[发明专利]横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法

说明书

本发明公开了一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法，产生用于三维成像与测量的交错的环形高密度点阵化结构光，该测量模组由激光器及扩束器的集成元件、准直透镜、由四块不同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成的分束装置、物镜依次封装构成。激光器发出的激光，该激光束经准直透镜准直后，由四块达曼光栅分光后，通过四块二维达曼光栅来产生四个非交错点阵进行横向旋转组合，进而由物镜投射出三维测量与成像所需的交错的投射点阵。该测量模组具有结构简单易实现，输出点阵密度高，投射点阵边缘交错，以及便于集成到移动设备的优点。这种技术有可以降低移动式和固定式3D传感器中结构光投影仪的复杂性，光学元件数量，功耗和成本。

技术领域

本发明涉及三维成像与测量技术领域，具体涉及一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法。

背景技术

空间中物体的三维形貌都是由其上的空间点组成，因此任何对物体的成像与测量都是对物体表面空间点位置的测量。三维成像与测量技术就是通过各种方式来获取物体表面各点空间坐标的技术。

紧凑型光学投影仪可以将一种编码或结构光的图案投射到一个目标物上，以达到三维成像的目的，这类光学投影仪的一个核心技术问题是如何产生用于投射到目标物上的二维交错平铺图案，这种图案非常有利于三维成像或者测量。

在先技术1)周常河等在1995年发表的文章“Numerical study of Dammann arrayilluminators”(Appl Opt.Vol.34.26,5961-5969)给出了达曼光栅1到64阵列分束的详数细值解，包含变换点，效率，特征尺寸等。

在先技术2)周常河等在2009年发表的文章Three-dimensional profilometryusing a Dammann grating(Appl.Opt.48,3709-3715)提出了基于傅立叶变换的三维(3D)轮廓测量法，其中二维(2D)Dammann光栅和柱面透镜用于产生结构光。Dammann光栅将大部分照明功率分成2D衍射点阵。柱面透镜将这些2D衍射斑点变换为投射在物体上的一维条纹线。所产生的投影条纹具有高亮度和高对比度和压缩比的优点。

在先技术3)周常河等在2012年申请的专利“组合达曼光栅”(CN201210004449)提出一种将N个满足光栅周期匹配条件的达曼光栅组合在一起以解决单个达曼光栅分束数量少、分束角有限的问题。

在先技术4)苹果公司的专利(US2014/0211215A1)提出了用于三维成像的投射点阵结构光的投影仪，利用相关算法(例如Gerchberg-Saxton)设计衍射光学元件，将扇出非交错的平铺图案调整为扇出交错的平铺点阵。其优点在于，交错的点阵有效的提高了三维深度测量的范围。然而其不足之处在于未能说明产生交错平铺点阵的机理，而且Gerchberg-Saxton算法使用复杂，成本较高。

在先技术5)已提交的专利“横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及其工作方法”申请号：201811285843.3提出了提出的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组产生应用于三维成像与测量的奇偶交错类型的结构光点阵，通过将横向放置两块二维达曼光栅产生的两个非交错点阵进行组合，进而产生边缘交错的平铺点阵。

在先技术1)给出了达曼光栅1到64阵列分束的详数细值解；在先技术2)提出了基于傅立叶变换的三维(3D)轮廓测量法；在先技术3)提出一种将N个达曼光栅纵向(即，光栅栅面中心连线与光轴平行)组合在一起的结构，此技术提出了纵向达曼光栅组合结构，以解决单个达曼光栅分束数量少、分束角有限的问题，但未提出运用于三维测量的横向(即，光栅栅面中心连线与光轴垂直)奇偶组合达曼光栅的结构；在先技术4)提出了基于衍射光学元件的用于三维成像的投射点阵结构光的投影仪，但Gerchberg-Saxton算法设计光学元件相对复杂，成本较高。以上技术均未提出将横向达曼光栅旋转一定的角度从而实现高密度的非相关性的投射点阵的方法。

发明内容