一种投射多光点图像的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种投射多光点图像的装置及方法，包括发光器件，用于产生入射光束；光整形器件，用于整形所述入射光束，以在主光轴上形成虚点光源；衍射分光器件，用于将整形后的光束分离成多个子光束，以在与所述主光轴上的虚点光源共平面处会聚形成多个子虚点光源；和投影器件，用于将所述多个子虚点光源所构成的光学图像投射至物体表面,在物体表面形成多光点图像；所述发光器件、光整形器件、衍射分光器件和投影器件依次位于同一主光轴上。本发明所提供的装置及方法，可以在保证图像高清晰质量的同时，装置内部器件间结构更加紧凑，装置整体更加小巧，并且，可选取测量的物体范围不受影响，应用领域广阔，适用性强。
【专利说明】一种投射多光点图像的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学三维测量【技术领域】，尤其涉及一种投射多光点图像的装置及方法。
【背景技术】
[0002]光学三维测量技术就是利用光学技术和图形图像处理分析方法，运用计算机图形图像学的理论来数字化再现物体的三维形态，具体来说，就是通过向被测物体投射光学图像，以获取被测物体三维信息，并在计算机中构建被测物体三维模型的技术，其广泛应用于工业设计与制造、地形测量与勘探、影视特效等领域，测量装置的便携式设计是该技术研发重点关注方向之一，其中，产生光学图像部分装置的设计自然也就成为了研发重点关注对象。
[0003]现实中，光学图像常见的有由多光点形态构成的，产生该多光点图像的装置通常包括发光源，如激光二极管，光整形透镜，如凸、凹透镜，光栅和投影镜头，如何在保证高清晰质量图像的同时，将这些器件组合的更加紧凑，或者说组合成的装置体积更加小巧，以达到便携式设计需求，是本发明所关注的。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供一种投射多光点图像的装置及方法，其可以在保证图像高清晰质量的同时，内部器件间结构更加紧凑，装置整体更加小巧，并且，可选取测量的物体范围不受影响 ，应用领域广阔，适用性强。
[0005]本发明所提供的装置的具体技术方案如下:
一种投射多光点图像的装置，包括发光器件，用于产生入射光束；光整形器件，用于整形所述入射光束，以在主光轴上形成虚点光源；衍射分光器件，用于将整形后的光束分离成多个子光束，以在与所述主光轴上的虚点光源共平面处会聚形成多个子虚点光源；和投影器件，用于将所述多个子虚点光源所构成的光学图像投射至物体表面，在物体表面形成多光点图像；所述发光器件、光整形器件、衍射分光器件和投影器件依次位于同一主光轴上。
[0006]所述投影器件的工作距优选满足下列条件:u < f'，式中:u为发光器件出光面的中心至最近的投影器件光学表面顶点的距离，f,为投影器件的前方焦点至所述最近的投影器件光学表面顶点的距离。
[0007]在满足上述工作距条件的前提下，所述投射多光点图像的装置可以根据被测物体范围大小，选用各种投影器件，包括各种小口径型的，只要是:
当投影器件出射光角度需要大于入射光角度，以满足被测物体范围大小时，所述投影器件的焦距满足下列条件:f < 1，式中:f为所述投影器件的前方焦距，即可，优选的，所述投影器件由沿入射光方向依次设有的凸透镜和凹透镜构成。
[0008]又或者，当投影器件出射光角度需要小于入射光角度，以满足被测物体范围大小时，所述投影器件的焦距满足下列条件:f > f,，式中为所述投影器件的前方焦距，即可，优选的，所述投影器件由沿入射光方向依次设有的凹透镜和凸透镜构成。
[0009]所述发光器件可以选用产生相干光的光学器件，如激光二极管、氦氖激光器等，当所述发光器件选用为激光二极管时，所述光整形器件优选为凸透镜，当所述发光器件选用为氦氖激光器时，所述光整形器件优选为凹透镜，所述发光器件和光整形器件优选激光二级管和凸透镜的配合使用组合。
[0010]所述衍射分光器件优选紧靠投影器件，以使投影器件的入射光束经过投影器件的近轴处射入。
[0011]所述衍射分光器件可以为衍射光栅，优选为二维矩形达曼光栅。
[0012]本发明所提供的一种投射多光点图像的方法为:通过调整依次位于同一主光轴上的发光器件、光整形器件、衍射分光器件、投影器件四者之间的距离，使得投影器件将由发光器件、光整形器件和衍射分光器件共同作用产生的虚点型光源所构成的图像，投射至物体表面，在物体表面形成多光点图像。
[0013]其中，所述形成多光点图像的步骤依次包括:
(1)通过发光器件产生入射光束；
(2)通过光整形器 件对所述入射光束进行整形，以在所述主光轴上形成虚点光源；
(3)通过衍射分光器件将整形后的光束分离成多个子光束，以在与所述主光轴上的虚点光源共平面处会聚形成多个子虚点光源；
(4)通过投影器件将所述多个子虚点光源所构成的图像投射至物体表面，在物体表面形成多光点图像。
[0014]所述第(4)步骤中，还包括将所述投影器件的工作距调整至满足下列条件:u<f；的步骤，式中:u为发光器件出光面的中心至最近的投影器件光学表面顶点的距离，为投影器件的前方焦点至所述最近的投影器件光学表面顶点的距离。
[0015]所述投影器件的前方焦点所处平面优选与所述多个子虚点光源所处平面重合。
[0016]本发明的有益效果为:
1、可以在保证投影图像高清晰质量的同时，装置内器件结构更加紧凑，有利于整个装置的便携式设计；
2、可以根据被测物体范围的大小，选择各种适用的小口径型投影器件，实现整个装置体积的小型化；
3、可以通过选择各种适用的投影器件，测量各种范围体积大小的物体，应用领域广阔，适用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明装置一优选实施例的光路结构原理图；
图2为图1装置用于角度放大时,一实施例的角度放大原理图；
图3为图1装置用于角度缩小时，一实施例的角度缩小原理图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0019]如图1所示，本发明所提供的一种投射多光点图像的装置，包括激光二极管1、凸透镜2、达曼光栅3和投影镜头4，所述激光二极管1、凸透镜2、达曼光栅3和投影镜头4依次位于同一主光轴上，所述达曼光栅3为二维矩形达曼光栅(该光栅形态为公知技术，在此省略其图示)。所述激光二极管I位于凸透镜2的一倍焦距以内。所述投影镜头4紧靠所述达曼光栅3，且其前方焦点所处平面，又称前焦平面4a，位于所述激光二极管I的前侧。
[0020]所述激光二极管I发出的光束，经凸透镜2整形其光传播方向后，再通过达曼光栅3分束成多个子光束，所述多个子光束反向会聚形成多个虚点光源301，所述多个虚点光源301位于同一平面上，构成二维虚点阵列图像(图中未示出)，所述投影镜头4将视为由所述多个虚点光源301所发出的光束投射到物体(图中未示出)表面，以在物体表面形成多光点图像。所述多个虚点光源301所发出的光束是通过达曼光栅3同一近轴区域射入所述投影镜头4的。
[0021]为了在物体表面得到高清晰质量的多光点图像，可以通过调整投影镜头4的焦距，使得所述前焦平面4a与所述虚点光源301所处平面重合。
[0022]同时，将所述投影镜头4紧靠所述达曼光栅3，可使得入射所述投影镜头4的光束由投影镜头4近轴处射入，从而减少各种像差，亦有助于在物体表面得到高清晰质量的多光点图像。
[0023]上述装置可以根据投射物体范围大小，选用各种投影镜头4，且由于所述多个虚点光源301所发出的光束是通过达曼光栅3同一近轴区域射入所述投影镜头4，故选用的投影镜头4可以为小口径型的，具体示例如下:
当需投射的物体范围较大，即投影镜头4出射光角度需要大于入射光角度，才能满足被投射物体范围大小时，结合图2所示，所述投影镜头4采用远距型镜头，由前后依次设有的凸透镜41和凹透镜42构成，其前焦平面4a与所述多个虚点光源301所处平面重合，且其前方焦点所对应的前主平面4a’位于达曼光栅3的前侧，使得由所述虚点光源301所发出的、射向达曼光栅3的光束角度Θ小于其射向所述前主平面4a’的角度Φ，最终，投影镜头4出射光以角度Φ射出，实现角度放大的效果。所述角度Θ亦为投影镜头4入射光角度。
[0024]又当需投射的物体范围较小，即投影镜头4出射光角度需要小于入射光角度，才能满足被投射物体范围大小时，结合图3所示，所述投影镜头4采用反远距型镜头，由前后依次设有的凹透镜42和凸透镜41构成，其前焦平面4a与所述多个虚点光源301所处平面重合，且其前方焦点所对应的前主平面4a’位于投影镜头4的后侧，使得由所述虚点光源301所发出的、射向达曼光栅3的光束角度Θ大于其射向所述前主平面4a’的角度Φ,最终，投影镜头4出射光以角度Φ射出，实现角度缩小的效果。
[0025]由此可见，基于本发明方法所设计的装置可以通过选用合适的投影镜头，测量各种范围大小的物体，应用领域广阔，适用性强，而且，可以不限于只在物体的三维测量【技术领域】使用。
[0026]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动、变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种投射多光点图像的装置，其特征在于，包括: 发光器件，用于产生入射光束； 光整形器件，用于整形所述入射光束，以在主光轴上形成虚点光源； 衍射分光器件，用于将整形后的光束分离成多个子光束，以在与所述主光轴上的虚点光源共平面处会聚形成多个子虚点光源； 和投影器件，用于将所述多个子虚点光源所构成的光学图像投射至物体表面，在物体表面形成多光点图像； 所述发光器件、光整形器件、衍射分光器件和投影器件依次位于同一主光轴上。
2.如权利要求1所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述投影器件的工作距满足下列条件:u<f'，式中:u为发光器件出光面的中心至最近的投影器件光学表面顶点的距离，f'为投影器件的前方焦点至所述最近的投影器件光学表面顶点的距离。
3.如权利要求2所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述投影器件的焦距满足下列条件f'，式中:f为所述投影器件的前方焦距。
4.如权利要求3所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述投影器件由沿入射光方向依次设有的凸透镜和凹透镜构成。
5.如权利要求2所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述投影器件的焦距满足下列条件:f > f'，式中:f为所述投影器件的前方焦距。
6.如权利要求5所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述投影器件由沿入射光方向依次设有的凹透镜和凸透镜构成。
7.如权利要求1~8任一项所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述发光器件为激光二极管，所述光整形器件为凸透镜。
8.如权利要求1所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述衍射分光器件紧靠投影器件，以使投影器件的入射光束经过投影器件的近轴处射入。
9.如权利要求1~8任一项所述投射多光点图像的装置，其特征在于，所述衍射分光器件为二维矩形达曼光栅。
10.一种投射多光点图像的方法，其特征在于，通过调整依次位于同一主光轴上的发光器件、光整形器件、衍射分光器件、投影器件四者之间的距离，使得投影器件将由发光器件、光整形器件和衍射分光器件共同作用产生的虚点型光源所构成的图像，投射至物体表面，在物体表面形成多光点图像。
11.如权利要求10所述投射多光点图像的方法，其特征在于，所述形成多光点图像的步骤依次包括: (1)通过发光器件产生入射光束； (2)通过光整形器件对所述入射光束进行整形，以在所述主光轴上形成虚点光源； (3)通过衍射分光器件将整形后的光束分离成多个子光束，以在与所述主光轴上的虚点光源共平面处会聚形成多个子虚点光源； (4)通过投影器件将所述多个子虚点光源所构成的图像投射至物体表面，在物体表面形成多光点图像。
12.如权利要求11所述投射多光点图像的方法，其特征在于，所述第(4)步骤中，包括将所述投影器件的工作距调整至满足下列条件:u < f'的步骤，式中:u为发光器件出光面的中心至最近的投影器件光学表面顶点的距离，f,为投影器件的前方焦点至所述最近的投影器件光学表面顶点的距离。
13.如权利要求12所述投射多光点图像的方法，其特征在于，所述投影器件的前方焦点所处平面与所述多个子虚点光源所处平面重合。
【文档编号】G02B27/18GK103955064SQ201410153833
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】刘辉, 费璟昊, 曹斌 申请人:长沙中科院文化创意与科技产业研究院