扫描投影机及用于3D映射的图像捕获模块制造技术

一种用于映射的设备（20）包括照射模块（30），所述照射模块包括辐射源（32），所述辐射源配置成发射辐射光束。扫描仪（34）在选定角范围内接收且扫描所述光束。照射光学器件（35）投影所述所扫描光束以便产生在所关注区域内延伸的光斑的图案。成像模块（38）捕获投影至所述所关注区域中的物体（28）上的所述图案的图像。处理器（46）处理所述图像以便构建所述物体的三维（3D）图。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及用于投影并捕获光辐射的方法及装置，且特别涉及为了 3D映射的目的的投影及图像捕获。背景本领域中已知用于光学3D映射(即，通过处理物体的光学图像来产生物体的表面的3D轮廓)的各种方法。这种3D轮廓也称作3D图、深度图或深度图像，且3D映射也称作深度映射。一些3D映射方法基 于将激光散斑图案投影至物体上，并随后分析物体上的图案的图像。举例而言，PCT国际公布W02007/043036 (其公开内容通过引用被并入本文)描述一种用于物体重构的系统及方法，其中相干光源及随机散斑图案的产生器将相干随机散斑图案投影至物体上。成像单元探测受照区域的光响应并产生图像数据。在实时重构物体的3D图时使用物体的图像中的图案相对于图案的参考图像的移位。用于使用散斑图案来进行3D映射的另外的方法例如在PCT国际公布W02007/105205 (其公开内容通过引用被并入本文)中被描述。其它光学3D映射方法将不同种类的图案投影至待映射的物体上。举例而言，PCT国际公布W02008/120217 (其公开内容通过引用被并入本文)描述一种用于3D映射的照射组件，其包括含有光斑的固定图案的单个透明片。光源用光辐射来透照透明片以便将图案投影至物体上。图像捕获组件捕获物体上的图案的图像，且图像被处理以便重构物体的3D图。概述下文所述的本专利技术的实施方式提供用于有效地投影图案、特别是用于3D映射以及用于这样的所投影图案的成像的方法及设备。因此，根据本专利技术的实施方式，提供包括照射模块的用于映射的设备，照射模块包括辐射源，其配置成发射辐射光束；及扫描仪，其配置成在选定角范围内接收并扫描光束。照射光学器件配置成投影所扫描光束以便产生在所关注区域内延伸的光斑的图案。成像模块配置成捕获投影至所关注区域中的物体上的图案的图像。处理器配置成处理图像以便构建物体的三维(3D)图。光斑的图案可在由设备映射的深度范围内不相关。在一些实施方式中，辐射源被控制以便在扫描仪扫描光束时调制光束的强度，由此在所关注区域上产生光斑的图案。照射模块可配置成响应于由成像模块所捕获的图像而修改图案。照射模块可配置成控制辐射源及扫描仪中的至少一个以便修改所关注区域的选定部分内的阵列中的光斑的角密度。可选地或另外，照射模块可配置成控制辐射源及扫描仪中的至少一个以便修改所关注区域的选定区中的光斑的亮度。在可选实施方式中，扫描仪配置成在第一角范围内扫描光束，且光学器件包括光束分离器，光束分离器配置成产生在大于第一角范围的第二角范围内共同延伸的所扫描光束的多个有角度地间隔开的复制物。扫描仪及光束分离器可配置成用由所扫描光束的多个有角度地间隔开的复制物所产生的图案来拼贴所关注区域。在另一实施方式中，光学器件包括图案化元件，图案化元件配置成在由光束照射时在第一角范围内产生图案，且扫描仪配置成引导光束连续地以多个不同角度射到图案化元件以便产生在大于第一角范围的第二角范围内共同延伸的图案的多个有角度地间隔开的复制物。扫描仪及图案化元件可配置成用图案的多个有角度地间隔开的复制物来拼贴所关注区域。在再一实施方式中，扫描仪配置成在第一角范围内扫描光束,且光学器件包括扫描扩展元件，扫描扩展元件配置成分配所扫描光束以便以空间图案覆盖大于第一角范围的第二角范围。扫描扩展元件可选自由凸面反射器与衍射光学元件组成的元件组。在所公开的实施方式中，照射模块包括至少一个光束传感器，至少一个光束传感器位于由扫描仪扫描的角范围内的选定角度处以便周期性地接收所扫描光束并由此验证扫描仪正在操作。通常，照射模块配置成在传感器未能周期性地接收到所扫描光束时抑制来自辐射源的光束的发射。在一些实施方式中，福射源包括第一福射源，其发射红外光束，红外光束被调制以产生光斑的图案；及第二辐射源，其发射可见光光束，可见光光束被调制以将可见图像投影至所关注区域上。扫描仪及光学器件配置成同时将红外光束及可见光光束都投影至所关注区域上。通常，第二辐射源被控制以便响应于3D图而将可见图像投影至物体上。在所公开的实施方式中，处理器布置成通过找到所捕获图像的区中的光斑与属于图案的参考图像的对应参考 光斑位置之间的相应的偏移来得到3D图，其中相应的偏移指示区与图像捕获组件之间的相应的距离。在一些实施方式中，成像模块包括位置灵敏探测器，位置灵敏探测器配置成在由照射模块投影物体上的图案中的每个光斑时感测并输出光斑的偏移。成像模块可配置成与照射模块中的扫描仪同步地或与来自辐射源的光束一起扫描位置灵敏探测器的视域。可选地或另外，照射模块及成像模块布置成使得偏移在第一方向上发生，且成像模块包括在第一方向上延伸的一个或多个行中布置的探测器元件的阵列及配置成将图案成像至阵列上且具有在第一方向上比在第二垂直方向上大的光功率的像散光学器件。在一些实施方式中，成像模块包括传感器及成像光学器件，传感器及成像光学器件界定与照射模块的所扫描光束同步地在所关注区域内被扫描的感测区。传感器可包括具有卷动快门的图像传感器，其中卷动快门与所扫描光束同步。另外或可选地，照射模块中的扫描仪可以是可控制的以动态地改变选定角范围，且成像模块可包括成像扫描仪，成像扫描仪配置成动态地扫描感测区以与所扫描光束的选定角范围相匹配。根据本专利技术的实施方式，也提供一种包括照射模块的用于映射的设备，照射模块包括辐射源，辐射源配置成发射具有根据所指定的时间调制而改变的强度的辐射光束。扫描仪配置成在所关注区域内接收并扫描光束，以便以由光束的时间调制确定的空间强度图案来将辐射投影至区域上。成像模块配置成捕获投影至所关注区域中的物体上的空间强度图案的图像。处理器配置成处理图像以便构建物体的三维(3D)图。在所公开的实施方式中，时间调制是二进制的，且其中空间强度图案包括通过时间调制所产生的光斑的阵列。在一个实施方式中，成像模块包括传感器及成像光学器件，传感器及成像光学器件界定与照射模块的所扫描光束同步地在所关注区域内被扫描的感测区。根据本专利技术的实施方式，另外提供一种用于映射的方法，该方法包括在选定角范围内扫描辐射光束以便产生在所关注区域内延伸的光斑的图案。捕获并处理投影至所关注区域中的物体上的图案的图像以便构建物体的三维(3D)图。根据本专利技术的实施方式，进一步提供一种用于映射的方法，该方法包括产生具有根据所指定的时间调制而改变的强度的辐射光束。在所关注区域内扫描光束，以便以由光束的时间调制确定的空间强度图案来将辐射投影至区域上。捕获并处理投影至所关注区域中的物体上的空间强度图案的图像以便构建物体的三维(3D)图。从结合附图理解的本专利技术的实施方式的下面详细描述中，将更全面地理解本专利技术，其中附图的简要说明附图说明图1是根据本专利技术的实施方式的用于3D映射的系统的示意性俯视 图2A及图2B是根据本专利技术的实施方式的在两个不同操作阶段中的照射模块的示意性俯视图；图2C是根据本专利技术的实施方式由图2A及图2B的模块投影的图案的示意性正视图；图3至图5是根据本专利技术的其它实施方式的照射模块的示意性俯视图；图6是根据本专利技术的实施方式的在操作中的3D映射系统的示意性示图；图7是根据本专利技术的再一实施方式的照射模块的示意性俯视图；图8及图9是根据本专利技术的实施方式的成像模块的示意性示图；及图10是根据本专利技术的实施方式的3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.11 US 61/372,729;2010.12.22 US 61/425,7881.一种用于映射的设备，包括 照射模块，其包括 辐射源，其配置成发射辐射光束； 扫描仪，其配置成在选定角范围内接收并扫描所述光束；以及 照射光学器件，其配置成投影所扫描光束以便形成在所关注区域内延伸的光斑的图案； 成像模块，其配置成捕获投影至所述所关注区域中的物体上的图案的图像；以及 处理器，其配置成处理所述图像以便构建所述物体的三维(3D)图。2.如权利要求1所述的设备，其中所述光斑的所述图案在由所述设备映射的深度范围内不相关。3.如权利要求1所述的设备，其中所述辐射源被控制以便在所述扫描仪扫描所述光束时调制所述光束的强度，由此在所述所关注区域上产生所述光斑的所述图案。4.如权利要求3所述的设备，其中所述照射模块配置成响应于由所述成像模块所捕获的所述图像而修改所述图案。5.如权利要求4所述的设备，其中所述照射模块配置成控制所述辐射源及所述扫描仪中的至少一个，以便修改所述所关注区域的选定部分内的阵列中的所述光斑的角密度。6.如权利要求4所述的设备，其中所述照射模块配置成控制所述辐射源及所述扫描仪中的至少一个，以便修改所述所关注区域的选定区中的所述光斑的亮度。7.如权利要求3所述的设备，其中所述扫描仪配置成在第一角范围内扫描所述光束，以及 其中所述光学器件包括光束分离器，所述光束分离器配置成产生在大于所述第一角范围的第二角范围内共同延伸的所述所扫描光束的多个有角度地间隔开的复制物。8.如权利要求7所述的设备，其中所述扫描仪及所述光束分离器配置成用由所述所扫描光束的所述多个有角度地间隔开的复制物产生的所述图案来拼贴所述所关注区域。9.如权利要求1-8中的任一项所述的设备，其中所述光学器件包括图案化元件，所述图案化元件配置成在由所述光束照射时在第一角范围内产生所述图案，以及 其中所述扫描仪配置成引导所述光束连续地以多个不同角度射到所述图案化元件以便产生在大于所述第一角范围的第二角范围内共同延伸的所述图案的多个有角度地间隔开的复制物。10.如权利要求9所述的设备，其中所述扫描仪及所述图案化元件配置成用所述图案的所述多个有角度地间隔开的复制物来拼贴所述所关注区域。11.如权利要求1-8中的任一项所述的设备，其中所述扫描仪配置成在第一角范围内扫描所述光束，以及 其中所述光学器件包括扫描扩展元件，所述扫描扩展元件配置成分配所述所扫描光束，以便以空间图案覆盖大于所述第一角范围的第二角范围。12.如权利要求11所述的设备，其中所述扫描扩展元件选自由凸面反射器与衍射光学元件组成的元件组。13.如权利要求1-8中的任一项所述的设备，其中所述照射模块包括至少一个光束传感器，所述至少一个光束传感器位于由所述扫描仪扫描的角范围内的选定角度处，以便周期性地接收所述所扫描光束并由此验证所述扫描仪正在操作。14.如权利要求13所述的设备，其中所述照射模块配置成在所述传感器未能周期性地接收到所述所扫描光束时抑制来自所述辐射源的所述光束的发射。15.如权利要求1-8中的任一项所述的设备，其中所述辐射源包括 第一辐射源，其发射红外光束，所述红外光束被调制以产生所述光斑的所述图案；以及 第二辐射源，其发射可见光光束，所述可见光光束被调制以将可见图像投影至所述所关注区域上， 其中所述扫描仪及所述光学器件配置成同时将所述红外光束及所述可见光光束投影至所述所关注区域上。16.如权利要求15所述的设备，其中所述第二辐射源被控制以便响应于所述3D图而将所述可见图像投影至所述物体上。17.如权利要求1-8中的任一项所述的设备，其中所述处理器布置成通过找到所述所捕获图像的区中的光斑与属于所述图案的参考图像的对应参考光斑位置之间的相应的偏移来得到所述3D图，其中所述相应的偏移指示所述区与图像捕获组件之间的相应的距离。18.如权利要求17所述的设备，其中所述成像模块包括位置灵敏探测器，所述位置灵敏探测器配置成感测并输出在由所述照射模块投影所述物体上的所述图案的每个光斑时所述光斑的偏移。19.如权利要求18所述的设备，其中所述成像模块配置成与所述照射模块中的所述扫描仪同步地扫描所述位置灵敏探测器的视域。20.如权利要求18所述的设备，其中所述扫描仪配置成与来自所述辐射源的光束一起扫描所述位置灵敏探测器的视域。21.如权利要求17所述的设备，其中所述照射模块及所述成像模块布置成使得所述偏移在第一方向上发生，以及 其中所述成像模块包括 探测器元件的阵列，所述探测器元件的阵列被布置为在所述第一方向上延伸的一个或多个行；以及 像散光学器件，其配置成将所述图案成像至所述阵列上且具有在所述第一方向上比在第二垂直方向上大的光功率。22.如权利要求1-8中的任一项所述的设备，其中所述成像模块包括传感器及成像光学器件，所述传感器及所述成像光学器件界定与所述照射模块的所述所扫描光束同步地在所述所关注区域内被扫描的感测区。23.如权利要求22所述的设备，其中所述传感器包括具有卷动快门的图像传感器，且其中所述卷动快门与所述所扫描光束同步。24.如权利要求22所述的设备，其中所述照射模块中的所述扫描仪是可控制的以动态地改变所述选定角范围，且其中所述成像模块包括成像扫描仪，所述成像扫描仪配置成动态地扫描所述感测区以与所述所扫描光束的所述选定角范围相匹配。25.一种用于映射的设备，包括 照射模块，其包括 辐射源，其配置成发射具有根据所指定的时间调制而改变的强度的辐射光束；以及扫描仪，其配置成在所关注区域内接收并扫描所述光束，以便以由所述光束的所述时间调制确定的空间强度图案来将所述辐射投影至所述区域上； 成像模块，其配置成捕获投影至所述所关注区域中的物体上的所述空间强度图案的图像；以及 处理器，其配置成处理所述图像以便构建所述物体的三维(3D)图。26.如权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·什蓬特，班尼·佩萨克，R·阿克曼，
申请(专利权)人：普莱姆森斯有限公司，
类型：
国别省市：