結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置、結(jié)構(gòu)光處理方法及微型三維成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置、結(jié)構(gòu)光處理方法和一種微型三維成像裝置。結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置包括：成像光纖束，包括入射端和出射端；光源裝置，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光；光源裝置位于成像光纖束的入射端一側(cè)，以將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)入射端輸入并經(jīng)出射端輸出。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，用于采集結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光照射下的物體的圖像；載體，用于承載結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的成像光纖束和圖像傳感器，其中，成像光纖束的出射端和圖像傳感器均固定在所述載體的一端。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置體積較小。本發(fā)明的微型三維成像裝置一端（例如內(nèi)窺鏡的探測(cè)端）可具有較小尺寸。
【專利說(shuō)明】結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置、結(jié)構(gòu)光處理方法及微型三維成像裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維表面成像(three — dimensional surface imaging)領(lǐng)域,尤其涉及一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置、結(jié)構(gòu)光處理方法及具有該結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的微型三維成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)光發(fā)生器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常是由投影儀組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且無(wú)法做到小型化，微型化。尤其是對(duì)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(wú)法容納按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光發(fā)生器。
[0003]圖1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1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(guò)結(jié)構(gòu)光濾波片3的調(diào)制，在目標(biāo)物體上形成投影圖像。
[0004]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。
[0005]盡管類似于圖1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(yīng)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0007]本發(fā)明的一個(gè)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(yīng)用該裝置的微型三維成像裝置。
[0008]本發(fā)明的另一個(gè)主要目的在于提供一種能夠縮小結(jié)構(gòu)光發(fā)生器的體積的結(jié)構(gòu)光處理方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，包括:
[0010]成像光纖束，包括入射端和出射端；
[0011]光源裝置，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光；
[0012]該光源裝置位于該成像光纖束的入射端一側(cè)，以將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)該成像光纖束的入射端輸入并經(jīng)該成像光纖束的出射端輸出。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種結(jié)構(gòu)光處理方法，包括:
[0014]通過(guò)放置在成像光纖束一側(cè)的光源裝置產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光；
[0015]將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)成像光纖束的入射端輸入并經(jīng)成像光纖束的出射端輸出。
[0016]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明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:[0017]圖像傳感器，用于采集結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光照射下的物體的圖像；
[0018]載體，用于承載結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的成像光纖束和圖像傳感器的輸入端，其中，成像光纖束的出射端和圖像傳感器的輸入端均固定在所述載體的一端。
[0019]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置采用成像光纖束傳輸光源裝置的光線以產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)光，大大縮小了結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的體積。本發(fā)明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(cè)端)的尺寸做的非常小。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光處理方法能夠縮小結(jié)構(gòu)光發(fā)生器的體積。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]參照下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明，會(huì)更加容易地理解本發(fā)明的以上和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。附圖中的部件只是為了示出本發(fā)明的原理。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(biāo)記來(lái)表示。
[0021]圖1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。
[0022]圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為利用圖3的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生彩虹結(jié)構(gòu)光的示意圖。
[0024]圖5為利用棱鏡產(chǎn)生光譜波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)變化的空間分布光的示意圖。
[0025]圖6為利用衍射光柵產(chǎn)生光譜波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)變化的空間分布光的示意圖。
[0026]圖7為利用彩虹光濾波器產(chǎn)生光譜波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)變化的空間分布光的示意圖。
[0027]圖8為利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維表面數(shù)據(jù)采集的示意圖。
[0028]圖9為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光處理方法的第一實(shí)施例的流程圖。
[0029]圖10為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光處理方法的第二實(shí)施例的流程圖。
[0030]圖11為本發(fā)明的微型三維成像裝置的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)附圖或一種實(shí)施方式中描述的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說(shuō)明中省略了與本發(fā)明無(wú)關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。
[0032]本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，包括:
[0033]成像光纖束，包括入射端和出射端；
[0034]光源裝置，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光；
[0035]所述光源裝置位于所述成像光纖束的入射端一側(cè)，以將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)所述成像光纖束的入射端輸入并經(jīng)所述成像光纖束的出射端輸出。
[0036]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置采用成像光纖傳輸結(jié)構(gòu)光，相較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光發(fā)生器，體積可大大減小，因此能夠應(yīng)用于內(nèi)窺鏡、探頭等微型三維成像裝置中。
[0037]實(shí)施例1
[0038]參考圖3，在實(shí)施例1中，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置包括成像光纖束10和光源裝置20。成像光纖束10包括入射端11和出射端12。光源裝置20用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。光源裝置20位于成像光纖束10的入射端11的一側(cè)，以將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)成像光纖束10的入射端11輸入并經(jīng)成像光纖束10的出射端12輸出。該結(jié)構(gòu)光可為任意結(jié)構(gòu)光圖像,如圖3中的“3D”圖形圖像。
[0039]本實(shí)施例中，成像光纖束10包括多個(gè)有序排列的光纖。由于該多個(gè)光纖是有序排列的，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)光學(xué)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(biāo)物體上。
[0040]實(shí)施例2
[0041]如圖4所示，實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于，光源裝置具體可為:用于產(chǎn)生光譜波長(zhǎng)在特定的范圍內(nèi)變化的結(jié)構(gòu)光的光源裝置。也就是說(shuō)，光源裝置20產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光可為光譜波長(zhǎng)在特定的范圍內(nèi)變化的空間分布光，如彩虹光。該空間分布光經(jīng)成像光纖束10的入射端11傳輸?shù)匠上窆饫w束10中，并由成像光纖束10的出射端12進(jìn)行輸出，輸出后的空間分布光可直接或經(jīng)過(guò)投影光學(xué)元件投射到目標(biāo)物體上。
[0042]實(shí)施例3
[0043]參考圖5-7，實(shí)施例1與實(shí)施例1、2的區(qū)別在于，光源裝置20可通過(guò)多種方法產(chǎn)生該空間分布光，可選地，光源裝置20可包括白光光源21和分光裝置，白光光源21產(chǎn)生的白光經(jīng)分光裝置分光后產(chǎn)生該空間分布光。
[0044]可選地，分光裝置可為圖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。
[0045]實(shí)施例3a
[0046]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(lái)光譜的顏色。由于折射率與光的頻率有關(guān)，混合著各種頻率的白光進(jìn)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(zhǎng)在特定的范圍內(nèi)連續(xù)變化的空間分布光。
[0047]實(shí)施例3b
[0048]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(guò)衍射光柵的衍射后形成該光譜波長(zhǎng)在特定的范圍內(nèi)連續(xù)變化的空間分布光，在此不再贅述。
[0049]實(shí)施例3c
[0050]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是一種特殊光學(xué)器件，它在各個(gè)不同的水平位置所穿透的光的頻率不同，即穿透波長(zhǎng)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(guò)彩虹光濾波器22c后，每一個(gè)角度投射出的光線的波長(zhǎng)不同，即穿透波長(zhǎng)λ是出射角度Θ的函數(shù):λ = Η( Θ )。
[0051]直接采用光譜波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)連續(xù)變化的空間分布光作為結(jié)構(gòu)光可降低制造成本，且由于波長(zhǎng)的變化，可準(zhǔn)確識(shí)別出結(jié)構(gòu)光各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的出射角度，為后續(xù)的三維數(shù)據(jù)的獲取奠定了基礎(chǔ)。
[0052]參考圖8，在使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置時(shí)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置可投射具有一定空間和/或時(shí)間變化規(guī)律的光線:I (U，V)，在目標(biāo)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(biāo)物體表面的三維曲面形狀有關(guān)。可利用圖像傳感器采集具有結(jié)構(gòu)光投影的目標(biāo)物體的圖像，對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理和分析，得出相應(yīng)于每一個(gè)像素(i，j )的三維數(shù)據(jù)(xij, yij, zij), i=l, 2，...1, j=l, 2，...J.[0053]如圖8所示，利用結(jié)構(gòu)光可以準(zhǔn)確地識(shí)別出采集的圖像中每一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的投影光線出射角Θ，而每一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的圖像傳感器30出射角可以由圖像傳感器30的標(biāo)定參數(shù)得出。因此，目標(biāo)物體表面距離傳感器光學(xué)中心的距離R可以由以下公式得出:
[0054]
【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: 成像光纖束，包括入射端和出射端； 光源裝置，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光； 所述光源裝置位于所述成像光纖束的入射端一側(cè)，以將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)所述成像光纖束的入射端輸入并經(jīng)所述成像光纖束的出射端輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，所述成像光纖束包括多個(gè)有序排列的光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，其特征在于，所述光源裝置具體為:用于產(chǎn)生光譜波長(zhǎng)在特定的范圍內(nèi)變化的結(jié)構(gòu)光的光源裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的結(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一側(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)生所述結(jié)構(gòu)光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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。
6.—種結(jié)構(gòu)光處理方法,其特征在于,包括: 通過(guò)放置在成像光纖束一側(cè)的光源裝置產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光； 將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)所述成像光纖束的入射端輸入并經(jīng)所述成像光纖束的出射端輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)光處理方法，其特征在于，在將產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光經(jīng)所述成像光纖束的出射端輸出后，所述結(jié)構(gòu)光處理方法還包括: 將所述成像光纖束出射端輸出的結(jié)構(gòu)光投射在目標(biāo)物體上； 通過(guò)圖像傳感器采集所述目標(biāo)物體的圖像； 分析所采集的所述目標(biāo)物體的圖像上的各像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光譜波長(zhǎng)； 根據(jù)所述目標(biāo)物體的圖像上的各像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光譜波長(zhǎng)確定所述成像光纖束的出射端對(duì)目標(biāo)物體的圖像上的各像素點(diǎn)的出射角度； 根據(jù)所述成像光纖束的出射端對(duì)目標(biāo)物體的圖像上的各像素點(diǎn)的出射角度、所述圖像傳感器的光學(xué)中心與所述成像光纖束的出射端中心的距離、所述圖像傳感器對(duì)所述目標(biāo)物體的圖像上的各像素點(diǎn)的出射角度確定所述目標(biāo)物體表面各點(diǎn)距離所述圖像傳感器光學(xué)中心的距離，以獲得所述目標(biāo)物體的三維表面數(shù)據(jù)。
8.—種微型三維成像裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)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)光照射下的物體的圖像； 載體，用于承載所述結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的成像光纖束和所述圖像傳感器的輸入端，其中，所述成像光纖束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。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微型三維成像裝置，其特征在于，所述成像光纖束的入射端從所述載體的另一端伸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的微型三維成像裝置，其特征在于，所述成像光纖束復(fù)用為所述微型三維成像裝置的照明裝置。
【文檔編號(hào)】H04N13/00GK103513329SQ201210218924
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:耿征