CN110260821A - 基于条纹投影的光学模组及三维分析*** - Google Patents

基于条纹投影的光学模组及三维分析*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维扫描技术领域，公开了一种基于条纹投影的光学模组及三维分析***。所述基于条纹投影的光学模组，包括依次设置的：光源，用于辐射光束；照明单元，用于对所述光源辐射的光束进行汇聚、准直和匀光处理而生成均匀光斑；光调制器，用于将所述照明单元生成的均匀光斑调制生成条形图案；以及矩形光阑投影镜头，用于将所述光调制器调制生成的条形图案投影到目标面。相对于传统的圆形光阑提高景深时会减低亮度的缺陷，本发明在保证投影亮度的前提下提高了投影景深，以适配不同景深的扫描应用场景，提升了光学模组三维扫描的精确度和应用范围。

Description

基于条纹投影的光学模组及三维分析***
技术领域
本发明涉及三维扫描技术领域，尤其涉及一种基于条纹投影的光学模组及三维分析***。
背景技术
随着光学三维测量技术的快速发展和成熟，三维数字化开始广泛应用于三维扫描仪、面部识别、虚拟现实设备等领域。目前条纹投影技术目前主要用于三维扫描，三维扫描过程中由于物体是立体而有空间深度，因此需要分析光学***的扫描景深。
现有条形投影组件通常采用定焦镜头和圆形光阑的投影景深较小，并不能满足各种应用场景的使用要求。如果需要增大景深，只能缩小光阑尺寸，但缩小光阑会导致能量的损失从而使得亮度不够。景深过小和亮度过低都影响使用，限制了条形投影组件的应用范围。而变焦镜头的结构复杂且体积较大，并不适合各种应用场景的使用。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种基于条纹投影的光学模组及三维分析***，解决现有条形投影组件的投影景深较小而影响应用范围的技术问题。
根据本发明的一个实施例，提供一种基于条纹投影的光学模组，包括依次设置的：光源，用于辐射光束；照明单元，用于对所述光源辐射的光束进行汇聚、准直和匀光处理而生成均匀光斑；光调制器，用于将所述照明单元生成的均匀光斑调制生成条形图案；以及矩形光阑投影镜头，用于将所述光调制器调制生成的条形图案投影到目标面。
优选的，所述矩形光阑投影镜头包括镜筒、圆环压圈和依次设置在镜筒内的正光焦度双凸镜片、矩形光阑、负光焦度双凹镜片、正光焦度双凸镜片和负光焦度弯月镜片。
优选的，所述矩形光阑对应设置有定位螺钉。
优选的，所述圆环压圈设置在所述正光焦度双凸镜片、矩形光阑、负光焦度双凹镜片、正光焦度双凸镜片和负光焦度弯月镜片之间。
优选的，所述矩形光阑投影镜头配置为所述矩形光阑短边方向与所述光调制器生成的条形图案条形垂直。
优选的，所述矩形光阑的长边长度接近所述镜筒的内径。
优选的，所述正光焦度双凸镜片、矩形光阑、负光焦度双凹镜片、正光焦度双凸镜片和负光焦度弯月镜片的中心处于所述镜筒的轴心线上。
优选的，所述矩形光阑投影镜头的镜筒外壁上还设置有定位螺丝。
根据本发明另一个实施例，还提供一种基于条纹投影的三维分析***，包括上述的基于条纹投影的光学模组和三维分析单元，所述三维分析单元用于根据预设算法分析所述基于条纹投影的光学模组在目标面上的条形图形以获取三维信息。
本发明提供的基于条纹投影的光学模组及三维分析***，包括依次设置的：光源，用于辐射光束；照明单元，用于对所述光源辐射的光束进行汇聚、准直和匀光处理而生成均匀光斑；光调制器，用于将所述照明单元生成的均匀光斑调制生成条形图案；以及矩形光阑投影镜头，用于将所述光调制器调制生成的条形图案投影到目标面。本发明通过矩形光阑的长边长度配置为尽可能长而接近镜筒的内径，尽可能让足够的光线穿过而保证投影亮度，同时其短边长度配置为尽可能短，尽可能减小光阑口径而提高投影景深。相对于传统的圆形光阑提高景深时会减低亮度的缺陷，本发明在保证投影亮度的前提下提高了投影景深，以适配不同景深的扫描应用场景，提升了光学模组三维扫描的精确度和应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例中基于条纹投影的光学模组的结构示意图。
图2为本发明实施例中矩形光阑投影镜头的结构示意图。
图3为本发明实施例中矩形光阑投影镜头的点阵图示意图。
图4为本发明实施例中矩形光阑投影镜头的MTF曲线示意图。
图5为本发明实施例中矩形光阑投影镜头的畸变示意图。
图6为本发明实施例中三维分析***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为本发明实施例中基于条纹投影的光学模组的结构示意图。如图所示，所述基于条纹投影的光学模组100包括依次设置的光源1、照明单元2、光调制器3和矩形光阑投影镜头4。
在本实施例中，所述光源1可选用点光源，可辐射光束。所述照明单元2对所述光源1辐射的光束进行汇聚、准直和匀光处理而生成均匀光斑。所述光调制器3将所述照明单元2生成的均匀光斑调制生成条形图案。
在本实施例中，所述矩形光阑投影镜头4可将所述光调制器3调制生成的条形图案投影到目标面。参见图2，所述矩形光阑投影镜头4包括镜筒41、圆环压圈42和依次设置在所述镜筒41内的正光焦度双凸镜片43、矩形光阑44、负光焦度双凹镜片45、正光焦度双凸镜片46、负光焦度弯月镜片47。所述圆环压圈42设置在所述正光焦度双凸镜片43、矩形光阑44、负光焦度双凹镜片45、正光焦度双凸镜片46和负光焦度弯月镜片47之间，用于固定镜片并保证镜片之间的间距。
在本实施例中，所述矩形光阑投影镜头4采用四片球面镜片，相对于现有通用投影镜头的八片球面和非球面组合镜片设计，其结构更加简单，易于装配，整体重量更轻，加工更加简单而成本较低。同时，参见图3至5，所述矩形光阑投影镜头4的调制传递函数参数(MTF)、弥散斑、分辨率、畸变等光学指标的测试数据明显更优。
在本实施例中，根据投影光阑尺寸大小与投影景深成反比的理论关系，所述矩形光阑44的长边长度配置为尽可能长而接近所述镜筒41的内径，尽可能让足够的光线穿过而保证投影亮度，同时其短边长度配置为尽可能短，尽可能减小光阑口径而提高投影景深。相对于传统的圆形光阑提高景深时会减低亮度的缺陷，本实施例的所述矩形光阑44在保证投影亮度的前提下提高了投影景深，以适配不同景深的扫描应用场景，提升了光学模组三维扫描的精确度和应用范围。
在本实施例中，所述矩形光阑44短边方向与所述光调制器3生成的条形图案条形垂直，最终将平行且等间距的条形图案投影到目标面。所述矩形光阑44对应设置有定位螺钉，以防止所述矩形光阑44装配在所述镜筒41内旋转，避免了旋转影响光学性能和带来脏污的情况。同时，所述矩形光阑投影镜头4的镜筒41外壁上还设置有定位螺丝，以定位确保所述矩形光阑44在装配后其短边方向与投影条纹方向垂直。
参见图6，在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种基于条纹投影的三维分析***300，其包括上述实施例中的基于条纹投影的光学模组100和三维分析单元200。所述三维分析单元200根据预设算法分析所述基于条纹投影的光学模组100在目标面上的条形图形以获取三维信息。相对于传统条纹投影光学***中的圆形光阑提高景深时会减低亮度的缺陷，本实施例在保证投影亮度的前提下提高了投影景深，以适配不同景深的扫描应用场景，提升了三维分析***三维扫描的精确度和应用范围。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于条纹投影的光学模组，其特征在于，包括依次设置的：
光源，用于辐射光束；
照明单元，用于对所述光源辐射的光束进行汇聚、准直和匀光处理而生成均匀光斑；
光调制器，用于将所述照明单元生成的均匀光斑调制生成条形图案；以及
矩形光阑投影镜头，用于将所述光调制器调制生成的条形图案投影到目标面。
2.根据权利要求1所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述矩形光阑投影镜头包括镜筒、圆环压圈和依次设置在镜筒内的正光焦度双凸镜片、矩形光阑、负光焦度双凹镜片、正光焦度双凸镜片和负光焦度弯月镜片。
3.根据权利要求2所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述矩形光阑对应设置有定位螺钉。
4.根据权利要求2所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述圆环压圈设置在所述正光焦度双凸镜片、矩形光阑、负光焦度双凹镜片、正光焦度双凸镜片和负光焦度弯月镜片之间。
5.根据权利要求2所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述矩形光阑投影镜头配置为所述矩形光阑短边方向与所述光调制器生成的条形图案条形垂直。
6.根据权利要求2所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述矩形光阑的长边长度接近所述镜筒的内径。
7.根据权利要求2所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述正光焦度双凸镜片、矩形光阑、负光焦度双凹镜片、正光焦度双凸镜片和负光焦度弯月镜片的中心处于所述镜筒的轴心线上。
8.根据权利要求1所述的基于条纹投影的光学模组，其特征在于，所述矩形光阑投影镜头的镜筒外壁上还设置有定位螺丝。
9.一种基于条纹投影的三维分析***，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的基于条纹投影的光学模组和三维分析单元，所述三维分析单元用于根据预设算法分析所述基于条纹投影的光学模组在目标面上的条形图形以获取三维信息。
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