抗老化，使用寿命长。此外，透明树脂透过率高，光学性能好，利用树脂制备掩膜板4，能够确保激光光束的成像质量。

在一实施例中，光源发射器1为垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器集高输出功率、高转换率和高质量激光光束等优点于一体，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全面占优。

在一实施例中，光源发射器1为水平腔面发射激光器。水平腔面发射激光器集高峰值功率、高光场利用率和长激光波段等优点于一体，可发射高质量激光光束，制造成本低，性能稳定。

可以理解，光源发射器1包括但不限于上述两种，具体可根据使用场景及使用需求进行设计，在此不作限定。

综上，本实施例提供的编码图案投射器100，在光源发射器1及掩膜板4之间设置准直镜3，能够优化激光光束的传播路径、提高激光光束的均匀性、提高激光光束的密度并使激光光束能量集中，从而可搭配编码图案更加复杂、极限线宽较小的掩膜板4及分辨率更高的投射物镜5使用，进而能够提高投射于待测物体上的编码图案的密度及成像质量，提高检测精准度。进一步地，通过调整光源发射器1与准直镜3间的位置关系，可进一步优化准直镜3的准直效果，从而能够进一步提高投射于待测物体上的编码图案的密度及成像质量，提高检测精度。进一步地，掩膜板4制作简单，利用掩膜板4制作编码图案，不会引入额外畸变，从而还可降低整个系统的激光光束的畸变程度，进一步提高检测精准度。

实施例二：

如图2所示，本实施例提供的编码图案投射器100包括光源发射器1、匀光片2、准直镜3、掩膜板4及投射物镜5。光源发射器1用于向第一侧发射激光光束。匀光片2位于光源发射器1的第一侧且与光源发射器1相对设置，匀光片2用于接收光源发射器1发射的激光光束并使激光光束沿矩形射出，即经过匀光片2后的激光光束可形成均匀的矩形光斑。准直镜3位于匀光片2的第一侧且与匀光片2及光源发射器1相对设置，准直镜3用于接收由匀光片2射出的激光光束并对激光光束进行准直处理，以使激光光束变为准直平行光束后向准直镜3的第一侧射出。掩膜板4位于准直镜3的第一侧且与准直镜3相对设置，掩膜板4上具有可供激光光束穿过的编码图案，由准直镜3射出的激光光束可穿过掩膜板4并形成具有编码图案的激光光束。投射物镜5位于掩膜板4的第一侧且与掩膜板4相对设置，投射物镜5具有放大效果，投射物镜5用于将具有编码图案的激光光束投射至待测物体表面。其中，利用上述编码图案投射器100测量物体的三维信息时，待测物体设置于编码图案投射器100的第一侧。

上述编码图案投射器100实际应用时，需要搭配红外相机使用。具体地，利用编码图案投射器100向待测物体投射激光光束后，还需要依靠红外相机获得带物体结构特征的光斑图，然后对此带结构特征的光斑图进行分析，依据三角测量原理最终得到物体的三维信息。现有红外相机取景框多为矩形，从而利用红外相机采集光斑图时，仅能采集某一矩形范围内的光斑。

如图3所示，A所示为现有技术中编码图案投射器投射出的光斑示意图，B所示为红外相机采集到的光斑图。如2和图4所示，C所示为本实施例提供的编码图案投射器100投射出的光斑示意图，D所示为红外相机采集到的光斑图。可以理解，经匀光片2调整后的激光光束投射在待测物体上，光斑覆盖区域为矩形，这样，利用红外相机采集光斑图时，编码图案投射器100发出的光斑更多地落在了接收相机取景框内，提高了光斑利用率。

本发明提供的编码图案投射器100包括依次设置的光源发射器1、匀光片2、准直镜3、掩膜板4及投射物镜5，由光源发射器1发出的激光光束可依次经过匀光片2、准直镜3、掩膜板4及投射物镜5。其中，光源发射器1发射出的激光光束具有一定的发散角，在空间中传播时沿圆形射出。在光源发射器1的第一侧设置具有微结构的匀光片2，可改变激光光束的传播路径，使得激光光束沿矩形射出并沿矩形投射至待测物体表面，与接收相机的取景框的形状匹配度高，从而能够提高检测过程中光斑采集率及利用率，提高检测精准度。进一步地，在匀光片2与掩膜板4之间设置准直镜3，能够改变射向掩膜板4的激光光束的传播路径，使得激光光束的发散角降低并使激光光束转变为平行光束，从而能够搭配尺寸及孔径更小的掩膜板4及投射物镜5使用，便于减小编码图案投射器100的整体尺寸。进一步地，由准直镜3射出的激光光束密度较高、能量更加集中，且掩膜板4设置于准直镜3的像方焦平面上，能够形成远心光路，从而可搭配编码图案更加复杂、极限线宽较小的掩膜板4使用，这样，通过提高掩膜板4上编码图案的复杂性，还能进一步减小掩膜板4射出激光光束的发散角并进一步提高激光光束的均匀性，从而还能够搭配分辨率更高的投射物镜5使用，进而能够提高投射于待测物体上的编码图案的密度及成像质量，提高检测精准度。此外，掩膜板4制作简单，利用掩膜板4制作编码图案，不会引入额外畸变，从而还可降低整个系统的激光光束的畸变程度，进一步提高检测精准度。需要说明的是，匀光片2作为先进的光束整形器，不仅能够调整激光光束射出光斑的形状，还能均化输入激光光束，提高输出激光光束的均匀性及光束质量，从而能够提高投射于待测物体上的编码图案的成像质量，提高检测精准度。此外，匀光片2设置于光源发射器1与准直镜3之间，可增大光源发射器1与准直镜3之间的激光光束的发散角，从而设置匀光片2后还能够缩短激光光源与准直镜3之间的间距，减小编码图案投射器100的整体尺寸。

准直镜3的准直效果受距离影响，在一实施例中，为确保准直镜3的使用效果，匀光片2位于准直镜3的物方焦平面上，以确保激光光束可转变为平行激光光束射出。

可以理解，本发明提供的编码图案投射器100，光源发射器1与准直镜3间设有匀光片2时，匀光片2位于准直镜3的物方焦平面上；光源发射器1与准直镜3间未设置匀光片2时，光源发射器1位于准直镜3的物方焦平面上。

进一步地，为缩小编码图案投射器100的整体尺寸，可选用焦距较短的准直镜3，这样，在较短的距离内，即可完成激光光束的发散角调节，同时，射出光斑密度均匀、大小符合要求，编码图案投射器100整体尺寸较小。

在一实施例中，匀光片2采用石英玻璃制成。石英玻璃均匀性好，耐高温，滤光性能好。此外，透明石英玻璃透过率高，光学性能好，利用石英玻璃制备匀光片2，能够确保激光光束的成像质量。

在一实施例中，匀光片2采用有机玻璃制成。有机玻璃强度高，安全性强，不易损坏。此外，透明有机玻璃光透过率高，光学性能好，利用有机玻璃制备匀光片2，能够确保激光光束的成像质量。

在一实施例中，匀光片2采用塑料材质制成。塑料材质质量轻，耐冲击及耐磨性能好，使用寿命长。此外，透明塑料材质透过率高，光学性能好，使用塑料材质制备匀光片2，能够确保激光光束的成像质量。

在一实施例中，匀光片2采用纳米压印工艺制成。纳米压印工艺使用机械手段进行图案转移，具有超高分辨率、低成本、一致性高等优点，利用纳米压印工艺可制备出分辨率高、光学性能好的匀光片2。

在一实施例中，匀光片2采用电子束光刻工艺制成。电子束光刻工艺是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图案的技术，具有分辨率高、图形产生与修改容易、制作周期短等优点，利用电子束光刻工艺可制备出分辨率高、光学性能好的匀光片2。

在一实施例中，匀光片2采用聚焦离子束光刻工艺制成。聚焦离子束光刻工艺具有分辨率高、对产品材质要求低、定位准的个优点，利用聚焦离子束光刻工艺可制备出分辨率高、光学性能好的匀光片2。

综上，本实施例提供的编码图案投射器100，在光源的第一侧设置匀光片2，能够改变激光光束的传播路径，使得激光光束沿矩形射出并沿矩形投射至待测物体表面，与接收相机的取景框的形状匹配度高，从而能够提高检测过程中光斑采集率及利用率，提高检测精准度；此外，利用匀光片2还能够提高输出激光光束的均匀性，从而能够提高投射于待测物体上的编码图案的成像质量，进一步提高检测精准度。进一步地，在匀光片2及掩膜板4之间设置准直镜3，能够优化激光光束的传播路径、提高激光光束的均匀性、提高激光光束的密度并使激光光束能量集中，从而可搭配编码图案更加复杂、极限线宽较小的掩膜板4及分辨率更高的投射物镜5使用，进而能够提高投射于待测物体上的编码图案的密度及成像质量，提高检测精准度。进一步地，通过调整匀光片2、准直镜3与掩膜板4之间的位置关系，可提高掩膜板4射出激光光束的均匀性，同时能够避免激光光束出现畸变问题，提高检测精准度。进一步地，掩膜板4制作简单，利用掩膜板4制作编码图案，不会引入额外畸变，从而还可降低整个系统的激光光束的畸变程度，进一步提高检测精准度。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种编码图案投射器，其特征在于，包括：

光源发射器，用于向第一侧发射激光光束；

准直镜，位于所述光源发射器的第一侧且与所述光源发射器相对设置，所述准直镜用于对所述激光光束进行准直处理；

匀光片，位于所述光源发射器与所述准直镜之间且与所述光源发射器相对设置，所述匀光片位于所述准直镜的物方焦平面上，所述匀光片用于接收所述光源发射器发射的所述激光光束并使所述激光光束沿矩形以大于所述光源发射器的激光光束发散角射出；

掩膜板，位于所述准直镜的第一侧且与所述准直镜相对设置，所述掩膜板位于所述准直镜的像方焦平面上，所述掩膜板上具有可供所述激光光束穿过的编码图案，所述激光光束穿过所述掩膜板后形成具有编码图案的激光光束，所述掩膜板还具有视场光阑的作用，以使得由所述掩膜板射出的边缘激光光束的发散角与中心激光光束的发散角一致；

投射物镜，位于所述掩膜板的第一侧且与所述掩膜板相对设置，所述投射物镜用于将所述具有编码图案的激光光束投射至待测物体表面。

2.根据权利要求1所述的编码图案投射器，其特征在于，所述掩膜板包括透光基板及沉积于所述透光基板表面且不透光的图案层。

3.根据权利要求2所述的编码图案投射器，其特征在于，所述图案层为金属图案层。

4.根据权利要求1所述的编码图案投射器，其特征在于，所述掩膜板包括遮光基板，所述遮光基板上设有用于形成所述编码图案的透光孔。

5.根据权利要求1所述的编码图案投射器，其特征在于，所述掩膜板采用石英玻璃、有机玻璃或树脂中任意一种制成。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的编码图案投射器，其特征在于，所述匀光片采用石英玻璃、有机玻璃或塑料中任意一种制成。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的编码图案投射器，其特征在于，所述匀光片采用纳米压印工艺、电子束光刻工艺或聚焦离子束光刻工艺制成。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的编码图案投射器，其特征在于，所述光源发射器为垂直腔面发射激光器或水平腔面发射激光器。