CN217604922U - 深度数据测量头和局部深度数据测量设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种深度数据测量头，以及使用该测量头的局部深度数据测量设备。所述测量头包括：光源模块，用于向被测空间投射点激光；转向模块，用于控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上运动；测距模块，与所述光源模块同轴布置，并且用于基于投射点激光的返回光信号确定深度信息；以及微调模块，用于微调所述点激光在所述二维方向上的运动。测量头进行点激光投射和同轴成像，包括能够控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上进行大范围运动的转向模块，并且结合由压电偏振镜实现的微调模块，能够按需控制测量头在规定的微小角度范围内进行精细的深度测量。

Description

深度数据测量头和局部深度数据测量设备

技术领域

本公开涉及一种深度数据测量领域，尤其涉及一种深度数据测量头以及利用该测量头的局部深度数据测量设备。

背景技术

在基于主动投射光(例如，投射激光散斑、条纹光或点激光)进行成像的深度测量领域，由于深度计算需要针对返回光(每个反射的光点)进行，因此在投射功率受限的情况下(例如，每次成像投射固定个数的光点)，成像距离越近，其所需覆盖的面积越小，返回的光点更加密集。远距离投射虽然能够覆盖更大的测量面积，但返回的光点更加稀疏，其测量精度往往不能达到要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种深度数据测量头，该测量头进行点激光投射和同轴成像，包括能够控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上进行大范围运动的转向模块，并且结合由压电偏振镜实现的微调模块，能够按需控制测量头在规定的微小角度范围内进行精细的深度测量。进一步地，上述测量头能够与可见光传感器相结合，对基于拍摄图像选出的目标区域进行预定范围内的高精度深度数据测量，从而解决远距离深度数据测量精度不高的问题。

根据本公开的第一个方面，提供了一种深度数据测量头，包括：光源模块，用于向被测空间投射点激光；转向模块，用于控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上运动；测距模块，与所述光源模块同轴布置，并且用于基于投射点激光的返回光信号确定深度信息；微调模块，用于所述点激光在所述二维方向上的运动；以及底座，用于固定所述光源模块、所述转向模块、所述测距模块和所述微调模块。

根据本公开的第二个方面，提供了一种局部深度数据测量设备，包括：可见光传感器，用于拍摄被测空间的二维图像；标注装置，用于在拍摄的所述二维图像中标出目标区域；以及根据本公开第一方面所述的深度数据测量头，用于根据所述目标区域在所述所述二维图像中的坐标，确定微调模块的运动范围，对所述目标区域进行扫描测距，以获取所述目标区域内的深度信息。

由此，本实用新型的深度测量方案能够对通过灵活定位而向预定目标进行高精度的dToF成像，从而实现局部，尤其是远距离场景中的局部深度数据测量。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了光源模块和测距模块同轴布置的深度数据测量头的组成示意图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量头的组成示意图。

图3示出了另一个角度下根据本实用新型一个实施例的深度数据测量头的组成示意图。

图4示出了本实用新型深度数据测量头中转向模块的一个组成例。

图5示出了本实用新型深度数据测量头中微调模块的一个组成例。

图6示出了根据本实用新型一个实施例的局部深度数据测量设备的组成示意图。

图7A-B示出了使用本实用新型的测量设备进行局部深度数据测量的例子。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在基于主动投射光(例如，投射激光散斑、条纹光或点激光)进行成像的深度测量领域，由于深度计算需要针对返回光(每个反射的光点)进行，因此在投射功率受限的情况下(例如，每次成像投射固定个数的光点)，成像距离越近，其所需覆盖的面积越小，返回的光点更加密集。远距离投射虽然能够覆盖更大的测量面积，但返回的光点更加稀疏，其测量精度往往不能达到要求。

有鉴于此，提出一种深度数据测量头，该测量头进行点激光投射和同轴成像，并且包括能够控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上运动的转向模块，由此能够按需控制测量头在规定的角度范围内进行深度测量。

图1示出了光源模块和测距模块同轴布置的深度数据测量头的组成示意图。

如图1所示，深度数据测量头100可以包括光源模块110、转向模块120和测距模块130。

在此，光源模块110用于向被测空间投射点激光。转向模块120用于控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上运动。在此，控制投射的点激光在“二维方向”上运动指的是：相比于在一个方向上运动以投射能够覆盖线型区域的光的转向模块，本实用新型的转向模块能够在两个维度上提供可运动性，从而使得投射的点激光能够覆盖一定范围内的连续面积。例如，如果该测量头的转向模块无转向的情况下，出射方向为z方向，那么本发明的转向模块120能够在三维空间中的另两个方向(例如，与z方向垂直的水平方向，以及垂直的y方向)上提供一定范围内的运动能力。例如，如果测量头水平放置，其出射方向为水平向前的z方向，那么可以设y方向为垂直地面的竖直方向，x方向为水平向右的方向。在其他实施例中，二维方向也可以是其他方向，只要其能够使得光源模块投射的点激光能够通过运动覆盖一定面积的区域(该区域有一定的长宽比，而非仅仅是一个点，或一条线)。

测距模块130与所述光源模块110同轴布置，并且用于基于投射点激光的返回光信号确定深度信息。在此，“同轴”布置指的是光源的出射光路与测距模块的返回光路“同轴”，即出射和返回光路至少部分(甚至大部分)重合，由此测距模块130的视场角可以很小，并且可以只检测单个点的返回光，因此可以具有极高的敏感性。在图示的例子中，可以通过实现为棱镜140的透射反射装置来实现测距模块130与光源模块110的同轴布置。为了示出方便，图1中用灰色的线指代光线(深灰色的线指代空气中的光线路径，淡灰色的线指代透镜中的光线路径)，并且使用箭头的方向来表示光的出射和返回。

如图所示，棱镜140可用于使得投射的激光透射通过，并将返回光反射至测距模块。在图示的实施例中，使用反射面对面放置的两个棱镜来实现出射时透射，入射时反射的透射反射功能。使用两个棱镜能够降低反射引起的光损。在其他实施例，也可以使用一个棱镜来实现透射和反射功能。

另外，虽然图1中没有示出，但应该理解的是，测量头100还应该包括用于固定光源模块110、转向模块120和测距模块130的底座。上述底座可以装配在壳体内，或是实现为壳体，从而使得本实用新型的深度数据测量头能够被看作是一个独立的装置。进一步地，测量头100还可以包括计算模块，用于对点激光运动范围进行成像，例如，用于计算每个投射点对应的深度信息，还可以进一步将目标区域内一个个的深度数据点按照其空间方位拼接成一幅深度图。

由此，通过点激光的同轴感测并结合能够在一定范围内进行投射的转向机构，使得本实用新型的深度数据测量头能够对指定区域进行高精度的深度测量，尤其适用于远距离的“局部”测量。

上述独立装置可以如下所述与RGB相机和更强运算能力的计算模块装配在一起，称为一个独立的测量设备，例如能够进行全景RGB拍摄，并针对感兴趣区域(ROI)进行高精度深度数据测量的远距离局部深度数据测量设备。

然而，在基于如上所示的转向模块120进行远距离局部测量时，会由于转向模块120的精度不足够高，例如，转向模块0.1°的步进角度会导致500米之外点激光87cm的位移，因此本实用新型需要引入精细控制机构来实现有限的“局部”角度范围内的精确投射控制。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据测量头的组成示意图。与图1类似，在图2的示例中，以灰色线表示出射和入射光路，由于同轴布置，因此点激光的出射路径和经由被测对象反射后的入射路径共用大部分光路。在其中，深灰色表示空气中传播的点激光，浅灰色表示透射反射装置内传播的点激光。图2所示的测量头200同样包括光源模块210、转向模块220、测距模块230以及用于将入射光和出射光分开的透射反射装置240，不同之处在于，测量头200还包括微调模块250。该微调模块250用于对点激光的传播方向进行微调，对所述点激光在二维方向上的较小区域的运动进行精密控制。

另外，可以理解的是，虽然图2中光源模块210和测距模块230的位置与图1中光源模块110和测距模块130的位置发生了对调，但基于棱镜的反射折射原理可知，如上位置的变化对点激光的入射和出射并无影响。

类似地，虽然同样没有示出，但测量头200也可包括用于固定光源模块210、转向模块220、测距模块230、透射反射装置240和微调模块250的底座。上述底座可以装配在壳体内，或是实现为壳体，从而使得本实用新型的深度数据测量头能够被看作是一个独立的装置。进一步地，测量头200还可以包括计算模块，用于对点激光运动范围进行成像，例如，用于计算每个投射点对应的深度信息，还可以进一步将目标区域内一个个的深度数据点按照其空间方位拼接成一幅深度图。

为了方便示出微调模块对光路的调整，图3示出了另一个角度下根据本实用新型一个实施例的深度数据测量头的组成示意图。在图3中，以空心线段表示了空气中传播的点激光的光路，光路旁的箭头则表示光的出射和入射方向。测量头300则可以具有与测量头200完全相同的结构，包括光源模块310、转向模块320、测距模块330、透射反射装置340和微调模块350。

具体地，图2和图3所示的微调模块250和350可以包括或者实现为压电偏转镜。压电偏转镜的命名由其驱动原理及应用目的相结合而来的。“压电”指其驱动原理，即利用PZT压电陶瓷来作为驱动源从而产生运动；而“偏转镜”则是它的应用目的，即用来使镜片产生偏转运动。通常情况下，压电偏转镜本身不带镜片，可以通过粘接或镜持夹持方式将镜片固定于压电偏转镜的移动台面上。

PZT压电陶瓷在施加电压后，会产生微米级的伸长运动。压电偏转镜就是指将PZT压电陶瓷集成于机械柔性铰链，再将除运动面外的其他整个结构封装进机械外壳，从而能够产生偏转运动的运动平台。PZT压电陶瓷的直线微米级(pm,1pm＝0.001mm)运动可以转换为机械部件毫弧度级(mrad,17mrad＝12)偏转运动。反射镜片安装于压电偏转镜的运动台面上，压电偏转镜运动台面的偏转带动反射镜的偏转运动。

压电偏转镜具有高精度偏转运动能力以及超快的速响应速度。例如，压电偏转镜的偏转分辨率率可高至比0.01微弧度(μrad,1μrad＝0.00005°)，即，压电偏转镜可以实现0.01μrad的高精度角度偏转，上述偏转在远距离投射时，例如500米开外，也是对应于极小的位移。

如图2和图3所示，微调模块250和350可以布置所述点激光出射光源模块且尚未入射转向模块的光路上。由此，可以通过微调模块250和350的微小动作来对转向模块投射的激光位置进行微调。如下将结合图4和图5对转向模块和微调模块的动作进行描述。

本实用新型的光源模块可以使用各种合适的点激光生成器件。例如，在某些实施例中，可以使用激光发生器(LD)，在其他实施例中，也可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在用于远距离测量时，由于激光发生器的收敛性能更好，因此优选使用激光发生器作为激光生成器件。进一步地，为了使得点激光在长距离传播后扩散范围有限，可以在所述激光的出射光路上布置准直装置(例如，准直透镜，图1-3中未示出)，并且用于对所述激光进行准直。换句话说，在一个实施例中，光源模块可以包括激光发生器和准直装置。

虽然图1-3中使用反射面对面放置的两个棱镜来实现出射时透射，入射时反射的透射反射功能，并且使用两个棱镜能够降低反射引起的光损，但在其他实施例中，也可以使用单个棱镜来实现透射反射功能。LD发射的点激光在经由准直透镜准直后，透视离开两个棱镜组成的透射反射装置，首先由微调模块进行方向调整，并由转向装置(进行转向后投射至被测空间。点激光在投射至被测空间内的物体时，被物体反射，并沿着原来的光路返回测量头，并由棱镜折射进入测距装置。

与点激光投射(例如，点激光脉冲投射)相对应的是，测距模块110-310可以包括ToF传感器，并且ToF传感器优选可以是基于返回光的接收时间生成感应信号的直接飞行时间(dToF)传感器。

ToF是Time ofFlight的缩写，直译为飞行时间，该技术通过向目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行(往返)时间或是相位来得到目标物距离。

ToF的照射单元(即，对应于本公开的光源模块)可以是对光进行高频调制之后再进行发射，可以采用LED或激光(包含激光二极管或是VCSEL或是HCSEL)来发射高性能脉冲光，脉冲可达到100MHz左右，主要采用红外光。当前市面上已有的ToF技术大部分是基于连续波(continuous wave)强度调制方法，还有一些是基于光学快门的方法。

基于连续波的调制方法发射一束照明光，利用发射光波信号与反射光波信号的相位变化来进行距离测量。其中，照明模组的波长一般是红外波段，且需要进行高频率调制。ToF感光模组与普通手机摄像模组类似，由芯片，镜头，线路板等部件构成，ToF感光芯片每一个像元对发射光波的往返相机与物体之间的具体相位分别进行记录，通过数据处理单元提取出相位差，由公式计算出深度信息。该传感器结构与普通手机摄像模组所采用的CMOS图像传感器类似，但包含的像素比一般图像传感器像素尺寸要大，一般20um左右。也需要布置红外带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。使用上述调制方法的传感器可以称为iToF(间接飞行时间)传感器。

基于光学快门的方法发射一束脉冲光波，通过光学快门快速精确获取照射到三维物体后反射回来的光波的时间差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的时间差，来回的距离可以通过公示d＝t/2·c。此种方法在实际应用中如要达到较高，需要控制光学快门开关的时钟具有较高精度，还要能够产生高精度及高重复性的短脉冲，照射单元和ToF传感芯片都需要高速信号控制，这样才能达到高的深度测量精度。假如照射光与ToF传感器之间的时钟信号发生10ps的偏移，就相当于1.5mm的位移误差。使用上述调制方法的传感器可以称为dToF(直接飞行时间)传感器。

dToF和iToF的原理区别主要在于发射和反射光的区别。dToF的原理比较直接，即直接发射一个光脉冲，之后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，就可以得到光的飞行时间。在iToF中，发射的并非一个光脉冲，而是调制过的光。接收到的反射调制光和发射的调制光之间存在一个相位差，通过检测该相位差就能测量出飞行时间，从而估计出距离。

从原理上来看，iToF的最大问题就在于最大测距距离和测距精度之间的矛盾。举例来说，如果当前目标的距离是0.15m，那么整个发射和反射光的飞行时间就是1ns。在调制光的调制频率为100MHz(周期为10ns)时，1ns的飞行时间差转化为相位差就是36度，而如果调制光的调制频率为10MHz(周期为100ns)时，1ns的飞行时间差转化为相位差就是3.6度。显然，36度的相位差比起3.6度的相位差要容易检测，因此iToF的调制光调制频率越高，则测距精度越好。调制频率越高也限制了最大测距距离。与之相对的是，dToF不存在这个测距距离和测距精度之间的矛盾。

在具体的实现上，dToF相较于iToF来说难度要大许多。dToF的难点在于要检测的光信号是一个脉冲信号，因此检测器对于光的敏感度比需要非常高。为此，本实用新型使用的dToF可以是硅光电倍增管(SiPM)，

由于ToF技术能够直接输出被测物体的深度数据，因此其对待测物体进入电梯轿厢这一状态更为敏感。另外，由于其抗干扰能力强，ToF测距模块所需的发射功率比结构光的发射功率要小得多，因此用作电梯光幕的ToF测距模块的发光器件不会对人眼造成伤害。进一步地，由于dToF不存在积分电路，因此相比于iToF，对环境光干扰的抵抗力更强。

每个SiPM由大量的(几百到几千个)雪崩二极管(APD)单元组成，每一个单元由一个APD和一个大阻值淬灭电阻串联而成，这些微元并联成一个面阵列。为硅光电倍增管加上反向偏压(一般是几十伏)后，每个微元的APD耗尽层有很高的电场，此时若外界有光子打进来，会和半导体中的电子空穴对发生康普顿散射，打出电子或空穴(这句话不精确，只为方便理解)，高能的电子和空穴随即在电场中加速，打出大量的次级电子和空穴，即雪崩。此时每个微元电路中电流突然变大，在淬灭电阻R上降落的电压也变大，APD中的电场瞬间变小，即APD输出一个瞬时电流脉冲后雪崩停止，不同微元的淬灭电阻阻值相同，由此，SiPM能够极为灵敏地检测微弱的返回光信号，尤其适用于远距离深度测距场景的应用。

虽然未在图1-3中示出，但返回光在由棱镜折射进入dToF之前，还可以经由汇聚透镜汇聚，以使得dToF能够更好地检测到返回光信号。换句话说，在一个实施例中，测距模块可以包括dToF和汇聚透镜。dToF可以根据LD发射单脉冲的时刻和自己接收到返回光信号的时刻之间的时间差，直接根据d＝c*t/2来确定被测空间中反射点的距离。

如前所述，转向模块120-320能够控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上运动。在不同的实施例中，转向模块可以用于改变光源模块的方向；和/或转向模块用于改变光源模块投射的点激光的传播方向。

例如，在某些实施例中，可以直接将光源模块(连同测距模块和同轴设置)布置在转向模块上，该转向模块自身的转动，能够带动光源模块的转动。在某些实施例中，光源模块(连同测距模块和同轴设置)可以是固定的，转向模块可以包括布置在光路上的反射镜，由此通过改变光路(而非改变光源的物理位置)来实现点激光在二维方向上的运动。在另外一些实施例中，上述转向机构还可以结合布置。例如，可由一部分转向模块实现光源模块的运动，例如，一个维度上的运动，再由另一部分转向模块实现光路的改变，例如，一个维度上的运动。

为了能够在二维方向上投射点激光，转向模块需要具有在x方向和y方向上可调的运动范围，并且能够受控地在x方向和y方向的规定范围内进行运动。在此，x方向和y方向可以指代与出射方向(z方向)垂直的平面上的两个维度(即，与z方向垂直的平面中的两个相互垂直的方向)。

在某些实施例中，可以由单个转向器件(例如，万向头)来实现二维方向上的转动，即，该转向器件本身能够实现两个维度上的转动。在另一些实施例中，则可由两个转向器件(一个转向器件负责一个维度上的转向)来实现二维方向上的转动。

为了实现x方向和y方向上的独立控制，本实用新型优选使用两个转向器件并且优选通过改变光路(而非直接改变光源模块的物理位置)来实现二维方向上的点激光投射。由此，能够以更小的功率和更高的精度来实现指定区域内的点激光投射，尤其是远距离点激光投射。

图4示出了本实用新型深度数据测量头中转向模块的一个例子。图4可以看作是图1-3所示转向模块120-320的一个放大视图。

如图所示，此时所述转向模块420包括：第一转向子模块(位于图左侧)，用于控制所述光源模块投射的点激光在一个维度上(例如，x方向，或y方向)运动；以及第二转向子模块(位于图右侧)，用于控制经所述第一转向子模块转向的点激光在另一个维度上(例如相应地y方向，或x方向)运动。

在具体实现中，第一和第二转向子模块可以是各自沿其轴向转动的振镜或转镜，例如微机电系统(MEMS)振镜，并且这两个振镜的轴向彼此垂直。无论是振镜或是转镜，第一和第二转向子模块都各自包括反射镜(422和424)以及电机(421和423)。在振镜的情况下，电机可以围绕转轴向正反两个方向转动，在转镜的情况下，电机通常只能围绕转轴沿一个方向转动，因此在最大摆动范围较小时(例如，±5°)，电机旋转一周360°，只有其中10°是有效范围。因此，在本公开中，优选使用振镜。

为此，如图4所示，光源发出的激光可由沿着反射镜422反射至反射器424，并在反射镜424的反射下离开测量头，投射入被测空间。反射镜422和反射镜424在摆动角为零的时候(即，转向装置不叠加任何转动的时候)，例如可以使得投射光沿z轴出射。在实际工作中，反射镜422可以沿着轴A在一个预定角度内进行“左右摆动”，反射镜424则可沿着轴B在一个预定角度内进行“上下摆动”。由于轴A和轴B相互垂直放置，并且反射镜422和反射镜424各自沿其轴摆动的范围通常较小(例如，轴A和轴B都可以具有±5°的最大摆动范围)，因此最终出射离开测量头的光仍然可以看作是沿着z轴方向传播的光，只是其能够以出射以z轴为中心，在一定视场角(FoV)内变换的光。

在实际应用中，轴A和轴B可以具有一个固定的最大摆动范围，例如±5°，并且可以根据具体场景调整当前投射中需要覆盖的视场角，例如可以调整轴A在2.5°～3.5°，轴B在-1°～-0.5°的范围内运动时，激光发生器投射点激光，以进行被测空间中对应视场角范围内的深度数据测量。

当测量头本身的处理能力有限时(例如，最大处理能力为1秒15帧，每帧5000个像素)，可以通过缩减视场角范围，实现对有限目标范围内的更高精度的深度数据测量。

当扫描投射的范围对应于例如x方向2.5°～3.5°，y方向-1°～-0.5°的范围时，为了实现对目标区域的精细成像。可以首先固定x方向，例如2.5°，并使得轴B在-1°～-0.5°的范围内转动，同时投射例如50个脉冲(对应于50个成像点)。随后，以预定的步进(例如，0.01°)调整x方向，在每个步进的x方向上，使得轴B在-1°～-0.5°的范围内转动，同时完成100个脉冲的投射。由此，完成目标区域内5000个点的深度数据测量。

然而，在需要扫描的区域距离较远时，如上振镜或转镜的步进(即，最小角度分辨率)也会导致较大的位移，从而导致成像点之间间隔过大而精度不高。例如，0.01°的步进也会导致500米距离外8.7cm的位移。如上距离无法满足远距离高精度局部扫描的需求。

为此，本实用新型通过引入微调模块(如图所示的250和350)来实现远距离高精度扫描。图5示出了本实用新型深度数据测量头中微调模块的一个组成例。具体地，图中示出了实现为三维可调压电偏转镜的微调模块550。如图所示，在压电偏转镜550的底座551上，布置有三个压电陶瓷促动器552，每个压电套餐促动器可以在电流的控制下独立发生微米级的形变，由此改变安放在促动器552上的运动平台553的位置。在图示的三维可调例子中，可以通过运算求取需要向每个压电陶瓷促动器552施加的电流，由此在图示的θx、θy和Z_P轴上微调运动平台553的形态。运动平台553的上表面可以安装反射镜，例如红外反射镜，并且压电偏转镜550可以如图2和3所示被安装在透射折射装置和转向模块之间的光路上，用于对测量头投射的点激光位置进行微调。

在一个实施例中，可以首先使得运动平台553的位置固定，仅通过转向模块的转动进行点激光投射，从而实现较大范围内的点激光投射和成像。随后，可以根据该较大范围内的点激光成像结果，选定一个较小的感兴趣区域(ROI)。在一个实施例中，在选定了ROI之后，可以使得转向模块停止在使得点激光投射在该ROI之内或边缘或附近的一个位置，随后，由压电偏转镜550进行针对ROI内的点激光位置控制。换句话说，此时，利用微调模块进行“微调”是指微调模块在指定的ROI内独立地、小范围、小步进的运动，以实现ROI内的高精度深度成像。在另一个实施例中，转向模块可以与微调模块配合进行运动。此时，利用微调模块进行“微调”是指微调模块可以在转向模块对点激光的投射进行转向的基础上，对投射方向进行微调，即，与转向模块进行协同来完成每一次的点激光投射。

在此，应该理解的是，θx、θy和Z_P轴是由PZT压电陶瓷组成的压电偏转镜的三维运动轴，与在前提及的转向模块向成像空间投射所依据的X轴、Y轴和Z轴不同。但可以根据转向模块，例如，电机421和423的底座、以及微调模块，例如底座551在测量头内被固定的相对位置来确定θx、θy和Z_P轴与X轴、Y轴和Z轴之间的转换关系从而利用微调模块进行小范围投射或是协同投射的“微调”。

另外，虽然图5中示出了由三个压电陶瓷促动器552协同控制的三维运动平台，但在其他实施例中，也可以使用由四个压电陶瓷促动器协同控制的二维可调运动平台，或是由两个压电陶瓷促动器协同控制的一维可调运动平台(此时，针对特定区域的扫描需要转向模块的协同)。本实用新型对此不做限制。

由此，当需要扫描的区域距离较远时，由于目标区域所需覆盖的视场角也更小，因此能够通过缩小视场角(即，缩小成像区域)并使用投射精度极高的微调设备进行点激光投射来实现针对远距离目标区域的高精度成像。

进一步地，本实用新型的测量头能够与可见光传感器相结合，对基于拍摄图像选出的目标区域进行预定范围内的高精度深度数据测量，从而解决远距离深度数据测量精度不高的问题。

为此，本实用新型还可以实现为一种局部深度数据测量设备。图6示出了根据本实用新型一个实施例的局部深度数据测量设备的组成示意图。

该设备600可以包括可见光传感器610以及本实用新型如上所述的深度数据测量头620。可见光传感器610可以是如图所示的RGB相机，或是其他二维相机(优选为彩色相机，以包含更多的图像信息)。深度数据测量头620也可以如图所示被称为dToF检测相机。两个相机610和620可以如图6所示，被安装在同一个设备壳体内。需要对设备600中的两个相机进行高精度定标，以使得RGB相机610拍摄的彩色图像中的框选区域能够与dToF检测相机620的拍摄范围(转向模块的两个轴向角的转动范围)相对应。在其他实施例中，两个相机610和620也可以是分立的相机，并经由定标形成一个局部深度数据测量系统。

在实现为同一个设备时，由于相对位置和角度已知，因此设备600可被自由放置或移动。而在实现为分立相机时，则每次移动都需要两个相机610和620之间的重新标定。因此在本实用新型中，优选实现为一种两个相机610和620被安装在同一个设备壳体内的局部深度数据测量设备600。

在实际使用中，可见光传感器610可以用于拍摄被测空间的二维图像。标注装置(未示出)可以用于在拍摄的所述二维图像中标出目标区域。在此，目标区域可以指感兴趣区域(ROI)，即在拍摄的二维图像(例如，RGB图像中)所感兴趣的特定区域。

本实用新型如上所述的深度数据测量头620则用于根据所述目标区域在所述所述二维图像中的坐标，确定转向模块的运动范围，对所述目标区域进行扫描测距，以获取所述目标区域内的深度信息。

在不同的实施例中，感兴趣区域(ROI)区域可由机器自动选取，也可由人工选取。

在目标区域被自动识别和选取的实现中，标注装置可以获取目标自动识别装置针对所述二维图像的识别结果，并且基于所述识别结果在所述二维图像中标出所述目标区域。

此时，设备600内可以包括目标检测装置，例如，专门的目标检测芯片，例如基于人工神经网络的人脸识别和追踪芯片。上述芯片可以从拍摄的图像中识别出人脸，并进行加框标注。测量头620随后可以对加框的区域，例如，识别出的人脸区域，进行深度数据测量，以获取关于人脸的高精度信息。

设备600也可以从外部获取目标检测结果。此时，设备600可以包括数据收发模块，用于外接目标检测装置。该数据收发模块可以是有线的，例如，直接与目标检测装置相连的数据线，也可以是无线的，例如WiFi模块。外接的目标检测装置可以获取RGB相机610拍摄的彩色图像，在本机上完成目标检测、识别和加框，并将加框数据(或是与加框数据相对应的视场角数据)回传给dToF检测相机620。dToF检测相机620于是可以针对加框区域进行投射扫描，以进行高精度深度数据测量。

在一个实施例中，可以通过测量头中转向模块的大范围扫描来确定扫描区域内特定的ROI区域，在利用微调模块进行小范围ROI区域内的高精度点激光投射和成像。此时，可见光传感器的图像拍摄仅用于被测区域的图像可视化，不用于ROI的选取。

在目标区域被人工选取的实现中，标注装置则可获取操作人员的标注以在所述二维图像中标出所述目标区域。此时，设备600本身可以配备二维图像显示和选取装置，例如，触摸屏。RGB相机610拍摄的彩色图像可以在触摸屏上显示，操作人员可以在触摸屏上点选目标区域(例如，拉框选择)。

类似地，设备600也可以从外部获取人工选择结果。此时，设备600可以包括数据收发模块，用于外接二维图像显示和选取装置(例如，台式计算机)。该数据收发模块可以是有线的，例如，直接与台式计算机相连的数据线，也可以是无线的，例如WiFi模块。外接的台式机可以获取RGB相机610拍摄的彩色图像，在本机上完成加框(例如，由操作人员对显示屏上显示的图像进行鼠标框选实现)，并将加框数据(或是与加框数据相对应的视场角数据)回传给dToF检测相机620。dToF检测相机620于是可以针对加框区域进行投射扫描，以进行高精度深度数据测量。

图7A-B示出了使用本实用新型的测量设备进行局部深度数据测量的例子。此时，本实用新型的测量设备700可以是设置在港口用于判定集装箱损伤状况的测量设备。如图7A所示，集装箱船的某几个集装箱因为发生磕碰而出现了损伤。此时，由于损伤肉眼可见，因此可以使用本实用新型的RGB相机710拍摄集装箱船的彩色照片，并且可由港口工作人员对拍摄照片中的感兴趣区域(ROI)进行加框，如图7B所示。作为替换或者补充，在其他实施例中，可由dToF检测相机620利用可以在相对大角度内进行点激光(例如，红外点激光)投射的转向模块，进行基于红外投射的深度数据成像(此时，成像范围大，但因为投射的点激光稀疏而精度不高)。可以基于上述深度数据成像的结果(例如，部分深度数据异常)来选择ROI进行加框。

随后，dToF检测相机620可以针对加框区域进行投射扫描，进行高精度深度数据测量，从而生成针对目标集装箱的深度图像，以便定量地判定目标集装箱的受损程度。

具体地，假定测量设备相距拍摄对象(集装箱船)的距离有上500米远。测量设备的RGB相机610具有在此距离拍摄集装箱船整体的视场角，由此能够拍摄图7A所示的包括完整集装箱船体的图像。dToF检测相机620具有在此距离拍摄集装箱船位置区域的可调视场角，例如，轴A和轴B都可以具有±5°的最大摆动范围，为此最大能够在图7B中虚线框所示范围内进行深度数据检测。但由于经人工识别(例如，港口工作人员识别并在RGB相机610拍摄图像上进行加框标注)或机器自动识别(例如，基于人工神经网络的异常状况识别和自动加框或是dToF检测相机620基于转向模块的快速扫描深度成像和自动加框)，所需关注的区域(即，图7B中实线框标注的ROI区域所示)仅仅是dToF检测相机620可覆盖视场角范围中很小的一部分，因此可以设置相机620的转向模块的转动参数，使之固定在对应于ROI区域的一个固定位置(例如，设轴A取值为1.0～0.2°之间的一个值，轴B取值为-0.1～1.3°之间的一个值)，随后，由步进距离更小(例如，0.01μrad)的微调设备在ROI区域内进行高精度点激光投射，以使得dToF检测相机620能够对ROI进行高精度成像。

换句话说，所述转向模块具有在x方向和y方向上可调的较大运动范围，微调模块则具有(经转向模块投射的)在x方向和y方向上可调的较小运动范围。可以根据ROI的大小和精度情况，利用转向模块和微调模块进行协同投射，从而实现高效且高精度的ROI深度成像。

在dToF检测相机620所包含的处理芯片最大支持1秒15帧，每帧5000个像素的处理量的情况下，由于可将成像范围从虚线框缩小至实线框，因此能够在目标区域内基于微调模块的精确投射获取更为密集的像素点，由此实现针对目标区域的高精度深度数据测量。

本实用新型还可以实现为一种局部深度数据测量方法。该方法可由如上所述的本实用新型的深度数据测量头实现，尤其可以是结合可见光拍摄能力(例如，位于同一设备上的RGB相机或是分立设置的RGB相机)和两相机间的标定实现。

首先，可以拍摄被测空间的可见光图像。在如图6所示的同设备实现中，可以使用例如RGB相机610进行彩色图像的拍摄。在分立设备实现中，则可以使用独立但进行标定的可见光拍摄设备，例如，独立的RGB相机进行拍摄。

随后，可以在拍摄的所述可见光图像中标出目标区域。上述标注可以是在图像中加框，并且可以根据人工操作或是机器自动识别来实现。为此，在拍摄的所述可见光图像中标出目标区域可以包括：获取目标自动识别装置针对所述二维图像的识别结果；以及基于所述识别结果在所述二维图像中标出所述目标区域。作为替换或者补充，在拍摄的所述可见光图像中标出目标区域包括：获取操作人员的标注以在所述二维图像中标出所述目标区域；或者基于测量头中的转向模块的快速扫描深度测量结果进行人工或自动标注。

之后，可以根据所述目标区域在所述所述二维图像中的坐标，确定本实用新型深度数据测量头中的转向模块的运动位置，以及后续微调模块的运动范围。上述确定可以根据同一设备内的标定或是不同设备间的标定实现。

最后，可以使用所述深度数据测量头对所述目标区域进行扫描测距，以获取所述目标区域内的深度信息，例如，图7B所示加框的ROI区域内的深度信息。

上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的深度数据测量头以及基于该测量头实现的局部深度数据的测量方案。该测量头能够进行点激光投射和同轴成像，并且包括能够控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上进行大范围运动的转向模块，并且结合由压电偏振镜实现的微调模块，能够按需控制测量头在规定的微小角度范围内进行高精度深度测量。进一步地，上述测量头能够与可见光传感器相结合，对基于拍摄图像选出的目标区域进行预定范围内的高精度深度数据测量，从而解决远距离深度数据测量精度不高的问题。

此外，根据本实用新型的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本实用新型的上述方法中限定的上述各步骤的计算机程序代码指令。

或者，本实用新型还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或计算设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本实用新型的上述方法的各个步骤。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

附图中的流程图和框图显示了根据本实用新型的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (12)

1.一种深度数据测量头，其特征在于，包括：

光源模块，用于向被测空间投射点激光；

转向模块，用于控制所述光源模块投射的点激光在二维方向上运动；

测距模块，与所述光源模块同轴布置，并且用于基于投射点激光的返回光信号确定深度信息；

微调模块，用于微调所述点激光在所述二维方向上的运动；以及

底座，用于固定所述光源模块、所述转向模块、所述测距模块和所述微调模块。

2.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，所述微调模块包括压电偏转镜。

3.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，所述微调模块布置在所述点激光出射所述光源模块且尚未入射所述转向模块的光路上。

4.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，所述转向模块改变光源模块的方向；和/或

所述转向模块改变光源模块投射的点激光的传播方向。

5.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，所述转向模块具有在x方向和y方向上可调的运动范围，并且能够受控地在x方向和y方向的规定范围内进行运动。

6.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，所述微调模块与所述转向模块相对布置以使得所述微调模块的运动能够使得所述点激光受控地在x方向和y方向的规定范围内进行运动。

7.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，还包括：

透射反射装置，用于使得投射的点激光透射通过，并将返回光反射至所述测距模块。

8.如权利要求1所述的深度数据测量头，其特征在于，所述测距模块包括：

基于返回光的接收时间获取深度信息的直接飞行时间(dToF)传感器。

9.一种局部深度数据测量设备，其特征在于，包括：

可见光传感器，用于拍摄被测空间的二维图像；

标注装置，用于在拍摄的所述二维图像中标出目标区域；以及

如权利要求1-8中任一项所述的深度数据测量头，用于根据所述目标区域在所述二维图像中的坐标，确定微调模块和/或转向模块的运动范围，对所述目标区域进行扫描测距，以获取所述目标区域内的深度信息。

10.如权利要求9所述的局部深度数据测量设备，其特征在于，还包括：

目标检测装置，用于对所述二维图像进行目标自动识别；或

数据收发模块，用于目标自动识别装置针对所述二维图像的识别结果。

11.如权利要求9所述的局部深度数据测量设备，其特征在于，还包括：

图像显示和选取装置，用于获取操作人员的标注以在所述二维图像中标出所述目标区域。

12.如权利要求9所述的局部深度数据测量设备，其特征在于，所述可见光传感器是彩色图像传感器。

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