CN115981073A - 一种多光路投影装置、三维测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光路投影装置、三维测量***及方法，其多光路投影装置包括均匀光源模块，用于发射包含多种颜色的光场分布均匀的准直光源；光源调制模块，用于调制均匀光源模块发射的光源，使所述光源包含设定的投影图案且使所述光源被分解为两束不同相位的偏振光，并对两束偏振光进行时序控制；投影模块，包括若干对投影出口，每个投影出口用于投射单一偏振状态的光源，每对投影出口投射的光源颜色相同，偏振状态不同；所有投影出口的位置相互配合，以使所有投影出口投射的区域重合。本发明通过投影仪的光路结构配合光源及反射式微晶投影芯片的时序控制，可实现重叠度高、多方向的投影及三维点云信息与二维彩色图像的实时输出。

Description

一种多光路投影装置、三维测量***及方法

技术领域

本发明涉及光学投影技术领域，特别涉及一种多光路投影装置、三维测量***及方法。

背景技术

非接触式光学三维测量技术可分为主动式与被动式，主动式测量中的结构光投影测量***主要由相机和投影仪组成，投影仪主要是投射相移图，相机主要是采集经物体表面调制的相移图。不同高度物体引起的相位变化不同，通过算法提取相机拍摄到的相移图中的相位信息，就可以对被测物体进行三维重建，三维重建后待测物体的各种三维形貌信息便能够得到，此时可根据具体的测量需求，根据三维重建的结果得到目标参数的三维测量。现有的结构光投影测量***主要由单个相机和单个投影仪组成，存在较多测量死角，仅能够输出物体表面三维点云信息，无法实时输出二维彩色图像。而利用多个投影仪的测量***仅为多个投影仪的简单叠加，存在投影区域重叠度不高、投影波长单一等问题。

现有的结构光投影测量***主要由单个相机和单个投影仪组成，其利用计算机生成条纹图案，通过光学投影***（投影仪）投射至被测物体表面，不同高度物体引起的条纹图案的相位变化不同。用相机采集被物体表面调制后发生变形的条纹图像，通过算法提取畸变条纹强度图中的相位信息，就可以对被测物体就行三维重建。中国专利CN113252685A利用多个投影仪搭建测量***，但是***仅为多个投影仪的简单叠加，存在着投影区域重叠度不高、投影波长单一、装置复杂，在投影仪外还需要白光线光源照明等问题。中国专利CN217113031U中提出的一种基于LCOS成像芯片的投影光学结构，利用LCOS成像芯片配合偏光组件进行投影，能够同时利用S偏振光及P偏振光，但其只解决利用多种偏振光的问题，在投影方式上未进行进一步设计，无法实现通过多个投影口的配合来排除测量死角的问题。

综上所述，现有技术的主要不足如下：

（1）现有的结构光投影测量***主要由单个相机和单个投影仪组成，存在较多测量死角，仅能够输出物体表面三维点云信息，无法实时输出二维彩色图像。

（2）现有的多投影***仅为多个投影仪的简单叠加，存在着投影区域重叠度不高、投影波长单一、装置复杂，在投影仪外还需要白光线光源照明等问题。

发明内容

本发明提出的一种多光路投影装置、三维测量***及方法，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：

一种多光路投影装置，包括：

均匀光源模块，用于发射包含多种颜色的光场分布均匀的准直光源；

光源调制模块，用于调制均匀光源模块发射的光源，使所述光源分解为两束不同相位的偏振光且包含设定的投影图案；

投影模块，接收光源调制模块调制后的光源并投射到待测物体上，包括若干对投影出口，每个投影出口用于投射单一偏振状态的光源，每对投影出口投射的光源颜色相同，偏振状态不同；各个投影出口的位置相互配合，以使所有投影出口的投影区域重合。

进一步地，所述均匀光源模块，包括：

多个发射不同颜色光的光源，所述光源前设置有准直光学元件，以调整光源发出的光为准直光；

光源合束装置，用于将不同颜色的准直光源合并为一束光源；

均匀光学组件，用于对合并后的光源进行光束匀化，得到包含多种颜色的光场分布均匀的准直光源。

进一步地，所述不同颜色的光为红、绿、蓝三种颜色的光；所述光源合束装置为X形合束棱镜。

进一步地，所述光源调制模块，包括：

第一偏振分光装置，用于将均匀光源模块发射的光源分为两束不同相位的偏振光：S偏光和P偏光；所述S偏光和P偏光分别照射到对应的LCOS芯片上；

LCOS芯片，用于反射并调制照射到其上的S偏光和P偏光，使反射的光源包含设定的投影图案；所述调制还包括：将所述S偏光反射后转换为P偏光，将所述P偏光反射后转换为S偏光；

经过LCOS反射的两束偏振光沿着原光路反射逆向进入第一偏振分光装置，合并为一束光源并经过成像镜头进入所述投影模块。

进一步地，所述投影模块包括：

第二偏振分光装置，用于将光源调制模块发射的两束偏振光分离；

光路分离装置，用于根据光线的颜色将每束偏振光分离，使分离后的不同颜色的光源到达不同的投影出口；

反射镜，设置于光路分离装置与投影出口之间，用于改变光线的方向，并调整光源包含的投影图案的方向；

若干对投影出口，每对投影出口投射的光源颜色相同，偏振状态不同；各个投影出口的位置相互配合，再通过反射镜的调节，以使所有投影出口的投影区域重合。

进一步地，所述光路分离装置为双色片或双色棱镜，所述双色片或双色棱镜将相对较短波长的光反射，相对较长波长的光透射，从而根据光线的颜色将每束偏振光分离。

进一步地，所述第一偏振分光装置和第二偏振分光装置为偏振分束棱镜或偏振分束平板；

所述光源调制模块和所述投影模块之间设置有若干反光镜，用于改变光源调制模块调制后的光源的方向。

另一方面，本发明还提出了一种三维测量***，包括：

上述的多光路投影装置；

一台或多台相机，用于获取所述多光路投影装置投影到待测物体上的图像；

上位机，与所述多光路投影装置相连，用于控制所述LCOS芯片反射出设定的投影图案，并对所述均匀光源模块进行时序控制；所述上位机和所述相机相连，用于控制相机进行拍摄并接收相机获取的图像进行三维测量。

再一方面，本发明还提出了一种三维测量方法，包括：

设置不同空间频率和不同相位的条纹图案；

上述的多光路投影装置分别投影不同颜色的所述条纹图案于待测物体上；

一台或多台相机获取不同颜色的所述条纹图案投影到待测物体上的图像；

根据相机获取的图像对被测物体进行三维重建，根据三维重建模型得到三维测量结果。

进一步地，还包括：

所述多光路投影装置交替投射出红、绿、蓝三种颜色的无条纹图案光源，以使所述相机获取待测物体表面的二维彩色图像。

本发明的有益效果为：

（1）光源配合偏振分光棱镜及LCOS芯片，可实现多波长、多偏振的投影图案输出，其组合可实现多种投影输出；而利用传统的投影仪方案则需要多组光源及多组LCOS芯片；采用多种波长进行投影，在获取物体表面三维点云信息的同时，也能够获得物体二维彩色信息；

（2）利用偏振分光棱镜及双色片，可将不同波长、不同偏振的投影从不同的投影出口出射，并通过对投影口的设计，实现投影面积重叠度高的多方向投影。

附图说明

图1是本发明的多光路投影装置结构图；

图2是现有投影装置中多光路投影装置投影效果图；

图3是本发明的多光路投影装置的投影效果图；

图4是本发明的三维测量方法使用的条纹图；

图5是本发明的三维测量方法中对LCOS芯片的时序控制示意图。

图中：1-LED光源；2-光源整形及准直器；3-X形合束棱镜；4-均匀光学组件；5-第一偏振分光装置；6-第一LCOS芯片；7-第二LCOS芯片；8-成像镜头；9-第二偏振分光装置；10-双色片；11-反射镜；12-第一投影出口；13-第二投影出口；14-第三投影出口；15-第四投影出口；16-第一投影仪；17-第二投影仪；A-投影重叠区域。

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、完整的描述，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。

本实施例首先提供一种多光路投影装置，如图1所示，包括：

均匀光源模块，包括：由LED光源1和光源整形及准直器2构成的光源，LED光源1发射不同颜色的光，光源整形及准直器2调整光源发出的光为准直光。光源合束装置3为X形合束棱镜，用于将不同颜色的准直光源合并为一束光源。均匀光学组件4，用于对合并后的光源进行光束匀化，得到包含多种颜色的光场分布均匀的准直光源。不同波长的LED光源1分别出射，以红绿蓝为例，三种波长的光源经过光源整形及准直器2和X形合束棱镜3后重叠为一准直光路，随后经过均匀光学组件4，实现光源的匀化。其中LED光源1的颜色和数目可以根据实际使用场景进行调整，且光源也可使用其他非LED的单色光源，光源合束装置也可以根据实际使用场景调整为其他类型的光源合束装置。

光源调制模块，包括：第一偏振分光装置5，用于将均匀光源模块发射的光源分为两束不同相位的偏振光：S偏光和P偏光；第一偏振分光装置5的对应两个侧边设置有第一LCOS芯片6和第二LCOS芯片7，分别用于反射并调制照射到其上的P偏光和S偏光。均匀光源模块发出的光再经过第一偏振分光装置5分为水平和垂直偏振光，即P偏光和S偏光，第一偏振分光装置5会反射光源中的S偏光，并且让P偏光通过，两种偏振光相位差为90度。当透射光P偏光入射到第一LCOS芯片6上时，第一LCOS芯片6能够将P偏光转换为S偏光，透射的P偏光被第一LCOS芯片6转换为S偏光并反射出去，并同时使反射的S偏光包含设定的投影图案，反射出去的S偏光再次进入第一偏振分光装置5，并反射进入成像镜头8；类似的，被第一偏振分光装置5反射的S偏光被第二LCOS芯片7转换为P偏光并反射再次被第一偏振分光装置5，最终透射进入成像镜头8；经过第一LCOS芯片6和第二LCOS芯片7调制后的光场通过成像镜头8出射后，此时出射的光场包含3色波长及两种偏振状态，并包含设定的投影图案。

投影模块，包括第二偏振分光装置9，用于将光源调制模块发射的两束偏振光分离；由双色片10构成的光路分离装置，用于将每束偏振光中不同颜色的光分离。光源调制模块出射的光场进入投影模块，首先经由第二偏振分光装置9一分为二，P偏光和S偏光分别投射到不同的方向；并均经过双色片10，通过双色片10后，短波长的光如蓝色光反射，长波长的光如绿色光和红色光透射；被分开的不同颜色的光经过一个或多个反射镜11，到达对应的投影出口，分别为第一投影出口12、第二投影出口13、第三投影出口14、第四投影出口15。投影出口成对设置，每对投影出口投射的光源颜色相同，偏振状态不同；各个投影出口的位置相互配合，以使所有投影出口投射的区域重合。如图3所示，光源经过第二偏振分光装置9，按照上述的光路结构分别经过双色片10，反射镜11后从四个投影出口投射出去，图3为平面图示意图，实际应用中为立体结构，每个投影出口的光源投射方向如图3中所示，投影出口投射的区域重合。第二偏振分光装置9为偏振分束棱镜或偏振分束平板。

本实施例中的投影出口通过设计第二偏振分光装置9，能够与第一偏振分光装置5相对应，将光源调制模块发射的两束偏振光分离，简化了光路，降低了硬件设计的复杂度。

LCOS芯片常被制作为符合实际使用需求的尺寸，例如常见的1080P LCOS芯片的分辨率为1920*1080像素，即LCOS芯片调制后的图像常为一矩形区域；利用多个投影仪的测量***仅为多个投影仪的简单叠加，互相垂直的投影仪所投射矩形并不重叠，如图2所示，第一投影仪16与第二投影仪17投射出的矩形区域重叠部分仅有投影重叠区域A；本***利用一个或多个反射镜11，使得每个投影出口距离成像镜头8的距离都相等，如图3所示，矩形图案在四个投影出口方向一致，每个投影出口都能够将其投影到同一位置，实现投影面积重叠度高的多方向投影。

本实施例的多光路投影装置中，第一偏振分光装置5为偏振分束棱镜或偏振分束平板，双色片10可以替换为双色棱镜，双色片10的工作模式也可设置为反射长波长的光，透射短波长的光。本实施例中的投影出口的对数也可以根据实际使用场景进行改变，如果只需要一种颜色的投影光，可以只保留两个投影出口；或者进一步对光线的颜色进行分离，使每个投影出口投射的光均为单色光，此时投影出口数量增加到六个。

光源调制模块和投影模块之间设置有若干反光镜，用于改变光源调制模块调制后的光源的方向，以使投影装置整个在光源装置的下方，更加符合产品开发和保护的需求。利用空间结构，光源在第一层，投影在第二层，两者利用反光镜连接，能够减小投影装置的体积，减小装置受到外界的影响。

本实施例然后提供一种三维测量***，即在上述的多光路投影装置的基础上增加一台或多台相机，用于获取所述多光路投影装置投影到待测物体上的图像，若为一台相机，则该相机位于若干对投影出口的对称中心；若为多台相机，则多台相机相对于若干对投影出口对称分布。

本实施的三维测量***还包括上位机，与上述多光路投影装置相连，用于控制LCOS芯片反射出对应的投影图案，并对LED光源1进行时序控制；上位机和相机相连，用于控制相机进行拍摄并接收相机获取的图像进行三维测量。

本实施例最后提供一种三维测量方法，基于上述的三维测量***。

如图4所示，在光学测量领域，条纹投影轮廓术是常用三维测量技术之一，其利用计算机生成条纹图案，通过光学投影***（投影仪）投射至被测物体表面，不同高度物体引起的条纹图案的相位变化不同。用相机采集被物体表面调制后发生变形的条纹图像，通过算法提取畸变条纹强度图中的相位信息，就可以对被测物体进行三维重建。其中相移轮廓术需要至少三幅相移条纹图案以实现逐像素的高精度相位测量。而为了正确重建三维形貌，需对相位进行展开。常见的相位展开法分为空间相位展开和时间相位展开两大类。其中多频时间相位展开法通常利用三种不同周期频率的条纹图来进行多频外差法，以此进行相位展开。本实施例使用的多频外差法中需要投影的条纹图像如图4中的九张图所示，其中不同行的图案具有不同空间频率，空间频率分别为16Hz，15Hz，12Hz，不同列的图案具有不同相位，相位分别为0，2π/3，4π/3。上述的图案由上位机控制LCOS芯片产生，并投影到待测物体上。

其投影过程通过上位机控制LCOS芯片实现，LED与LCOS芯片组合时序的控制方法如图5所示，图中“R”“G”“B”表示红、绿、蓝三种颜色的光源，LCOS6和LCOS7表示第一LCOS芯片6和第二LCOS芯片7，a、b、c、d分别表示第一投影出口12、第二投影出口13、第三投影出口14、第四投影出口15。蓝色LED光源首先点亮，即图5中的“B”，第一LCOS芯片6和7交替投影结构光图案1-9，第一LCOS芯片6调制的光场从第一投影出口12出射，第二LCOS芯片7调制的光场从第四投影出口15出射；紧接着，绿色LED光源点亮，即图5中的“G”，第一LCOS芯片6和第二LCOS芯片7再次交替投影结构光图案1-9，第一LCOS芯片6调制的光场从第二投影出口13出射，第二LCOS芯片7调制的光场从第三投影出口14出射。相机则与上述的投射过程配合，获取每种颜色的每个投影图案投射在待测物体上的图像，并将图像传入上位机中，上位机根据多频外差法对待测物体进行三维重建，根据三维重建后物体的形貌实现对待测物体的三维测量。最后，红色LED光源、绿色LED光源、蓝色LED光源分别点亮一次，多光路投影装置交替投射出红、绿、蓝三种颜色的无条纹图案光源，以使相机获取待测物体表面的二维彩色图像。通过红、绿、蓝三种颜色，且光源中去调制的图案，即可得到物体的二维彩色图像。现有技术中的结构光投影测量***无法拍摄物体的二维图像以及二维彩色图像，本发明通过设计不同颜色的光源，并且结合LCOS芯片的调制，能够实现物体三维彩色图像的拍摄。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多光路投影装置，其特征在于，包括：

均匀光源模块，用于发射包含多种颜色的光场分布均匀的准直光源；

光源调制模块，用于调制均匀光源模块发射的光源，使所述光源分解为两束不同相位的偏振光且包含设定的投影图案；

投影模块，接收光源调制模块调制后的光源并投射到待测物体上，包括若干对投影出口，每个投影出口用于投射单一偏振状态的光源，每对投影出口投射的光源颜色相同，偏振状态不同；各个投影出口的位置相互配合，以使所有投影出口的投影区域重合。

2.根据权利要求1所述的多光路投影装置，其特征在于，所述均匀光源模块，包括：

多个发射不同颜色光的光源，所述光源前设置有准直光学元件，以调整光源发出的光为准直光；

光源合束装置，用于将不同颜色的准直光源合并为一束光源；

均匀光学组件，用于对合并后的光源进行光束匀化，得到包含多种颜色的光场分布均匀的准直光源。

3.根据权利要求2所述的多光路投影装置，其特征在于，所述不同颜色的光为红、绿、蓝三种颜色的光；所述光源合束装置为X形合束棱镜。

4.根据权利要求1所述的多光路投影装置，其特征在于，所述光源调制模块，包括：

第一偏振分光装置，用于将均匀光源模块发射的光源分为两束不同相位的偏振光：S偏光和P偏光；所述S偏光和P偏光分别照射到对应的LCOS芯片上；

LCOS芯片，用于反射并调制照射到其上的S偏光和P偏光，使反射的光源包含设定的投影图案；所述调制还包括：将所述S偏光反射后转换为P偏光，将所述P偏光反射后转换为S偏光；

经过LCOS反射的两束偏振光沿着原光路反射逆向进入第一偏振分光装置，合并为一束光源并经过成像镜头进入所述投影模块。

5.根据权利要求1所述的多光路投影装置，其特征在于，所述投影模块，包括：

第二偏振分光装置，用于将光源调制模块发射的两束偏振光分离；

光路分离装置，用于根据光线的颜色将每束偏振光分离，使分离后的不同颜色的光源到达不同的投影出口；

反射镜，设置于光路分离装置与投影出口之间，用于改变光线的方向，并调整光源包含的投影图案的方向；

若干对投影出口，每对投影出口投射的光源颜色相同，偏振状态不同；各个投影出口的位置相互配合，再通过反射镜的调节，以使所有投影出口的投影区域重合。

6.根据权利要求5所述的多光路投影装置，其特征在于，所述光路分离装置为双色片或双色棱镜，所述双色片或双色棱镜将相对较短波长的光反射，相对较长波长的光透射，从而根据光线的颜色将每束偏振光分离。

7.根据权利要求4或5所述的多光路投影装置，其特征在于，所述第一偏振分光装置和第二偏振分光装置为偏振分束棱镜或偏振分束平板；

所述光源调制模块和投影模块之间设置有若干反光镜，用于改变光源调制模块调制后的光源的方向。

8.一种三维测量***，其特征在于，包括：

如权利要求1至7任一项所述的多光路投影装置；

一台或多台相机，用于获取所述多光路投影装置投影到待测物体上的图像；

上位机，与所述多光路投影装置相连，用于控制所述LCOS芯片反射出设定的投影图案，并对所述均匀光源模块进行时序控制；所述上位机和所述相机相连，用于控制相机进行拍摄并接收相机获取的图像进行三维测量。

9.一种三维测量方法，其特征在于，包括：

设置不同空间频率和不同相位的条纹图案；

如权利要求1至7任意所述的多光路投影装置分别投影不同颜色的所述条纹图案于待测物体上；

一台或多台相机获取不同颜色的所述条纹图案投影到待测物体上的图像；

根据相机获取的图像对被测物体进行三维重建，根据三维重建模型得到三维测量结果。

10.根据权利要求9所述的三维测量方法，其特征在于，还包括：

所述多光路投影装置交替投射出红、绿、蓝三种颜色的无条纹图案光源，以使所述相机获取待测物体表面的二维彩色图像。

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