CN103513329A - 结构光发生装置、结构光处理方法及微型三维成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构光发生装置、结构光处理方法和一种微型三维成像装置。结构光发生装置包括：成像光纤束，包括入射端和出射端；光源装置，用于产生结构光；光源装置位于成像光纤束的入射端一侧，以将产生的结构光经入射端输入并经出射端输出。微型三维成像装置，包括上述结构光发生装置，还包括：图像传感器，用于采集结构光发生装置产生的结构光照射下的物体的图像；载体，用于承载结构光发生装置的成像光纤束和图像传感器，其中，成像光纤束的出射端和图像传感器均固定在所述载体的一端。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一端（例如内窥镜的探测端）可具有较小尺寸。

Description

结构光发生装置、结构光处理方法及微型三维成像装置

技术领域

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、结构光处理方法及具有该结构光发生装置的微型三维成像装置。

背景技术

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。

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1和结构光滤波片3，由光源1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。

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。

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

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。

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。

本发明的另一个主要目的在于提供一种能够缩小结构光发生器的体积的结构光处理方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种结构光发生装置，包括：

成像光纤束，包括入射端和出射端；

光源装置，用于产生结构光；

该光源装置位于该成像光纤束的入射端一侧，以将产生的结构光经该成像光纤束的入射端输入并经该成像光纤束的出射端输出。

为实现上述目的，本发明还提供了一种结构光处理方法，包括：

通过放置在成像光纤束一侧的光源装置产生结构光；

将产生的结构光经成像光纤束的入射端输入并经成像光纤束的出射端输出。

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：

图像传感器，用于采集结构光发生装置产生的结构光照射下的物体的图像；

载体，用于承载结构光发生装置的成像光纤束和图像传感器的输入端，其中，成像光纤束的出射端和图像传感器的输入端均固定在所述载体的一端。

本发明的结构光发生装置采用成像光纤束传输光源装置的光线以产生所需的结构光，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。本发明的结构光处理方法能够缩小结构光发生器的体积。

附图说明

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。

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。

图4为利用图3的结构光发生装置产生彩虹结构光的示意图。

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。

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。

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。

图8为利用本发明的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。

图9为本发明的结构光处理方法的第一实施例的流程图。

图10为本发明的结构光处理方法的第二实施例的流程图。

图11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。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种结构光发生装置，包括：

成像光纤束，包括入射端和出射端；

光源装置，用于产生结构光；

所述光源装置位于所述成像光纤束的入射端一侧，以将产生的结构光经所述成像光纤束的入射端输入并经所述成像光纤束的出射端输出。

本发明的结构光发生装置采用成像光纤传输结构光，相较传统的结构光发生器，体积可大大减小，因此能够应用于内窥镜、探头等微型三维成像装置中。

实施例1

参考图3，在实施例1中，本发明的结构光发生装置包括成像光纤束10和光源装置20。成像光纤束10包括入射端11和出射端12。光源装置20用于产生结构光。光源装置20位于成像光纤束10的入射端11的一侧，以将产生的结构光经成像光纤束10的入射端11输入并经成像光纤束10的出射端12输出。该结构光可为任意结构光图像，如图3中的“3D”图形图像。

本实施例中，成像光纤束10包括多个有序排列的光纤。由于该多个光纤是有序排列的，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。

实施例2

如图4所示，实施例2与实施例1的区别在于，光源装置具体可为：用于产生光谱波长在特定的范围内变化的结构光的光源装置。也就是说，光源装置20产生的结构光可为光谱波长在特定的范围内变化的空间分布光，如彩虹光。该空间分布光经成像光纤束10的入射端11传输到成像光纤束10中，并由成像光纤束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。

实施例3

参考图5-7，实施例1与实施例1、2的区别在于，光源装置20可通过多种方法产生该空间分布光，可选地，光源装置20可包括白光光源21和分光装置，白光光源21产生的白光经分光装置分光后产生该空间分布光。

可选地，分光装置可为图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。

实施例3a

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连续变化的空间分布光。

实施例3b

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连续变化的空间分布光，在此不再赘述。

实施例3c

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，即穿透波长λ是水平位置x的函数：λ＝F(x)。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，即穿透波长λ是出射角度θ的函数：λ＝H(θ)。

直接采用光谱波长在特定范围内连续变化的空间分布光作为结构光可降低制造成本,且由于波长的变化，可准确识别出结构光各点对应的出射角度，为后续的三维数据的获取奠定了基础。

参考图8，在使用本发明的结构光发生装置时，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=1,2,…I,j=1,2,…J.

如图8所示，利用结构光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出射角θ，而每一个像素所对应的图像传感器30出射角

可以由图像传感器30的标定参数得出。因此，目标物体表面距离传感器光学中心的距离R可以由以下公式得出：

$R=B\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}---\left(1\right)$

其中，B是图像传感器30的光学中心与结构光发生装置的光学中心的距离，本实施例中，结构光发生装置的光学中心的距离可为，例如，成像光纤束出射端的中心。根据图像传感器30和结构光发生装置的相对空间关系，可以由目标物体表面距离图像传感器30光学中心的距离R得出目标物体表面各点（例如点P）的三维坐标值（xij，yij，zij），i=1,2,…I,j=1,2,…J，从而产生整幅三维表面数据（三维图像）。

基于图8中的上述原理，本发明公开了一种结构光处理方法。

实施例1

参考图9，本发明的结构光处理方法包括以下步骤：

步骤S10：通过放置在成像光纤束一侧的光源装置产生结构光。例如，可通过放置在成像光纤束10的入射端11一侧的光源装置20产生所需的结构光。

步骤S20：将产生的结构光经成像光纤束的入射端输入并经成像光纤束的出射端输出。

实施例2

参考图10，本发明的结构光处理方法的实施例2与实施例1的区别在于，在步骤S20之后还包括以下步骤：

步骤S30：将成像光纤束出射端输出的结构光投射在目标物体上；

步骤S40：通过图像传感器采集目标物体的图像；

步骤S50：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；

步骤S60：根据目标物体的图像上的各像素点所对应的光谱波长确定所述成像光纤束的出射端对目标物体的图像上的各像素点的出射角度；

步骤S70：根据成像光纤束的出射端对目标物体的图像上的各像素点的出射角度、图像传感器的光学中心与成像光纤束的出射端中心的距离、图像传感器对目标物体的图像上的各像素点的出射角

确定目标物体表面各点距离图像传感器光学中心的距离，以获得目标物体的三维表面数据。

参考图11，本发明的微型三维成像装置的一种实施例包括上述的结构光发生装置、还包括图像传感器30和载体40，图像传感器30用于采集结构光发生装置输出的结构光照射下的目标物体的图像。载体40用于承载结构光发生装置的成像光纤束10和该图像传感器30的输入端，其中，成像光纤束10的出射端12和图像传感器的输入端30均固定在载体40的一端。本发明的微型三维成像装置可利用图8中所示的原理获取目标物体的三维表面数据。

可选地，该微型三维成像装置可为内窥镜或探头，载体40可为内窥镜的探头。成像光纤束10的出射端和图像传感器的输入端30可设置在内窥镜的探头的前端，例如，需要深入人体内进行探测的一端。

可选地，成像光纤束10的入射端从载体40的另一端伸出，以内窥镜为例，成像光纤束10的入射端可从内窥镜探头的后端伸出，这样也可避免体积较大的光源设置在内窥镜探头前端造成内窥镜前端体积过大。

可选地，成像光纤束10也为微型三维成像装置的照明装置，例如，在内窥镜中，一般具有专门的照明通道，使用本发明的结构光发生装置后，可无需设置额外的照明通道，而是同时将成像光纤束作为结构光发生通道和照明通道，进一步简化了内窥镜的结构。

本发明的结构光发生装置采用成像光纤束传输光源装置的光线以产生所需的结构光，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，而且图像传感器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。

图像传感器还可以进行高速图像采集，以获得动态的三维表面图像数据，即三维视频图像。

在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种结构光发生装置，其特征在于，包括：

成像光纤束，包括入射端和出射端；

光源装置，用于产生结构光；

所述光源装置位于所述成像光纤束的入射端一侧，以将产生的结构光经所述成像光纤束的入射端输入并经所述成像光纤束的出射端输出。

2.根据权利要求1所述的结构光发生装置，其特征在于，所述成像光纤束包括多个有序排列的光纤。

3.根据权利要求1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结构光的光源装置。

4.根据权利要求1-3任一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结构光。

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。

6.一种结构光处理方法，其特征在于，包括：

通过放置在成像光纤束一侧的光源装置产生结构光；

将产生的结构光经所述成像光纤束的入射端输入并经所述成像光纤束的出射端输出。

7.如权利要求6所述的结构光处理方法，其特征在于，在将产生的结构光经所述成像光纤束的出射端输出后，所述结构光处理方法还包括：

将所述成像光纤束出射端输出的结构光投射在目标物体上；

通过图像传感器采集所述目标物体的图像；

分析所采集的所述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确定所述成像光纤束的出射端对目标物体的图像上的各像素点的出射角度；

根据所述成像光纤束的出射端对目标物体的图像上的各像素点的出射角度、所述图像传感器的光学中心与所述成像光纤束的出射端中心的距离、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。

8.一种微型三维成像装置，其特征在于，包括如权利要求1-5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物体的图像；

载体，用于承载所述结构光发生装置的成像光纤束和所述图像传感器的输入端，其中，所述成像光纤束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。

9.根据权利要求8所述的微型三维成像装置，其特征在于，所述成像光纤束的入射端从所述载体的另一端伸出。

10.根据权利要求8或9所述的微型三维成像装置，其特征在于，所述成像光纤束复用为所述微型三维成像装置的照明装置。

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