收集对象的三维信息的光学设备和方法与流程

本公开涉及一种收集对象的三维信息的光学设备和方法。

背景技术：

出于诸如再现的目的，对象的三维(3d)数据收集可能依赖于速度、精度和可便携性。3d数据收集技术可以应用在数字成像、计算机动画、地形学、重建整形外科、牙科、内科、快速成型等领域中。

光学设备可以用于以数字形式收集对象的形状、轮廓、位置或其他信息。例如，使用三角测量的光学设备可以包括用于接收从对象反射的光的两个摄像装置，然后确定光从对象反射的点的三维空间位置。

wo2012066741a1中公开了多频带摄像装置的示例，其需要大量的像素(每个像素(或者多个像素)用于收集某一波段的光通量)以收集足够的图像数据。然而，尺寸相对较大的传感器(其提供充足的像素)可能不可避免地增大摄像装置的物理尺寸或者不利地影响其小型化。

附图说明

当结合附图阅读以下详细描述时，会更好地理解本公开内容的各个方面。注意，根据行业标准实践，各种特征未按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚性，各种特征的尺寸可能被任意增大或缩小。

图1图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。

图2图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。

图3图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。

图4图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。

图5a图示根据本公开内容的一些实施例的对象的图像。

图5b图示根据本公开内容的一些实施例的对象的图像。

图5c图示根据本公开内容的一些实施例的对象的图像。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实现所提供的主题的不同特征的许多不同实施例或示例。以下描述了部件和布置的特定示例以简化本公开内容。当然，这些仅仅是示例，并非旨在是限制性的。例如，在接下来的描述中第一特征形成在第二特征上方/之上可以包括第一特征和第二特征直接接触形成的实施例，并且还可以包括可以在第一特征和第二特征之间形成另外的特征以使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。此外，本公开内容可能在各种示例中重复参考数字和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的，并且其自身不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

此外，为了易于描述，在本文中可能使用诸如“在…下面”、“在…之下”、“下方”、“在…之上”、“上方”等的空间相对术语来描述如附图中所示的一个元素或特征相对于(一个或更多个)另外的元素或特征的关系。空间相对术语旨在除了附图中所示的取向以外还包括在使用或操作中的不同装置取向。设备可以另外取向(旋转90度或其他取向)，并且本文中使用的空间相对描述同样可以相应地解释。

参照附图，在多个视图中，相同的附图标记指示相同的部件。图1图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。

参照图1，收集对象3的三维信息的光学设备1a可以包括遮光板12、透镜11、131和132、滤光器141和142以及光学检测器15。光学设备1a可以是例如但不限于摄像装置的透镜单元。

遮光板12是不透明的。遮光板12由吸收入射光的材料形成。遮光板12具有孔121。遮光板12具有孔122。孔121通过遮光板12与孔122分开。孔121的位置与孔122的位置不同。

透镜11布置在对象3和遮光板12之间。透镜11被配置成缩短孔121和光学检测器15之间的距离。透镜11被配置成缩短从孔121到光学检测器15的焦距。透镜11被配置成缩短孔122和光学检测器15之间的距离。透镜11被配置成缩短从孔122到光学检测器15的焦距。可以预期，根据本公开内容的一些其他实施例，可以去除透镜11。可以预期，如果消除透镜11，则从孔122到光学检测器15的焦距会增大。

光学模块(图1中未示出)包括透镜131和滤光器141。透镜131布置在孔121中。滤光器141布置在孔121中。透镜131布置在滤光器141和对象3之间。遮光板12的孔121中的光学模块将根据从对象反射的光束l1的光束l1’直接提供给光学检测器15。遮光板12的孔121中的光学模块将根据从对象反射的光束l2的光束l2’直接提供给光学检测器15。

滤光器141是带通滤光器。滤光器141传输430nm到470nm波长区域的光。滤光器141传输470nm到510nm波长区域的光。滤光器141传输510nm到550nm波长区域的光。滤光器141传输550nm到590nm波长区域的光。滤光器141传输590nm到630nm波长区域的光。滤光器141传输630nm到670nm波长区域的光。滤光器141传输670nm到710nm波长区域的光。滤光器141传输710nm到750nm波长区域的光。可以预期，滤光器141可以传输除了上述波长区域以外的另外的波长区域的光。

光束l1被对象3反射或从对象3反射。光束l1可以通过透镜11并且到达透镜131。光束l1可以通过透镜11被引导到透镜131。入射在透镜131上的光束l1可以通过透镜131被引导到滤光器141。接收光束l1的滤光器141可以提供或者输出例如从大约540纳米(nm)到大约560nm的波长范围或光谱的光束l1’。光束l1’可以包括例如但不限于绿光。包括透镜131和滤光器141的光学模块(图1中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l1的波长范围的光束l1’。光束l1’可以被传输到光学检测器15。

光束l2被对象3反射或从对象3反射。光束l2可以通过透镜11并且到达透镜131。光束l2可以通过透镜11被引导到透镜131。入射在透镜131上的光束l2可以通过透镜131被引导到滤光器141。接收光束l2的滤光器141可以提供或者输出例如从大约540纳米(nm)到大约560nm的波长范围或光谱的光束l2’。光束l2’可以包括例如但不限于绿光。包括透镜131和滤光器141的光学模块(图1中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l2的波长范围的光束l2’。光束l2’可以被传输到光学检测器15。光束l1和光束l2可以被对象3的同一点反射。光束l1和光束l2可以分别被对象3的不同点反射。

光学模块(图1中未示出)包括透镜132和滤光器142。透镜132布置在孔122中。滤光器142布置在孔122中。透镜132布置在滤光器142和对象3之间。遮光板12的孔122中的光学模块将根据从对象反射的光束l3的光束l3’直接提供给光学检测器15。遮光板12的孔122中的光学模块将根据从对象反射的光束l4的光束l4’直接提供给光学检测器15。

滤光器142是带通滤光器。滤光器142传输430nm到470nm波长区域的光。滤光器142传输470nm到510nm波长区域的光。滤光器142传输510nm到550nm波长区域的光。滤光器142传输550nm到590nm波长区域的光。滤光器142传输590nm到630nm波长区域的光。滤光器142传输630nm到670nm波长区域的光。滤光器142传输670nm到710nm波长区域的光。滤光器142传输710nm到750nm波长区域的光。可以预期，滤光器142可以传输除了上述波长区域以外的另外的波长区域的光。滤光器142传输与滤光器141不同的波长区域的光。

光束l3被对象3反射或从对象3反射。光束l3可以通过透镜11并且到达透镜132。光束l3可以通过透镜11被引导到透镜132。入射在透镜132上的光束l3可以通过透镜132被引导到滤光器142。接收光束l3的滤光器142可以提供或者输出例如从大约610nm到大约630nm的波长范围或光谱的光束l3’。光束l3’可以包括例如但不限于红光。包括透镜132和滤光器142的光学模块(图1中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l3的波长范围的光束l3’。光束l3’可以被传输到光学检测器15。光束l3’具有与光束l1’的波长不同的波长。光束l3’具有与光束l2’的波长不同的波长。光束l3’具有在与光束l1’的波长范围或光谱不同的波长范围或光谱中的波长。光束l3’具有在与光束l2’的波长范围或光谱不同的波长范围或光谱中的波长。光束l3’和光束l1’是完全互补的。光束l3’和光束l1’是部分互补的。光束l3’和光束l2’是完全互补的。光束l3’和光束l2’是部分互补的。光束l1和光束l3可以被对象3的同一点反射。光束l1和光束l3可以分别被对象3的不同点反射。光束l2和光束l3可以被对象3的同一点反射。光束l2和光束l3可以分别被对象3的不同点反射。

光束l4被对象3反射或从对象3反射。光束l4可以通过透镜11并且到达透镜132。光束l4可以通过透镜11被引导到透镜132。入射在透镜132上的光束l4可以通过透镜132被引导到滤光器142。接收光束l4的滤光器142可以提供或者输出例如从大约610nm到大约630nm的波长范围或光谱的光束l4’。光束l4’可以包括例如但不限于红光。包括透镜132和滤光器142的光学模块(图1中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l4的波长范围的光束l4’。光束l4’可以被传输到光学检测器15。光束l3和光束l4可以被对象3的同一点反射。光束l3和光束l4可以分别被对象3的不同点反射。光束l1和光束l4可以被对象3的同一点反射。光束l1和光束l4可以分别被对象3的不同点反射。光束l2和光束l4可以被对象3的同一点反射。光束l2和光束l4可以分别被对象3的不同点反射。光束l4’具有与光束l1’的波长不同的波长。光束l4’具有与光束l2’的波长不同的波长。光束l4’具有在与光束l1’的波长范围或光谱不同的波长范围或光谱中的波长。光束l4’具有在与光束l2’的波长范围或光谱不同的波长范围或光谱中的波长。光束l4’和光束l1’是完全互补的。光束l4’和光束l1’是部分互补的。光束l4’和光束l2’是完全互补的。光束l4’和光束l2’是部分互补的。

光学检测器15可以包含一个或更多个光电转换元件，例如，二维电荷耦合器件(ccd)图像传感器或二维cmos图像传感器。光学检测器15可以是能够感测或检测宽光谱(例如但不限于从430nm到750nm)的光的彩色图像传感器。光学检测器15检测光束l1’、l2’、l3’和l4’。

收集对象3的三维信息的方法可以包括：由光学检测器15接收根据从对象3反射的光束l1或l2的、通过遮光板12的孔121的光束l1’或l2’；以及由光学检测器15接收根据从对象3反射的光束l3或l4的、通过遮光板12的孔122的光束l3’或l4’。该方法还可以包括接收根据从对象3反射的光的、通过遮光板12的另外的孔的不同波长范围的另外的光束，其中，另外的孔通过遮光板12与孔121和孔122分开。

图2图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。参照图2，收集对象3的三维信息的光学设备1b与如参照图1所描述和说明的光学设备1a相似，除了透镜131的位置和滤光器141的位置互换以及透镜132的位置和滤光器142的位置互换以外。

滤光器141布置在透镜131和对象3之间。光束l1可以通过透镜11并且到达滤光器141。遮光板12的孔121中的光学模块将根据从对象反射的光束l1的光束l1’直接提供给光学检测器15。遮光板12的孔121中的光学模块将根据从对象反射的光束l2的光束l2’直接提供给光学检测器15。光束l1可以通过透镜11被引导到滤光器141。接收光束l1的滤光器141可以提供或者输出例如从大约540纳米(nm)到大约560nm的波长范围或光谱的光束l1’。光束l1’可以包括例如但不限于绿光。包括透镜131和滤光器141的光学模块(图2中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l1的波长范围的光束l1’。光束l1’可以通过透镜131被传输或引导到光学检测器15。

光束l2被对象3反射或从对象3反射。光束l2可以通过透镜11并且到达滤光器141。光束l2可以通过透镜11被引导到滤光器141。接收光束l2的滤光器141可以提供或者输出例如从大约540纳米(nm)到大约560nm的波长范围或光谱的光束l2’。光束l2’可以包括例如但不限于绿光。包括透镜131和滤光器141的光学模块(图2中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l2的波长范围的光束l2’。光束l2’可以通过透镜131被传输或引导到光学检测器15。

滤光器142布置在透镜132和对象3之间。遮光板12的孔122中的光学模块将根据从对象反射的光束l3的光束l3’直接提供给光学检测器15。遮光板12的孔122中的光学模块将根据从对象反射的光束l4的光束l4’直接提供给光学检测器15。

光束l3可以通过透镜11并且到达滤光器142。光束l3可以通过透镜11被引导到滤光器142。接收光束l3的滤光器142可以提供或者输出例如从大约610nm到大约630nm的波长范围或光谱的光束l3’。光束l3’可以包括例如但不限于红光。包括透镜132和滤光器142的光学模块(图2中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l3的波长范围的光束l3’。光束l3’可以通过透镜131被传输或引导到光学检测器15。

光束l4可以通过透镜11并且到达滤光器142。光束l4可以通过透镜11被引导到滤光器142。接收光束l4的滤光器142可以提供或者输出例如从大约610nm到大约630nm的波长范围或光谱的光束l4’。光束l4’可以包括例如但不限于红光。包括透镜132和滤光器142的光学模块(图2中未示出)提供或输出根据从对象3反射的光l4的波长范围的光束l4’。光束l4’可以通过透镜132被传输或引导到光学检测器15。

图3图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。参照图3，收集对象3的三维信息的光学设备1c与如参照图1所描述和说明的光学设备1a或者如参照图2所描述和说明的光学设备1b相似，除了透镜131和滤光器141被光学模块133代替以及透镜132和滤光器142被光学模块134代替以外。

光学模块133可以包括与透镜131相似的透镜。光学模块133可以包括透镜上的光学膜。形成在光学模块133的透镜表面上的光学膜可以是可用作滤光器141的带通滤光膜。

光学模块134可以包括与透镜132相似的透镜。光学模块134可以包括透镜上的光学膜。形成在光学模块134的透镜表面上的光学膜可以是可用作滤光器142的带通滤光膜。确定从遮光板12到光学检测器15的距离f。

图4图示根据本公开内容的一些实施例的、收集对象的三维信息的光学设备。参照图4，收集对象3的三维信息的光学设备1d与如参照图3所描述和说明的光学设备1c相似，除了光学设备1d还包括反射镜16以外。

遮光板12的孔121中的光学模块133将根据从对象反射的光束l1的光束l1’提供给反射镜16。光束l1可以通过透镜11被引导到光学模块133。接收光束l1的光学模块133可以提供或者输出例如从大约540纳米(nm)到大约560nm的波长范围或光谱的光束l1’。光束l1’可以包括例如但不限于绿光。光学模块133提供或输出根据从对象3反射的光l1的波长范围的光束l1’。光束l1’可以通过光学模块133被传输或引导到反射镜16。反射镜16将光束l1’引导到光学检测器15。入射在反射镜16上的光束l1’可以通过反射镜16被引导或重新定向(redirect)到光学检测器15。

遮光板12的孔121中的光学模块133将根据从对象反射的光束l2的光束l2’提供给反射镜16。光束l2可以通过透镜11被引导到光学模块133。接收光束l2的光学模块133可以提供或者输出例如从大约540纳米(nm)到大约560nm的波长范围或光谱的光束l2’。光束l2’可以包括例如但不限于绿光。光学模块133提供或输出根据从对象3反射的光l2的波长范围的光束l2’。光束l2’可以通过光学模块133被传输或引导到反射镜16。反射镜16将光束l2’引导到光学检测器15。入射在反射镜16上的光束l2’可以通过反射镜16被引导或重新定向到光学检测器15。

遮光板12的孔122中的光学模块134将根据从对象反射的光束l3的光束l3’提供给反射镜16。光束l3可以通过透镜11被引导到光学模块134。接收光束l3的光学模块134可以提供或者输出例如从大约610nm到大约630nm的波长范围或光谱的光束l3’。光束l3’可以包括例如但不限于红光。光学模块134提供或输出根据从对象3反射的光l3的波长范围的光束l3’。光束l3’可以通过光学模块134被传输或引导到反射镜16。反射镜16将光束l3’引导到光学检测器15。入射在反射镜16上的光束l3’可以通过反射镜16被引导或重新定向到光学检测器15。

遮光板12的孔122中的光学模块134将根据从对象反射的光束l4的光束l4’直接提供给反射镜16。光束l4可以通过透镜11被引导到光学模块134。接收光束l4的光学模块134可以提供或者输出例如从大约610nm到大约630nm的波长范围或光谱的光束l4’。光束l4’可以包括例如但不限于红光。光学模块134提供或输出根据从对象3反射的光l4的波长范围的光束l4’。光束l4’可以通过光学模块134被传输或引导到反射镜16。反射镜16将光束l4’引导到光学检测器15。入射在反射镜16上的光束l4’可以通过反射镜16被引导或重新定向到光学检测器15。

遮光板12、光学检测器15和反射镜16可以如图4所示的那样布置。确定从遮光板12到光束l1’入射到反射镜16上的点p1的距离f1。确定从遮光板12到光束l2’入射到反射镜16上的点p1的距离f1。确定从光束l1’入射到反射镜16上的点p1到光学检测器15的距离f2。确定从光束l2’入射到反射镜16上的点p1到光学检测器15的距离f2。确定从遮光板12到光束l3’入射到反射镜16上的点p2的距离f3。确定从遮光板12到光束l4’入射到反射镜16上的点p2的距离f3。确定从光束l3’入射到反射镜16上的点p2到光学检测器15的距离f4。确定从光束l4’入射到反射镜16上的点p2到光学检测器15的距离f4。距离f1与距离f2的和基本上与如图3所示的距离f相同。距离f3与距离f4的和基本上与如图3所示的距离f相同。

可以预期，如参照图1、2、3和4中的每个图所描述和说明的对象3、遮光板12、孔121和122、透镜11、131和132、滤光器141和142、光学检测器15和反射镜16的几何关系可以变化。

可以预期，光学设备1a、1b、1c和1d还可以包括电子装置(图1、2、3和4中未示出)。光学设备1a、1b、1c和1d的电子装置可以包括存储器、处理器、控制器等。例如，由光学检测器15接收到的光学信息(例如，光束l1’、l2’、l3’和l4’)可以存储在电子装置(例如，存储器)中。例如，控制器可以控制检测器15(例如，移动或旋转检测器15以调节光学设备1a、1b、1c和1d中的每个的视场)。

尽管未示出，除了孔121和122以外，遮光板12可以包括一个或更多个孔。遮光板12可以包括在通过遮光板12与孔121和122分开的(一个或更多个)孔中的、与如上所述的光学模块相似的(一个或更多个)另外的光学模块(未示出)。遮光板12可以包括(一个或更多个)另外的光学模块，另外的光学模块可以提供与光学模块133或134提供的波长范围或光谱不同的波长范围或光谱的光束。

可以预期，如参照图1、2、3和4中任一图所描述和说明的光学模块可以与另外的模块互换，以提供不同的波长范围或光谱的光束。

可以预期，光学设备1a、1b、1c和1d还可以包括照明源(图1、2、3和4中未示出)。照明源可以被布置成相对接近对象3。照明源可以发出光图案(pattern)，例如但不限于随机分布光点、星形、三角形等。照明源可以发出波长范围或光谱与光束l1’的波长范围或光谱以及光束l3’的波长范围或光谱两者均交迭的光束。照明源可以发出波长范围或光谱与光束l1’的波长范围或光谱以及光束l4’的波长范围或光谱两者均交迭的光束。照明源可以发出波长范围或光谱与光束l2’的波长范围或光谱以及光束l3’的波长范围或光谱两者均交迭的光束。照明源可以发出波长范围或光谱与光束l2’的波长范围或光谱以及光束l4’的波长范围或光谱两者均交迭的光束。

图5a图示根据本公开内容的一些实施例的对象3的图像30。光束l1’、l2’、l3’和l4’的光学信息可以由光学检测器15从单次照射(singleshot)收集或接收并且被存储到电子装置(例如，存储器)。部件(例如，对象3、遮光板12、孔121和122、透镜11、131和132、滤光器141和142以及光学检测器15等中的一个或多个)的几何信息(例如，位置)可以被存储在存储器中。电连接到如上所述的光学设备的电子装置(例如，处理器)或外部计算装置可以根据光学信息和几何信息确定图像30。根据光学检测器15接收到的光学信息，图像30可以被分解为图像31和32。图像31和32之间的差异可以用于通过例如但不限于三角测量技术来确定对象3的三维数据。

图5b图示根据本公开内容的一些实施例的对象的图像。参照图5b，对象3的图像31可以包括与光束l1’和l2’相关联的信息。对象3的图像31可以包括与对象3、遮光板12、孔121和122、透镜11、131和132、滤光器141和142以及光学检测器15中的一个或多个的位置相关联的信息。对象3的图像31可以包括与光束l1’和l2’相关联的光学信息。从对象3反射的、通过孔121的光可以包括例如但不限于光束l1和l2，其被滤波并且传输到光学检测器15以形成图像31。

图5c图示根据本公开内容的一些实施例的对象的图像。参照图5c，对象3的图像32可以包括与光束l3’和l4’相关联的信息。对象3的图像32可以包括与对象3、遮光板12、孔121和122、透镜11、131和132、滤光器141和142以及光学检测器15中的一个或多个的位置相关联的信息。对象3的图像32可以包括与光束l3’和l4’相关联的光学信息。从对象3反射的、通过孔122的光可以包括例如但不限于光束l3和l4，其被滤波并且传输到光学检测器15以形成图像32。

根据本公开内容的一些实施例，收集对象的三维信息的光学设备包括光学检测器、遮光板、第一光学模块以及第二光学模块。遮光板具有第一孔和通过遮光板与第一孔分开的第二孔。第一孔中的第一光学模块提供根据从对象反射的光的第一波长范围的第一光束。第二孔中的第二光学模块提供根据从对象反射的光的第二波长范围的第二光束。

根据本公开内容的一些实施例，收集对象的三维信息的方法包括：接收根据从对象反射的光的、通过遮光板的第一孔的第一波长范围的第一光束；以及接收根据从对象反射的光的、通过遮光板的第二孔的第二波长范围的第二光束，其中，第二孔通过遮光板与第一孔分开。

根据本公开内容的一些实施例，收集对象的三维信息的光学设备包括光学检测器和遮光板。光学检测器检测第一波长范围的第一光束和与第一波长范围不同的第二波长范围的第二光束。遮光板包括第一光学模块和第二光学模块。第一光学模块将根据从对象反射的光的第一光束直接提供给光学检测器。第二光学模块将根据从对象反射的光的第二光束直接提供给光学检测器。

前文概述了若干实施例的特征，以使得本领域的技术人员可以更好地理解本公开内容的各个方面。本领域的技术人员应当认识到，他们可以容易地将本公开内容用作基础来设计或修改其他处理和结构，以实现本文中介绍的实施例的相同目的以及/或者实现本文中介绍的实施例的相同优点。本领域的技术人员还应当认识到，这样的等效构造不背离本公开内容的精神和范围，并且在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，他们可以在本文中做出各种改变、替换和变更。