一种基于超表面的结构光三维成像系统及方法技术方案

一种基于超表面的结构光三维成像系统及方法，通过使用基于超表面的调控器件对激光光束进行高质量的调控，使用MEMS微镜进行激光光束的扫描投射，配合相关的结构光设计和解调方法，实现对物体表面三维信息的高精度重建；本发明专利技术实现了对结构光的精细调控，提升结构光光场的质量、降低激光散斑、提升功率，从而达到提高三维成像精度和鲁棒性的目的。高三维成像精度和鲁棒性的目的。高三维成像精度和鲁棒性的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的结构光三维成像系统及方法


[0001]本专利技术属于光电测量和三维视觉
，特别涉及一种基于超表面的结构光三维成像系统及方法。

技术介绍

[0002]结构光三维成像技术由于具有精度高，鲁棒性好的特点被广泛地应用于三维建模，机器人导航，检测测量等领域。经典的结构光三维成像系统由一个结构光投射和一个带有光学系统的相机组成，结构光投射器将预先设计好的结构光图像或者图像序列投射到物体的表面，带有光学系统的相机从另一个角度拍摄物体表面的结构光图案，由于两者存在视角的差别，相机拍摄到的为变形的结构光图案，变形的结构光和图案和物体表面的高度分布有关，通过设计相应的标定和解调算法，可以计算出物体表面的高度分布，进而重建三维信息。结构光的技术大致分为动态结构光和静态结构光，静态结构光通过向物体表面投射固定图案的结构光，特点是可以单帧成像，适于对动态物体进行成像，但是精度较低。动态结构光通过向物体表面投射一系列的结构光图像，来重建物体的三维信息，精度远高于静态结构光，因而在对精度要求更高的三维测量、机器人三维视觉、三维扫描等领域应用更加广泛。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超表面的结构光三维成像系统，设置在目标物体(003)上方，其特征在于，至少包含一个基于超表面的结构光投射器(002)和用于采集结构光的相机系统(001)；所述结构光投射器(002)，包括作为光源的半导体激光器(101)，半导体激光器(101)入射前方依次设置的匀光器(102)、聚光器(103)、柱面镜(104)和MEMS微镜(105)；所述相机系统(001)至少包含一个感光单元和一个光学系统，组成一个完整的成像单元，同步采集目标物体(003)表面投射的结构光图案(106)。2.根据权利要求1所述的基于超表面的结构光三维成像系统，其特征在于，所述匀光器(102)、聚光器(103)表面均设置有微纳米结构，通过光刻或者电子束加工或者纳米压印进行制造。3.根据权利要求2所述的基于超表面的结构光三维成像系统，其特征在于，所述微纳米结构是由离散的纳米单元结构材料组成，在红外波段采用Ge或Si作为单元结构材料；在可见光波段选择TiO2或GaN作为单元结构材料；在紫外波段选用HfO2或AlN作为单元结构材料。4.根据权利要求1所述的基于超表面的结构光三维成像系统，其特征在于，所述半导体激光器(101)选自多模边发射激光器EEL或垂直腔面发射激光器阵列VCSELs。5.根据权利要求1所述的基于超表面的结构光三维成像系统，其特征在于，所述MEMS微镜(105)选自基于电
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磁，电
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热，静电驱动原理的MEMS微镜。6.基于权利要求1所述的基于超表面的结构光三维成像系统的成像方法，其特征在于，包含以下步骤：S1：搭建基于超表面的结构光三维成像系统；S2：设计结构光投射方案；S3：控制结构光三维成像系统进行结构光投射，同步进行结构光图像采集；S4：完成特征提取和三维重建。7.根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述S1具体为：多模边或者垂直腔面的半导体激光器(101)所产生的激光束(301)首先穿过匀光器(102)，匀光器进行轻微往复的切向平动或者绕轴旋转，运动的幅度为[1μm，1000μm]，其往复运动的频率范围为[50Hz，5000Hz]，匀光器(102)表面有纳米尺度的微结构，改变光波的相位和振动方向，光波在穿过匀光器(102)后能量被均匀化，并且振动方向变得随机分布，相干性被破坏；激光在通过匀光器(102)之后进入聚光器(103)，聚光器(103)通过表面纳米尺度的微结构将激光汇聚整形为一个高斯光束，高斯光束经过柱面镜(104)被拉伸之后，成为均匀的光刀结构即x
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y平面为一字线分布，入射到MEMS微镜(105)上，然后进一步被反射到被测目标物体(003)表面，驱动MEMS微镜(105)绕旋转轴做简谐运动，带动激光在物体表面进行扫描，同步调整激光器的亮度，向目标物体(003)表面投射一维编码二维分布的结构光图案(106)；所述聚光器(103)对光波的相位需满足下述相位分布，从而将激光汇聚为一个高斯激光束，高斯光束需要的相位分布为：其中，λ为入射光的波长，f焦距，x，y为光束截面的位置坐标；通过对纳米单元的分布进行设计，使其满足相位分布，从而将激光汇聚为一个
高斯激光束；所述高斯光束的传播模型，其数学模型为：其中，光束沿着z向传播，w0为束腰直径，束腰处的z值为z0，M2是和激光束有关的参数，对于理想高斯光束，M2＝1，λ为光波的波长。8.根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述S2具体为：S2
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1：首先确定结构光编码的形式：基于以下两个因素选择合适的结构光编码：(1)线结构光适应不同反射表面；格雷编码结构光能够进行全场三维测量；三角函数编码结构精度高；(2)考虑S1中所搭建的结构光三维成像系统在投射过程中的损失，所编码图案经过投射低通滤波之后，仍能满足要求；S2
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2：确定编码的参数：根据所选择的结构光在高斯激光光束、在MEMS微镜(105)的带动下进行扫描的过程，在空域等效于卷积作用，因此根据卷积定理，时域内的卷积对应频域内的乘积，将所选择的结构光编码图案进行傅里叶变换到频域，与实际高斯光束参数w(z)相乘，计算得到滤波后通过的频率分量，进而选择出适合S1搭建的结构光三维成像系统的结构光编码；在确定了编码方案后，对其进行离散化，一个一维编码图案能够用一个固定长度的一组数组表示，这个数组用于控制激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，白民宇，赵磊，周少玮，刘超，杨彪，胡峰峰，王芳，
申请(专利权)人：西安知象光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：