结构光发生装置、微型三维成像装置及三维数据采集方法

结构光发生装置、微型三维成像装置及三维数据采集方法
【专利摘要】本发明涉及一种结构光发生装置、微型三维成像装置、三维数据采集方法。结构光发生装置包括：多个光纤，包括入射端和出射端；光源装置，用于产生多束光谱波长各不相同的光；该光源装置位于该多个光纤的入射端一侧，以对应地将产生的多束光谱波长各不相同的光经该多个光纤的入射端输入并经出射端输出，以产生结构光。微型三维成像装置，包括结构光发生装置，还包括：图像传感器；载体，用于承载光纤和图像传感器，光纤的出射端和图像传感器均固定在该载体的一端。本发明的结构光发生装置体积较小。本发明的微型三维成像装置和三维数据采集方法可使三维成像装置的一端（例如内窥镜的探测端）具有较小尺寸。
【专利说明】结构光发生装置、微型三维成像装置及三维数据采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维表面成像(three — dimensional surface imaging)领域,尤其涉及一种结构光发生装置、具有该装置的微型三维成像装置以及利用该微型三维成像装置采集三维数据的三维数据采集方法。
【背景技术】
[0002]结构光发生器的传统设计通常是由投影仪组成，结构复杂，成本高，而且无法做到小型化，微型化。尤其是对于类似于微型三维成像装置这样的微型成像系统，前端探头的体积很小，无法容纳按照传统结构设计的结构光发生器。
[0003]图1和图2分别为两种传统的结构光发生系统的示意图。图1中的结构光发生系统利用光源和结构光滤波器产生结构光投影，该系统包括光源I和结构光滤波片3，由光源I产生的光线经过结构光滤波片3的调制，在目标物体上形成投影图像。
[0004]图2中的结构光发生系统利用现有图像或视频投影仪4直接产生所需的结构光投影图像。
[0005]尽管类似于图1和图2所示的结构光发生器可以产生所需的结构光投影，但是这种结构光发生器本身的体积较大，应用范围窄，一般不能直接用于内窥镜、探头等微型三维成像装置微型三维成像装置。

【发明内容】

[0006]在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0007]本发明的一个主要目的在于提供一种体积小的结构光发生装置和应用该装置的微型三维成像装置。
[0008]本发明的另一个主要目的是提供一种能够减小结构光发生器体积的结构光处理方法。
[0009]为实现上述目的，本发明提供了一种结构光发生装置，包括:
[0010]多个光纤，该多个光纤包括入射端和出射端；
[0011]光源装置，用于产生多束光谱波长各不相同的光；
[0012]该光源装置位于该多个光纤的入射端一侧，以对应地将产生的多束光谱波长各不相同的光经该多个光纤的入射端输入并经该多个光纤的出射端输出，以产生结构光。
[0013]为实现上述目的，本发明还提供了一种微型三维成像装置，包括上述结构光发生装置，还包括:
[0014]图像传感器，用于采集该结构光发生装置产生的结构光照射下的目标物体的图像；[0015]载体，用于承载该结构光发生装置的多个光纤和该图像传感器的输入端，其中，该多个光纤的出射端和该图像传感器的输入端均固定在该载体的一端。
[0016]为实现上述目的，本发明还提供了一种三维数据采集方法，利用上述微型三维成像装置采集目标物体的三维表面数据，该方法包括:
[0017]将多束光谱波长各不相同的光经对应的该多个光纤的出射端投射到目标物体上以在该目标物体上形成结构光；
[0018]通过该图像传感器采集该目标物体的图像；
[0019]分析所采集的目标物体的图像上的各像素点所对应的光谱波长；
[0020]根据该目标物体的图像上的各像素点所对应的光谱波长识别对应的光纤，并根据该多个光纤在其出射端的位置关系确定各光纤出射端的出射角度；
[0021]根据各光纤出射端的出射角度、该图像传感器的光学中心与该结构光发生装置的
光学中心的距离、该图像传感器对该目标物体的图像上的各像素点的出射角I确定该目
标物体表面各点距离该图像传感器光学中心的距离，以获得该目标物体的三维表面数据。
[0022]本发明的结构光发生装置采用光纤传输光源装置的光线以产生结构光，大大缩小了结构光发生装置的体积。本发明的微型三维成像装置采用上述结构光发生装置采用上述小型化的结构光发生装置，可将一端(例如内窥镜的探测端)的尺寸做的非常小。而且本发明的微型三维成像装置和三维数据采集方法只需采集一幅图像便可分析得到目标物体的三维表面数据。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
[0024]图1为现有技术提供的一种结构光发生装置的示意图。
[0025]图2为现有技术提供的另一种结构光发生装置的示意图。
[0026]图3为本发明的结构光发生装置的一种实施例的结构示意图，其中多个光纤有序排列。
[0027]图4为本发明的结构光发生装置的另一种实施例的结构示意图，其中多个光纤无规律排列。
[0028]图5为利用棱镜产生光谱波长在特定范围内变化的空间分布光的示意图。
[0029]图6为利用衍射光栅产生光谱波长在特定范围内变化的空间分布光的示意图。
[0030]图7为利用彩虹光滤波器产生光谱波长在特定范围内变化的空间分布光的示意图。
[0031]图8为利用结构光发生装置产生的结构光进行三维表面数据采集的示意图。
[0032]图9为本发明的微型三维成像装置的一种实施例的结构示意图。
[0033]图10为本发明的三维数据采集方法的一种实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
[0035]本发明公开了一种结构光发生装置，其一种实施例包括:
[0036]多个光纤，该多个光纤包括入射端和出射端；
[0037]光源装置，用于产生多束光谱波长各不相同的光；
[0038]该光源装置位于该多个光纤的入射端一侧，以对应地将产生的多束光谱波长各不相同的光经该多个光纤的入射端输入并经该多个光纤的出射端输出，以产生结构光。
[0039]实施例1
[0040]参考图3和图4，本发明的结构光发生装置的一种实施例包括多个光纤10，还包括光源装置20。该多个光纤包括入射端11和出射端12。光源装置20用于产生多束光谱波长各不相同的光，该多束光谱波长各不相同的光与该多个光纤 对应。光源装置20位于多个光纤10的入射端11的一侧，以将产生的光经该多个光纤10的入射端11输入并经该多个光纤10的出射端12输出。具体地，光源装置20将产生的各束光经对应的光纤10输出，以产生结构光。
[0041]实施例2
[0042]在实施例1的基础上，如果预先对该多个光纤10进行有序排列，即该多个光纤10在其入射端11处的位置关系与在其出射端12处的位置关系相同，耦合至入射端11的图像的特性经光纤传输保持不变，即入射端11接收的图像可以不变地传输到出射端12。出射端12的图像可以直接或者经投影光学元件将结构光发生装置所产生的图像投射到目标物体上。例如，该结构光可为具有特定形状的图像，如图3中的“3D”图形图像。
[0043]实施例3
[0044]可选地，在实施例1的基础上，在该多个光纤10中，各光纤10入射端11部分的位置关系与各光纤10出射端12部分的位置关系不同。
[0045]例如，如果该多个光纤10没有经过有序排列，即该多个光纤10在其出射端12处的位置关系与其在入射端11处的位置关系不同，则结构光发生装置输出的结构光与光源装置20输出的图形不一样，如图4所示，光源装置20可投射出光谱波长从左到右变化的光，经多个光纤10传输后，在多个光纤10的出射端形成了结构光，该结构光所对应的光谱波长不是按照入射时的规律变化的，而是无规律的。
[0046]实施例4
[0047]进一步地，在实施例1或3的基础上，光源装置具体为:用于产生光谱波长在特定的范围内变化的空间分布光的光源装置。如图4所示，光源装置20产生的光谱波长在特定的范围内变化的空间分布光作为该多束光谱波长各不相同的光，例如图4中的彩虹光。该空间分布光经该多个光纤的入射端11传输到该多个光纤10，并由该多个光纤10的出射端12进行输出，输出后的空间分布光可直接或经过投影光学元件投射到目标物体上。
[0048]实施例5
[0049]在实施例1或3的基础上,光源装置包括白光光源和分光装置；白光光源位于分光装置的一侧，以将白光光源产生的白光经分光装置分光后产生该多束光谱波长各不相同的光。[0050]如图5-7所示，光源装置20可通过多种方法产生该空间分布光，光源装置20可包括白光光源21和分光装置，白光光源21位于分光装置的一侧，以将白光光源21产生的白光经分光装置分光后产生该多束光谱波长各不相同的光。[0051]可选地，分光装置22可为图5中的棱镜22a、图6中的光栅22b或图7中的彩虹光滤波器22c。
[0052]图5中，棱镜22a用于分解白光光源21发射的光线的组成，使光呈现原来光谱的颜色。由于折射率与光的频率有关，混合着各种频率的白光进入棱镜后，不同频率的光受到了不同程度的偏折，产生了光谱波长在特定的范围内变化的空间分布光，因此耦合至多个光纤10的入射端11的光具有不同的波长，多个光纤10出射端12输出的光的波长也各不相同。
[0053]图6中，光栅22b可为衍射光栅，白光光源21发出的白光经过衍射光栅的衍射后形成该光谱波长在特定的范围内变化的空间分布光。图6中的光栅22b是基于夫琅和费多缝衍射效应工作的。描述光栅结构与光的入射角和衍射角之间关系的公式叫做“光栅方程”。波在传播时，波阵面上的每个点都可以被认为是一个单独的次波源，这些次波源再发出球面次波，则以后某一时刻的波阵面，就是该时刻这些球面次波的包络面(惠更斯原理)。一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的、无限长、无限窄的狭缝组成，狭缝之间的间距为d，称为光栅常数。当波长为λ的平面波垂直入射于光栅时，每条狭缝上的点都扮演了次波源的角色。从这些次波源发出的光线沿所有方向传播(即球波面)，由于狭缝为无限长，可以只考虑与狭缝垂直的平面上的情况，即把狭缝简化为该平面上的一排点。则在该平面上沿某一特定方向的光场是由从每条狭缝出射的光想干叠加而成。在发生干涉时，由于从每条狭缝出射的光在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。然而，当从相邻两条狭缝出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光线相位相同，就会发生干涉加强现象。以公式来描述，当衍射角Θ m满足关系dsin Θ m/λ = |m时发生干涉加强现象，其中d为狭缝间距，即光栅常数，m是一个整数，取值为O、±1、±2……这种干涉加强点称为衍射极大，因此，衍射光将在衍射角为θπι时取得极大，即:
[0054]dsin Θ m=mλ(I)
[0055]上式(I)即为光栅方程。当平面波以入射角Qi入射时，光栅方程为:
[0056]d (sin Θ m+sin Θ j) =mλ (2)
[0057]图7中，采用了彩虹光滤波器作为分光装置，彩虹光滤波器22c是一种特殊光学器件，它在各个不同的水平位置所穿透的光的频率不同，即波长λ是水平位置χ的函数:λ= F(x)0白光光源21发射的光经过彩虹光滤波器22c后，每一个角度投射出的光线的波长不同，即波长λ是出射角度Θ。的函数:λ =氏(0。)。
[0058]由于每一根光纤10在入射端11和出射端的位置关系是固定的，因此当多个光纤10的出射端将光投射到物体上，每一根光纤的出射角度是固定的，又由上面的描述可知，对于每一根光纤10,其出射端输出的光的波长不同，因此当多个光纤10的出射端将光投射到物体上，对于每一根光纤，出射端的出射角度和所输出的光的波长具有唯一的映射关系，也就是说，各光纤10出射端输出的光的波长λ是其出射端的出射角度(θ)的函数，g卩λ =Η(θ)，其中，Θ为每一个像素所对应的投影光线的出射角。
[0059]由于各光纤10所传输的光的光谱波长各不相同，因此形成的结构光各点所对应的光谱波长也不同，当多个光纤10是无序排列的，可预先将形成的结构光以预设的方向，例如垂直方向，投射在参考物体上，该参考物体可为，例如平整的白纸。
[0060]通过分析参考物体上的结构光各点的波长，可根据光的波长与光纤出射端的出射角度的唯一映射关系，在出射端12处识别出各光纤10 (每个光纤具有固有的特性，即所传输的光的特定的光谱波长)，进而获取各光纤10在出射端12处的位置关系。
[0061]因此，当本实施例的结构光产生装置所产生的结构光投射到目标物体上，为了得到目标物体某一点的三维位置数据，可首先获取投射在目标物体该点上的光的光谱波长识别出对应的光纤10，并根据识别的光纤10所处的位置得到该点的投射角度。
[0062]实施例6
[0063]可选地，本发明的结构光发生装置还包括固定装置50，多个光纤10穿过该固定装置50。
[0064]通过该固定装置50，可避免产品在应用过程中由于光纤移位而造成的数据采集误差。
[0065]结构光发生装置的应用
[0066]参考图8，本发明的结构光发生装置可投射具有一定空间和/或时间变化规律的光线:I(u，V)，在目标物体表面上生成投影图像。投影图像的变化和扭曲程度与目标物体表面的三维曲面形状有关。可利用图像传感器采30集具有结构光投影的目标物体的图像，对采集的图像进行处理和分析，得出相应于每一个像素(i，j)的三维数据(xij，yij，zij),i=l，2r..1，j=l，2r..J.[0067]如图8所示，利用投射在目标物体上结构光，可识别出采集的图像中每个像素所对应的光的波长，根据每个像素所 对应的光的波长与各光纤10的唯一映射关系以及预先得到的各光纤10在出射端的位置关系，可以准确地识别出采集的图像中每一个像素所对应的投影光线的出射角(Θ)，图像传感器30对每一个像素点的出射角(α)可以由图像传感器30的标定参数得出。因此，目标物体表面距离图像传感器30光学中心的距离R可以由以下公式得出:
【权利要求】
1.一种结构光发生装置，其特征在于，包括: 多个光纤，所述多个光纤包括入射端和出射端； 光源装置，用于产生多束光谱波长各不相同的光； 所述光源装置位于所述多个光纤的入射端一侧，以对应地将产生的多束光谱波长各不相同的光经所述多个光纤的入射端输入、并经所述多个光纤的出射端输出以产生结构光。
2.根据权利要求1所述的结构光发生装置，其特征在于，所述多个光纤中，各光纤入射端部分的位置关系与各光纤出射端部分的位置关系不同。
3.根据权利要求1或2所述的结构光发生装置，其特征在于，所述光源装置具体为:用于产生光谱波长在特定的范围内变化的空间分布光的光源装置。
4.根据权利要求1或2所述的结构光发生装置，其特征在于，所述光源装置包括白光光源和分光装置；所述白光光源位于所述分光装置的一侧，以将所述白光光源产生的白光经所述分光装置分光后产生所述多束光谱波长各不相同的光。
5.根据权利要求4所述的结构光发生装置，其特征在于，所述分光装置为棱镜、光栅或彩虹光滤波器。
6.根据权利要求1或2所述的结构光发生装置，其特征在于，还包括固定装置，所述多个光纤穿过所述固定装置。
7.—种微型三维成像装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的结构光发生装置，还包括: 图像传感器，用于采`集所述结构光发生装置产生的结构光照射下的目标物体的图像；载体，用于承载所述结构光发生装置的多个光纤和所述图像传感器的输入端，其中，所述多个光纤的出射端和所述图像传感器的输入端均固定在所述载体的一端。
8.根据权利要求7所述的微型三维成像装置，其特征在于，所述多个光纤的入射端从所述载体的另一端伸出，所述结构光发生装置的固定装置设置在所述载体中。
9.一种三维数据采集方法，其特征在于，利用权利要求7或8所述的微型三维成像装置采集目标物体的三维表面数据，所述三维数据采集方法包括: 将多束光谱波长各不相同的光经对应的所述多个光纤的出射端投射到目标物体上以在所述目标物体上形成结构光； 通过所述图像传感器采集所述目标物体的图像； 分析所采集的目标物体的图像上的各像素点所对应的光谱波长； 根据所述目标物体的图像上的各像素点所对应的光谱波长识别对应的光纤，并根据所述多个光纤在其出射端的位置关系确定各光纤出射端的出射角度； 根据各光纤出射端的出射角度、所述图像传感器的光学中心与所述结构光发生装置的光学中心的距离、所述图像传感器对所述目标物体的图像上的各像素点的出射角确定所述目标物体表面各点距离所述图像传感器光学中心的距离，以获得所述目标物体的三维表面数据。
10.根据权利要求9所述的三维数据采集方法，其特征在于，所述多个光纤在其出射端的位置关系是通过以下步骤确定的: 将所述多束光谱波长各不相同的光以预设的方向经对应的所述多个光纤的出射端投射到参考物体上，以在参考物体上形成结构光； 通过所述图像传感器采集所述参考物体的图像； 分析所采集的参考物体的图像的各像素点所对应的光谱波长； 根据所述参考物体的图像的各像素点所对应的光谱波长识别对应的光纤，并获取所述多个光纤在其出射端的位置关系。
【文档编号】H04N13/00GK103513330SQ201210220063
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】耿征 申请人:耿征