CN112485899A - 一种设置紧凑型结构光光路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设置紧凑型结构光光路的方法，涉及三维成像领域，所述方法包括以下步骤：将第一透镜组和第二透镜组平行放置；在所述第一透镜组和所述第二透镜组的中间设置挡光板，所述挡光板中间设置有通光孔；将光源设置在所述第一透镜组的远离挡光板一侧；将感光元件设置在所述通光孔靠近光源一侧；在所述通光孔和所述感光元件之间放置第三透镜组。本发明开发了一种更紧凑的结构光路，并将光路器件与测量目标物体完全分开，使得结构光光路可以单独成为一个设备，同时简便快速地按顺序更换结构光光路中的光栅，减小更换完光栅到成像的时间间隔。

Description

一种设置紧凑型结构光光路的方法

技术领域

本发明涉及三维成像领域，尤其涉及一种设置紧凑型结构光光路的方法。

背景技术

显微镜通常应用于对微观物体的观测领域中，例如微生物、微小颗粒等等。通常这些微观物体不适合在宽场条件下进行观测。因此广泛应用于光学显微镜的传统柯勒照明技术在微观尺度轮廓测量中受到了限制。为了提升宽场显微镜的分辨率，结构光照明技术在2005年被提出，并在最近几年被广泛地研究和应用。

结构光照明是一种通过改变照明光空间结构的照明方式，通常照明的结构光是一个载频条纹，该照明方式可应用于角度、长度、振动等的测量，并广泛应用于三维成像。结构光照明显微镜实现超分辨的原理，就是利用特定结构的照明光在成像过程把位于光学传递函数范围外的一部分信息转移到范围内，利用特定算法将范围内的高频信息移动到原始位置，从而扩展通过显微***的样品频域信息，使得重构图像的分辨率超越衍射极限的限制。

为了实现结构光照明，通常在照明光路中***一个空间光调制器，如光栅、数字微镜阵列等等。未被调制的照明光受到空间光调制器的调制后经物镜投射在样品上，这样在样品的焦平面收到调制光的照射，在远离焦平面也不受影响。最终调制光所产生的光信息通过成像***被感光元件接收，之后通过傅里叶变换将空间域和频域进行变化，从而获得图像。

由于结构光照明需要由普通光源出射光，通过结构光光栅后照射在测量目标物体上，然后采用感光元件，例如CCD来接收被测量目标物体反射的结构光，以便后续进行三维成像的图像处理。而现有技术中，光学器件与测量目标物体是混合设置的，即测量目标物体设置在光学器件中间，导致测量目标物体无法与结构光光路分离，不利于结构光光路构成独立的设备。

在一些应用中，需要在同一个测量目标物体上照射不同的结构光，并进行多次成像。这就需要在结构光光路中更换空间调制器。在现有技术中，以光栅为例，在结构光光路中更换光栅，并在每次更换光栅以后进行成像，步骤繁琐，耗费时间长。尤其在需要按顺序进行多次结构光成像的应用下，手动更换光栅耗时长，易犯错。且更换下来的光栅同样需要被按顺序保存好以便下次使用，非常不便，频繁更换也使得光栅容易被损坏。感光元件需要在每次更换光栅以后，再进行成像，从更换完成光栅到成像的时间间隔较长，非常浪费时间。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种更紧凑的结构光路，并将光路器件与测量目标物体完全分开，使得结构光光路可以单独成为一个设备，同时简便快速地按顺序更换结构光光路中的光栅，减小更换完光栅到成像的时间间隔。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种紧凑型结构光光路，其特征在于，包括感光元件、光源、挡光板、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组，其中，所述挡光板被设置在所述第一透镜组和所述第二透镜组的中间，所述光源设置在所述第一透镜组的远离挡光板一侧，所述挡光板中间设置有通光孔，所述感光元件被设置在所述通光孔靠近光源一侧，所述通光孔和所述感光元件之间设置有所述第三透镜组。

进一步地，所述挡光板上开设有矩形窗口。

进一步地，所述通光孔为圆形。

进一步地，所述挡光板被设置为可由旋转装置带动绕中心轴转动的转盘型。

进一步地，所述矩形窗口的数量可根据结构光序列的具体长度设置。

进一步地，所述矩形窗口个数为偶数。

进一步地，所述矩形窗口在所述挡光板上对称地、等间距地开设，且所述矩形窗口到圆心的距离相等。

进一步地，所述矩形窗口上设置有光栅。

进一步地，所述矩形窗口中布置的光栅的顺序按照结构光序列的具体顺序来设置。

进一步地，所述矩形窗口上设置平面玻璃。

本发明还提供了一种设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将第一透镜组和第二透镜组平行放置；

步骤2、在所述第一透镜组和所述第二透镜组的中间设置挡光板，所述挡光板中间设置有通光孔；

步骤3、将光源设置在所述第一透镜组的远离挡光板一侧；

步骤4、将感光元件设置在所述通光孔靠近光源一侧；

步骤5、在所述通光孔和所述感光元件之间放置第三透镜组。

进一步地，所述步骤2还包括在所述挡光板上开设有矩形窗口。

进一步地，所述通光孔为圆形。

进一步地，所述挡光板被设置为可由旋转装置带动绕中心轴转动的转盘型。

进一步地，所述步骤2还包括根据结构光序列的具体长度设置所述矩形窗口的数量。

进一步地，所述步骤2还包括设置所述矩形窗口个数为偶数。

进一步地，所述步骤2的所述矩形窗口在所述挡光板上对称地、等间距地开设，且所述矩形窗口到圆心的距离相等。

进一步地，所述步骤2还包括在所述矩形窗口上设置光栅。

进一步地，所述矩形窗口中布置的光栅的顺序按照结构光序列的具体顺序来设置。

进一步地，所述步骤2还包括所述矩形窗口上设置平面玻璃。

本申请具有以下有益的技术效果：

1、本申请的结构光光路设置，能够使得光路更紧凑，并将光路器件与测量目标物体完全分开，使得结构光光路可以单独成为一个设备。

2、能够简便快速地按顺序更换结构光光路中的光栅，更换光栅的间隔由转盘的转速与设置的矩形窗口的数量决定。

3、采用位置传感器与控制电路减小更换完光栅到成像的时间间隔，可以在毫秒级时间内完成拍摄成像，从而将形成结构光序列的整体时间大幅减小。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的紧凑型结构光光路的结构示意图；

图2是本发明的另一个较佳实施例的紧凑型结构光光路的挡光板示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一

如图1所示，本申请提供了一种紧凑型结构光光路。包括光源和挡光板。挡光板上开有矩形窗口，这些矩形窗口被用来安装光栅。光源出射的光，通过设置在光源与挡光板之间第一透镜组、挡光板上设置的矩形窗口以及设置在挡光板与测量目标之间的第二透镜组，照射到测量目标上。只要在矩形窗口中安装了光栅，那么照射到测量目标上的光就经过了空间调制，成为结构光。第一透镜组与第二透镜组可以用来调节光线的出射、入射角度从而调节光照效果。挡光板的中间位置开有通光孔，感光元件被设置在通光孔后面。从测量目标反射的光通过通光孔后到达感光元件。通光孔与感光元件之间设置有第三透镜组，用于调节反射自测量目标的光的角度。本实施例中，光源以及感光元件被设置在挡光板的同一侧。即，挡光板的一侧全部为结构光光路器件，而挡光板的另一侧为测量目标，使得测量目标完全与结构光光路独立。结构光光路结构十分紧凑，可将结构光光路组成单独的设备。

实施例二

如图2所示，本实施例中，优选地将挡光板设置为一个转盘，转盘中心开有圆形的通光孔。转盘的圆周上对称地、等间距地开有8个矩形窗口。这8个矩形窗口到转盘圆心的距离相等。光源被设置在圆盘后面，光源到转盘圆心的距离与8个矩形窗口到转盘圆心的距离相等。转盘套设在一个转动机构上，在转动机构的驱动下转动。在转盘转动的过程中，每当某一个矩形窗口转动到与光源相应的位置，光源发出的光就可以通过该矩形窗口出射。且在同一时刻，光源发出的光只能通过一个矩形窗口出射。

在本实施例中，8个窗口中安装有光栅1-8，这些光栅分别具有投影图案1-8。当转盘向某一方向转动时，光栅1-8以某一个顺序，依次经过与光源相应的位置。光源发出的光，经过光栅1-8调制后形成结构光被依次投射到测量目标上时，形成结构光序列。结构光序列的顺序由布置在转盘上的光栅的顺序决定，同时受转盘转动方向的影响。在其他实施例中，根据3D成像的具体需求，可以设置不同的结构光序列，不仅可以根据结构光序列的具体长度设置在转盘上的矩形窗口的数量。也可以根据结构光序列的具体顺序来设置矩形窗口中布置的光栅的顺序，或调整转盘的转向。同时，在某些矩形窗口中，也可以不布置光栅，或仅布置平面玻璃，以起到不进行空间光调制的作用。因此采用本实施例的结构光光路，能够通过转盘的转动，以极高的效率形成结构光序列，而不需要通过手动更换光栅来实现结构光序列。当转盘的转动周期为T，设置的矩形窗口为N时，更换光栅的时间间隔为T/N。即便采用现有技术中普遍的驱动机构，很容易在秒级的时间间隔内完成光栅的更换。此外，也不需要将用完的光栅按顺序保存，节省了拆装步骤，不易混淆。

对于每一次结构光的照射，都需要操作感光元件来接收来自测量目标的反射光，并记录图像。因此，在更换光栅的效率很高的前提下，需要同样高效率的成像***，在相邻两个光栅更换的时间间隔内完成成像。

本实施例中，在转盘的边缘设置有位置指示片。位置指示片等间距地分布在转盘的圆周上，位置指示片的总数量与转盘上的矩形窗口数量相等，每一个位置指示片均布置在与矩形窗口相应的位置。在本实施例中，矩形窗口数量为8个，因此相应地设置了8个位置指示片。

本实施例中，感光元件为CCD相机，CCD相机与一控制电路连接，并由控制电路控制成像时刻。同时在转盘边缘设置一个位置传感器。由于位置指示片被布置在与矩形窗口相应位置的圆周上，因此当位置指示片运动到位置传感器的相应位置时，即为矩形窗口对齐光源的位置，此时为CCD拍摄成像的最佳时机。当位置传感器识别到位置指示片时，能够给予控制电路信号，通过控制电路向CCD相机发送拍摄指令。位置传感器的响应时间可以到达毫秒量级，因此足够在下一个窗口对齐CCD相机之前完成成像。形成结构光图像序列的时间完全取决于转盘的转速。即便采用现有技术中普遍使用的驱动机构，也足以在几秒之内完整整个结构光序列的拍摄成像，效率大大提高。

当CCD相机拍摄了很多结构光图像，即得到了很长的结构光序列时，需要知道哪个图像是最早的(即序列的开始)。因此，将8个位置指示片中的其中1个，设置为与其他位置指示片不同，将其作为初始位置指示片。例如，将初始位置指示片设置为三倍于位置指示片。在其他实施例中，初始位置指示片也可以设置成为其他形状，只需要位置传感器能够识别初始位置指示片，使得控制电路能够判断结构光序列的初始时刻即可。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将第一透镜组和第二透镜组平行放置；

步骤2、在所述第一透镜组和所述第二透镜组的中间设置挡光板，所述挡光板中间设置有通光孔；

步骤3、将光源设置在所述第一透镜组的远离挡光板一侧；

步骤4、将感光元件设置在所述通光孔靠近光源一侧；

步骤5、在所述通光孔和所述感光元件之间放置第三透镜组。

2.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述步骤2还包括在所述挡光板上开设有矩形窗口。

3.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述通光孔为圆形。

4.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述挡光板被设置为可绕中心轴转动的转盘型。

5.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述步骤2还包括根据结构光序列的具体长度设置所述矩形窗口的数量。

6.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述步骤2还包括设置所述矩形窗口个数为偶数。

7.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述步骤2的所述矩形窗口在所述挡光板上对称地、等间距地开设，且所述矩形窗口到圆心的距离相等。

8.如权利要求2所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述步骤2还包括在所述矩形窗口上设置光栅。

9.如权利要求8所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述矩形窗口中布置的光栅的顺序按照结构光序列的具体顺序来设置。

10.如权利要求1所述的设置紧凑型结构光光路的方法，其特征在于，所述步骤2还包括所述矩形窗口上设置平面玻璃。

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