CN114111626B - 一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统，该装置包括光源，用于发射平行光；投影件，沿第一光路设置于光源的后方，用于将平行光变为编码结构光；半透半反镜片，沿第一光路设置于投影件的后方并与投影件形成设定夹角，以用于反射或透射编码结构光；主透镜组，沿第一光路设置于半透半反镜片的后方，以用于沿第一光路透射编码结构光，以照射在待测量物体上，还用于沿第二光路透射编码结构光，以使编码结构光在第二光路上到达待测量物体的中继像位置；二次成像装置，沿第二光路设置于中继像位置的后方，并与待测量物体的中继像为物像关系，以用于对中继像进行二次成像。利用该光场相机三维测量装置能够提高远距离三维测量的精度。

Description

一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统。

背景技术

基于三角法的光学三维成像技术由于非接触，测量速度快，高测量精度的优势和广大的应用前景，成为计算机视觉领域的重要研究方向。

但是受限于光学三角法的原理，其测量精度与成像光轴和投影光轴之间的夹角有关，因此当被测物体距离传感器较远时，要想实现高精度测量，测量仪器的体积会非常大；而有时测量会受到空间环境的限制，如测量一个深孔底部的形貌，投影光轴与成像光轴之间无法形成夹角，测量将无法进行。

发明内容

本发明提供一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统，以解决现有技术中无法对测量距离远的物体和在受限空间中进行高精度三维形貌测量的问题。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

本发明技术方案的第一方面，提供一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置，包括：

光源，用于发射平行光；

投影件，沿第一光路设置于所述光源的后方，用于将所述平行光变为编码结构光；

半透半反镜片，沿所述第一光路设置于所述投影件的后方，所述半透半反镜片与所述投影件形成设定夹角，以用于反射或透射所述编码结构光；

主透镜组，沿所述第一光路设置于所述半透半反镜片的后方，以用于沿所述第一光路透射所述编码结构光，以照射在待测量物体上，还用于沿第二光路透射所述编码结构光，以使所述编码结构光在第二光路上到达所述待测量物体的中继像位置；

二次成像装置，沿所述第二光路设置于所述中继像位置的后方，且所述二次成像装置与所述投影件位于所述半透半反镜片的不同侧，所述二次成像装置与所述待测量物体的中继像为物像关系，以用于对所述待测量物体的中继像进行二次成像。

进一步地，所述光源包括点光源和准直透镜，所述准直透镜沿所述点光源的主光轴方向设置于所述光源的后方；

或，所述光源为平行光源。

进一步地，所述投影件为投影光栅、LCD、DMD、LCOS中的一种。

进一步地，所述二次成像装置包括微透镜阵列和CCD感光芯片，所述微透镜阵列沿所述第二光路设置于所述中继像位置的后方，所述CCD感光芯片设置于所述微透镜阵列的远离所述半透半反镜片的一侧。

进一步地，所述二次成像装置包括三角棱镜、成像透镜组和CCD感光芯片，所述三角棱镜沿所述第二光路设置于所述中继像位置的后方，所述成像透镜组沿所述第二光路设置于所述三角棱镜的后方，所述CCD感光芯片沿所述第二光路设置于所述成像透镜组的后方。

进一步地，所述主透镜组包括多个沿所述第一光路间隔设置的主透镜，相邻两个所述主透镜之间的距离可调，以用于调节焦距。

进一步地，还包括散热组件，所述散热组件设置于所述光源处，以用于对所述光源进行散热。

进一步地，所述投影件的尺寸与所述二次成像装置的成像尺寸相对应。

进一步地，所述设定夹角的角度为45°。

本发明技术方案的第二方面，提供一种基于同轴投影的光场相机三维测量系统，包括上述光场相机三维测量装置。

本发明与现有技术相比，有益效果如下：

本发明技术方案的基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统，具体使用时，首先通过光源沿第一光路发射平行光线，平行光线经过投影件后会变为编码结构光；然后，编码结构光继续沿第一光路传输，直至编码结构光照射在半透半反镜片上后，一部分编码结构光会沿第一光路被反射到主透镜组处；再然后，这一部分编码结构光会透过该主透镜组，并照射在待测量物体上；再然后，照射在待测量物体上的编码结构光会发生漫反射，从而使得部分编码结构光会沿第二光路再次反射到主透镜组处；再然后，沿第二光路返回的编码结构光依次透过主透镜组和半透半反镜片后，传输到半透半反镜片后方的中继像位置；再然后，编码结构光继续传输至二次成像装置处，从而对待测量物体的中继像进行二次成像。由此，在对待测量物体进行测量时，先将待测量物体拉近至中继像位置，然后，对待测量物体所形成的中继像进行二次成像，最后，通过光场重建原理重建中继像的三维形貌，并通过中继像与待测量物体的比例关系即可恢复待测量物体的形貌。利用该光场相机三维测量装置能够极大地提高测量精度，适用于在测量距离较远和在受限空间的环境下进行高精度三维形貌测量。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于同轴投影的光场相机三维测量装置的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的基于同轴投影的光场相机三维测量装置的结构示意图；

图3是本发明第三实施例提供的基于同轴投影的光场相机三维测量装置的结构示意图。

在附图中，各附图标记表示：

1、光源；11、点光源；12、准直透镜；2、投影件；3、半透半反镜片；4、主透镜组；41、主透镜；5、二次成像装置；51、微透镜阵列；52、CCD感光芯片；53、三角棱镜；54、成像透镜组；10、待测量物体；20、中继像位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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例，都属于本发明保护的范围。

本发明的中心思想在于：提供的一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置及系统，该光场相机三维测量装置基于二次成像的主动光场三维成像的技术，使得远处的待测量物体通过主透镜组后在中继像位置形成中继像(该中继像为实像)，其中，该中继像与待测量物体具有设定比例。通过在该中继像位置的后方设置二次成像装置，从而能够对该中继像进行二次成像，并使用CCD或者CMOS的成像传感器记录该二次像。最后，通过光场重建原理重建该中继像的三维形貌，然后通过中继像与待测量物体的比例关系，恢复待测量物体的原始形貌。

下面对基于同轴投影的光场相机三维测量装置进行详细说明：

<第一实施例>

请参照图1所示，为本发明第一实施例提供的一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置，其包括：光源1、投影件2、半透半反镜片3、主透镜组4和二次成像装置5。

光源1用于沿第一方向发射平行光；投影件2沿第一方向(即图1中的A方向)设置于光源1的后方，用于将平行光变为编码结构光；半透半反镜片3沿第一方向设置于投影件2的后方，半透半反镜片3与投影件2形成设定夹角α(该设定夹角α的角度为45°)，以用于反射或透射编码结构光；主透镜组4沿第二方向设置于半透半反镜片3的后方，主透镜组4与投影件2位于半透半反镜片3的同一侧；主透镜组4用于沿第二方向(即图1中的B方向)透射编码结构光，以照射在待测量物体10上，主透镜组4还用于沿第三方向(即图1中的C方向)透射编码结构光，以使编码结构光透过半透半反镜片3并到达位于半透半反镜片3后方的中继像位置20；其中，第二方向与第一方向垂直，第三方向与第二方向相反；二次成像装置5沿第三方向设置于中继像位置20的后方，且二次成像装置5与投影件2位于半透半反镜片3的不同侧，二次成像装置5与待测量物体10的中继像为物像关系，以用于对待测量物体10的中继像进行二次成像。

容易理解的是，本实施例中，A方向配合B方向共同构成了光线的第一光路，而C方向则构成了光线的第二光路。在本实施例中，具体使用时，首先通过光源1沿A方向发射平行光线，平行光线经过投影件2后会变为编码结构光；然后，编码结构光继续沿A方向传输，直至编码结构光照射在半透半反镜片3上后，一部分编码结构光会沿B方向被反射到主透镜组4处(另一部分编码结构光会继续沿A方向透过半透半反镜片3)；再然后，这一部分编码结构光会透过该主透镜组4，并照射在待测量物体10上；再然后，照射在待测量物体10上的编码结构光会发生漫反射，从而使得部分编码结构光会沿C方向再次反射到主透镜组4处；再然后，沿C方向返回的编码结构光依次透过主透镜组4和半透半反镜片3后，传输到半透半反镜片3后方的中继像位置(该中继像位置即为待测量物体10形成的中继像所在的位置)；再然后，编码结构光继续传输至二次成像装置5处，从而对待测量物体10的中继像进行二次成像。

需要理解的是，在本实施例中，投影件2与待测量物体10为物像关系，待测量物体10与待测量物体10的中继像为物像关系，二次成像装置5与待测量物体10的中继像为物像关系，投影件的尺寸与二次成像装置的成像尺寸相对应。由此，既可以实现将投影光限制在测量范围内，保证了在远距离测量时，光能利用率比较高；又保证了投影的条纹始终覆盖整个测量范围，保证了测量精度。在对待测量物体10进行测量时，先将待测量物体10拉近至中继像位置20，然后，对待测量物体10所形成的中继像进行二次成像，最后，通过光场重建原理重建中继像的三维形貌，并通过中继像与待测量物体10的比例关系(该比例关系可通过焦距进行设定)即可恢复待测量物体10的形貌。利用该光场相机三维测量装置能够极大地提高测量精度，适用于在测量距离较远和在受限空间的环境下进行高精度三维形貌测量。

在上述实施例中，光源1包括点光源11和准直透镜12，准直透镜12沿点光源11的主光轴方向设置于点光源11的后方。其中，点光源11用于沿A方向发射光线，光线经过准直透镜12后会变为平行光线。在另一实施例中，光源1也可以采用平行光源，从而直接产生平行光线。

在上述实施例中，投影件2为投影光栅、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜芯片)、LCOS(Liquid Crystal onSilicon，液晶附硅)中的一种。该投影件2的作用是将平行光线变为编码结构光，从而利用该编码结构光进行三维数据的测量。容易理解的是，在其他实施例中，投影件2也可以根据需要选择其他具有相似功能的芯片或组件。

在上述实施例中，主透镜组4包括多个沿第二方向间隔设置的主透镜41，相邻两个主透镜41之间的距离可调，以用于调节焦距。需要理解的是，利用该主透镜组4能够对焦距进行调节，从而便于对不同大小和距离的待测量物体10进行测量；同时，通过对焦距的调节能够对待测量物体10与中继像之间的比例关系进行调节，从而可根据调节后的比例关系，更好地利用二次像还原待测量物体10的原貌。此外，该主透镜组4的结构仅为其中一种较好的实施方式，在其他实施例中，也可以根据需要替换为其他可变焦的镜头。

在上述实施例中，二次成像装置5包括微透镜阵列51和CCD感光芯片52，微透镜阵列51沿第三方向设置于中继像位置20的后方，CCD感光芯片52设置于微透镜阵列51的远离半透半反镜片3的一侧。在该实施例中，微透镜阵列51和CCD感光芯片52共同构成光场相机，即二次成像装置5为光场相机，通过将该光场相机设置于中继像位置20的后方，并使得该光场相机与中继像呈物像关系，从而能够利用该光场相机对中继像进行二次成像。

在上述实施例中，光场相机三维测量装置还包括散热组件(图中未示出)，散热组件设置于光源1处，以用于对光源1进行散热。由此，可保证光源1能够长时间工作，且不会影响发光效率。其中，散热组件的具体结构在此不做限定，可根据实际需要进行适应性选择。

在利用二次像进行三维重建之前，需要先对光场相机三维测量装置进行标定。由于光场相机三维测量装置是基于二次成像进行三维测量的，其中，二次成像装置4是对待测量物体10缩小的实像(即中继像)进行再次成像，通过重建算法得到的是中继像的三维信息，缺少了待测量物体10真实的物理尺度。因此，本实施例中，采取前后端分离的标定方法，前端标定是通过调整主透镜组4的焦距，标定得到待测量物体10真实尺度与中继像三维信息的比例系数，通过该比例系数便可以还原待测量物体10真实的三维形貌。后端标定是标定微透镜阵列51和CCD感光芯片52构成的成像平面上的每个像素点对应的光线方程。

需要理解的是，成像平面上的一个像素可以记录在空间中构成一条直线的点，即成像平面上每个像素点记录空间中的一根光线，因此，确定直线上至少两点即可确定一根光线。本实施例中，将高分辨率的显示屏和精密平移台组成3D靶标，通过3D靶标来标定每个像素点对应的光线方程。具体的，因为显示屏的每个像素单元大小均匀且已知，使用条纹分析技术可以获得显示屏表面上公制的X坐标信息和Y坐标信息，并且，精密平移台提供了每个平面的公制的Z坐标信息。通过该X坐标信息、Y坐标信息和Z坐标信息即可确定一个像素点的位置。然后，沿垂直显示屏的方向平移显示屏，计算所述像素点记录的光线方程。由此，光场相机记录的所有光线都可以分别标定并用直线方程描述。最后，通过标定好的参数用于后续三维测量。

下面对三维重建的原理进行说明：

光场相机在物体成像时，从待测量物体10漫反射的光线首先通过主透镜组4在二次成像装置5前面清晰成像(即中继像)，然后光线从微透镜阵列51不同的子孔径到达CCD感光芯片52的成像平面，形成一个二次像。因此，光场相机记录了从空间点发出的光线的方向信息，一旦确定了空间点在成像平面上不同的像素位置，通过这些同名点的光线追迹，这些光线会相交于空间一点，该点便是所求的空间点，从而能够恢复物体的三维形貌。具体的，通过投影件2投影编码结构光到待测量物体10的表面，对获取的图像进行解相位，得到带有绝对相位信息的物体图像，通过查找等相位点确定同名点。通过求这些同名点的光线方程的相交点，就可以得到空间点的三维信息，这个过程称为射线相交。最后再通过标定好的比例系数，便可以得到物体真实世界中的尺度信息，从而实现三维测量。

值得注意的是，本实施例中的基于射线相交的重建原理与传统的基于相位深度映射的方法相比，具有一个很大的优势：即投影件2只对待测量物体10起标记表面特征的作用，从而使得本实施例中的光场相机三维测量装置可以设计为同轴投影的结构。与传统方法相比，本实施例不需要为光场相机三维测量装置建立复杂的数学模型，3D坐标直接通过同名点的光线方程相交得到。另外，由于光线是基于像素级进行标定，查找的匹配点是亚像素级坐标，从而通过亚像素级匹配点的附近的光线方程插值，能够得到该匹配点的亚像素级的光线方程，从而有利于提高整体的测量精度。

此外，考虑到相机传感器的分辨率足够高，可以通过提高相邻像素的采样率，从而使大多数插值的技术性能相似。从效率的角度来看，本实施例中，在计算的亚像素射线方程中使用双线性插值比其他高级插值更合适。

<第二实施例>

请参照图2所示，为本发明第二实施例提供的一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置，其包括：光源1、投影件2、半透半反镜片3、主透镜组4和二次成像装置5。与第一实施例相比，本实施例的不同之处在于，二次成像装置5的结构不同。

具体的，在该实施例中，二次成像装置5包括三角棱镜53、成像透镜组54和CCD感光芯片52，三角棱镜53沿第三方向设置于中继像位置20的后方，成像透镜组54沿第三方向设置于三角棱镜53的后方，CCD感光芯片52沿第三方向设置于成像透镜组54的后方。

本实施例中，通过使用三角棱镜53和成像透镜组54共同实现对中继像的双目记录和成像。利用光线的折射原理，通过该三角棱镜53可以改变光线的方向，因此，透过成像透镜组54的上下两个成像透镜后，在CCD感光芯片52的成像平面的光线是不同视角下的光线。由此，可以利用主动双面重建的原理对中继像进行重建，再通过对前端系统标定得到的比例关系恢复原始物体的真实形貌数据。

<第三实施例>

如图3所示，为本发明第三实施例提供的一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置，其包括：光源1、投影件2、半透半反镜片3、主透镜组4和二次成像装置5。与第一实施例相比，本实施例的不同之处在于，二次成像装置5与光源1和投影件2的位置不同。

具体的，在本实施例中，通过将二次成像装置5与光源1和投影件2的位置调换，并使得半透半反镜片3的镀膜面朝左，从而使得成像不会受到半透半反镜片3厚度的影响。对于光栅投影来说，由于采用平行光照明，所以平面玻璃只会对光栅有平移的影响，不会影响成像质量。

能够理解的是，在本实施例中，D方向构成了第一光路，E方向配合F方向构成了第二光路。本实施例除上述结构之外，其余结构与第一实施例均相同，在此不再赘述。

<第四实施例>

本发明第四实施例还提供一种基于同轴投影的光场相机三维测量系统，该系统包括上述第一实施例或第二实施例中所述的光场相机三维测量装置。由此，利用该系统能够对远处的待测量物体进行高精度测量。

此外，该系统还可以包括图像处理模块、等相位点查找模块、求解模块等不同的功能模块，以共同完成对待测量物体的高精度测量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，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”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于同轴投影的光场相机三维测量装置，其特征在于，包括：

光源，用于发射平行光；

投影件，沿第一光路设置于所述光源的后方，用于将所述平行光变为编码结构光；

半透半反镜片，沿所述第一光路设置于所述投影件的后方，所述半透半反镜片与所述投影件形成设定夹角，以用于反射或透射所述编码结构光；

主透镜组，沿所述第一光路设置于所述半透半反镜片的后方，以用于沿所述第一光路透射所述编码结构光，以照射在待测量物体上，还用于沿第二光路透射所述编码结构光，以使所述编码结构光在第二光路上到达所述待测量物体的中继像位置；

二次成像装置，沿所述第二光路设置于所述中继像位置的后方，且所述二次成像装置与所述投影件位于所述半透半反镜片的不同侧，所述二次成像装置与所述待测量物体的中继像为物像关系，以用于对所述待测量物体的中继像进行二次成像。

2.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述光源包括点光源和准直透镜，所述准直透镜沿所述点光源的主光轴方向设置于所述光源的后方；

或，所述光源为平行光源。

3.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述投影件为投影光栅、LCD、DMD、LCOS中的一种。

4.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述二次成像装置包括微透镜阵列和CCD感光芯片，所述微透镜阵列沿所述第二光路设置于所述中继像位置的后方，所述CCD感光芯片设置于所述微透镜阵列的远离所述半透半反镜片的一侧。

5.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述二次成像装置包括三角棱镜、成像透镜组和CCD感光芯片，所述三角棱镜沿所述第二光路设置于所述中继像位置的后方，所述成像透镜组沿所述第二光路设置于所述三角棱镜的后方，所述CCD感光芯片沿所述第二光路设置于所述成像透镜组的后方。

6.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述主透镜组包括多个沿所述第一光路间隔设置的主透镜，相邻两个所述主透镜之间的距离可调，以用于调节焦距。

7.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，还包括散热组件，所述散热组件设置于所述光源处，以用于对所述光源进行散热。

8.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述投影件的尺寸与所述二次成像装置的成像尺寸相对应。

9.如权利要求1所述的光场相机三维测量装置，其特征在于，所述设定夹角的角度为45°。

10.一种基于同轴投影的光场相机三维测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的光场相机三维测量装置。