CN112859484A - 结构光成像装置的红外激光元件及结构光成像装置 - Google Patents

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CN112859484A CN202110149651.7A CN202110149651A CN112859484A CN 112859484 A CN112859484 A CN 112859484A CN 202110149651 A CN202110149651 A CN 202110149651A CN 112859484 A CN112859484 A CN 112859484A
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Abstract

本申请涉及3D探测领域技术领域，公开了一种结构光成像装置的红外激光元件及结构光成像装置，所述结构光成像装置的红外激光元件包括：发光单元，用于向被测对象投射红外光线；散射元件；设置于所述发光单元的光路上；放大镜头，所述发光单元、所述散射元件及所述放大镜头依次相隔设置，以预设放大倍率将所述红外光线视场角扩大。本方案通过放大镜头对发光单元射出的光束的视场角扩大，以扩大探测区域的深度信息；以预设放大倍率针对特定范围进行探测，降低设备功耗，提高设备的续航能力。

Description

结构光成像装置的红外激光元件及结构光成像装置
技术领域
本发明一般涉及3D探测领域技术领域，具体涉及一种结构光成像装置的红外激光元件及结构光成像装置。
背景技术
传统的2D成像装置，例如摄像机，只能获取物体的平面信息；而3D成像装置还可以获取物体的深度信息，构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量，零件建模，医疗诊断，安防监控，机器视觉，生物识别，增强现实AR，虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。
在相关技术中，结构光成型装置的发射模组光源发出的激光投射至特定距离的目标物体，其探测范围小。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种红外激光元件及结构光成型装置。
本发明提供一种结构光成像装置的红外激光元件，其特征在于，包括：
发光单元，用于向被测对象投射红外光线；
散射元件；设置于所述发光单元的光路上；
放大镜头，所述发光单元、所述散射元件及所述放大镜头依次相隔设置，以预设放大倍率将所述红外光线视场角扩大。
作为可实现的最优方式，还包括伸缩件，所述伸缩件位于所述散射元件与所述放大镜头之间，所述伸缩件的活动端连接至所述放大镜头，以调整所述预设放大倍率。
作为可实现的最优方式，所述放大镜头包括第一凹透镜和第二凹透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第一凹透镜及所述第二凹透镜依次相隔设置，所述第一凹透镜在所述第二凹透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第二凹透镜，
所述第一凹透镜至所述第二凹透镜的间距小于所述第一凹透镜的焦距与所述第二凹透镜的焦距之和的绝对值。
作为可实现的最优方式，所述放大镜头包括第一凸透镜和第二凸透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第一凸透镜及所述第二凸透镜依次相隔设置，所述第一凸透镜在所述第二凸透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第二凸透镜，
所述第一凸透镜至所述第二凸透镜的间距大于所述第一凸透镜的焦距与所述第二凸透镜的焦距之和。
作为可实现的最优方式，所述放大镜头包括第三凸透镜和第三凹透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第三凸透镜及所述第三凹透镜依次相隔设置，所述第三凸透镜在所述第三凹透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第三凹透镜，
所述第三凹透镜的焦距绝对值与所述第三凸透镜与所述第三凹透镜的间距作和，所述和值小于所述第三凸透镜的焦距。
作为可实现的最优方式，所述放大镜头包括第三凹透镜和第三凸透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第三凹透镜及所述第三凸透镜依次相隔设置，所述第三凹透镜在所述第三凸透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第三凸透镜，
所述第三凸透镜的焦距与所述第三凹透镜与所述第三凸透镜的间距作差，所述差值大于所述第三凹透镜的焦距绝对值。
作为可实现的最优方式，述发光单元包括矩阵排列设置的多个垂直腔面发射激光器。
作为可实现的最优方式，所述放大镜头采用菲涅尔透镜阵列，所述菲涅尔透镜阵列中的多个第一微透镜单元与多个所述垂直腔面发射激光器一一对应设置，或者，
所述放大镜头采用微透镜阵列，所述微透镜阵列中的多个第二微透镜单元与多个所述垂直腔面发射激光器一一对应设置，或者，
所述放大镜头采用全息透镜阵列，所述全息透镜阵列中的多个第三微透镜单元与多个所述垂直腔面发射激光器一一对应设置。
本发明还提供一种结构光成像装置，所述结构光成像装置包括上述中任一项所述的红外激光元件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本方案通过放大镜头对发光单元射出的红外光线视场角扩大，以扩大探测区域的深度信息；以预设放大倍率针对特定范围进行探测，降低设备功耗，提高设备的续航能力；采用第一凹透镜和第二凹透镜组合的放大镜头，实现预设放大倍率，这种放大镜头的体积小，便于携带；采用第三凹透镜和第三凸透镜组合的放大镜头，实现预设放大倍率，这种放大镜头的体积小，便于携带。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本申请的实施方式的一种结构光成像装置的的结构示意图；
图2是根据本申请的实施方式的结构光成像装置的第一种红外激光元件的结构示意图；
图3是根据本申请的实施方式的结构光成像装置的第二种红外激光元件的结构示意图；
图4是根据本申请的实施方式的结构光成像装置的第三种红外激光元件的结构示意图；
图5是根据本申请的实施方式的结构光成像装置的第四种红外激光元件的结构示意图；
图6是根据本申请的实施方式的结构光成像装置的第五种红外激光元件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了一种结构光成像装置的结构示意图。
一种结构光成像装置包括红外激光元件100和红外摄像元件200，红外激光元件100和红外摄像元件200相隔设置且在同一基准面上。红外激光元件100用于向观测物体发射若干个红外光线，每一个红外光线在观测物体上形成一个光点，每一个光点都具有唯一的位置。红外摄像元件200用于采集上述光点在被观测物体上的大小和形状。
结构光成像装置的工作原理：通过红外激光元件100向被观测物体上发射若干个红外光线。再由红外摄像元件200进行采集上述红外光线在被观测物体上形成光点的大小和形状。结构光成像装置的控制***预先存取光点的大小、形状与被观测物体距离的关系，然后通过结构光成像装置的控制***根据光点的大小和形状从而获取被观测物体的距离，进而获得被观测物体的三维结构。
红外激光元件100包括：发光单元11、散射元件12及放大镜头13。散射元件12和放大镜头13均设置于发光单元11的光路上，发光单元11、散射元件12及放大镜头13依次相隔设置，以预设放大倍率将发光单元11投射的红外光线视场角扩大。发光单元11向散射元件12投射红外光线，穿过散射元件12后的光线均匀分布射向放大镜头13。放大镜头13可以是一个凹透镜，可以是两个凹透镜，也可以凹透镜与凸透镜的组合。放大镜头13将上述光束发散，以增大红外光线的视场角度。
本申请提供的红外激光元件100通过放大镜头13对发光单元11射出的红外光线视场角扩大，以向更大范围投射红外光学，进而获取更大范围的距离信息；以预设放大倍率针对特定范围进行探测，降低设备功耗，提高设备的续航能力。
在一优选的实施例中，红外激光元件100还包括伸缩件，伸缩件位于散射元件12与放大镜头13之间，伸缩件的活动端连接至放大镜头13，以调整预设放大倍率。
参考图2，在本实施例中，红外激光元件100包括：发光单元11、散射元件12、放大镜头13及伸缩件，放大镜头13为一个凹透镜。发光单元11、散射元件12和放大镜头13依次间隔设置，伸缩件位于散射元件12和放大镜头13之间。伸缩件可以为电动推杆，电动推杆的活动端连接至放大镜头13，电动推杆的固定端连接至散射元件12。
散射元件12与放大镜头13之间的间距为d，放大镜头13的焦距为f，预设放大倍率为m，
Figure BDA0002932257430000051
通过伸缩件的伸缩调整散射元件12与放大镜头13之间的间距d，以改变预设放大倍率m，实现对特定范围进行探测，有利于降低设备功耗，提高设备的续航能力。
在一优选的实施例中，所述放大镜头包括第一凹透镜和第二凹透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第一凹透镜及所述第二凹透镜依次相隔设置，所述第一凹透镜在所述第二凹透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第二凹透镜，
所述第一凹透镜至所述第二凹透镜的间距小于所述第一凹透镜的焦距与所述第二凹透镜的焦距之和的绝对值。
参考图3，在本实施例中，红外激光元件100包括：发光单元11、散射元件12及放大镜头13。放大镜头13为第一凹透镜131和第二凹透镜132。发光单元11、散射元件12、第一凹透镜131及第二凹透镜132依次间隔设置，第一凹透镜131的光心和第二凹透镜132光心位于同一直线上，第二凹透镜132的正投影部分覆盖第二凹透镜132。
散射元件12与第一凹透镜131之间的间距为d1，第一凹透镜131与第二凹透镜132之间的间距为s1，s1为定值。第一凹透镜131的焦距为f11，第二凹透镜132的焦距为f12，其中，
|f11+f12|>s1。
穿过散射元件12的红外光线以第一角度入射至第一凹透镜131，第一凹透镜131以第一预设放大倍率将红外光线视场角扩大。红外光线再次以第二角度入射至第二凹透镜132，第二凹透镜132以第二预设放大倍率将红外光线视场角进一步扩大。
通过调整散射元件12与第一凹透镜131之间的间距d1，进而改变预设放大倍率m。采用第一凹透镜131和第二凹透镜132组合的放大镜头13，实现预设放大倍率，这种放大镜头13的体积小，便于携带。
在一优选的实施例中，所述放大镜头包括第一凸透镜和第二凸透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第一凸透镜及所述第二凸透镜依次相隔设置，所述第一凸透镜在所述第二凸透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第二凸透镜，
所述第一凸透镜至所述第二凸透镜的间距大于所述第一凸透镜的焦距与所述第二凸透镜的焦距之和。
参考图4，在本实施例中，红外激光元件100包括：发光单元11、散射元件12及放大镜头13，放大镜头13为第一凸透镜131和第二凸透镜132。发光单元11、散射元件12、第一凸透镜131及第二凸透镜132依次间隔设置，第一凸透镜131的光心和第二凸透镜132的光心位于同一直线上，第一凸透镜131的正投影部分覆盖第二凸透镜132。
散射元件12与第一凸透镜131之间的间距为d2，第一凸透镜131与第二凸透镜132之间的间距为s2，s2为定值。第一凸透镜131的焦距为f21，第二凸透镜132的焦距为f22，其中，
|f21+f22|<s2。
穿过散射元件12的红外光线入射至第一凸透镜131，经第一凸透镜131汇聚后的光线入射至第二凹透镜132，第二凹透镜132以预设放大倍率将红外光线视场角扩大，红外光线以平行方式射向观测物体。
通过调整散射元件12与第一凸透镜131之间的间距d2，进而改变预设放大倍率m。采用第一凸透镜131和第二凸透镜132组合的放大镜头13，实现预设放大倍率，这种放大镜头13的结构简单，制造成本低。
在一优选的实施例中，所述放大镜头包括第三凸透镜和第三凹透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第三凸透镜及所述第三凹透镜依次相隔设置，所述第三凸透镜在所述第三凹透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第三凹透镜，
所述第三凹透镜的焦距绝对值与所述第三凸透镜与所述第三凹透镜的间距作和，所述和值小于所述第三凸透镜的焦距。
参考图5，在本实施例中，红外激光元件100包括：发光单元11、散射元件12及放大镜头13，放大镜头13为第三凸透镜131和第三凹透镜132。发光单元11、散射元件12、第三凸透镜131及第三凹透镜132依次间隔设置，第三凸透镜131的光心和第三凹透镜132的光心位于同一直线上，第三凸透镜131的正投影部分覆盖第三凹透镜132。
散射元件12与第三凸透镜131之间的间距为d3，第三凸透镜131与第三凹透镜132之间的间距为s3，s3为定值。第三凸透镜131的焦距为f23，第三凹透镜132的焦距为f13，其中，
|f13|+s3＜f23。
通过调整散射元件12与第三凸透镜131之间的间距d3，进而改变预设放大倍率m。
在一优选的实施例中，所述放大镜头包括第三凹透镜和第三凸透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第三凹透镜及所述第三凸透镜依次相隔设置，所述第三凹透镜在所述第三凸透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第三凸透镜，
所述第三凸透镜的焦距与所述第三凹透镜与所述第三凸透镜的间距作差，所述差值大于所述第三凹透镜的焦距绝对值。
参考图6，在本实施例中，红外激光元件100包括：发光单元11、散射元件12及放大镜头13，放大镜头13为第三凹透镜132和第三凸透镜131。发光单元11、散射元件12、第三凹透镜132及第三凸透镜131依次间隔设置，第三凹透镜132的光心和第三凸透镜131的光心位于同一直线上，第三凹透镜132的正投影部分覆盖第三凸透镜131。
散射元件12与第三凹透镜132之间的间距为d4，第三凹透镜132与第三凸透镜131之间的间距为s4，s4为定值。第三凹透镜132的焦距为f13，第三凸透镜131的焦距为f23，其中，
f23-s4＞|f13|。
通过调整散射元件12与第三凹透镜132之间的间距d4，进而改变预设放大倍率m。采用第三凹透镜132和第三凸透镜131组合的放大镜头13，实现预设放大倍率，这种放大镜头13的体积小，便于携带。
需要说明的是，上述的第一凹透镜、第二凹透镜及第三凹透镜均为双凹透镜，双凹透镜两边的焦距一样，降低安装要求，提高安装效率；上述的第一凸透镜、第二凸透镜及第三凸透镜均为双凸透镜，双凸透镜两边的焦距一样，降低安装要求，提高安装效率。
在一优选的实施例中，发光单元包括矩阵排列设置的多个垂直腔面发射激光器。
在本实施例中，发光单元11为垂直腔面发射激光器，多个垂直腔面发射激光器矩阵排列设置。垂直腔面发射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，简称VCSEL)是一种半导体，其激光垂直于顶面射出。VCSEL具有体积小，发散角小和能量集中等优点。
进一步地，放大镜头13采用菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜阵列中的多个第一微透镜单元与多个垂直腔面发射激光器一一对应设置，有利于降低多个VCSEL之间的光线干扰。
或者，放大镜头13采用微透镜阵列，微透镜阵列中的多个第二微透镜单元与多个垂直腔面发射激光器一一对应设置，有利于降低多个VCSEL之间的光线干扰。
或者，放大镜头13采用全息透镜阵列，全息透镜阵列中的多个第三微透镜单元与多个垂直腔面发射激光器一一对应设置，有利于降低多个VCSEL之间的光线干扰。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种结构光成像装置的红外激光元件，其特征在于，包括：
发光单元，用于向被测对象投射红外光线；
散射元件；设置于所述发光单元的光路上；
放大镜头，所述发光单元、所述散射元件及所述放大镜头依次相隔设置，以预设放大倍率将所述红外光线视场角扩大。
2.根据权利要求1所述的红外激光元件，其特征在于，还包括伸缩件，所述伸缩件位于所述散射元件与所述放大镜头之间，所述伸缩件的活动端连接至所述放大镜头，以调整所述预设放大倍率。
3.根据权利要求1所述的红外激光元件，其特征在于，所述放大镜头包括第一凹透镜和第二凹透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第一凹透镜及所述第二凹透镜依次相隔设置，所述第一凹透镜在所述第二凹透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第二凹透镜，
所述第一凹透镜至所述第二凹透镜的间距小于所述第一凹透镜的焦距与所述第二凹透镜的焦距之和的绝对值。
4.根据权利要求1所述的红外激光元件，其特征在于，所述放大镜头包括第一凸透镜和第二凸透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第一凸透镜及所述第二凸透镜依次相隔设置，所述第一凸透镜在所述第二凸透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第二凸透镜，
所述第一凸透镜至所述第二凸透镜的间距大于所述第一凸透镜的焦距与所述第二凸透镜的焦距之和。
5.根据权利要求1所述的红外激光元件，其特征在于，所述放大镜头包括第三凸透镜和第三凹透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第三凸透镜及所述第三凹透镜依次相隔设置，所述第三凸透镜在所述第三凹透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第三凹透镜，
所述第三凹透镜的焦距绝对值与所述第三凸透镜与所述第三凹透镜的间距作和，所述和值小于所述第三凸透镜的焦距。
6.根据权利要求1所述的红外激光元件，其特征在于，所述放大镜头包括第三凹透镜和第三凸透镜，所述发光单元、所述散射元件、所述第三凹透镜及所述第三凸透镜依次相隔设置，所述第三凹透镜在所述第三凸透镜上的正投影完全落于且部分覆盖所述第三凸透镜，
所述第三凸透镜的焦距与所述第三凹透镜与所述第三凸透镜的间距作差，所述差值大于所述第三凹透镜的焦距绝对值。
7.根据权利要求1所述的红外激光元件，其特征在于，所述发光单元包括矩阵排列设置的多个垂直腔面发射激光器。
8.根据权利要求7所述的红外激光元件，其特征在于，所述放大镜头采用菲涅尔透镜阵列，所述菲涅尔透镜阵列中的多个第一微透镜单元与多个所述垂直腔面发射激光器一一对应设置，或者，
所述放大镜头采用微透镜阵列，所述微透镜阵列中的多个第二微透镜单元与多个所述垂直腔面发射激光器一一对应设置，或者，
所述放大镜头采用全息透镜阵列，所述全息透镜阵列中的多个第三微透镜单元与多个所述垂直腔面发射激光器一一对应设置。
9.一种结构光成像装置，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的红外激光元件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115575395A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 深圳赛陆医疗科技有限公司 基于基因测序的光学监控***及其监控方法、测序***

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