CN114111634A - 一种结构光投影模组及三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种结构光投影模组及三维扫描装置，包括红外光源、光束整形器、掩膜结构和投影镜头，光束整形器位于红外光源和掩膜结构之间，掩膜结构位于光束整形器和投影镜头之间；光束整形器用于将红外光源发出的发散光整形并照射至掩膜结构；掩膜结构上设置有预设图案并用于对整形后光束进行调制以产生对应预设图案的结构光；投影镜头用于将所述结构光投射至待扫描物体表面以对所述待扫描物体进行三维扫描。通过本公开的技术方案，解决了扫描黑色物体时结构光消失和扫描人体时易出现身体不适的问题，减小了结构光投影模组的体积，提高了结构光投影模组的能量利用率并且实现结构简单。

Description

一种结构光投影模组及三维扫描装置

技术领域

本公开涉及三维扫描技术领域，尤其涉及一种结构光投影模组及三维扫描装置。

背景技术

三维扫描仪是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据，搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息等领域都可见其应用。

现有技术中三维扫描技术一般采用纯色光源或者白光产生结构光，但其产生的结构光无法扫描黑色物体且扫描人体时光源强度过高易引起不适。同时，现有技术中所采用的结构光模组整体结构较为复杂，体积较大且能量利用率低。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种结构光投影模组及三维扫描装置，解决了扫描黑色物体时结构光消失和扫描人体时易出现身体不适的问题，减小了结构光投影模组的体积，提高了结构光投影模组的能量利用率并且实现结构简单。

第一方面，本公开提供了结构光投影模组，该模组包括：

红外光源、光束整形器、掩膜结构和投影镜头，所述光束整形器位于所述红外光源和所述掩膜结构之间，所述掩膜结构位于所述光束整形器和所述投影镜头之间；

所述光束整形器用于将所述红外光源发出的发散光整形并照射至所述掩膜结构；

所述掩膜结构上设置有预设图案并用于对整形后光束进行调制以产生对应所述预设图案的结构光；

所述投影镜头用于将所述结构光投射至待扫描物体表面以对所述待扫描物体进行三维扫描。

可选地，所述红外光源为垂直腔面发射激光器。

可选地，所述光束整形器包括匀光透镜组，所述匀光透镜组包括多个并列排放的透镜，所述匀光透镜组用于将所述红外光源发出的发散光整形。

可选地，所述光束整形器还包括复眼透镜，所述复眼透镜用于将单光束分割为多个子光束并通过所述多个子光束混叠以消除干涉波纹。

可选地，所述复眼透镜位于所述匀光透镜组的一侧或者位于相邻的所述透镜之间。

可选地，结构光投影模组还包括：

照明镜筒，所述光束整形器与所述掩膜结构定位于所述照明镜筒的内腔中，所述投影镜头与所述照明镜筒的一端相对固定设置，所述红外光源固定设置于所述照明镜筒远离所述投影镜头的一端。

可选地，所述掩膜结构通过设定机械结构固定于所述照明镜筒的内腔中，所述光束整形器设置于所述掩膜结构与所述照明镜筒的内壁所形成的腔体中。

可选地，结构光投影模组还包括：散热结构，所述散热结构临近所述红外光源设置，所述散热结构用于对所述红外光源进行散热处理。

可选地，所述红外光源采用脉冲宽度调制技术控制其开关状态；

对应所述红外光源开启的脉冲段内，控制所述红外光源交替开关。

第二方面，本公开实施例还提供了一种三维扫描装置，该三维扫描装置包括如上述第一方面所述的结构光投影模组。

本公开实施例公开的一种结构光投影模组及三维扫描装置，包括红外光源、光束整形器、掩膜结构和投影镜头，光束整形器位于红外光源和掩膜结构之间，掩膜结构位于光束整形器和投影镜头之间；光束整形器用于将红外光源发出的发散光整形并照射至掩膜结构；掩膜结构上设置有预设图案并用于对整形后光束进行调制以产生对应预设图案的结构光；投影镜头用于将结构光投射至待扫描物体表面以对待扫描物体进行三维扫描。由此，本公开实施例利用红外光源解决了扫描黑色物体时结构光消失和扫描人体时人体易出现不适的问题，扩大了结构光投影模组的应用场景，同时利用掩膜结构实现三维扫描，减小了结构光投影模组的体积，提高了结构光投影模组的能量利用率并且实现结构简单。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种结构光投影模组的简化结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种结构光投影模组的***机械结构示意图；

图3是本公开实施例提供的一种掩膜结构预设图案的示意图；

图4是本公开实施例提供的一种结构光投影模组的组合机械结构示意图；

图5是本公开实施例提供的一种针对红外光源的脉冲宽度调制技术的波形示意图；

图6是本公开实施例提供的一种脉冲宽度调制技术控制红外光源开关的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1是本公开实施例提供的一种结构光投影模组的简化结构示意图，图2是本公开实施例提供的一种结构光投影模组的***机械结构示意图。结合图1和图2，结构光投影模组包括红外光源1、光束整形器2、掩膜结构3和投影镜头4，光束整形器2位于红外光源1和掩膜结构3之间，掩膜结构3位于光束整形器2和投影镜头4之间，光束整形器2用于将红外光源1发出的发散光整形并照射至掩膜结构3；掩膜结构3上设置有预设图案并用于对整形后光束进行调制以产生对应预设图案的结构光；投影镜头4用于将结构光投射至待扫描物体表面以对待扫描物体进行三维扫描。

具体地，结合图1和图2，将光束整形器2设置在红外光源1和掩膜结构3之间，红外光源1发出发散的红外光，发散的红外光经光束整形器2整形，优选地，可以设置发散的红外光经光束整形器2整形成平行红外光并照射至掩膜结构3，以优化掩膜结构3的照度均匀性。掩膜结构3被平行红外光均匀照射后，通过其预设图案对平行红外光进行调制产生对应预设图案的结构光。投影镜头4将对应预设图案的结构光投射至待扫描物体表面，进行物体三维扫描，获取物体三维数据。

示例性地，投影镜头4可以为CS接口镜头，即镜头接口螺纹尺寸为25.4毫米*0.8毫米，图像传感器到镜头之间的距离为12.526毫米的镜头，也可以为C接口镜头，即镜头接口螺纹尺寸为25.4毫米*0.8毫米，图像传感器到镜头之间的距离为17.526毫米的镜头，也可以为M12接口镜头，即镜头接口螺纹尺寸为12毫米*0.5毫米的镜头，也可以为M16接口镜头，即镜头接口螺纹尺寸为16毫米*0.5毫米的镜头。另外，投影镜头4也可以选择定制镜头，使用时需调节投影镜头4使得掩膜结构3面落在投影镜头4的后焦面位置。

在三维扫描被动式测量领域，基于纯色光源或白光产生结构光的方法被普遍运用，但随着三维扫描技术的不断推广，诸如此类的结构光产生方式已经不能满足新的需求，比如在扫描黑色物体时，由于黑色物体可见光谱反射率低，导致结构光在物体表面消失从而无法实现扫描功能。又比如纯色光源或白光产生结构光的投影模组用于扫描人体时，人体无法忍受强烈的可见光源照射，导致人体接受度低。

另外，现有结构光投影模组常采用微投影的方式，比如LCOS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶)微投影技术或DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜装置)微投影技术，这种微投影方式可以通过控制微显示器产生任意的结构光，但能效低且体积庞大。

本公开实施例提供的结构光投影模组利用红外光源1照射光束整形器2，光束整形器2将发散的红外光整形并照射至掩膜结构3，通过掩膜结构3的预设图案对整形后光束进行调制产生结构光，投影镜头4将结构光投射至待扫描物体表面，进行物体三维扫描。由此，本公开实施例利用红外光源1替代了纯色光源和可见光源，解决了在扫描黑色物体结构光消失和扫描人体时人体易出现不适状态的问题，扩大了结构光投影模组的应用场景。同时，利用掩膜结构3替代LCOS微投影技术或DMD微投影技术等微投影技术实现了对物体的三维扫描，减小了结构光投影模组的体积，提高了结构光投影模组的能量利用率并且实现结构简单。另外，利用光束整形器2使得掩膜结构3上的预设图案被均匀照射，有利于优化三维扫描效果。

可选地，红外光源1为垂直腔面发射激光器。具体地，红外光源1可以采用垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，垂直腔面发射激光器是一种半导体，其激光垂直于顶面或者底面射出，一般用切开的独立芯片制程，完成红外光发射需要完成能量激发和共振放大两个步骤。红外光属于不可见光，相比于纯色光源和可见光源，本公开实施例利用红外光源1解决了扫描黑色物体结构光消失和人体不适的问题。

红外激光器或红外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)器件也可以作为结构光投影模组的光源，但红外激光器的整形过程较为复杂，会导致红外激光器中光束整形部分的体积非常庞大，红外LED器件则存在体积小且功率较低的问题，且红外LED器件由于其光学扩展量大而导致其能量利用率不高。本公开实施例设置红外光源1为垂直腔面发射激光器，垂直腔面发射激光器相比于红外激光器或红外LED器件发射激光器，体积小，光电转换效率高，性能稳定波长漂移小，易集成大面积阵列，进一步优化了结构光投影模组的体积和光电转换效率，同时优化了结构光投影模组的三维扫描效果。由此，本公开实施例采用VCSEL光源加MASK，即掩膜的结构光投影方式，结构简单、能效高、体积小巧，可用于扫描纯黑色物体以及实现人体无光扫描。

可选地，结合图1和图2，光束整形器2可以包括匀光透镜组，匀光透镜组包括多个并列排放的透镜，匀光透镜组用于将红外光源1发出的发散光整形均匀。

具体地，光束整形器2包括匀光透镜组，匀光透镜组包括多个并列排放的透镜，图1中仅示例性示出了两个透镜，即前置透镜21和后置透镜22，本公开实施例对匀光透镜组所包含透镜的数量不作具体限定，确保并列排放的透镜能够将红外光源1发出的发散光整形均匀。

匀光透镜组可以采用柯勒照明的方式进行照明，匀光透镜组包括前置透镜21、后置透镜22、孔径光阑和视场光阑，孔径光阑紧贴于前置透镜21放置，是一个可变光阑，孔径光阑经后置透镜22成像在显微***的物面上，显微***的视场光阑设置在中间实像面上，因此其入射窗就在显微***的物面上。红外光源1经过前置透镜21成像于视场光阑处，视场光阑位于后置透镜22的物方焦面上，这样经过后置透镜22的作用将红外光源1的像成在无穷远处，同时视场光阑经后置透镜22后成像于无穷远处。由此，光束整形器2中的匀光透镜使照射在掩膜结构3上的光照明均匀，使掩膜结构3获得均匀且充分明亮的照明，同时又不会产生耀眼的眩光，进一步优化了结构光投影模组的三维扫描效果。

可选地，光束整形器2还包括复眼透镜，复眼透镜用于将单光束分割为多个子光束并通过多个子光束混叠以消除干涉波纹。

具体地，复眼透镜一般是由一系列小透镜组合形成，复眼透镜的作用是将红外光源1发射的单光束分割成多个子光束，每一个子光束的独立光斑叠加后得到光束整形器2照射在掩膜结构3上的光斑，光斑内的所有位置均能被每个子光束照射，多个子光束混叠可以消除干涉波纹，即达到消相干的效果，保证照射在掩膜结构3上的光斑无噪点。由此，本公开实施例中的光束整形器2结合了匀光和消相干技术，进一步优化了光投影模组的三维扫描效果。可选地，复眼透镜可以位于匀光透镜组的一侧或者位于相邻的透镜之间。具体地，本公开实施例对复眼透镜在光束整形器2中的位置不作限定，复眼透镜可以放置于匀光透镜组的最前面或者最后面，也可以放置于匀光透镜组中相邻的透镜之间，起到消除干涉波纹的作用。另外，复眼透镜的具体结构以及具体工作原理为本领域技术人员熟知内容，这里不再详细展开论述。

图3是本公开实施例提供的一种掩膜结构预设图案的示意图。如图3所示，掩膜结构3上的预设图案例如可以包括明暗相间的等间距条纹图案。需要说明的是，图3所示的明暗相间的等间距条纹图案仅为掩膜结构3上预设图案的一种示例，并非对掩膜结构3上预设图案的限定，掩膜结构3上预设图案也可以为没有规律的随机散点等图案，本公开实施例对掩膜结构3上预设图案不作具体限定。

示例性地，如图3所示，可以通过光刻的方式在掩膜结构3上将预设图案制作在基底材料上，例如可以设置预设图案由100根等间距的101010101……明暗条纹组合而成，条纹占空比即暗条纹宽度占预设图案总宽度的比例可以设置为百分之二十，暗条纹线宽为15微米。当红外光源1发射的红外光经过光束整形器2照射至掩膜结构3上，掩膜结构3上预设的明暗条纹图案对光进行调制，从而产生与图3所示的明暗条纹具有相同图案的结构光,投影镜头4在将具有特定图案的结构光投射至待扫描物体表面以对待扫描物体进行三维扫描，获取待扫描物体的三维数据。

需要说明的是，掩膜结构3上的预设图案和条纹宽度可以根据实际待扫描的物体和光源强度等因素进行设置，本公开实施例对此不作限定。

图4是本公开实施例提供的一种结构光投影模组的组合机械结构示意图。结合图1至图4，结构光投影模组包括光源组件及投影镜头4，光源组件包括红外光源1、光束整形器2、掩模结构3及照明镜筒6，光束整形器2与掩膜结构3定位于照明镜筒6的内腔中，投影镜头4与照明镜筒6的一端相对固定设置，示例性地，可以设置投影镜头4通过螺纹结构与照明镜筒6可拆卸连接地相对固定设置，投影镜头4的部分结构位于照明镜筒6的内腔中，投影镜头4的部分结构位于照明镜筒6外，红外光源2固定设置于照明镜筒6远离投影镜头4的一端。照明镜筒6与红外光源2配合安装后红外光源2的发光侧的相对一侧形成封闭结构。

结合图1至图4，可以设置掩膜结构3通过设定机械结构固定于照明镜筒6的内腔中，光束整形器2设置于掩膜结构3与照明镜筒6的内壁所形成的腔体中。在本实施例中，光束整形器2及掩膜结构3分别通过阶梯结构定位在照明镜筒6的内腔中，其中，掩模结构3通过辅助定位件定位于照明镜筒6的内腔中，辅助定位件通过阶梯结构定位在照明镜筒6的内腔中，掩模结构3定位于辅助定位件，辅助定位件呈中空结构以供光束通过。需要说明的是，本公开实施例对设定机械结构的具体实现形式不作限定，确保可利用设定机械结构将掩膜结构3固定于照明镜筒6的内腔中即可。

由此，通过对上述结构光投影模组中各部件位置和机械结构的设置，有利于减小结构光投影模组的实现体积，便于将结构光投影模组安装于扫描仪使用。

可选地，结合图1至图4，结构光投影模组还可以包括散热结构5，散热结构5临近红外光源1设置，散热结构5用于对红外光源1进行散热处理。

具体地，红外光源1在工作时会产生大量的热量，如果热量累积，红外光源1的温度升高，红外光源1长时间高温工作容易使其使用寿命大幅度下降。本公开实施例在临近红外光源1的位置设置散热结构5，散热结构5可以由任意形状的导热系数高的金属散热片构成，图1、图2以及图4示例性地设置散热结构5由梳齿状且导热系数高的金属散热片构成，散热结构5对红外光源1进行散热处理，延长了红外光源1的使用寿命。另外，图1、图2以及图4仅示例性地设置散热结构5位于红外光源1的右侧，散热结构5也可以设置在红外光源1的其它方位，确保散热结构5临近红外光源1设置且能够对红外光源1进行散热处理即可。需要说明的是，散热结构5也不限于由金属散热片构成，也可以利用小型散热风扇实现散热结构5，本公开实施例对散热结构5的具体实现形式不作限定。

可选地，结构光投影模组还可以包括安装座(附图中未示出)，安装座设置于照明镜筒6的外周，结构光投影模组通过安装座安装于扫描仪。优选地，照明镜筒6与安装座可拆卸地连接。

可选地，红外光源1可以采用脉冲宽度调制技术控制其开关状态。现有技术中，红外光源1在进行三维扫描过程中会一直发射红外光，影响红外光源1的使用寿命。本公开实施例的红外光源1采用脉冲宽度调制技术(Pulse width modulation，PWM)对红外光源1的通断进行控制，脉冲宽度调制是将电力能源变换器各类控制算法输出转化为功率器件开关时刻的媒介，可以输出全高电平信号、全低电平信号或者高低电平组成的脉冲信号。

图5是本公开实施例提供的一种针对红外光源的脉冲宽度调制技术的波形示意图。针对红外光源1的脉冲宽度调制技术可以利用如图5所示的方波脉冲信号来控制红外光源1开关状态的变化，其中高电平信号代表控制红外光源1开启并发射红外光，低电平信号代表控制红外光源1关闭不发射红外光。由此，本公开实施例利用脉冲宽度调制技术，即脉冲信号电平的高低控制红外光源1的开启和关闭，避免红外光源1一直发射红外光，延长了红外光源1的寿命。

可选地，对应红外光源1开启的脉冲段内，控制红外光源1交替开关。图6是本公开实施例提供的一种脉冲宽度调制技术控制红外光源开关的示意图。具体地，在红外光源1开启的脉冲段，即对应图5中的高电平信号的时间段，也即红外光源1的有效工作时间段内，调节红外光源1的通电时间。如图6所示，黑色矩形条的宽度代表关闭红外光源1的时间，此时将红外光源1的电流调小使红外光源1的亮度降低，白色矩形条的宽度代表打开红外光源1的时间，此时将红外光源1的电流调大使红外光源1的亮度升高。

示例性地，可以设置图5中高电平信号的持续时间为T_on，低电平信号的持续时间为T_off，图6中黑色矩形条的宽度依次为t1、t2一直到tn，t1＝t2＝……＝tn，可以设置t1+t2+……+tn＝T_on/2，即T_on时间段内关闭红外光源1的时间与T_on相比，其占空比为50％。通过控制红外光源1交替开关，进一步延长了红外光源1的使用寿命。本公开实施例还提供了一种三维扫描装置，三维扫描装置包括如上述实施例所述的结构光投影模组，因此本公开实施例提供的三维扫描装置具备上述实施例所述的有益效果。示例性地，本公开实施例所述的三维扫描装置可以为DSD(Digital Smile Design，数码微笑设计)扫描仪、手持式三维扫描装置或者医学人像三维扫描仪等，本公开实施例对此不作具体限定。

本公开实施例提供的结构光投影模组及三维扫描装置，利用光束整形器将红外光源发出的发散光整形并照射至掩膜结构，掩膜结构上设置有预设图案并用于对整形后光束进行调制以产生对应预设图案的结构光，投影镜头用于将结构光投射至待扫描物体表面以对待扫描物体进行三维扫描。由此，本公开实施例利用红外光源解决了扫描黑色物体时结构光消失和扫描人体时人体易出现不适的问题，扩大了结构光投影模组的应用场景，同时利用掩膜结构实现三维扫描，减小了结构光投影模组的体积，提高了结构光投影模组的能量利用率并且实现结构简单。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种结构光投影模组，其特征在于，包括：

红外光源、光束整形器、掩膜结构和投影镜头，所述光束整形器位于所述红外光源和所述掩膜结构之间，所述掩膜结构位于所述光束整形器和所述投影镜头之间；

所述光束整形器用于将所述红外光源发出的发散光整形并照射至所述掩膜结构；

所述掩膜结构上设置有预设图案并用于对整形后光束进行调制以产生对应所述预设图案的结构光；

所述投影镜头用于将所述结构光投射至待扫描物体表面以对所述待扫描物体进行三维扫描。

2.根据权利要求1所述的结构光投影模组，其特征在于，所述红外光源为垂直腔面发射激光器。

3.根据权利要求1所述的结构光投影模组，其特征在于，所述光束整形器包括匀光透镜组，所述匀光透镜组包括多个并列排放的透镜，所述匀光透镜组用于将所述红外光源发出的发散光整形。

4.根据权利要求3所述的结构光投影模组，其特征在于，所述光束整形器还包括复眼透镜，所述复眼透镜用于将单光束分割为多个子光束并通过所述多个子光束混叠以消除干涉波纹。

5.根据权利要求4所述的结构光投影模组，其特征在于，所述复眼透镜位于所述匀光透镜组的一侧或者位于相邻的所述透镜之间。

6.根据权利要求1所述的结构光投影模组，其特征在于，还包括：

照明镜筒，所述光束整形器与所述掩膜结构定位于所述照明镜筒的内腔中，所述投影镜头与所述照明镜筒的一端相对固定设置，所述红外光源固定设置于所述照明镜筒远离所述投影镜头的一端。

7.根据权利要求6所述的结构光投影模组，其特征在于，所述掩膜结构通过设定机械结构固定于所述照明镜筒的内腔中，所述光束整形器设置于所述掩膜结构与所述照明镜筒的内壁所形成的腔体中。

8.根据权利要求1所述的结构光投影模组，其特征在于，还包括：

散热结构，所述散热结构临近所述红外光源设置，所述散热结构用于对所述红外光源进行散热处理。

9.根据权利要求1所述的结构光投影模组，其特征在于，所述红外光源采用脉冲宽度调制技术控制其开关状态；

对应所述红外光源开启的脉冲段内，控制所述红外光源交替开关。

10.一种三维扫描装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的结构光投影模组。

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