專利名稱：結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置及微型三維成像裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及三維表面成像(three — dimensional surface imaging)領域，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置以及具有該裝置的微型三維成像裝置。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)光發(fā)生器的傳統(tǒng)設計通常 是由投影儀組成，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，而且無法做到小型化，微型化。尤其是對于類似于微型三維成像裝置這樣的微型成像系統(tǒng)，前端探頭的體積很小，無法容納按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的結(jié)構(gòu)光發(fā)生器。圖I和圖2分別為兩種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光發(fā)生系統(tǒng)的示意圖。圖I中的結(jié)構(gòu)光發(fā)生系統(tǒng)利用光源和結(jié)構(gòu)光濾波器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光投影，該系統(tǒng)包括光源I和結(jié)構(gòu)光濾波片3，由光源I產(chǎn)生的光線經(jīng)過結(jié)構(gòu)光濾波片3的調(diào)制，在目標物體上形成投影圖像。圖2中的結(jié)構(gòu)光發(fā)生系統(tǒng)利用現(xiàn)有圖像或視頻投影儀4直接產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)光投影圖像。盡管類似于圖I和圖2所示的結(jié)構(gòu)光發(fā)生器可以產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)光投影，但是這種結(jié)構(gòu)光發(fā)生器本身的體積較大，應用范圍窄，一般不能直接用于內(nèi)窺鏡、探頭等微型三維成像裝置微型三維成像裝置。

實用新型內(nèi)容在下文中給出關于本實用新型的簡要概述，以便提供關于本實用新型的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本實用新型的窮舉性概述。它并不是意圖確定本實用新型的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本實用新型的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。本實用新型的ー個主要目的在于提供一種體積小的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置和應用該裝置的微型三維成像裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，包括多個光纖，該多個光纖包括入射端和出射端；光源裝置，用于產(chǎn)生多束光譜波長各不相同的光；該光源裝置位于該多個光纖的入射端ー側(cè)，以對應地將產(chǎn)生的多束光譜波長各不相同的光經(jīng)該多個光纖的入射端輸入并經(jīng)該多個光纖的出射端輸出，以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型還提供了一種微型三維成像裝置，包括上述結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，還包括圖像傳感器，用于采集該結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光照射下的目標物體的圖像；載體，用于承載該結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的多個光纖和該圖像傳感器的輸入端，其中，該多個光纖的出射端和該圖像傳感器的輸入端均固定在該載體的一端。本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置采用光纖傳輸光源裝置的光線以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，大大縮小了結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的體積。本實用新型的微型三維成像裝置采用上述結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置采用上述小型化的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，可將一端(例如內(nèi)窺鏡的探測端)的尺寸做的非常小。

參照
以下結(jié)合附圖對本實用新型實施例的說明，會更加容易地理解本實用新型的以上和其它目的、特點和優(yōu)點。附圖中的部件只是為了示出本實用新型的原理。在附圖中，相同的或類似的技術(shù)特征或部件將采用相同或類似的附圖標記來表示。圖I為現(xiàn)有技術(shù)提供的一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的示意圖。 圖2為現(xiàn)有技術(shù)提供的另ー種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的示意圖。圖3為本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中多個光纖有序排列。圖4為本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的另ー種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中多個光纖無規(guī)律排列。圖5為利用棱鏡產(chǎn)生光譜波長在特定范圍內(nèi)變化的空間分布光的示意圖。圖6為利用衍射光柵產(chǎn)生光譜波長在特定范圍內(nèi)變化的空間分布光的示意圖。圖7為利用彩虹光濾波器產(chǎn)生光譜波長在特定范圍內(nèi)變化的空間分布光的示意圖。圖8為利用結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光進行三維表面數(shù)據(jù)采集的示意圖。圖9為本實用新型的微型三維成像裝置的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為采用上述微型三維成像裝置進行三維數(shù)據(jù)采集的一種實施例的流程圖。
具體實施方式
下面參照附圖來說明本實用新型的實施例。在本實用新型的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與ー個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本實用新型無關的、本領域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。本實用新型公開了ー種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其一種實施例包括多個光纖，該多個光纖包括入射端和出射端；光源裝置，用于產(chǎn)生多束光譜波長各不相同的光；該光源裝置位于該多個光纖的入射端ー側(cè)，以對應地將產(chǎn)生的多束光譜波長各不相同的光經(jīng)該多個光纖的入射端輸入并經(jīng)該多個光纖的出射端輸出，以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。實施例I參考圖3和圖4，本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的一種實施例包括多個光纖10，還包括光源裝置20。該多個光纖包括入射端11和出射端12。光源裝置20用于產(chǎn)生多束光譜波長各不相同的光，該多束光譜波長各不相同的光與該多個光纖對應。光源裝置20位于多個光纖10的入射端11的ー側(cè)，以將產(chǎn)生的光經(jīng)該多個光纖10的入射端11輸入并經(jīng)該多個光纖10的出射端12輸出。具體地，光源裝置20將產(chǎn)生的各束光經(jīng)對應的光纖10輸出，以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。[0034]實施例2在實施例I的基礎上，如果預先對該多個光纖10進行有序排列，即該多個光纖10在其入射端11處的位置關系與在其出射端12處的位置關系相同，耦合至入射端11的圖像的特性經(jīng)光纖傳 輸保持不變，即入射端11接收的圖像可以不變地傳輸?shù)匠錾涠?2。出射端12的圖像可以直接或者經(jīng)投影光學元件將結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置所產(chǎn)生的圖像投射到目標物體上。例如，該結(jié)構(gòu)光可為具有特定形狀的圖像，如圖3中的“3D”圖形圖像。實施例3可選地，在實施例I的基礎上，在該多個光纖10中，各光纖10入射端11部分的位置關系與各光纖10出射端12部分的位置關系不同。例如，如果該多個光纖10沒有經(jīng)過有序排列，即該多個光纖10在其出射端12處的位置關系與其在入射端11處的位置關系不同，則結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置輸出的結(jié)構(gòu)光與光源裝置20輸出的圖形不一樣，如圖4所示，光源裝置20可投射出光譜波長從左到右變化的光，經(jīng)多個光纖10傳輸后，在多個光纖10的出射端形成了結(jié)構(gòu)光，該結(jié)構(gòu)光所對應的光譜波長不是按照入射時的規(guī)律變化的，而是無規(guī)律的。實施例4進ー步地，在實施例I或3的基礎上，光源裝置具體為用于產(chǎn)生光譜波長在特定的范圍內(nèi)變化的空間分布光的光源裝置。如圖4所示，光源裝置20產(chǎn)生的光譜波長在特定的范圍內(nèi)變化的空間分布光作為該多束光譜波長各不相同的光，例如圖4中的彩虹光。該空間分布光經(jīng)該多個光纖的入射端11傳輸?shù)皆摱鄠€光纖10，并由該多個光纖10的出射端12進行輸出，輸出后的空間分布光可直接或經(jīng)過投影光學元件投射到目標物體上。實施例5在實施例I或3的基礎上,光源裝置包括白光光源和分光裝置；白光光源位于分光裝置的ー側(cè)，以將白光光源產(chǎn)生的白光經(jīng)分光裝置分光后產(chǎn)生該多束光譜波長各不相同的光。如圖5-7所示，光源裝置20可通過多種方法產(chǎn)生該空間分布光，光源裝置20可包括白光光源21和分光裝置，白光光源21位于分光裝置的ー側(cè)，以將白光光源21產(chǎn)生的白光經(jīng)分光裝置分光后產(chǎn)生該多束光譜波長各不相同的光?？蛇x地，分光裝置22可為圖5中的棱鏡22a、圖6中的光柵22b或圖7中的彩虹光濾波器22c。圖5中，棱鏡22a用于分解白光光源21發(fā)射的光線的組成，使光呈現(xiàn)原來光譜的顔色。由于折射率與光的頻率有關，混合著各種頻率的白光進入棱鏡后，不同頻率的光受到了不同程度的偏折，產(chǎn)生了光譜波長在特定的范圍內(nèi)變化的空間分布光，因此耦合至多個光纖10的入射端11的光具有不同的波長，多個光纖10出射端12輸出的光的波長也各不相同。圖6中,光柵22b可為衍射光柵，白光光源21發(fā)出的白光經(jīng)過衍射光柵的衍射后形成該光譜波長在特定的范圍內(nèi)變化的空間分布光。圖6中的光柵22b是基于夫瑯和費多縫衍射效應工作的。描述光柵結(jié)構(gòu)與光的入射角和衍射角之間關系的公式叫做“光柵方程”。波在傳播時，波陣面上的每個點都可以被認為是ー個單獨的次波源，這些次波源再發(fā)出球面次波，則以后某ー時刻的波陣面，就是該時刻這些球面次波的包絡面(惠更斯原理)。ー個理想的衍射光柵可以認為由ー組等間距的、無限長、無限窄的狹縫組成，狹縫之間的間距為d，稱為光柵常數(shù)。當波長為λ的平面波垂直入射于光柵時，每條狹縫上的點都扮演了次波源的角色。從這些次波源發(fā)出的光線沿所有方向傳播(即球波面)，由于狹縫為無限長，可以只考慮與狹縫垂直的平面上的情況，即把狹縫簡化為該平面上的ー排點。則在該平面上沿某一特定方向的光場是由從每條狹縫出射的光想干疊加而成。在發(fā)生干涉時，由于從每條狹縫出射的光在干渉點的相位都不同，它們之間會部分或全部抵消。然而，當從相鄰兩條狹縫出射的光線到達干渉點的光程差是光的波長的整數(shù)倍時，兩束光線相位相同，就會發(fā)生干涉加強現(xiàn)象。以公式來描述，當衍射角Θ m滿足關系dsin Θ m/λ = m時發(fā)生干涉加強現(xiàn)象，其中d為狹縫間距，即光柵常數(shù)，m是ー個整數(shù)，取值為O、±1、±2……這種干渉加強點稱為衍射極大，因此，衍射光將在衍射角為Θ m時取得極大，即dsin Θ m=mλ (I)上式(I)即為光柵方程。當平面波以入射角Qi入射時，光柵方程為d (sin Θ m+sin Θ j) =mλ (2) 圖7中，采用了彩虹光濾波器作為分光裝置，彩虹光濾波器22c是ー種特殊光學器件，它在各個不同的水平位置所穿透的光的頻率不同，即波長λ是水平位置X的函數(shù)λ= F(x)0白光光源21發(fā)射的光經(jīng)過彩虹光濾波器22c后，每ー個角度投射出的光線的波長不同，即波長λ是出射角度Θ。的函數(shù)λ =氏(0。)。由于每ー根光纖10在入射端11和出射端的位置關系是固定的，因此當多個光纖10的出射端將光投射到物體上，每ー根光纖的出射角度是固定的，又由上面的描述可知，對于姆ー根光纖10,其出射端輸出的光的波長不同，因此當多個光纖10的出射端將光投射到物體上，對于每一根光纖，出射端的出射角度和所輸出的光的波長具有唯一的映射關系，也就是說，各光纖10出射端輸出的光的波長λ是其出射端的出射角度(θ)的函數(shù)，g卩λ =Η(θ)，其中，Θ為每ー個像素所對應的投影光線的出射角。由于各光纖10所傳輸?shù)墓獾墓庾V波長各不相同，因此形成的結(jié)構(gòu)光各點所對應的光譜波長也不同，當多個光纖10是無序排列的，可預先將形成的結(jié)構(gòu)光以預設的方向，例如垂直方向，投射在參考物體上，該參考物體可為，例如平整的白紙。通過分析參考物體上的結(jié)構(gòu)光各點的波長，可根據(jù)光的波長與光纖出射端的出射角度的唯一映射關系，在出射端12處識別出各光纖10 (每個光纖具有固有的特性，即所傳輸?shù)墓獾奶囟ǖ墓庾V波長)，進而獲取各光纖10在出射端12處的位置關系。因此，當本實施例的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光投射到目標物體上，為了得到目標物體某一點的三維位置數(shù)據(jù)，可首先獲取投射在目標物體該點上的光的光譜波長識別出對應的光纖10，井根據(jù)識別的光纖10所處的位置得到該點的投射角度。實施例6可選地，本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置還包括固定裝置50，多個光纖10穿過該固定裝置50。通過該固定裝置50，可避免產(chǎn)品在應用過程中由于光纖移位而造成的數(shù)據(jù)采集誤差。結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的應用參考圖8，本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置可投射具有一定空間和/或時間變化規(guī)律的光線I(u，V)，在目標物體表面上生成投影圖像。投影圖像的變化和扭曲程度與目標物體表面的三維曲面形狀有夫?？衫脠D像傳感器采30集具有結(jié)構(gòu)光投影的目標物體的圖像，對采集的圖像進行處理和分析，得出相應于每一個像素(i，j)的三維數(shù)據(jù)(xij，yij，zij), i=l，2，一I，j=l，2，...J.如圖8所示，利用投射在目標物體上結(jié)構(gòu)光，可識別出采集的圖像中每個像素所對應的光的波長，根據(jù)每個像素所對應的光的波長與各光纖10的唯一映射關系以及預先得到的各光纖10在出射端的位置關系，可以準確地識別出采集的圖像中每ー個像素所對應的投影光線的出射角(Θ)，圖像傳感器30對每ー個像素點的出射角(α)可以由圖像傳感器30的標定參數(shù)得出。因此，目標物體表面距離圖像傳感器30光學中心的距離R可以由以下公式得出
權(quán)利要求1.一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，包括 多個光纖，所述多個光纖包括入射端和出射端； 光源裝置，用于產(chǎn)生多束光譜波長各不相同的光； 所述光源裝置位于所述多個光纖的入射端ー側(cè)，以對應地將產(chǎn)生的多束光譜波長各不相同的光經(jīng)所述多個光纖的入射端輸入、并經(jīng)所述多個光纖的出射端輸出以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，所述多個光纖中，各光纖入射端部分的位置關系與各光纖出射端部分的位置關系不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，所述光源裝置包括白光光源和分光裝置；所述白光光源位于所述分光裝置的ー側(cè)，以將所述白光光源產(chǎn)生的白光經(jīng)所述分光裝置分光后產(chǎn)生所述多束光譜波長各不相同的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，所述分光裝置為棱鏡、光柵或彩虹光濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，還包括固定裝置，所述多個光纖穿過所述固定裝置。
6.一種微型三維成像裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-5任ー項所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，還包括 圖像傳感器，用于采集所述結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光照射下的目標物體的圖像； 載體，用于承載所述結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的多個光纖和所述圖像傳感器的輸入端，其中，所述多個光纖的出射端和所述圖像傳感器的輸入端均固定在所述載體的一端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型三維成像裝置，其特征在于，所述多個光纖的入射端從所述載體的另一端伸出，所述結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的固定裝置設置在所述載體中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的微型三維成像裝置，其特征在于，所述微型三維成像裝置的照明裝置為所述多個光纖。
專利摘要本實用新型涉及一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置和微型三維成像裝置。結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置包括多個光纖，包括入射端和出射端；光源裝置，用于產(chǎn)生多束光譜波長各不相同的光；該光源裝置位于該多個光纖的入射端一側(cè)，以對應地將產(chǎn)生的多束光譜波長各不相同的光經(jīng)該多個光纖的入射端輸入并經(jīng)出射端輸出，以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。微型三維成像裝置，包括結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，還包括圖像傳感器；載體，用于承載光纖和圖像傳感器，光纖的出射端和圖像傳感器均固定在該載體的一端。本實用新型的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置體積較小。本實用新型的微型三維成像裝置的一端(例如內(nèi)窺鏡的探測端)可具有較小尺寸。
文檔編號F21V8/00GK202648631SQ20122030893
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者耿征 申請人:耿征