CN202648632U - 结构光发生装置及微型三维成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种结构光发生装置及微型三维成像装置。该结构光发生装置包括：至少一个光纤束，包括入射端和出射端；至少一个光源组，对应向该至少一个光纤束发射光信号，每个光源组位于对应的光纤束的入射端一侧，以将发射的光信号经对应的光纤束的入射端输入并经对应的光纤束的出射端输出，以形成结构光；光源控制器，用于控制该至少一个光源组发射光信号的时序和/或亮度。该结构光发生装置体积较小，该微型三维成像装置一端（例如内窥镜的探测端）可具有较小尺寸。

Description

结构光发生装置及微型三维成像装置

技术领域

本实用新型涉及三维表面成像（three-dimensional surfaceimaging）领域，尤其涉及一种结构光发生装置及微型三维成像装置。

背景技术

结构光发生器的传统设计通常是由投影仪组成，结构复杂，成本高，而且无法做到小型化，微型化。尤其是对于类似于微型三维成像装置这样的微型成像系统，前端探头的体积很小，无法容纳按照传统结构设计的结构光发生器。

图1和图2分别为两种传统的结构光发生装置的示意图。图1中的结构光发生装置利用光源和结构光滤波器产生结构光投影，该系统包括光源1和结构光滤波片3，由光源1产生的光线经过结构光滤波片3的调制，在目标物体上形成投影图像。

图2中的结构光发生装置利用现有图像或视频投影仪4直接产生所需的结构光投影图像。

尽管类似于图1和图2所示的结构光发生器可以产生所需的结构光投影，但是这种结构光发生器本身的体积较大，应用范围窄，一般不能直接用于内窥镜、探头等微型三维成像装置微型三维成像装置。

实用新型内容

在下文中给出关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本实用新型的一个主要目的在于提供一种体积小的结构光发生装置。

本实用新型的另一个主要目的在于提供一种应用该结构光发生装置产生结构光的微型三维成像装置。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种结构光发生装置，包括：至少一个光纤束，包括入射端和出射端；

至少一个光源组，用于对应向该至少一个光纤束发射光信号，每个光源组位于对应的光纤束的入射端一侧，以将发射的光信号经对应的光纤束的入射端输入并经对应的光纤束的出射端输出，以形成结构光；光源控制器，与所述至少一个光源组连接，用于控制该至少一个光源组发射光信号的时序和/或亮度。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种微型三维成像装置，包括上述结构光发生装置，还包括：

图像传感器，用于采集该结构光发生装置产生的结构光照射下的物体的图像；

载体，用于承载该结构光发生装置的至少一个光纤束和该图像传感器的输入端，其中，该至少一个光纤束的出射端和该图像传感器的输入端均固定在该载体的一端。

本实用新型的结构光发生装置和方法采用光纤束传输投影光源的光线以产生所需的结构光，大大缩小了结构光发生装置的体积。本实用新型的微型三维成像装置采用上述小型化的结构光发生装置，可将一端（例如内窥镜的探测端）的尺寸做的非常小。

附图说明

参照下面结合附图对本实用新型实施例的说明，会更加容易地理解本实用新型的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本实用新型的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为现有技术提供的一种结构光发生装置的示意图。

图2为现有技术提供的另一种结构光发生装置的示意图。

图3为本实用新型的结构光发生装置的一种实施例的结构示意图。

图4为多个光纤束的入射光和出射光的一种分布示意图，说明了光纤束中的光纤在组合装置处的排列情况，图4中的每个光源组包括一个光源。

图5为多个光纤束的入射光和出射光的一种分布示意图，也说明了光纤束中的光纤在组合装置处的排列情况，图5中的每个光源组包括多个光源。

图6为每个光源组中的多个光源以预设的时序发射亮度变化的彩色光信号的示意图。

图7为每个光源组以预设的时序发射亮度变化的单色光信号的示意图。

图8为本实用新型的结构光发生方法的一种实施例的流程图。

图9为本实用新型的结构光发生方法的另一种实施例的流程图。

图10为利用本实用新型的结构光发生装置产生的结构光进行三维表面数据采集的示意图。

图11为本实用新型的微型三维成像装置的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本实用新型公开了一种结构光发生装置，包括：

至少一个光纤束，包括入射端和出射端；

至少一个光源组，对应向该至少一个光纤束发射光信号，每个光源组位于对应的光纤束的入射端一侧，以将发射的光信号经对应的光纤束的入射端输入并经对应的光纤束的出射端输出，以形成结构光；

光源控制器，用于控制该至少一个光源组发射光信号的时序和/或亮度。

可选地，本实用新型的结构光发生装置还包括组合装置，每个光纤束穿过该组合装置，该至少一个光纤束中的光纤在该组合装置处有序排列。

示例1

如图3所示，本实用新型的结构光发生装置100包括多个光纤束10、与该多个光纤束对应的光源组20、以及光源控制器30。各光纤束10包括入射端和出射端。每个光源组20用于向对应的光纤束10的入射端发射光信号，每个光纤束10的出射端用于输出光信号以形成结构光。光源控制器30与该多个光源组20中的光源相连，用于控制该多个光源组20发射光信号的时序和/或亮度。

如图3所示，本实用新型的结构光发生装置100还包括组合装置40，各光纤束10穿过该组合装置40，各光纤束10中的光纤在组合装置40中重新有序排列，以在其出射端形成新的组合关系，该新的组合关系不同于各光纤束10中的光纤在其入射端的组合关系。该组合装置40可以改变光纤的排列次序，达到某种目的，例如，产生需要的结构光。

例如，该至少一个光纤束中的光纤在该组合装置中的排列方式可为：该至少一个光纤束中的光纤分为N组排列成N大列，“N”为每个光纤束中的光纤的数量，每大列具有M小列，“M”为该光纤束的数量，每大列中的“M”小列中按照固定的顺序分别排列有“M”个光纤束中的一根光纤。

如图4所示，以本实用新型的结构光发生装置100具有4个光纤束10、每个光纤束10包括5根光纤为例进行说明，假设4个光纤束10分别接收相同颜色不同亮度的光，则20根光纤在组合装置40中排列成5大列，每大列中按顺序排列有4根光纤，分别接收第一亮度、第二亮度、第三亮度、第四亮度四种亮度的光，即，例如，第一光纤束中的5根光纤分别排在第1小列、第5（N＋1）小列、第9（2N＋1）列……，接收第一亮度的光；第二光纤束中的4根光纤排在第2小列、第6（N＋2）小列、第10（2N＋2）小列……，接收第二亮度的光；以此类推。

示例2

可选地，在示例1的基础上，每个光源组包括一个光源，用于向对应的光纤束中的光纤发射光信号。

如图3、图4所示，例如，本实用新型的结构光发生装置100可包括对应于上述4个光纤束10的4个光源组20，每个光源组20中包括一个光源，用于向对应的光纤束10发射光信号，该4个光源可发射相同颜色的光，可通过光源控制器30调整该4个光源向对应的光纤束发射第一亮度的光、第二亮度的光、第三亮度的光、第四亮度的光，以使上述4个光纤束输出如图4所示的竖直条纹状的结构光：例如，第1条纹、第5条纹、第9条纹为第一亮度的光，第2条纹、第6条纹、第10条纹为第二亮度的光，第3条纹、第7条纹、第11条纹为第三亮度的光，第4条纹、第8条纹、第12条纹为第四亮度的光。

也可通过调整各光源发光的时序得到多种不同的结构光，例如，由于发光时序的调整，结构光可在不同时段发生变化。

该4个光纤束10也可分别接收不同颜色的光，例如，假设该4个光纤束10分别接收红、黄、蓝、绿四种颜色的光，即4个光源分别发射红、黄、蓝、绿四种颜色的光，则形成如下竖直彩色条纹状的结构光：例如第1条纹、第5条纹、第9条纹为红色光，第2条纹、第6条纹、第10条纹为黄色光，第3条纹、第7条纹、第11条纹为蓝色光，第4条纹、第8条纹、第12条纹为绿色光。

各光纤束10的光纤在组合装置40中以上述方式排列只是本实用新型的一种可选实施例，意在获得多种可变的结构光，在其它实施例中，各光纤束10的光纤也可不按上述方式排列，也可按照自然状态排列，而不在组合装置中重新排序，这种情况下也可仅通过调整光源发射的光的亮度和/或时序来获得不同的结构光。

示例3

可选地，在示例1的基础上，每个光源组可包括多个光源，该光源控制器用于选择性地控制每个光源组中的多个光源向对应的光纤束中的光纤发射光信号。

如图5所示，每个光源组20中可包括4个光源，每个光源组20中的4个光源可发射单色光，也可发射不同颜色的光，如，红、黄、蓝、绿。光源控制器30可控制每个光源组20中的多个光源分时发光或同时发光。

例如，每个光源组20中可包括红色光源、绿色光源、黄色光源和蓝色光源，光源控制器30可控制各光源组20所发射光的颜色。

示例4

在示例3的基础上，光源控制器30可选择性地控制每个光源组20中的其中一种颜色的光源发光，例如，控制第一组光源中的红色光源发光、第二组光源中的黄色光源发光、第三组光源中的蓝色光源发光、第四组光源中的绿色光源发光，便可产生如示例1中所述的竖直彩色条纹状的结构光。

示例5

可选地，在示例1或3的基础上，每个光源组20可包括多个频谱各不相同的光源，每个光源组20中的多个频谱各不相同的光源用于同时向对应的光纤束发射光信号。

如图6所示，在示例1或3的基础上，每个光源组20的多个彩色光源可同时发光，光源控制器30可控制每个光源组20的多个彩色光源发射光信号的时序，从而得到多种不同的结构光。例如，可控制每个光源组20的4个彩色光源分别以90度的相位差发射亮度变化的光信号，则可得到多色的光亮度随时间变化的结构光，例如在图6中，I₁-I₄分别代表每个光源组20中的红色、绿色、蓝色、黄色光源发射光信号的亮度的三角波，从图6可看出，每个光源组20的红色光源发射光信号的相位比绿色光源发射光信号的相位超前90度，绿色光源发射光信号的相位比蓝色光源发射光信号的相位超前90度，蓝色光源发射光信号的相位比黄色光源发射光信号的相位超前90度。在图6中，每个光纤束10可同时输出红、绿、蓝、黄4种光，且每种光的亮度随时间变化，因此，可在不同时刻形成亮度变化的彩色的结构光。

示例6

如图7所示，在示例2或3的基础上，当每个光源组20的光源所发射的光为单色光（即当每个光源组20包括一个光源时或者每个光源组20的其中一种颜色的光源发光），则可控制4个光源组20发射光信号的时序，例如，可控制4个光源组20分别以90度的相位差发射亮度变化的光信号，则可得到单色光亮度随时间变化的结构光。4个光源组20发射的单色光可相同或不同。例如在图7中，4个光源组20发射的单色光可分别为红色、绿色、蓝色、黄色，I₁₁-I₁₄分别代表4个光源组20发射光信号的亮度的三角波，从图7可看出，红色光的相位比绿色光的相位超前90度，绿色光的相位比蓝色光的相位超前90度，蓝色光的相位比黄色光的相位超前90度。在图7中，4个光纤束10分别输出红、绿、蓝、黄四种单色颜色的光，且每种光的亮度随时间变化。

进一步地，可选择性地将上述各示例进行结合，通过光源控制器30控制各光源组20发射光信号时序和/或亮度可得到更多不同的结构光。

参考图8，本实用新型还提供了一种结构光发生方法，应用上述结构光发生装置100产生结构光，其包括：

步骤S20：控制结构光发生装置的该至少一个光源组发射光信号的时序和/或亮度；以及

步骤S30：通过该至少一个光源组向对应的光纤束的入射端发射光信号，并由该光纤束的出射端输出该光信号以形成结构光。

参考图9，可选地，在步骤S20之前，本实用新型的结构光发生方法还包括：

步骤S10：将每个光纤束穿过结构光发生装置100的组合装置，重新在该组合装置处对该至少一个光纤束中的光纤进行有序排列，以在其出射端形成新的组合关系，该新的组合关系不同于该至少一个光纤束中的光纤在其入射端的组合关系。具体地，将该至少一个光纤束中的光纤在该结构光发生装置100的组合装置处分为N组排列成N大列，“N”为每个光纤束中的光纤的数量，每大列具有M小列，“M”为该光纤束的数量，每大列中的“M”小列中按照固定的顺序分别排列有“M”个光纤束中的一根光纤。

可选地，步骤S20包括：

第一步骤：当结构光发生装置100包括多个光源组，且每个光源组发射单色光时，控制多个光源组的光源以预设的第一时序发射亮度变化的光信号;

和/或，

第二步骤：当结构光发生装置100包括多个光源组，且每个光源组包括多个光源时，控制每个光源组的该多个光源以预设的第二时序发射亮度变化的光信号。

第一步骤中，每个光源组发射单色光的情况具有以下几种：1，每个光源组包括一个光源，各光源发射的光的颜色不同或相同；2，每个光源组包括多个光源，但是仅其中一种颜色的光源发光，每个光源组发射的光的颜色不同或相同。

该第一时序可包括：例如，如图6中的三角波所示，每个光源组分别以预设的相位差发射光信号，以得到单色光亮度随时间变化的结构光。

该第二时序可包括，例如，如图7中的三角波所示，每个光源组中的多个光源分别以预设的相位差发射光信号，以得到多色光亮度随时间变化的结构光。

可选地，步骤S20还包括：

第三步骤：当结构光发生装置100包括多个光源组，且每个光源组包括多个光源时，选择性地控制每个光源组中的其中一种颜色的光源发射光信号。

参考图10，本实用新型的结构光发生装置100产生的结构光可投射在目标物体上，以在目标物体表面上生成投影图像。投影图像的变化和扭曲程度与目标物体表面的三维曲面形状有关。可利用图像传感器200采集具有结构光投影的目标物体的图像，对采集的图像进行处理和分析，得出相应于每一个像素（i，j）的三维数据（xij，yij，zij），i=1,2,…I,j=1,2,…J.

如图10所示，利用结构光可以准确地识别出采集的图像中每一个像素所对应的投影光线出射角θ，而每一个像素所对应的图像传感器200出射角

可以由图像传感器200的标定参数得出。因此，目标物体表面距离图像传感器200光学中心的距离R可以由以下公式得出：

$R=B\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}---\left(1\right)$

其中，B是图像传感器200的光学中心与结构光发生装置100的光学中心的距离，本实施例中，结构光发生装置100的光学中心的距离可为，例如，一个或多个光纤束10的出射端的中心。根据图像传感器200和结构光发生装置100的相对空间关系，可以由目标物体表面距离图像传感器200光学中心的距离R得出目标物体表面各点（例如点P）的三维坐标值（xij，yij，zij），i=1,2,…I,j=1,2,…J，从而产生整幅三维表面数据（三维图像）。

本实用新型的结构光发生装置100相较传统的结构光发生器，体积可大大减小，因此能够应用于内窥镜、探头等微型三维成像装置中。

参考图11，本实用新型的微型三维成像装置的一种实施例包括上述的结构光发生装置100、还包括图像传感器200和载体300，图像传感器200用于采集结构光发生装置100输出的结构光照射下的目标物体的图像。载体300用于承载结构光发生装置100的至少一个光纤束10和该图像传感器200的输入端，其中，至少一个光纤束10的出射端和图像传感器200的输入端均固定在载体300的一端。本实用新型的微型三维成像装置可利用图10中所示的原理获取目标物体的三维表面数据。

可选地，该微型三维成像装置可为内窥镜或探头，载体300可为内窥镜的探头。至少一个光纤束10的出射端和图像传感器200的输入端可设置在内窥镜的探头的前端，例如，需要深入人体内进行探测的一端。

可选地，至少一个光纤束10的入射端从载体300的另一端伸出，以内窥镜为例，至少一个光纤束10的入射端可从内窥镜探头的后端伸出，此时结构光发生装置100的至少一个光源组也位于内窥镜探头后端的一侧，这样也可避免体积较大的光源设置在内窥镜探头前端造成内窥镜前端体积过大。

可选地，微型三维成像装置的照明装置为该至少一个光纤束10，即该至少一个光纤束10复用为微型三维成像装置的照明光纤束，例如，在内窥镜中，一般具有专门的照明通道，使用本实用新型的结构光发生装置后，可无需设置额外的照明通道，而是同时将光纤束作为结构光发生通道和照明通道，进一步简化了内窥镜的结构。

本实用新型的结构光发生装置采用光纤束传输光源组发射的光以产生所需的结构光，大大缩小了结构光发生装置的体积。本实用新型的微型三维成像装置采用上述结构光发生装置采用上述小型化的结构光发生装置，可将一端（例如内窥镜的探测端）的尺寸做的非常小，而且图像传感器200只需采集一幅图像便可分析得到目标物体的三维表面数据。

图像传感器200还可以进行高速图像采集，以获得动态的三维表面图像数据，即三维视频图像。

在本实用新型的系统中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本实用新型的等效方案。同时，在上面对本实用新型具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本实用新型的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种结构光发生装置，其特征在于，包括：

至少一个光纤束，包括入射端和出射端；

至少一个光源组，用于对应向所述至少一个光纤束发射光信号，每个光源组位于对应的光纤束的入射端一侧，以将发射的光信号经对应的光纤束的入射端输入并经对应的光纤束的出射端输出，以形成结构光；

光源控制器，与所述至少一个光源组连接，用于控制所述至少一个光源组发射光信号的时序和/或亮度。

2.如权利要求1所述的结构光发生装置，其特征在于，还包括组合装置，每个光纤束穿过所述组合装置，所述至少一个光纤束中的光纤在所述组合装置处重新有序排列，以在其出射端形成新的组合关系，所述新的组合关系不同于所述至少一个光纤束中的光纤在其入射端的组合关系。

3.如权利要求2所述的结构光发生装置，其特征在于，所述至少一个光纤束中的光纤在所述组合装置处分为N组排列成N大列，“N”为每个光纤束中的光纤的数量，每大列具有M小列，“M”为所述光纤束的数量，每大列中的“M”小列中按照固定的顺序分别排列有“M”个光纤束中的一根光纤。

4.如权利要求1-3任一项所述的结构光发生装置，其特征在于，每个光源组包括一个光源，用于向对应的光纤束中的光纤发射光信号。

5.如权利要求1-3任一项所述的结构光发生装置，其特征在于，每个光源组包括多个光源，各光源与所述光源控制器连接，所述光源控制器用于选择性地控制每个光源组中的多个光源向对应的光纤束中的光纤发射光信号。

6.如权利要求1-3任一项所述的结构光发生装置，其特征在于，每个光源组包括多个频谱各不相同的光源，每个光源组中的多个频谱各不相同的光源用于同时向对应的光纤束发射光信号。

7.一种微型三维成像装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的结构光发生装置，还包括：

图像传感器，用于采集所述结构光发生装置产生的结构光照射下的物体的图像；

载体，用于承载所述结构光发生装置的至少一个光纤束和所述图像传感器的输入端，其中，所述至少一个光纤束的出射端和所述图像传感器的输入端均固定在所述载体的一端。

8.如权利要求7所述的微型三维成像装置，其特征在于，所述至少一个光纤束的入射端从所述载体的另一端伸出。

9.如权利要求7或8所述的微型三维成像装置，其特征在于，所述微型三维成像装置的照明装置为所述至少一个光纤束。

Images