横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法与流程

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“numericalstudyofdammannarrayilluminators”(applopt.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-dimensionalprofilometryusingadammanngrating"(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。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有的三维投影与测量设备因所投结构光的点阵密度低而导致测量深度分辨率低的影响，提供一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组，该三维测量模组包括激光器及扩束器的集成元件1、准直透镜2、分束装置3、物镜4，其中，所述的激光器及扩束器的集成元件1、准直透镜2、分束装置3、物镜4位于同一光轴上并依次封装；

其中，所述的激光器用于发出激光，作为其后器件的光源，并且其体积较小，便于集成。

所述的扩束器用于将激光器发出的激光扩束；

所述的准直透镜2用于准直经扩束器扩束的激光；

所述的分束装置3由n块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成，其中，n≥4，用于将已准直的激光进行分束并旋转一定角度，分别投影出n个相互成一定角度的非交错的点阵化结构光，并且n块横向旋转组合达曼光栅的栅面中心连线与激光光轴垂直；

所述的物镜4用于将分束后投影出的n个非交错的点阵化结构光组合成一个边缘交错的更高密度的环形点阵化结构光，进而投射到输出平面5上。

进一步地，所述的分束装置3由4块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成，分别为第一达曼光栅301、第二达曼光栅302、第三达曼光栅303、第四达曼光栅304，4块达曼光栅分别上、下、左、右对称设置，4块达曼光栅的分束比均为64×64；并且，4块达曼光栅的栅面中心连线与激光光轴垂直。

进一步地，所述的激光器是各种各样的气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器中的一种。

进一步地，所述的准直透镜2是微镜阵列以及其他准直光路的装置。

进一步地，所述的激光器是垂直腔面发射激光器发射阵列。

进一步地，所述的激光器中发出光束的波长是红外、可见光、紫外中的任一波段。

进一步地，在达曼光栅所在的平面内可以放置四块及以上的与本发明技术方案中的放置方式相同的互成一定角度的旋转达曼光栅，以在输出面上形成密度更大的，相关度更低的投射点阵。

进一步地，可以通过添加适当的棱镜或者其他已知的高反射光学器件折转光路，压缩整个器件的纵向长度，实现器件的小型化。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组的工作方法，所述的工作方法步骤如下：

s1、激光器发出激光；

s2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

s3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

s4、由n块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成的分束装置3将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出n个互成一定角度的非交错的点阵化结构光，其中，n≥4；

s5、物镜4将旋转分束后投影出的n个互成一定角度的非交错的点阵化结构光组合成一个边缘交错的更高密度的环形点阵化结构光，投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

根据公开的实施例，本发明的第三方面公开了一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组的工作方法，所述的工作方法步骤如下：

s1、激光器发出激光；

s2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

s3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

s4、由n块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成的分束装置3将已准直的激光进行旋转分束，分别投影出四个非交错的点阵化结构光，其中，n≥4；

s5、物镜4将旋转分束后投影出的n个非交错点阵化结构光组合成一个边缘交错的更高密度的更高密度点阵化结构光，投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的点阵化的结构光。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明提出的横向旋转(每一块达曼光栅的输出点阵的纵向和横向与相邻达曼光栅的输出点阵的纵向和横向之间存在一定角度)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旋转交错类型的高密度结构光点阵，通过将横向放置四块二维达曼光栅产生的四个非交错点阵进行旋转组合，进而产生旋转交错的平铺点阵。不同于苹果公司所提出的利用相关算法(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平铺点阵，并且由于其采用横向设计可以节省整个组件空间，实现小型化紧凑性设计。

2)、本发明提出的横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组通过旋转组合达曼光栅实现二维交错点阵结构，此发明整体结构简单，设计成本也因而降低，达曼光栅工艺成熟，故易于大规模批量化生产，并且其横向组合结构有利于器件的小型化，集成化，因而也就方便的集成于各种互联设备，例如手机，平板，可穿戴设备等，应用此技术于拥有三维面部识别的移动终端，使用方便。

附图说明

图1是本发明中采用四块相同分束比达曼光栅构成的横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组的基本原理图；

图2是本发明中横向旋转组合达曼光栅正视图；

图3是基于本发明产生的用于三维成像与测量的点阵化的结构光示意图，它是由四块横向放置的互成一定角度的达曼光栅分别所形成的四个点阵组合而成，图中圆圈，五角星，三角星，方形，分别表示四块达曼光栅的投射点阵，事实上四块达曼光栅投射点的形状相同；

图4是基于本发明产生的用于三维成像与测量的点阵化的结构光示意图，它是由多块横向放置的互成一定角度的达曼光栅分别所形成的六个点阵组合而成；

其中，1---激光器及扩束器的集成元件，2---准直透镜，3---分束装置，4---物镜，5---输出平面(即，目标物)，6---投影到输出平面的点阵化的结构光，301---第一达曼光栅，302---第二达曼光栅，303---第三达曼光栅，304---第四达曼光栅。

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组，该三维测量模组包括激光器及扩束器的集成元件1、准直透镜2、分束装置3、物镜4，其中，所述的激光器及扩束器的集成元件1、准直透镜2、分束装置3、物镜4位于同一光轴上并依次封装；

其中，激光器用于发出激光，作为其后器件的光源，并且其体积较小，便于集成。

扩束器用于将激光器发出的激光扩束；

准直透镜2用于准直经扩束器扩束的激光；

分束装置3由n块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成，其中，n≥4，用于将已准直的激光进行分束并旋转一定角度，分别投影出n个相互成一定角度的非交错的点阵化结构光，并且n块横向旋转组合达曼光栅的栅面中心连线与激光光轴垂直；

物镜4用于将分束后投影出的n个非交错的点阵化结构光组合成一个边缘交错的更高密度的环形点阵化结构光，进而投射到输出平面5上。

其中，激光器是各种各样的气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器中的一种。

其中，准直透镜2是微镜阵列以及其他准直光路的装置。

其中，激光器是垂直腔面发射激光器发射阵列。

其中，激光器中发出光束的波长是红外、可见光、紫外中的任一波段。

实施例二

基于上述实施例一的基础，本实施例公开了一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组，其中，分束装置3采用4块64×64分束比达曼光栅(即4块横向放置的互成一定角度的达曼光栅，分别为第一达曼光栅301、第二达曼光栅302、第三达曼光栅303、第四达曼光栅304)构成。即n＝4。

如图1所示，本实施例提出了一种基于四块横向放置的互成一定角度的达曼光栅的三维测量组件。即用4块横向放置的互成一定角度的达曼光栅来实现激光分束，而后实现在输出平面5上输出点阵化的结构光。

该三维测量组件包括：激光器与扩束器的集成元件1、准直透镜2、分束装置3、物镜4和输出平面5。

其中，4块横向放置的互成一定角度的达曼光栅分束比均为64×64，并且，第一达曼光栅301、第二达曼光栅302、第三达曼光栅303、第四达曼光栅304的栅面与激光光轴垂直。

4块64×64分束比的达曼光栅的数值解如下：变换点为0.02865,0.03838,0.05022,0.05607,0.09051,0.12923,0.14008,0.14991,0.15782,0.16403,0.17531,0.18377,0.19549,0.20221,0.22335,0.23219,0.25343,0.26538,0.27589,0.28074,0.29053,0.29921,0.32767,0.34153,0.35171,0.38653,0.39606,0.40333,0.41481,0.43360,0.44580,0.46404,0.46919,0.48077，效率为0.7996，均匀度为0.02556，特征尺寸为0.005。

其中，激光器用于发出激光，作为其后器件的光源，并且其体积较小，便于集成。

其中，扩束器用于将激光器发出的激光扩束。

其中，准直透镜2，用于准直经扩束器扩束的激光。

其中，由4块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成的分束装置3，用于将已准直的激光进行旋转分束，投射出四组64×64分束的非交错的点阵化结构光。

其中，物镜4用于将旋转分束后投影出4组64×64分束的非交错的点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，进而投射到输出平面5上。

在图1中，激光器及扩束器的集成元件1发出的激光经准直透镜2准直后进入由4块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成的分束装置3分束后在物镜4的后焦面上即输出平面5上形成投影到输出平面的点阵化的结构光6。

在图2中，表示四块横向放置的互成一定角度的横向旋转组合达曼光栅组合方式的正视图：激光器发出的激光，经准直透镜准直后，由第一达曼光栅301、第二达曼光栅302、第三达曼光栅303、第四达曼光栅304分束后形成旋转组合的光束。

实施例三

基于上述实施例二公开的一种横向旋转组合达曼光栅的三维测量模组，该三维测量模组中分束装置3采用4块32×32分束比达曼光栅(即4块横向放置的互成一定角度的达曼光栅，分别为第一达曼光栅301、第二达曼光栅302、第三达曼光栅303、第四达曼光栅304)构成；在此分束装置的限定下，本实施例继续公开一种基于两块达曼光栅的三维测量组件的工作方法包含如下步骤：

s1、激光器发出激光；

s2、扩束器将激光器发出的激光进行扩束；

s3、准直透镜2准直经扩束器扩束的激光；

s4、由4块相同分束比的横向旋转组合达曼光栅构成的分束装置3将已准直的激光进行旋转分束，分别投影出4个非交错的点阵化结构光；

s5、物镜4将旋转分束后投影出的4个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，进而投射到输出平面5上，从而形成用于三维成像与测量的交错的投射点阵。

综上所述，本发明提出二维横向旋转组合达曼光栅来实现产生用于三维成像与测量的交错的高密度投射点阵。此技术方案是通过四块旋转达曼光栅来产生四个非交错的点阵，然后通过适当的光路设计，将四个非交错的点阵组合进而产生交错的高密度投射点阵。这种交错的投射点阵能够能有效的提高三维成像深度测量的范围；而且其结构简单，易于集成封装，因而也就方便的集成于各种互联设备，例如应用此技术的拥有三维面部识别的移动终端，不仅使用方便，而且安全程度高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。