CN109341581A - 横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法，产生用于三维成像与测量的交错的点阵化结构光，该测量模组由激光器及扩束器的集成元件、准直透镜、分离的两块不同分束比的达曼光栅或者是在一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的横向奇偶组合达曼光栅、物镜等主要器件依次封装构成。激光器发出的激光，经准直透镜准直后，由分离的两块不同分束比的达曼光栅或者是在一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的达曼光栅分光后，将两块二维达曼光栅来产生两个非交错点阵进行组合，进而由物镜投射出三维测量与成像所需的交错的平铺点阵。该测量模组具有结构简单易实现以及便于集成到移动设备的优点。

Description

横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法

技术领域

本发明涉及三维成像与测量技术领域，具体涉及一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法。

背景技术

空间中物体的三维形貌都是由其上的空间点组成，因此任何对物体的成像与测量都是对物体表面空间点位置的测量。三维成像与测量技术就是通过各种方式来获取物体表面各点空间坐标的技术。

紧凑型光学投影仪可以将一种编码或结构光的图案投射到一个目标物上，以达到三维成像的目的，这类光学投影仪的一个核心技术问题是如何产生用于投射到目标物上的二维交错平铺图案，这种图案非常有利于三维成像或者测量。

在先技术1)周常河等在1995年发表的文章“Numerical study of Dammann arrayilluminators”(Appl Opt.Vol.34.26,5961-5969)给出了达曼光栅1到64阵列分束的详数细值解，包含变换点，效率，特征尺寸等。

在先技术2)周常河等在2009年发表的文章"Three-dimensional profilometryusing a Dammann grating"(Appl.Opt.48,3709-3715)提出了基于傅立叶变换的三维(3D)轮廓测量法，其中二维(2D)Dammann光栅和柱面透镜用于产生结构光。Dammann光栅将大部分照明功率分成2D衍射点阵。柱面透镜将这些2D衍射斑点变换为投射在物体上的一维条纹线。所产生的投影条纹具有高亮度和高对比度和压缩比的优点。

在先技术3)周常河等在2012年申请的专利“组合达曼光栅”(CN201210004449)提出一种将N个满足光栅周期匹配条件的达曼光栅组合在一起以解决单个达曼光栅分束数量少、分束角有限的问题。

在先技术4)苹果公司的专利(US2014/0211215A1)提出了用于三维成像的投射点阵结构光的投影仪，利用相关算法(例如Gerchberg-Saxton)设计衍射光学元件，将扇出非交错的平铺图案调整为扇出交错的平铺点阵。其优点在于，交错的点阵有效的提高了三维深度测量的范围。然而其不足之处在于未能说明产生交错平铺点阵的机理，而且Gerchberg-Saxton算法使用复杂，成本较高。

在先技术1)给出了达曼光栅1到64阵列分束的详数细值解；在先技术2)提出了基于傅立叶变换的三维(3D)轮廓测量法；在先技术3)提出一种将N个达曼光栅纵向(即，光栅栅面中心连线与光轴平行)组合在一起的结构，此技术提出了纵向达曼光栅组合结构，以解决单个达曼光栅分束数量少、分束角有限的问题，但未提出运用于三维测量的横向(即，光栅栅面中心连线与光轴垂直)奇偶组合达曼光栅的结构；在先技术4)提出了基于衍射光学元件的用于三维成像的投射点阵结构光的投影仪，但算法设计光学元件相对复杂，成本较高。以上技术均未提出使用横向奇偶组合达曼光栅实现交错的投射点阵的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的三维投影与测量设备所投结构光测量深度分辨率低的影响，光能利用率低的情况，以及当前的方案无法以国内公司可以接受的价格大规模生产的弊端，提供一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，所述的三维测量模组包括激光器及扩束器的集成元件1、准直透镜2、由奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜4，其中，所述的激光器及扩束器的集成元件1、准直透镜2、由横向奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜4依次封装，并位于同一光路上；

其中，所述的激光器用于发出激光，作为其后器件的光源，并且其体积较小，便于集成。

所述的扩束器用于将激光器发出的激光扩束；

所述的准直透镜2用于准直经扩束器扩束的激光；

所述的分束装置用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出两个非交错的点阵化结构光，其中，横向奇偶组合达曼光栅的栅面与激光光轴垂直；

所述的物镜4用于将横向奇偶分束后投影出的两个非交错的点阵化结构光组合成一个交错的投射点阵，进而投射到输出平面5上。

进一步地，所述的分束装置为上下设置的第二达曼光栅7和第三达曼光栅8，所述的第二达曼光栅7的达曼分束比为7×12，所述的第三达曼光栅8的达曼分束比为8×13，并且，第二达曼光栅7和第三达曼光栅8的栅面中心连线与激光光轴垂直。

进一步地，所述的分束装置为第一达曼光栅3，其中，所述的第一达曼光栅3在一个基底相邻的上下两个区域内分别刻蚀不同分束比的横向奇偶组合达曼光栅，上半部分的达曼分束比为7×12，下半部分的达曼分束比为8×13。

进一步地，所述的激光器是各种各样的气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器中的一种。

进一步地，所述的准直透镜2是微镜阵列以及其他准直光路的装置。

进一步地，所述的激光器是垂直腔面发射激光器发射阵列。

进一步地，所述的激光器中发出光束的波长是红外、可见光、紫外中的任一波段。

进一步地，在所述的达曼光栅所在的平面内可以放置更多的与本发明技术方案中的放置方式相同的达曼光栅，以在输出面上形成更密的，相关度更低的投射点阵。

进一步地，可以通过添加适当的棱镜或者其他已知的高反射光学器件折转光路，压缩整个器件的纵向长度，实现器件的小型化。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组的工作方法，所述的工作方法步骤如下：

S1、激光器发出激光；

S2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

S3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

S4、两个分离的第二达曼光栅7和第三达曼光栅8奇偶组合后将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；

S5、物镜4将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

根据公开的实施例，本发明的第三方面公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组的工作方法，所述的工作方法步骤如下：

S1、激光器发出激光；

S2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

S3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

S4、一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的奇偶组合达曼光栅将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；

S5、物镜4将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明提出的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组产生应用于三维成像与测量的交错类型的结构光点阵，通过横向二维奇偶组合达曼光栅法将两块二维达曼光栅产生的两个非交错点阵进行组合，进而产生交错的平铺点阵。不同于苹果公司所提出的利用相关算法(例如Gerchberg-Saxton)设计衍射光学元件，将扇出非交错的平铺图案调整为扇出交错平铺点阵，并且由于其采用横向设计(即，光栅中心连线与光轴垂直)可以节省整个组件空间，实现小型化紧凑性设计。

2)、本发明提出的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组通过奇偶组合达曼光栅实现二维交错点阵结构，此发明整体结构简单，设计成本也因而降低，达曼光栅工艺成熟，故易于大规模批量化生产，并且其横向组合结构有利于器件的小型化，集成化，因而也就方便的集成于各种互联设备，例如手机，平板，可穿戴设备等，应用此技术于拥有三维面部识别的移动终端，使用方便。

附图说明

图1是本发明中采用两块不同分束比达曼光栅构成的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组的基本原理图；

图2是本发明中采用一块基底的相邻区域刻蚀两部分不同分束比的达曼光栅构成的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组的基本原理图；

图3是本发明中横向奇偶组合达曼光栅正视图；

图4是基于本发明产生的用于三维成像与测量的点阵化的结构光示意图，它是由两个(或者在一块达曼光栅基底上刻蚀不同分束比的两个达曼光栅)达曼光栅分别所形成的两个点阵((7×12)和(8×13))通过适当的光路设计组合而成；

其中，1---激光器及扩束器的集成元件，2---准直透镜，3---第一达曼光栅，4---物镜，5---输出平面(即，目标物)，6---投影到输出平面的点阵化的结构光，7---第二达曼光栅，8---第三达曼光栅；

在图1中，激光器及扩束器的集成元件1发出的激光经准直透镜2准直后进入第二达曼光栅7(达曼分束比7×12)和第三达曼光栅8(达曼分束比8×13)分束后在物镜4的后焦面上即输出平面5上形成投影到输出平面的点阵化的结构光6；

在图2中，激光器及扩束器的集成元件1发出的激光经准直透镜2准直后进入第一达曼光栅3的上半部分(达曼分束比7×12)和第一达曼光栅3的下半部分(达曼分束比8×13)分束后在物镜4的后焦面上即输出平面5上形成投影到输出平面的点阵化的结构光6；

在图3中，表示奇偶组合达曼光栅组合方式的正视图：激光器发出的激光，经准直透镜准直后，由达曼光栅A和达曼光栅B分束后形成奇偶组合的光束(达曼光栅A对应于图1中的第二达曼光栅7以及图2中的第一达曼光栅3的上半部分；达曼光栅B对应于图1中的第三达曼光栅8以及图2中的第一达曼光栅3的下半部分)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，该模组采用两块不同分束比达曼光栅(即第二达曼光栅7和第三达曼光栅8)构成的分束装置。

如图1所示，本实施例提出了一种基于两块达曼光栅的三维测量组件。即用两块分离的达曼光栅来实现激光分束，而后实现在输出平面5上输出点阵化的结构光。

该三维测量组件包括：激光器与扩束器的集成元件1、准直透镜2、第二达曼光栅7、第三达曼光栅8、物镜4和输出平面5。

其中，第二达曼光栅7的达曼分束比为7×12，第三达曼光栅8的达曼分束比为8×13，并且，第二达曼光栅7和第三达曼光栅8的栅面中心连线与激光光轴垂直。

两块不同分束比的达曼光栅，其中两部分的数值解如下：阵列数为7的变换点为0.23191，0.42520，052571，其效率为78.63％，均匀度为0.00001，特征尺寸为0.101；阵列数为8的变换点为0.06185，0.17654，0.20858，0.31797，其效率为76.15％，均匀度为0.00004，特征尺寸为0.032；阵列数为12的变换点为0.01969，0.08713，0.12696，0.18922，0.24877，0.35609，其效率为75.90％，均匀度为0.00044，特征尺寸为0.020；阵列数为13的变换点为0.17665，0.31352，0.41244，0.49846，0.57633，0.70857，0.73041，其效率为79.62％，均匀度为0.00045，特征尺寸为0.005。

其中，激光器用于发出激光，作为其后器件的光源，并且其体积较小，便于集成。

其中，扩束器用于将激光器发出的激光扩束。

其中，准直透镜2，用于准直经扩束器扩束的激光。

其中，两块不同分束比的第二达曼光栅7和第三达曼光栅8构成奇偶组合达曼光栅，用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光。

其中，物镜4用于将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，进而投射到输出平面5上。

在本实施例中，半导体激光器与扩束器的集成元件1发出的激光经准直透镜2准直后进入第二达曼光栅7和第三达曼光栅8分束后在物镜4的后焦面上即输出平面5上形成投射点阵。

基于两块达曼光栅的三维测量组件的工作方法包含如下步骤：

步骤S1、激光器发出激光；

步骤S2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

步骤S3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

步骤S4、两个分离的第二达曼光栅7和第三达曼光栅8奇偶组合后将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；

步骤S5、物镜4将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，进而投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的投射点阵。

实施例二

本实施例公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，该模组采用一块基底的相邻区域刻蚀两部分不同分束比的达曼光栅构成的分束装置。

如图2所示，本实施例提出了一种基于一块基底的相邻区域刻蚀两部分不同分束比的达曼光栅构成的三维测量组件。即用一块基底刻蚀成不同分束比两部分达曼光栅来实现激光分束，而后经物镜将两个非交错的投射点阵组合后，在输出平面5上输出投射点阵

该三维测量组件包括：激光器与扩束器的集成元件1、准直透镜2、第一达曼光栅3、物镜4和输出平面5。

其中，第一达曼光栅3上半部分的达曼分束比为7×12，第一达曼光栅3下半部分的达曼分束比为8×13。

一块由两部分分束比不同的区域组成的达曼光栅，阵列数为7的变换点为0.23191，0.42520，052571，其效率为78.63％，均匀度为0.00001，特征尺寸为0.101；阵列数为8的变换点为0.06185，0.17654，0.20858，0.31797，其效率为76.15％，均匀度为0.00004，特征尺寸为0.032；阵列数为12的变换点为0.01969，0.08713，0.12696，0.18922，0.24877，0.35609，其效率为75.90％，均匀度为0.00044，特征尺寸为0.020；阵列数为13的变换点为0.17665，0.31352，0.41244，0.49846，0.57633，0.70857，0.73041，其效率为79.62％，均匀度为0.00045，特征尺寸为0.005。

其中，激光器用于发出激光，作为其后器件的光源，并且其体积较小，便于集成。

其中，扩束器，用于将激光器发出的激光扩束。

其中，准直透镜2，用于准直经扩束器扩束的激光。

其中，第一达曼光栅3由两部分分束比不同的区域组成的横向奇偶组合达曼光栅，用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光。

其中，物镜4用于将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错的投射点阵组合成一个交错的投射点阵，进而投射到输出平面5上。

在本实施例中，半导体激光器与扩束器的集成元件1发出的激光经准直透镜2准直后进入第一达曼光栅3，第一达曼光栅3具有不同分束比的区域组成的横向奇偶组合达曼光栅对激光进行分束，产生两个非交错的投射点阵，物镜4将两个非交错的投射点阵组合后，在输出平面5上形成交错的投射点阵，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

基于两块达曼光栅的三维测量组件的工作方法包含如下步骤：

步骤S1、激光器发出激光；

步骤S2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

步骤S3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

步骤S4、一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的奇偶组合达曼光栅将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；

步骤S5、物镜4将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，进而投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

综上所述，本发明提出二维横向奇偶组合达曼光栅来实现产生用于三维成像与测量的交错的投射点阵。此技术方案是通过两块达曼光栅来产生两个非交错的点阵，然后通过适当的光路设计，将两个费交错的点阵组合进而产生交错的投射点阵。这种交错的投射点阵能够能有效的提高三维成像深度测量的范围；而且其结构简单，易于集成封装，因而也就方便的集成于各种互联设备，例如应用此技术的拥有三维面部识别的移动终端，不仅使用方便，而且安全程度高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的三维测量模组包括激光器及扩束器的集成元件(1)、准直透镜(2)、由奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜(4)，其中，所述的激光器及扩束器的集成元件(1)、准直透镜(2)、由横向奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜(4)依次封装，并位于同一光路上；

其中，所述的激光器用于发出激光；

所述的扩束器用于将激光器发出的激光扩束；

所述的准直透镜(2)用于准直经扩束器扩束的激光；

所述的分束装置用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出两个非交错的点阵化结构光，其中，横向奇偶组合达曼光栅的栅面与激光光轴垂直；

所述的物镜(4)用于将奇偶分束后投影出的两个非交错的点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，进而投射到输出平面(5)上。

2.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的分束装置为上下设置的第二达曼光栅(7)和第三达曼光栅(8)，所述的第二达曼光栅(7)的达曼分束比为7×12，所述的第三达曼光栅(8)的达曼分束比为8×13，并且，第二达曼光栅(7)和第三达曼光栅(8)的栅面中心连线与激光光轴垂直。

3.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的分束装置为第一达曼光栅(3)，其中，所述的第一达曼光栅(3)在一个基底相邻的上下两个区域内分别刻蚀不同分束比的横向奇偶组合达曼光栅，上半部分的达曼分束比为7×12，下半部分的达曼分束比为8×13。

4.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的激光器是气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的准直透镜(2)是镜阵列。

6.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的激光器是垂直腔面发射激光器阵列。

7.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的激光器中发出光束的波长是红外、可见光、紫外中的任一波段。

8.一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组的工作方法，其特征在于，所述的工作方法步骤如下：

S1、激光器发出激光；

S2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

S3、准直透镜(2)准直经扩束器扩束的激光；

S4、两个分离的第二达曼光栅(7)和第三达曼光栅(8)奇偶组合后将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；

S5、物镜(4)将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，投射到输出平面(5)上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

9.一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组的工作方法，其特征在于，所述的工作方法步骤如下：

S1、激光器发出激光；

S2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

S3、准直透镜(2)准直经扩束器扩束的激光；

S4、一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的奇偶组合达曼光栅将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；

S5、物镜(4)将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，投射到输出平面(5)上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。