CN115963689A - 用于三维成像装置中的图案投影装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种图案投影仪。该图案投影仪包括光源、投影透镜、掩模和至少一个支架，并且该掩模被配置为使该至少一个投影透镜在将预定图案投影在目标处时能照射该目标，并且其中，该图案投影仪的特征在于，该至少一光源是广域光源，并且其中，该至少一个掩模的面积或该至少一个掩模的有效面积小于该至少一个光源的面积，从而能够避免在该至少一个光源与该至少一个掩模之间应用聚光器光学器件或聚焦光学器件。

Description

用于三维成像装置中的图案投影装置

技术领域

本公开大体上涉及三维成像领域，并且更具体地，涉及一种用于实现结构光和/或应用主动立体方法的光照设备。

背景技术

立体相机装置是由两个相机单元组成并组装在立体模块中的元件。立体视觉(也称为“立体视觉学”)是一种用于借助于立体影像确定图像深度的技术。换句话说，是具有正常双眼视觉的人用双眼观看场景时感知到的深度印象，双眼视觉会导致由于眼睛/相机的不同位置而在双眼中创建场景的两个略微不同的图像。

主动立体视觉是立体视觉的一种形式，其主动采用诸如激光二极管之类的发光器件或被配置为发出结构光(例如，图案光)的设备，以便简化立体匹配问题。

相机可用作通过以下方式测量捕获到的三维图像中的深度的装置：将图案投影到要测量深度的对象或场景上，然后通过使用三角测量法计算在检索到的图案中发生的偏移。

在主动立体领域中，图案被投影到要测量的对象或场景上，并使用间隔足够的距离的两个相机来捕获场景的图像。在这种情况下，通过检查两个相机中的每一个相机捕获到的图像内图案的不同部分的相对偏移，可以提取深度信息。

在结构光领域中，将已知图案投影到应处理其图像的场景上。可以使用距投影仪足够距离的单个相机来测量图案沿着发射光与捕获到的图像之间的基线平面(通常为水平面)的相对偏移。然后，通过检查捕获到的场景的不同区域在与已知图案相比时的相对偏移，可以提取深度信息。

在结构光和主动立体两者中，重要的是，图案是伪随机的，并且不会沿着基线平面(通常为水平面)重复。

三维成像设备的图案投影仪通常包括光源、用于收集光的装置、以及用于形成将被处理的图案的对象。一种类型的图案投影仪是掩模投影仪。这种投影仪包括蚀刻在其中的掩模，该掩模具有将被投影的图案。然后使用投影透镜将光照图案投影到要捕获其图像的场景上。在掩模投影仪中，诸如激光二极管或LED之类的光源经由聚光器光学器件聚集到掩模上。聚光器是将来自源的发散光束变成平行或会聚光束，以照射诸如掩模之类的对象的光学透镜。

如本领域已知的，聚光器通常是任何投影设备的重要部分。成像透镜可以用作投影透镜。然而，如本领域已知的，投影透镜的主光线角(CRA)必须与聚光器光学器件相匹配。

本发明提出一种新颖的解决方案，由此可以实现使用掩模投影仪进行三维成像的深度测量，同时消除聚光器透镜的使用。

发明内容

可以通过参考所附权利要求来概括公开内容。

本公开的目的是提供一种新颖的图案投影仪，该图案投影仪不需要在其光源与图案生成掩模之间应用聚光器光学器件或聚焦光学器件。

本发明的其他目的将从以下描述中变得显而易见。

根据本公开的第一实施例，提供了一种图案投影装置，包括至少一个光源、至少一个投影透镜和至少一个掩模，该至少一个掩模被配置为使该至少一个投影透镜在将图案投影在目标处时能照射该目标，并且其中，该图案投影装置的特征在于，该至少一个光源是广域光源，

其中，该至少一个掩模的面积或该至少一个掩模的有效面积小于该至少一个光源的面积，

实现了避免在该至少一个光源与该至少一个掩模之间应用聚光器光学器件或聚焦光学器件。

根据另一个实施例，该图案投影装置的特征还在于，投影透镜的主光线角(CRA)与至少一个掩模的有效区域的边缘相匹配。

根据本发明的另一个实施例，光源是具有漫射角分布的大面积LED。

在又一个实施例中，该图案投影装置的特征还在于，小间隙在至少一个光源与至少一个掩模之间延伸。

根据又一个实施例，该图案投影装置的特征还在于，至少一个光源与至少一个掩模接触。

根据另一个实施例，至少一个掩模是空间光调制器或任何其他适用的类似有源透明阵列，被配置为在目标处照射变化的图案。

根据又一个实施例，该图案投影装置的特征还在于，至少一个掩模相对于至少一个投影透镜倾斜，从而根据设置成符合沙姆定律(Scheimpflug principle)的要求来提供倾斜的投影仪跨目标区域的改进的聚焦。本文所使用的术语“沙姆定律”用于表示当透镜平面不平行于像平面时，光学系统(例如，相机)的焦平面、透镜平面和像平面的取向之间的几何关系的描述。

通过又一个实施例，该图案投影装置的特征还在于，至少一个掩模从至少一个投影透镜的光轴横向偏移，并且其中，该图案投影装置进一步倾斜，以使应用倾斜的图案投影装置时获得的光照的均匀性相对于应用非倾斜的图案投影装置时获得的光照有所提高。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现参考以下结合附图页的详细描述，其中：

图1描绘了根据本公开的实施例解释的装置的示例，其中，间隙在发光源与掩模之间延伸；

图2描绘了根据本公开的实施例解释的装置的示例，其中，没有在发光源与掩模之间延伸的间隙；

图3示出了用于将图案投影到场景上的透镜的主光线角的示例；

图4示出了结构光三维图像捕获装置的示例；

图5示例说明了主动立体三维图像捕获装置；以及

图6示出了沙姆定律的实现方式，以确保跨目标的一致聚焦，以及相对于投影透镜的掩模偏移，从而实现在目标处获得更均匀的光照。

具体实施方式

在本公开中，术语“包括”旨在具有开放式含义，使得当第一要素被陈述为包括第二要素时，该第一要素还可以包括一个或多个其他要素，这些其他要素不一定在本文中被标识或描述，或不一定被记载在权利要求书中。

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便通过示例的方式提供对本发明更好的理解。然而，应该清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

并入本文并形成说明书的一部分的附图示出了本发明，并且还用于与描述一起解释本发明的原理并使相关领域的技术人员能够实践本发明。

已知图案通常由结构光传感器或主动立体传感器投影到场景上。在出现于传感器相机上的情况下，这些已知图案在图案撞击表面时的变形，允许视觉系统计算场景中存在的对象的深度和表面信息，例如，如在结构光3D扫描仪中使用的那样。

图案投影仪可以包括光源、一个或多个光学组件、以及封壳(外壳)。该设备的目的是投影光图案。这通常可以通过操控从源或源阵列发出的光，并将其整形为期望强度下的期望图案来实现。在许多投影仪模块中，使用激光器或激光器阵列，可选地，使用透镜和图案成形元件、微结构光学元件(例如，漫射器或DOE)。

本发明涉及一种解决方案，由此消除了在用于三维成像的掩模投影仪中实现聚光器透镜(或聚焦光学器件)的需要。通过将投影透镜的主光线角(CRA)与掩模光照相匹配，消除了使用这种聚光器光学器件的需要。

通过提出的解决方案，图案投影仪使用大面积LED或被配置为发出漫射(广角)光照的任何其他适用光源，该图案投影仪与尺寸或有效面积小于LED发光器面积的掩模相关联。本发明不使用在光源与掩模之间实现的任何聚光器或聚焦光学器件，然后可以使用投影透镜以将经由图案掩模发出的光聚焦到目标(场景)上，该目标(场景)的图像将被图像捕获设备(例如，相机传感器)捕获。

本公开涉及一种投影系统，其被配置为投影用于三维成像的图案。示例说明的实施例涉及设置有LED光源的投影系统，然而，如本领域技术人员将理解的，可以使用任何其他适用的光源。

图1示例说明了这种图案投影系统(1)，其包括LED光源(3)、PCB板(5)、蚀刻掩模(7)、投影透镜(9)和支架(11)。这种系统可以在多种三维系统中实现，这些三维系统包括但不限于：结构光系统(如图4所示)和主动立体系统(如图5所示)。

如在图1中呈现的示例中可以看出，图案投影仪的光源不与掩模接触。因此，可以在光源与掩模之间留下小的间隙，该间隙可用于例如定位连接到光源(LED)的引线键合(wire-bond)的引线，和/或允许冷却光源本身。

图2展示了稍微不同的图案投影系统，其中，光源与掩模接触。在该示例中，掩模直接安装在LED光源(或任何其他适用的光源)上，并且其中，掩模的有效区域面向LED光源或投影透镜。投影透镜又被配置为投影掩模的有效区域。

图案投影仪通常使用聚光器光学器件来照射掩模并与投影透镜的主光线角匹配。然而，根据本发明提供的解决方案，使用广域光源，诸如具有漫射(广角)角分布的大面积LED。大面积光源与掩模的有效区域接触，并且充分照射掩模的有效区域，同时漫射角分布与投影透镜的主光线角相匹配，以使发出的光能够充满锥角，如图3所描绘的那样。

在图案投影系统设置有有源图案的情况下，可以用诸如特殊光调制器(SLM)的可变元件来替换静态掩模。在本实施例中，可以改变投影图案，例如以获得结构光三维重建。

根据本发明的另一个实施例，如图1所描绘的图案投影仪可以通过遵循包括以下步骤的方法来制造和对准：

(i)设置镜筒支架，该镜筒支架被配置为在其底部处保持掩模和LED光源两者，并在顶部安装(例如，拧紧)投影透镜；

(ii)放置并固定掩模。该掩模可以面向透镜放置，或者背对透镜朝向LED光源放置；

(iii)将LED光源放置并固定到PCB上。LED光源可以靠近掩模或远离掩模定位；

(iv)使投影透镜紧固并聚焦，以确保投影的掩模图案聚焦在选定的对象上；以及

(v)通过使用少量胶水来固定在步骤(iv)中确定的聚焦的投影透镜的位置。

图6示出了根据本发明的另一个实施例解释的另一个实施例，其旨在修改投影仪，以便优化某个角度下对目标的照射。在图6中示出了该实施例，并且该实施例可以包括以下两个可选修改中的一个或两个。第一个是使掩模远离透镜倾斜，以满足沙姆定律设置的要求。尽管投影仪倾斜，但是实现这种修改使整个掩模的投影保持聚焦在目标上。第二个可选修改包括在倾斜方向上横向且向上移动掩模，然后使投影仪进一步倾斜以使其比先前更倾斜。这种修改能够通过补偿由于倾斜所致的不均匀衰减(相对光照)来实现更均匀的光分布。图6展示了这两种原理。

在本申请的说明书和权利要求书中，动词“包括”、“包含”和“具有”中的每一个及其变位词用于表示动词的宾语(或多个宾语)不一定是动词的主语(或多个主语)的成员、组成部分、要素或部件的完整列表。

已经说明了本发明，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以实现各种调整和变化。

所描述的实施例包括不同的特征，并非所有的特征在本发明的所有实施例中都是必需的。本发明的一些实施例仅利用一些特征或特征的一些可能组合。本领域技术人员将想到，所描述的本发明的实施例的变型以及包括所描述的实施例中指出的特征的不同组合的本发明的实施例。本发明的范围仅受所附权利要求限制。

Claims (8)

1.一种图案投影装置，包括至少一个光源、至少一个投影透镜、至少一个掩模和至少一个支架，并且所述至少一个掩模被配置为使所述至少一个投影透镜能够在将图案投影在目标处时照射所述目标，

其中，所述图案投影装置的特征在于，所述至少一个光源是广域光源，并且

其中，所述至少一个掩模的面积或所述至少一个掩模的有效面积小于所述至少一个光源的面积，

从而使得能够避免在所述至少一个光源与所述至少一个掩模之间应用聚光器光学器件或聚焦光学器件。

2.根据权利要求1所述的图案投影装置，其特征还在于，所述投影透镜的主光线角(CRA)与所述至少一个掩模的有效区域的边缘相匹配。

3.根据权利要求1所述的图案投影装置，其中，所述光源是具有漫射角分布的大面积LED。

4.根据权利要求1所述的图案投影装置，其特征还在于，小间隙在所述至少一个光源与所述至少一个掩模之间延伸。

5.根据权利要求1所述的图案投影装置，其特征还在于，所述至少一个光源与所述至少一个掩模接触。

6.根据权利要求1所述的图案投影装置，其中，所述至少一个掩模是空间光调制器或类似的有源透明阵列，被配置为在所述目标处照射变化的图案。

7.根据权利要求1所述的图案投影装置，其特征还在于，所述至少一个掩模相对于所述至少一个投影透镜倾斜，从而使得能够根据沙姆定律的要求提供倾斜的投影仪跨目标区域的改进的聚焦。

8.根据权利要求1所述的图案投影装置，

其特征还在于，所述至少一个掩模从所述至少一个投影透镜的光轴横向偏移，并且

其中，所述图案投影装置进一步倾斜，以使应用倾斜的图案投影装置时获得的光照的均匀性相对于应用非倾斜的图案投影装置时获得的光照有所提高。

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