CN214409568U - 一种单色激光投影系统及3d相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单色激光投影系统，包括用于产生单色激光的激光模组、沿单色激光前进方向依次设置的缩束单元、扩散单元、均光单元、中继单元、棱镜单元、空间光调制器以及投影镜头，空间光调制器尺寸与均光单元的横截面尺寸同比例设置，单色激光经由缩束单元会聚至扩散单元上后并继续经由均光单元均光处理以形成一与均光单元横截面大小相同的第一均匀光斑；中继单元用于按照预设比例放大第一均匀光斑以形成第二均匀光斑，棱镜单元用于将第二均匀光斑以预定角度入射至空间光调制器上，空间光调制器用于接收并调制第二均匀光斑以输出投影图案至投影镜头，其在简化投射器结构、降低成本的同时，还有效减少了由于激光相干性产生的散斑。

Description

一种单色激光投影系统及3D相机

技术领域

本实用新型属于光学三维测量技术领域，尤指涉及一种单色激光投影系统及3D相机。

背景技术

随着现代精密测量技术的不断发展，三维测量技术在医疗、考古、工业设计、虚拟现实等领域的需求日益增加。与之相对应，对三维测量技术的精度与速度也提出了更高的要求。

三维测量技术中，依据检测方式包括接触式测量与非接触式测量。接触式测量通过探针结合运动机构扫描进行检测，因其使用机械式探头，精度低，实用性不高，逐渐被市场淘汰。非接触式测量以光学原理和计算机图像处理为主要手段，分为飞行时间法、干涉法、摄影法、莫尔轮廓法、结构光法等。他们具有非接触、无损伤、高精度、高速地以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点。近年来，随着光电、图像和计算机等技术的发展，非接触式测量技术突飞猛进，获得了广泛的应用。

现行的非接触测量方法主要有立体视觉测量法、干涉测量法、结构光测量法等。其中，立体视觉测量是一种被动试的测量方法，是用两台摄像机获取同一视场的两幅图像后根据视差计算被测面的三维信息。原理简单，对物体及背景等因素要求低，在大型的单位测量中优势较为明显，但两幅图中多点的匹配算法计算量大，精度也较低。

干涉测量法的基本原理是运用物体波前和参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹的变形情况判读出被测物的几何形状，此类方法是常用的高精度、高分辨力测量方法之一。但是系统测量范围通常较小，而且对环境条件要求苛刻，温湿度、气压、震动等都会极大影响稳定性。

结构光法是一种主动式测量技术，此类方法测量速度快，测量精度高，在工业检测、产品设计中有较大的应用前景。通常的技术方案是投射一个载频条纹到被测物体表面，利用成像设备从另外一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像，再从获取的变形条纹图中解调出被测物体的三维数字像。投射出结构光的质量高低将严重影响三维测量精度，结构光三维测量的速度和精度需要良好正弦型的条纹光线和精密、高速的时移装置。

目前结构光三维测量系统中的正弦条纹投射装置多数使用普通商业投影仪，结构光图案利用计算机系统编程形成，图案精度高，可控制强，生成的结构光图案经光学投射器处理后投射到被测物体表面。普通投影仪系统常作为光学投射器，广泛应用于现阶段结构光三维测量系统中，即以透射/反射液晶、数字微镜(空间光调制器)等实现空间光调制，通过调制不同位置的透过率控制光路的通断，再配合红绿蓝三色光束，在物体上产生具有不同灰度层次及颜色的图像。

商业投影机用于投射彩色图像，需要三色光源混合产生色彩，一般的实现方式有采用三种色光的独立光源，单独白光的分时调制，或者采用两种色光光源再用荧光轮激发第三种色光等方式，结构相对复杂，系统体积较大。

随着三维测量市场的发展，便携式嵌入式3D测量系统应运而生。为了克服普通商业投影仪的缺点，需要自主研发高速条纹结构光投射系统来满足嵌入式三维测量系统的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种单色激光投影系统，其在简化投射器结构、缩减系统体积和重量，降低成本的同时，还有效减少了由于激光相干性产生的散斑，保证3D相机的成像效果。

本实用新型提供了一种单色激光投影系统，包括：用于产生单色激光的激光模组、沿所述单色激光前进方向依次同轴设置的缩束单元、扩散单元、均光单元、中继单元、棱镜单元、空间光调制器以及投影镜头；

所述缩束单元用于会聚所述单色激光，所述扩散单元用于消除所述单色激光的散斑，所述空间光调制器尺寸与所述均光单元的横截面尺寸同比例设置，所述单色激光经由所述缩束单元会聚至所述扩散单元上后并继续经由所述均光单元均光处理以形成一与所述均光单元横截面大小相同的第一均匀光斑；

所述中继单元用于按照预设比例放大所述第一均匀光斑以形成第二均匀光斑，其中，所述第二均匀光斑尺寸大于所述空间光调制器尺寸且与所述空间光调制器尺寸同比例设置；

所述棱镜单元用于将所述第二均匀光斑以预定角度入射至所述空间光调制器上；

所述空间光调制器用于接收并调制所述第二均匀光斑以输出投影图案至所述投影镜头。

优选的，所述缩束单元包括同轴设置的第一透镜、第二透镜以用于会聚所述单色激光

优选的，所述单色激光投影系统还包括用于折叠光路的第一反射镜，所述第一反射镜位于所述缩束单元与所述扩散单元之间以将所述缩束单元汇聚的所述单色激光反射至所述扩散单元上。

优选的，所述扩散单元为一片或多片扩散片的组合；

或，所述扩散单元为激光散斑衰减器。

优选的，所述均光单元为导光管，所述导光管的尺寸和反射次数满足如下要求：

其中，N是为反射次数，L为导光管的长度，θmax为光束在积分棒内的最大孔径角，h和w分别表示导光管的高度和宽度。

优选的，所述中继单元包括后组透镜，所述后组透镜包括同轴设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜。

进一步的，所述中继单元还包括第二反射镜，所述第二反射镜位于所述后组透镜与棱镜单元之间以用于折叠光路。

优选的，所述棱镜单元为TIR棱镜或RTIR棱镜。

优选的，所述空间光调制器为DMD。

优选的，所述激光模组为并联的激光模组。

本实用新型还提供了一种3D相机，包括：如前所述的一种单色激光投影系统以及两个工业相机，所述两个工业相机位于所述单色激光投影系统的两侧，且所述单色激光投影系统的投射范围在两个工业相机各自的图像采集范围之内。

本实用新型提供一种单色激光投影系统及3D相机，其在简化投射器结构(去除荧光轮等附件)，缩减系统体积和重量，降低成本的同时，还有效减少了由于激光相干性产生的散斑，保证3D相机的成像效果。

具体而言，激光模组产生单色激光后、单色激光经由缩束单元会聚至扩散单元上，扩散单元将上述单色激光扩散角扩大并散斑消除后形成一尺寸小于均光单元横截面大小的激光光束，该激光光束经过均光单元均光处理后形成一与所述均光单元横截面大小相同的第一均匀光斑；均匀光斑继续经过中继单元按照预设比例放大，由于所述空间光调制器尺寸与所述均光单元的横截面尺寸同比例设置，故最终产出一个横截面与空间光调制器同比例设置且所述大于所述空间光调制器尺寸的第二均匀光斑，该第二均匀光斑经由棱镜单元以预定角度入射至空间光调制器上，从而可接收空间光调制器调制以输出投影图案至所述投影镜头。

第二、激光光源采用多模组并列设计，通过调节激光阵列数来增大或减小光强，可根据不同应用场合的需求，选择适应的光强，同时由于采用单色光源提高信噪比，可提升3D相机在室外使用时的抗干扰能力；

第三、空间光调制器为DMD时，投影图案可根据需要随时通过DLP控制产生不同的投射图案以适应不同的场合需求。

附图说明

图1为单色激光投影系统一实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例中光路传递示意图；

图3为单目3D相机实施例的结构示意图；

图4为双目3D相机实施例的结构示意图；

图5为双目双投射器3D相机实施例的结构示意图；

其中，激光模组1、第一透镜201、第二透镜202、第一反射镜203、扩散单元3、均光单元4、第三透镜501、第四透镜502、第五透镜503、第六透镜505、第二反射镜504、棱镜单元6、空间光调制器7以及投影镜头8、单色激光投影系统10、工业相机20。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，而非以任何方式限制本实用新型的保护范围。

在说明书的全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列相目中的一个或多个的任何和全部组合。在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、步骤、整体、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、步骤、整体、操作、元件、部件和/或它们的组合。

如在说明书中使用的用语“基本上”、“大约”以及类似的用于用作表示近似的用语，而不用作表示程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1和图2所示，本实用新型公开了一种单色激光投影系统，包括：用于产生单色激光的激光模组1、沿所述单色激光前进方向依次同轴设置的缩束单元、扩散单元3、均光单元4、中继单元、棱镜单元6、空间光调制器7以及投影镜头8。

所述缩束单元用于会聚所述单色激光，所述扩散单元3用于消除所述单色激光的散斑，所述空间光调制器7尺寸与所述均光单元4的横截面尺寸同比例设置，所述单色激光经由所述缩束单元会聚至所述扩散单元3上后并继续经由所述均光单元4均光处理以形成一与所述均光单元4横截面大小相同的第一均匀光斑；所述中继单元用于按照预设比例放大所述第一均匀光斑以形成第二均匀光斑，其中，所述第二均匀光斑尺寸大于所述空间光调制器7尺寸且与所述空间光调制器7尺寸同比例设置；所述棱镜单元6用于将所述第二均匀光斑以预定角度入射至所述空间光调制器7上；所述空间光调制器7用于接收并调制所述第二均匀光斑以输出投影图案至所述投影镜头8。

本实用新型所示一种单色激光投影系统及3D相机，其在简化投射器结构(去除荧光轮等附件)，缩减系统体积和重量，降低成本的同时，还有效减少了由于激光相干性产生的散斑，保证3D相机的成像效果。具体而言，激光模组1产生单色激光后、单色激光经由缩束单元会聚至扩散单元3上，扩散单元3将上述单色激光扩散角扩大并散斑消除后形成一尺寸小于均光单元4横截面大小的激光光束，该激光光束经过均光单元4均光处理后形成一与所述均光单元4横截面大小相同的第一均匀光斑；均匀光斑继续经过中继单元按照预设比例放大，由于所述空间光调制器7尺寸与所述均光单元4的横截面尺寸同比例设置，故最终产出一个横截面与空间光调制器7同比例设置且所述大于所述空间光调制器7尺寸的第二均匀光斑，该第二均匀光斑经由棱镜单元6以预定角度入射至空间光调制器7上，从而可接收空间光调制器7调制以输出投影图案至所述投影镜头8。

作为一优选方案，本实施例中，所述激光模组1为并联的激光模组1。由于激光光源采用模组式设计，具体以下优点，(1)并联关系，使用可靠。(2)特殊的模组结构，分拆容易。提高投影的亮度相对简单，只需加装更多的激光二极管即可。(3)安全性提高。激光光源，固态机构设计，在不稳定或过热时，会被熔毁，自行断电，彻底避免了隐患。(4)相对于传统光源，纯激光光源的功耗大幅降低，节能效果明显。

缩束单元的功能是聚焦，由于激光光束的发散角较小，因此只需采用两片透镜即可，作为一优选方案，本实施例中，所述缩束单元包括同轴设置的第一透镜201、第二透镜202以用于会聚所述单色激光。此外，考虑到系统的总长，所述单色激光投影系统还包括用于折叠光路的第一反射镜203，所述第一反射镜203位于所述缩束单元与所述扩散单元3之间以将所述缩束单元汇聚的所述单色激光反射至所述扩散单元3上，从而进行折转光路。

由于单色激光的集束性的特点让激光非常稳定，对于投影光源却是非常不利的因素，且还存在激光和激光之间的干涉效应，本实施例中，会聚后的单色激光透过扩散单元3然后变为可用的、发散性的面光源，并通过扩散单元3消除干涉效应，作为一优选方案，本实施例中，所述扩散单元3可为一片或多片扩散片的组合；或，所述扩散单元3为激光散斑衰减器，二者均可有效减弱激光散斑。

均光单元4用于形成其横截面大小相同的第一均匀光斑，作为一优选方案，本实施例中，所述均光单元4为导光管，特别可为方棒导光管，所述导光管的尺寸和反射次数满足如下要求：

其中，N是为反射次数，L为导光管的长度，θmax为光束在积分棒内的最大孔径角，h和w分别表示导光管的高度和宽度。

在投影照明系统中，由于方棒导光管的出光特性及系统结构的限制，无法将经过方棒导光管后的第一均匀光斑直接投射到空间光调制器7上,因此，需要一个中继单元实现这一目标。中继单元的作用是将第一均匀光斑按比例放大到空间光调制器7芯片上，一般情况下，投影中继系统采用3～4片球面透镜的双远心结构即可达到系统照明光斑质量的要求。作为一优选方案，本实施例中，所述中继单元包括后组透镜，所述后组透镜包括同轴设置的第三透镜501、第四透镜502、第五透镜503以及第六透镜505。其中第三透镜501的作用是扩散光线使方棒出来的光斑可以等比例放大，可选用负透镜，第四透镜502的作用是收光和聚集光线，故其镜片前表面曲率为负，后表面曲率为正，第五透镜503以及第六透镜505的功能是折转光路且通过控制第五透镜503以及第六透镜505之间的距离可以调整照射到DMD上光斑尺寸大小，故本实施例中，第五透镜503选用正透镜,第六透镜505选用负透镜，采用对称结构以减小像差。更进一步的，本实施中，所述中继单元还包括第二反射镜504，所述第二反射镜504位于所述后组透镜与TIR棱镜之间以用于折叠光路。

作为一优选方案，本实施例中，所述棱镜单元6为TIR棱镜或RTIR棱镜。

作为一优选方案，本实施例中，所述空间光调制器7为DMD，可利用DLP投射出高质量的结构光条纹图，由于条纹图案由计算机仿真生成，因此其相移和条纹宽度通过程序可精确控制实现，满足条纹图案自适应投射的特点。

实施例二

如图3所示，本实用新型还提供了一种3D相机，包括如实施例一所述的一种单色激光投影系统10以及一个工业相机20，其中，所述单色激光投影系统10的投射范围工业相机10的图像采集范围之内。

由于采用上述单色激光投影系统，本实用新型所示的一种3D相机具备大视野，高精度，环境光变化适应能力强，当用于大视野3D视觉引导机器人或其他场景时，获取的点云精度高，成像稳定。

实施例三

如图4所示，本实用新型还提供了一种3D相机，包括如实施例一所述的一种单色激光投影系统10以及两个工业相机20，所述两个工业相机20位于所述单色激光投影系统10的两侧，且所述单色激光投影系统10的投射范围在两个工业相机20各自的图像采集范围之内。

由于采用上述单色激光投影系统，本实用新型所示的一种3D相机具备大视野，高精度，环境光变化适应能力强，当用于大视野3D视觉引导机器人或其他场景时，获取的点云精度高，成像稳定。

实施例四

如图5所示，本实用新型还提供了一种3D相机，包括2个如实施例一所述的单色激光投影系统以及两个工业相机，两个所述单色激光投影系统与两组所述相工业相机的中心连线呈十字分布状态。

工作时，基于其中一个单色激光投影系统，获取第一组双目图像对(两个工业相机采集)，并基于第一组双目图像对进行立体匹配，生成第一视差图；然后基于另外一个单色激光投影系统，获取第二组双目图像对，并基于第二组双目图像对进行立体匹配，生成第二视差图；对第一视差图及第二视差图进行融合，生成融合后的视差图，根据融合后的视差图得到3D点云，由于双投射器多次匹配可进一步提高点云精度。可有效克服传统主动双目立体相机因被测物表面反光引起的点云缺失问题，提高了点云的完整性，

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种单色激光投影系统，其特征在于：包括：用于产生单色激光的激光模组、沿所述单色激光前进方向依次设置的缩束单元、扩散单元、均光单元、中继单元、棱镜单元、空间光调制器以及投影镜头；

所述缩束单元用于会聚所述单色激光，所述扩散单元用于消除所述单色激光的散斑，所述空间光调制器尺寸与所述均光单元的横截面尺寸同比例设置，所述单色激光经由所述缩束单元会聚至所述扩散单元上后并继续经由所述均光单元均光处理以形成一与所述均光单元横截面大小相同的第一均匀光斑；

所述中继单元用于按照预设比例放大所述第一均匀光斑以形成第二均匀光斑，其中，所述第二均匀光斑尺寸大于所述空间光调制器尺寸且与所述空间光调制器尺寸同比例设置；

所述棱镜单元用于将所述第二均匀光斑以预定角度入射至所述空间光调制器上；

所述空间光调制器用于接收并调制所述第二均匀光斑以输出投影图案至所述投影镜头。

2.根据权利要求1所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述缩束单元包括同轴设置的第一透镜、第二透镜以用于会聚所述单色激光。

3.根据权利要求1所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述单色激光投影系统还包括用于折叠光路的第一反射镜，所述第一反射镜位于所述缩束单元与所述扩散单元之间以将所述缩束单元汇聚的所述单色激光反射至所述扩散单元上。

4.根据权利要求1所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述扩散单元为一片或多片扩散片的组合；

或，所述扩散单元为激光散斑衰减器。

5.根据权利要求1所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述均光单元为导光管，所述导光管的尺寸和反射次数满足如下要求：

其中，N是为反射次数，L为导光管的长度，θ_max为光束在积分棒内的最大孔径角，h和w分别表示导光管的高度和宽度。

6.根据权利要求1所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述中继单元包括后组透镜，所述后组透镜包括同轴设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜。

7.根据权利要求6所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述中继单元还包括第二反射镜，所述第二反射镜位于所述后组透镜与棱镜单元之间以用于折叠光路。

8.根据权利要求1所述的单色激光投影系统，其特征在于：所述棱镜单元为TIR棱镜或RTIR棱镜；

和/或，所述空间光调制器为DMD；

和/或，所述激光模组为并联的激光模组。

9.一种3D相机，其特征在于，包括：如权利要求1至8任一项所述的一种单色激光投影系统以及至少一个工业相机，所述单色激光投影系统的投射范围在所述工业相机的图像采集范围之内。

10.一种3D相机，其特征在于，包括2个如权利要求1至8任一项所述的单色激光投影系统以及两个工业相机，两个所述单色激光投影系统与两组所述相工业相机的中心连线呈十字分布状态。

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