CN114721214B - 一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统 - Google Patents

一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于结构光三维面形测量技术领域，具体提供一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，用以实现移动终端的高精度三维测量。本发明采用平面反射镜，背光源产生照明光束，依次经过投影底片与圆形光阑后、入射到反射镜，经反射镜反射进入柱透镜与矩形孔径，形成折转光路；同时，对柱透镜的参数进行特殊化匹配设计，使得柱透镜像差减小，能够将二值化投影底片投影成像为高质量正弦结构光，满足中远距离下中等视场的三维测量需求；最终，使得正弦结构光投影系统在相同物距下大幅缩短系统总长度，即实现正弦结构光投影系统的微型化设计，进而使之适用于手机、平板电脑、笔记本电脑及其他可穿戴设备等移动终端，且具有高精度、高速率的优点。

Description

一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统
技术领域
本发明属于结构光三维面形测量技术领域，提供了一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，可用于移动终端的高精度三维测量。
背景技术
结构光三维面形测量技术是通过向待测物体投射特定的结构光获取包含物体表面信息的变形条纹、进而恢复物体面形实现3D测量，因其非接触、高效率的优势，已在很多领域得到广泛应用。
在消费电子领域，结构光三维面形测量技术具有巨大的经济效益，更新了人们的生活方式；2017年美国苹果公司推出了新一代iPhone X移动终端，采用基于结构光三维光学传感技术的独特Face-ID人脸识别代替了传统Touch-ID指纹触摸安全系统，具有人脸识别功能的摄像头成为移动终端等移动终端的消费热点。然而，现有的移动终端人脸识别系统多采用散斑结构光，其采用单幅散斑图案进行三维测量，具有速度快的优势，但小基线与单幅散斑的投影重建方式导致其三维重建精度在毫米甚至厘米级，所能提供的三维数据不足以支撑三维人脸识别验证的需求；如何在移动终端实现快速、准确地物体三维面形获取成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题提供一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，用以实现在移动终端快速、准确地获取物体三维面形。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，包括：背光源1、投影底片2、圆形光阑3、反射镜4、柱透镜5及矩形孔径6；其特征在于，所述背光源的竖直光路上依次设置投影底片、圆形光阑与反射镜，反射镜的水平光路上依次设置柱透镜与矩形孔径，反射镜与圆形光阑所在平面成45°；所述背光源产生照明光束，依次经过投影底片与圆形光阑后、入射到反射镜，经反射镜反射进入柱透镜与矩形孔径，在像面7上形成正弦条纹光场。
进一步的，所述背光源、投影底片与圆形光阑的共光轴记为竖直光轴，所述柱透镜与矩形孔径的共光轴记为水平光轴，竖直光轴与水平光轴相互垂直、且与反射镜的法线在同一平面。
进一步的，所述竖直光路长度小于10mm，所述水平光路长度小于3mm。
进一步的，所述投影系统的工作距离大于300mm；投影正弦光场范围大于200mm×300mm。
进一步的，所述柱透镜的厚度为2mm，镜头为圆形孔径、孔径半径为2.5mm；柱透镜参与成像的两透镜表面均为柱面，透镜入射面曲率半径为10.04mm、透镜出射面曲率半径为-10.05mm。
进一步的，所述柱透镜的材料为PMMA。
进一步的，所述反射镜为平面反射镜。
进一步的，所述投影底片为四行正弦图案且按照四步相移顺序依次排列。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，采用平面反射镜，背光源产生照明光束，依次经过投影底片与圆形光阑后、入射到反射镜，经反射镜反射进入柱透镜与矩形孔径，形成折转光路；同时，对柱透镜的参数进行特殊化匹配设计，使得柱透镜像差减小，能够将二值化投影底片投影成像为高质量正弦结构光，满足中远距离下中等视场的三维测量需求；最终，通过该折转光路与柱透镜参数的匹配设计，使得正弦结构光投影系统在相同物距下大幅缩短系统总长度，即实现正弦结构光投影系统的微型化设计，进而使之适用于手机、平板电脑、笔记本电脑及其他可穿戴设备等移动终端，且具有高精度、高速率优点。
附图说明
图1为本发明中用于移动终端的微型正弦结构光投影系统的结构示意图。
图2为本发明中用于移动终端的微型正弦结构光投影系统的的成像光路示意图。
图3为本发明中用于移动终端的微型正弦结构光投影系统的光学结构正等轴测图。
图4为本发明中用于移动终端的微型正弦结构光投影系统的成像结果示意图。
图5为本发明中用于移动终端的微型正弦结构光投影系统中投影底片图案。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案与技术效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，其结构如图1所示，包括：背光源1、投影底片2、圆形光阑3、反射镜4、柱透镜5与矩形孔径6；其中，背光源的竖直光路上依次设置投影底片、圆形光阑与反射镜，反射镜的水平光路上依次设置柱透镜与矩形孔径，反射镜与圆形光阑所在平面成45°；背光源产生照明光束，依次经过投影底片与圆形光阑后、入射到反射镜，经反射镜反射进入柱透镜，经过柱透镜扩展与矩形孔径限制视场后，在像面7上投影出满足四步相移的正弦条纹场、且成像范围满足中等视场要求，如图2所示。
更为具体的讲：
本实施例中，上述用于移动终端的微型正弦结构光投影系统采用反射镜构成折转光路，根据反射定律：反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角绝对值相等、符号相反；即：柱透镜5、矩形孔径6的光轴与反射镜4的出射光路重合，且位于由圆形光阑3入射光路与反射镜4法线所决定的平面内，且两者成90°角；如图3所示。
本实施例中，柱透镜5的材料采用PMMA，可通过切削加工、冲压加工等方式便捷地得到柱面；所述柱透镜的厚度为2mm，镜头为圆形孔径、孔径半径为2.5mm；柱透镜参与成像的两透镜表面均为柱面，透镜入射面曲率半径为10.04mm、透镜出射面曲率半径为-10.05mm；通过该特殊化匹配设计，使得柱透镜像差减小，能够将二值化投影底片投影成像为高质量正弦结构光，如图4所示，满足中远距离下中等视场的三维测量需求。
本实施例中，投影底片2的图案如图4所示，其中，白色部分透光，黑色部分不透光；该图案为填充二进制正弦图案，可表示为：
Figure BDA0003599183420000031
其中，h为单行条纹图案的高度，T为条纹的周期。
综上，本发明提供一种微型正弦结构光投影系统，适用于手机、平板电脑、笔记本电脑及其他可穿戴设备等移动终端，能够实现移动终端的高精度三维测量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，包括：背光源(1)、投影底片(2)、圆形光阑(3)、反射镜(4)、柱透镜(5)及矩形孔径(6)；其特征在于，所述背光源的竖直光路上依次设置投影底片、圆形光阑与反射镜，反射镜的水平光路上依次设置柱透镜与矩形孔径，反射镜与圆形光阑所在平面成45°；所述背光源产生照明光束，依次经过投影底片与圆形光阑后、入射到反射镜，经反射镜反射进入柱透镜与矩形孔径，在像面(7)上形成正弦条纹光场；所述柱透镜的厚度为2mm，镜头为圆形孔径、孔径半径为2.5mm；柱透镜参与成像的两透镜表面均为柱面，透镜入射面曲率半径为10.04mm、透镜出射面曲率半径为-10.05mm；所述投影底片为四行正弦图案且按照四步相移顺序依次排列。
2.按权利要求1所述用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，其特征在于，所述背光源、投影底片与圆形光阑的共光轴记为竖直光轴，所述柱透镜与矩形孔径的共光轴记为水平光轴，竖直光轴与水平光轴相互垂直、且与反射镜的法线在同一平面。
3.按权利要求1所述用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，其特征在于，所述竖直光路长度小于10mm，所述水平光路长度小于3mm。
4.按权利要求1所述用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，其特征在于，所述投影系统的工作距离大于300mm；投影正弦光场范围大于200mm×300mm。
5.按权利要求1所述用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，其特征在于，所述柱透镜的材料为PMMA。
6.按权利要求1所述用于移动终端的微型正弦结构光投影系统，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜。
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JP2004037317A (ja) * 2002-07-04 2004-02-05 Murata Mfg Co Ltd 三次元形状測定方法、三次元形状測定装置
US6977732B2 (en) * 2002-12-26 2005-12-20 National Taiwan University Miniature three-dimensional contour scanner
JP2014163812A (ja) * 2013-02-26 2014-09-08 Institute Of National Colleges Of Technology Japan パターン投影方法、パターン投影装置及びこれを用いた三次元計測装置
KR102079181B1 (ko) * 2016-03-04 2020-02-19 주식회사 고영테크놀러지 패턴광 조사 장치 및 방법
CN106705889B (zh) * 2016-12-07 2019-05-07 西安知象光电科技有限公司 一种大景深可编程模拟光栅生成方法

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