CN213984962U - 一种三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三维成像系统，包括光源模块；空间光调制模块和分束模块，分束模块用于将光源模块提供的平行光反射至空间光调制模块中，空间光调制模块用于对平行光波前进行相位调制并输出至分束模块中；扩束模块和成像模块，分束模块用于将完成调制的平行光透射至扩束模块中扩束并照向待成像物体，使物体表面反射的光波经分束模块进入成像模块中成像；处理模块。与现有技术相比，本实用新型通过空间光调制模块对平行光波前进行相位调制并输出至分束模块中，通过分束模块将物体表面反射的光波反射至成像模块中成像，进一步实现物体不同部位的成像，使成像更快捷，效果更佳，且生产成本低。

Description

一种三维成像系统

技术领域

本实用新型涉及三维成像技术领域，具体而言，涉及一种三维成像系统。

背景技术

随着计算机技术、信息技术的快速发展，很多场合下获取物体表面的二维图像已经不能满足应用需求，物体表面三维形貌的成像与测量越来越重要。例如逆向工程、医学成像、工业检测以及立体显示等。但现有技术中的三维成像系统存在缺陷，例如：

一种现有技术中，公开了一种基于相位测量的物体三维形貌测量系统，由DLP投影机、CCD摄像机、图像采集卡、计算机构成，待测物体放置时其·法线与DLP投影机成45°角，同时其法线与CCD摄像机成0°角。通过该系统的数字相移光栅，最终可以获得物体的三维形貌。

一种现有技术中，公开了一种便携式光栅投影三维面形测量装置，包括：触摸屏、摄像器、嵌入式平台、亚克力支架及投影仪；触摸屏、摄像器、嵌入式平台及投影仪设于亚克力支架上；触摸屏、摄像器及投影仪与嵌入式平台连接；嵌入式平台包括设置光栅调制频率和相位的参数设置模块及用于生成光栅条纹图像的数字光栅投影模块。

这两个实用新型中的装置都是采用基于数字光栅投影条纹的方法，需要投射一系列条纹到物体表面，成像速度慢，对动态变化物体效果差，且成本高。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种三维成像系统，具体技术方案如下所示：

一种三维成像系统，包括：

光源模块，用于提供平行光；

空间光调制模块和分束模块，所述分束模块用于将所述平行光反射进入所述空间光调制模块中，所述空间光调制模块用于对所述平行光的波前进行相位调制并输出至所述分束模块中；

扩束模块和成像模块，所述分束模块还用于将完成相位调制的所述平行光透射进入所述扩束模块中进行扩束并照向待成像物体，使待成像物体表面反射的光波经过所述分束模块进入所述成像模块中进行成像；

位移台，用于承载待成像物体；

处理模块，用于接收所述成像模块传递的图像。

在一个具体的实施例中，所述光源模块、所述空间光调制模块、所述扩束模块和所述成像模块共光轴布置。

在一个具体的实施例中，所述分束模块包括第一分束器和第二分束器，所述第一分束器对接所述平行光，用于将所述平行光反射进入所述空间光调制模块中并透射进入所述第二分束器中；

所述第二分束器用于将所述平行光透射进入所述扩束模块中和将待成像物体表面反射的光波反射进入所述成像模块中进行成像。

在一个具体的实施例中，所述光源模块位于所述第一分束器的入射光路，所述空间光调制模块位于所述第一分束器的反射光路，所述第二分束器位于所述第一分束器的透射光路，使所述平行光反射进入所述空间光调制模块中并透射进入所述第二分束器中；

所述扩束模块位于所述第二分束器的透射光路，所述成像模块位于所述第二分束器的反射光路，使所述平行光透射进入所述扩束模块中和将待成像物体表面反射的光波反射进入所述成像模块中进行成像。

在一个具体的实施例中，所述光源模块包括激光器、偏振器、空间滤波器和准直镜，所述激光器、所述偏振器、所述空间滤波器和所述准直镜依次共光轴布置；

所述激光器用于提供光源，所述偏振器对接所述激光器，使所述激光器出射激光的偏振方向与所述空间光调制模块的长轴方向相同；

所述空间滤波器对接所述偏振器，用于对所述激光器提供的所述光源进行噪声过滤；

所述准直镜对接所述空间滤波器，用于将完成噪声过滤的所述光源准直为所述平行光。

在一个具体的实施例中，所述空间滤波器包括显微物镜和针孔，所述准直镜的前焦点位于所述针孔处，所述针孔位于所述显微物镜的后焦点处；

所述显微物镜用于将所述激光器提供的所述光源汇聚到所述针孔中，所述针孔用于过滤所述光源的杂散光。

在一个具体的实施例中，所述空间光调制模块包括多个独立单元，多个所述独立单元在空间上呈一维或二维阵列排列；

每个所述独立单元用于接收所述第一分束器反射的所述平行光，对所述平行光的波前进行相位调制并输出至所述分束模块中。

在一个具体的实施例中，所述空间光调制模块包括反射式纯相位调制型。

在一个具体的实施例中，所述扩束模块包括扩束器，所述扩束器用于扩大所述平行光的直径，使所述平行光覆盖待成像物体表面更大的区域。

在一个具体的实施例中，所述扩束器的光学元件表面镀有增透膜，所述增透膜用于降低空气与所述光学元件的反射。

本实用新型至少具有以下有益效果：

根据本实用新型提供的一种三维成像系统，通过空间光调制模块对平行光的波前进行相位调制并输出至分束模块中，通过分束模块将完成相位调制的平行光透射进入扩束模块中进行扩束并照向待成像物体上，将待成像物体表面反射的光波反射进入成像模块中成像。进一步使三维成像更快捷简便，效果更佳。进一步实现物体不同部位的成像，且生产制造成本低。进一步提升用户的使用体验。

进一步地，光源模块位于第一分束器的入射光路，空间光调制模块位于第一分束器的反射光路，第二分束器位于第一分束器的透射光路，使平行光反射进入空间光调制模块中并透射进入第二分束器中；扩束模块位于第二分束器的透射光路，成像模块位于第二分束器的反射光路，使平行光透射进入扩束模块中和将待成像物体表面反射的光波反射进入成像模块中进行成像。进一步使光源模块提供的平行光能够通过第一分束器准确地反射进入空间光调制模块中进行相位调制并能透射进入第二分束器中。进一步使透射进入第二分束器中完成相位调制的平行光能够通过扩束模块进行扩束并照向待成像物体的表面，使待成像物体表面反射的光波能够通过第二分束器反射进入成像模块中进行成像。进一步保证了三维成像系统的正常运行。

进一步地，空间滤波器包括显微物镜和针孔，准直镜的前焦点位于针孔处，针孔位于显微物镜的后焦点处，进一步使激光器提供的光源能够通过显微物镜汇聚到针孔中，使针孔能过滤光源的杂散光，进一步改善成像模块中的图像，使图像边缘增强、线性增强以及更清晰等。进一步保证三维成像系统的正常运行，提升用户的使用体验。

进一步地，空间光调制模块包括多个独立单元，多个独立单元在空间上呈一维或二维阵列排列，每个独立单元用于接收第一分束器反射的平行光，对平行光的波前进行相位调制并输出至分束模块中。进一步地，每个独立单元都能独立接收第一分束器反射的平行光，并根据平行光的光信号改变自身的光学性质(透过率、反射率和折射率等)，从而对平行光的波前进行相位调制，使平行光的波前产生叠加相位。

进一步地，扩束器的光学元件表面镀有增透膜，使空气与光学元件的反射降到最低，减少反射光的强度。进一步提高成像模块中的图像的对比度和信噪比。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是实施例中三维成像系统的结构图；

图2是实施例中分束模块的结构分布图；

图3是实施例中光源模块的结构分布图；

图4是实施例中空间滤波器的结构分布图。

主要元件符号说明：

1.光源模块；2-空间光调制模块；3-分束模块；4-扩束模块；5-成像模块；6-位移台；8-第一分束器；9-第二分束器；10-激光器；11-偏振器；12-空间滤波器；13-准直镜；14-显微物镜；15-针孔。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种三维成像系统，包括：

光源模块1，用于提供平行光；

空间光调制模块2和分束模块3，分束模块3用于将平行光反射进入空间光调制模块2中，空间光调制模块2用于对平行光的波前进行相位调制，使波前产生叠加相位并输出至分束模块3中；

扩束模块4和成像模块5，分束模块3还用于将完成相位调制的平行光透射进入扩束模块4中进行扩束并照向待成像物体，使待成像物体表面反射的光波经过分束模块3进入成像模块5中进行成像；

位移台6，用于承载待成像物体；

处理模块(处理模块可以是计算机)，用于接收成像模块5传递的图像。

本实施例中，光源模块1、空间光调制模块2、扩束模块4和成像模块5共光轴布置。

本实施例中，分束模块3包括第一分束器8和第二分束器9，第一分束器8对接平行光，用于将平行光反射进入空间光调制模块2中并透射进入第二分束器9中。第二分束器9用于将平行光透射进入扩束模块4中和将待成像物体表面反射的光波反射进入成像模块5中进行成像。

本实施例中，光源模块1位于第一分束器8的入射光路，空间光调制模块2位于第一分束器8的反射光路，第二分束器9位于第一分束器8的透射光路，使平行光反射进入空间光调制模块2中并透射进入第二分束器9中。

扩束模块4位于第二分束器9的透射光路，成像模块5位于第二分束器9的反射光路，使平行光透射进入扩束模块4中和将待成像物体表面反射的光波反射进入成像模块5中进行成像。

本实施例中，光源模块1包括激光器10、偏振器11、空间滤波器12和准直镜13，激光器10、偏振器11、空间滤波器12和准直镜13依次共光轴布置。

激光器10用于提供光源。偏振器11对接激光器10，使激光器10出射激光的偏振方向与空间光调制模块2的长轴方向相同。空间滤波器12对接偏振器11，用于对激光器10提供的光源进行噪声过滤。准直镜13对接空间滤波器12，用于将完成噪声过滤的光源准直为平行光。

本实施例中，空间滤波器12包括显微物镜14和针孔15，准直镜13的前焦点位于针孔15处，针孔15位于显微物镜14的后焦点处。

显微物镜14用于将激光器10提供的光源汇聚到针孔15中，针孔15用于过滤光源的杂散光。

本实施例中，空间光调制模块2包括多个独立单元(图中未示出)，多个独立单元在空间上呈一维或二维阵列排列。

每个独立单元用于接收第一分束器8反射的平行光，对平行光的波前进行相位调制并输出至分束模块3中。

具体地，激光器10、偏振器11、空间滤波器12、准直镜13依序共光轴布置。激光器10发射光束，出射光束先后经过偏振器11、空间滤波器12和准直镜13。激光器10用于提供光源，具有功率稳定性高的特点。偏振器11位于激光器10的后面，通过旋转偏振器11角度改变激光的偏振方向，使激光偏振方向与空间光调制模块2的长轴方向相同。空间滤波器12位于偏振器11的后面，对激光器10发射的光束进行噪声过滤。空间滤波器12主要由显微物镜14、针孔15组成，针孔15位于显微物镜14的后焦点处，显微物镜14将激光器10发射的光束汇聚到针孔15处，针孔15过滤掉汇聚的光束周围的杂散光，出射光波为以针孔15为中心的球面波。准直镜13位于空间滤波器12的后面，将针孔15出射球面光波准直为平行光。准直镜13的前焦点位于针孔15处。

本实施例中，空间光调制模块2包括反射式纯相位调制型。

具体地，反射式纯相位调制型空间光调制模块2是本实施例的优选方式。反射式纯相位调制型空间光调制模块2具有像素分辨率高的特点。

本实施例中，扩束模块4包括扩束器(图中未示出)，扩束器用于扩大平行光的直径，使平行光覆盖待成像物体表面更大的区域。

本实施例中，扩束器的光学元件表面镀有增透膜(图中未示出)，增透膜用于降低空气与光学元件的反射。

具体地，成像模块5包括成像相机(图中未示出)，经过扩束的平行光束正向入射到待成像物体的表面，反射光束被成像相机探测并成像。成像相机由成像镜头(图中未示出)、成像探测器(图中未示出)组成，成像探测器感光面位于成像镜头的后焦面处。

本实施例中，三维成像系统的工作原理包括：

将待成像测量的物体放置在位移台6上，并通过位移台6调整物体位置。打开激光器10，出射激光通过偏振器11改变偏振方向，然后通过空间滤波器12滤除噪声，出射的球面光波被准直镜13准直为平行光，平行光经过第一分束器8反射进入空间光调制模块2，空间光调制模块2对平行光波前产生一个叠加相位

调制反射光波先后透过第一分束器8、第二分束器9进入扩束器，扩束后正向照射到物体表面，物体表面反射光波经过第二分束器9反射进入成像模块5，成像模块5拍摄第一图像并上传到处理模块中。空间光调制模块2产生新的叠加相位

成像模块5拍摄第二图像并上传到处理模块中。处理模块根据第一图像和第二图像，以及叠加相位

和

的变化生成三维图像。通过位移台6调整待成像物体的位置，能够实现待成像的物体不同部位的成像。

与现有技术相比，本实用新型通过空间光调制模块2对平行光的波前进行相位调制并输出至分束模块3中，通过分束模块3将完成相位调制的平行光透射进入扩束模块4中进行扩束并照向待成像物体上，将待成像物体表面反射的光波反射进入成像模块5中成像。进一步使三维成像更快捷简便，效果更佳。进一步实现物体不同部位的成像，且生产制造成本低。进一步提升用户的使用体验。

进一步地，光源模块1位于第一分束器8的入射光路，空间光调制模块2位于第一分束器8的反射光路，第二分束器9位于第一分束器8的透射光路，使平行光反射进入空间光调制模块2中并透射进入第二分束器9中。扩束模块4位于第二分束器9的透射光路，成像模块5位于第二分束器9的反射光路，使平行光透射进入扩束模块4中和将待成像物体表面反射的光波反射进入成像模块5中进行成像。进一步使光源模块1提供的平行光能够通过第一分束器8准确地反射进入空间光调制模块2中进行相位调制并能透射进入第二分束器9中。进一步使透射进入第二分束器9中完成相位调制的平行光能够通过扩束模块4进行扩束并照向待成像物体的表面，使待成像物体表面反射的光波能够通过第二分束器9反射进入成像模块5中进行成像。进一步保证了三维成像系统的正常运行。

进一步地，空间滤波器12包括显微物镜14和针孔15，准直镜13的前焦点位于针孔15处，针孔15位于显微物镜14的后焦点处，进一步使激光器10提供的光源能够通过显微物镜14汇聚到针孔15中，使针孔15能过滤光源的杂散光，进一步改善成像模块5中的图像，使图像边缘增强、线性增强以及更清晰等。进一步保证三维成像系统的正常运行，提升用户的使用体验。

进一步地，空间光调制模块2包括多个独立单元，多个独立单元在空间上呈一维或二维阵列排列，每个独立单元用于接收第一分束器8反射的平行光，对平行光的波前进行相位调制并输出至分束模块3中。进一步地，每个独立单元都能独立接收第一分束器8反射的平行光，并根据平行光的光信号改变自身的光学性质(透过率、反射率和折射率等)，从而对平行光的波前进行相位调制，使平行光的波前产生叠加相位。

进一步地，扩束器的光学元件表面镀有增透膜，使空气与光学元件的反射降到最低，减少反射光的强度。进一步提高成像模块5中的图像的对比度和信噪比。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本实用新型序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施场景，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维成像系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于提供平行光；

空间光调制模块和分束模块，所述分束模块用于将所述平行光反射进入所述空间光调制模块中，所述空间光调制模块用于对所述平行光的波前进行相位调制并输出至所述分束模块中；

扩束模块和成像模块，所述分束模块还用于将完成相位调制的所述平行光透射进入所述扩束模块中进行扩束并照向待成像物体，使待成像物体表面反射的光波经过所述分束模块进入所述成像模块中进行成像；

位移台，用于承载待成像物体；

处理模块，用于接收所述成像模块传递的图像。

2.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于：

所述光源模块、所述空间光调制模块、所述扩束模块和所述成像模块共光轴布置。

3.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于：

所述分束模块包括第一分束器和第二分束器，所述第一分束器对接所述平行光，用于将所述平行光反射进入所述空间光调制模块中并透射进入所述第二分束器中；

所述第二分束器用于将所述平行光透射进入所述扩束模块中和将待成像物体表面反射的光波反射进入所述成像模块中进行成像。

4.根据权利要求3所述的三维成像系统，其特征在于：

所述光源模块位于所述第一分束器的入射光路，所述空间光调制模块位于所述第一分束器的反射光路，所述第二分束器位于所述第一分束器的透射光路，使所述平行光反射进入所述空间光调制模块中并透射进入所述第二分束器中；

所述扩束模块位于所述第二分束器的透射光路，所述成像模块位于所述第二分束器的反射光路，使所述平行光透射进入所述扩束模块中和将待成像物体表面反射的光波反射进入所述成像模块中进行成像。

5.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于：

所述光源模块包括激光器、偏振器、空间滤波器和准直镜，所述激光器、所述偏振器、所述空间滤波器和所述准直镜依次共光轴布置；

所述激光器用于提供光源，所述偏振器对接所述激光器，使所述激光器出射激光的偏振方向与所述空间光调制模块的长轴方向相同；

所述空间滤波器对接所述偏振器，用于对所述激光器提供的所述光源进行噪声过滤；

所述准直镜对接所述空间滤波器，用于将完成噪声过滤的所述光源准直为所述平行光。

6.根据权利要求5所述的三维成像系统，其特征在于：

所述空间滤波器包括显微物镜和针孔，所述准直镜的前焦点位于所述针孔处，所述针孔位于所述显微物镜的后焦点处；

所述显微物镜用于将所述激光器提供的所述光源汇聚到所述针孔中，所述针孔用于过滤所述光源的杂散光。

7.根据权利要求3所述的三维成像系统，其特征在于：

所述空间光调制模块包括多个独立单元，多个所述独立单元在空间上呈一维或二维阵列排列；

每个所述独立单元用于接收所述第一分束器反射的所述平行光，对所述平行光的波前进行相位调制并输出至所述分束模块中。

8.根据权利要求7所述的三维成像系统，其特征在于：

所述空间光调制模块包括反射式纯相位调制型。

9.根据权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于：

所述扩束模块包括扩束器，所述扩束器用于扩大所述平行光的直径，使所述平行光覆盖待成像物体表面更大的区域。

10.根据权利要求9所述的三维成像系统，其特征在于：

所述扩束器的光学元件表面镀有增透膜，所述增透膜用于降低空气与所述光学元件的反射。

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