横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种横向奇偶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、分离的两块不同分束比的达曼光栅或者是在一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的横向奇偶组合达曼光栅、物镜等主要器件依次封装构成。激光器发出的激光，经准直透镜准直后，由分离的两块不同分束比的达曼光栅或者是在一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的达曼光栅分光后，将两块二维达曼光栅来产生两个非交错点阵进行组合，进而由物镜投射出三维测量与成像所需的交错的平铺点阵。该测量模组具有结构简单易实现以及便于集成到移动设备的优点。

【技术实现步骤摘要】
横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法
本专利技术涉及三维成像与测量
，具体涉及一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组及工作方法。
技术介绍
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，但算法设计光学元件相对复杂，成本较高。以上技术均未提出使用横向奇偶组合达曼光栅实现交错的投射点阵的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的三维投影与测量设备所投结构光测量深度分辨率低的影响，光能利用率低的情况，以及当前的方案无法以国内公司可以接受的价格大规模生产的弊端，提供一种横向奇偶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，本专利技术的第一方面公开了一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，所述的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、由奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、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、由横向奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜4依次封装，并位于同一光路上；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；所述的分束装置用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出两个非交错的点阵化结构光，其中，横向奇偶组合达曼光栅的栅面与激光光轴垂直；所述的物镜4用于将横向奇偶分束后投影出的两个非交错的点阵化结构光组合成一个交错的投射点阵，进而投射到输出平面5上。进一步地，所述的分束装置为上下设置的第二达曼光栅7和第三达曼光栅8，所述的第二达曼光栅7的达曼分束比为7×12，所述的第三达曼光栅8的达曼分束比为8×13，并且，第二达曼光栅7和第三达曼光栅8的栅面中心连线与激光光轴垂直。进一步地，所述的分束装置为第一达曼光栅3，其中，所述的第一达曼光栅3在一个基底相邻的上下两个区域内分别刻蚀不同分束比的横向奇偶组合达曼光栅，上半部分的达曼分束比为7×12，下半部分的达曼分束比为8×13。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，在所述的达曼光栅所在的平面内可以放置更多的与本专利技术技术方案中的放置方式相同的达曼光栅，以在输出面上形成更密的，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，本专利技术的第二方面公开了一种横向奇偶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、两个分离的第二达曼光栅7和第三达曼光栅8奇偶组合后将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；S5、物镜4将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，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，本专利技术的第三方面公开了一种横向奇偶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、一个基底相邻的两个区域内分别刻蚀不同分束比的奇偶组合达曼光栅将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出7×12和8×13的两个非交错的点阵化结构光；S5、物镜4将奇偶分束后投影出7×12和8×13的两个非交错点阵化结构光组合成一个交错的点阵化结构光，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。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1)、本专利技术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交错类型的结构光点阵，通过横向二维奇偶组合达曼光栅法将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(即，光栅中心连线与光轴垂直)可以节省整个组件空间，实现小型化紧凑性设计。2)、本专利技术提出的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组通过奇偶组合达曼光栅实现二维交错点阵结构，此专利技术整体结构简单，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，并且其横向组合结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的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)、由奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、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)、由横向奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜(4)依次封装，并位于同一光路上；其中，所述的激光器用于发出激光；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；所述的分束装置用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出两个非交错的点阵化结构光，其中，横向奇偶组合达曼光栅的栅面与激光光轴垂直；所述的物镜(4)用于将奇偶分束后投影出的两个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。

【技术特征摘要】
1.一种横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的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)、由奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、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)、由横向奇偶组合达曼光栅构成的分束装置、物镜(4)依次封装，并位于同一光路上；其中，所述的激光器用于发出激光；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；所述的分束装置用于将已准直的激光进行奇偶分束，分别投影出两个非交错的点阵化结构光，其中，横向奇偶组合达曼光栅的栅面与激光光轴垂直；所述的物镜(4)用于将奇偶分束后投影出的两个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。2.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的分束装置为上下设置的第二达曼光栅(7)和第三达曼光栅(8)，所述的第二达曼光栅(7)的达曼分束比为7×12，所述的第三达曼光栅(8)的达曼分束比为8×13，并且，第二达曼光栅(7)和第三达曼光栅(8)的栅面中心连线与激光光轴垂直。3.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的分束装置为第一达曼光栅(3)，其中，所述的第一达曼光栅(3)在一个基底相邻的上下两个区域内分别刻蚀不同分束比的横向奇偶组合达曼光栅，上半部分的达曼分束比为7×12，下半部分的达曼分束比为8×13。4.根据权利要求1所述的横向奇偶组合达曼光栅的三维测量模组，其特征在于，所述的激光器是气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器中的任...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵冬，周常河，王津，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44