长工作距大视场低散斑的结构光投影方法及光学系统与流程

本发明涉及光学投影与激光散斑抑制交叉，具体涉及一种长工作距大视场低散斑的结构光投影方法及光学系统，尤其涉及一种在采用激光光源、长工作距及大视场的数字微镜器件结构光投影中，通过根据抑制散斑所需的最小照明数值孔径确定投影镜头的物方数值孔径以兼顾散斑抑制与光能利用的投影方法及光学系统。

背景技术：

1、结构光三维测量通过向被测对象投射特定图案、再由相机采集变形图案以重建三维信息，是机器视觉中获取物体三维形貌的重要手段。近年来，随着具身智能机器人对环境三维感知能力的需求提升，结构光投影系统被要求在更远的工作距离上、向更大的视场范围投射清晰的结构光图案，以适应机器人作业空间大、目标距离变化范围宽的应用场景。为兼顾不同作业距离，此类系统往往还需要在长、短两种工作距之间切换，并在大视场下保持低畸变，以保证三维重建的精度。

2、在投射图案的生成方式上，采用数字微镜器件（dmd）对照明光进行空间调制、再经投影镜头将图案投射到被测面，因图案可编程、对比度高而被广泛采用。围绕数字微镜器件投影光学系统，现有技术已发展出面向长工作距、大视场的成熟方案。例如，公开号为cn101644603b的专利公开了一种基于数字微镜阵列景象的大视场宽波段仿真光学系统，其包括照明模块、数字微镜器件、长工作距大视场宽波段消色差系统以及类对称中继系统，照明模块经全反射棱镜将光引导至数字微镜器件，数字微镜器件调制后的光依次经消色差系统与中继系统，由位于系统外的出瞳射出，并使该出瞳与系统外被检相机的入瞳相匹配。该方案在长工作距、大视场条件下实现了对宽波段景象的高质量投射，在一定程度上满足了仿真与检测场景对大视场投影的需求。

3、然而，该类系统所面向的是宽波段、非相干照明且光能充裕的仿真或检测场景：其照明光路与投影光路彼此独立设计，照明光路的数值孔径与投影镜头的物方数值孔径之间不存在针对光能利用的匹配约束；其所追求的光瞳匹配，是使系统出瞳与系统外部探测器的入瞳相匹配，以利于对外衔接，而非在系统内部对照明与投影之间的光能传递加以约束；在光能充裕的前提下，此类系统甚至以专门的衰减元件主动调节并削减光通量。也就是说，在该类系统的设计取向中，照明数值孔径与投影物方数值孔径是否匹配、数字微镜器件出射光是否被充分接收，并非需要解决的问题。

4、当将上述面向仿真、检测场景的长工作距大视场数字微镜器件投影架构，迁移至具身智能机器人的结构光投影场景时，工作条件发生了两点关键变化：其一，为获得色域宽、亮度高、可远距离投射的结构光图案，照明光源由宽波段非相干光源改为激光光源；其二，为适应机器人较远的作业距离与较大的作业空间，工作距离显著增大、视场范围显著扩大，致使投射到被测面的光功率密度随工作距离增大而下降，系统由光能充裕转入光能相对稀缺的工况。在这两点变化的共同作用下，沿用前述独立设计照明与投影光路、不约束照明数值孔径与投影物方数值孔径匹配关系的架构，容易在结构光投影中显现出两方面的不足。

5、一方面，由于照明数值孔径与投影镜头物方数值孔径之间缺乏匹配约束，数字微镜器件处于开态时所反射的成像光束中，落在投影镜头物方数值孔径之外的部分倾向于在投影光阑处被拦切而损失。在光能本已相对稀缺的工况下，这部分被拦切的光能难以被有效利用，光能利用率趋于偏低。另一方面，激光相干性高，在被测面上容易产生散斑，影响所投结构光图案的质量；而抑制散斑通常借助扩散元件增大光束发散角，发散角的增大又会增大照明数值孔径。由此，抑制散斑与利用光能两方面诉求经由光束发散角即照明数值孔径这一共同参数相互牵连：增大照明数值孔径虽有利于抑制散斑，却倾向于加剧前述拦切损失；压低照明数值孔径虽有利于减少拦切，又倾向于使散斑抑制不足，二者难以分别独立优化。此外，当系统在长、短两种工作距之间切换时，照明数值孔径与投影物方数值孔径之间所需的匹配关系，还难以在全焦段范围内稳定保持。

6、由此可见，无论是沿用宽波段、光能充裕场景下独立设计照明与投影光路的通用做法，还是采用前述长工作距大视场仿真投影方案，在迁移至激光、长工作距、大视场、光能相对稀缺的结构光投影场景时，均未对照明数值孔径与投影物方数值孔径的匹配关系加以处理；而具身智能机器人的结构光投影恰恰要求在该场景下同时获得充分的散斑抑制与较高的光能利用，并在双工作距下保持稳定。现有技术在这一关键维度上的缺失，构成了本发明所要面对的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在激光、长工作距、大视场、光能相对稀缺的数字微镜器件结构光投影场景下，散斑抑制与光能利用被同一照明数值孔径从相反两侧争用而相互制约，构成不可分别独立优化的一对矛盾——为抑制激光散斑，照明数值孔径须不低于抑制散斑所需的最小照明数值孔径，此为下限；而长工作距、大视场本身要求投影镜头物方数值孔径尽量小，且为避免数字微镜器件开态所反射的成像光在投影光阑处被拦切，照明数值孔径又须不超过投影镜头的物方数值孔径，此为上限，二者所要求的孔径大小方向相反。现有投影光学系统将照明光路与投影光路各自独立设计、照明数值孔径与投影镜头物方数值孔径互不约束，难以在该耦合矛盾下同时获得充分的散斑抑制与较高的光能利用，且所确定的匹配关系难以在长、短双工作距下稳定保持。

2、具体而言，上述矛盾源于照明数值孔径同时受到两侧约束：为抑制散斑，照明数值孔径须不低于抑制散斑所需的最小照明数值孔径，此为下限；为避免数字微镜器件开态成像光在投影光阑处被拦切，照明数值孔径又须不超过投影镜头的物方数值孔径，此为上限。在激光、长工作距、大视场、光能相对稀缺的场景下，二者经同一照明数值孔径相互牵连，沿用独立设计的方案难以使其兼容。由此，本发明所要解决的技术问题进一步包含：

3、其一，如何不再将散斑抑制与光能利用作为相互独立的两个子问题分别处理，而是根据抑制散斑所需的最小照明数值孔径来确定投影镜头的物方数值孔径，使二者落在同一工作点上，从而在抑制散斑的同时消除数字微镜器件处于开态时其出射成像光束在投影光阑处的拦切损失、提高光能利用率；

4、其二，如何确定上述抑制散斑所需的最小照明数值孔径，使投影镜头的物方数值孔径有明确的确定依据，从而在充分抑制散斑与高效利用光能之间不再因光束发散角即照明数值孔径这一共同参数而相互制约；

5、其三，如何使上述根据最小照明数值孔径确定投影物方数值孔径所形成的匹配关系，在长、短两种工作距切换时于全焦段范围内稳定保持。

6、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

7、第一方面，本发明提供一种长工作距大视场低散斑的结构光投影方法，所述方法应用于包括激光照明光路、数字微镜器件和投影镜头的结构光投影光学系统，所述方法包括：

8、由激光照明光路对激光进行散斑抑制并整形为照明光，所述散斑抑制使所述照明光的相干性降至预设的散斑抑制要求，且所述照明光具有由所述散斑抑制要求所确定的最小照明数值孔径；

9、以所述照明光照射所述数字微镜器件，由所述数字微镜器件对所述照明光进行空间调制并使处于开态的微镜将光反射至所述投影镜头；

10、根据所述抑制散斑所需的最小照明数值孔径，确定所述投影镜头的物方数值孔径，使所述投影镜头的物方数值孔径不小于所述最小照明数值孔径；由所述投影镜头将所述数字微镜器件出射的成像光投射至被测面以形成结构光图案，使所述数字微镜器件处于开态时所反射的成像光落入所述投影镜头的物方数值孔径之内而不被投影光阑拦切；

11、并且，所述投影镜头为像方远心，使所述投影镜头的物方数值孔径在长、短两种工作距之间切换的全焦段内保持不小于所述最小照明数值孔径。

12、进一步地，所述投影镜头的物方数值孔径可设置为等于所述最小照明数值孔径，使所述照明光在满足所述散斑抑制要求的同时，所述数字微镜器件处于开态时所反射的成像光不被所述投影镜头的投影光阑拦切。由于在此取等关系下，照明数值孔径既不小于抑制散斑所需的下限、又不大于投影镜头所能接收的上限，故抑制散斑与避免拦切两项要求在同一数值孔径处同时得到满足。

13、进一步地，所述最小照明数值孔径可由所述激光的相干度与目标散斑对比度确定，即依据所述目标散斑对比度反推抑制所述激光散斑所需的最小发散角，并由所述最小发散角确定所述最小照明数值孔径。由此，照明数值孔径的取值有了明确的确定依据，便于使投影镜头的物方数值孔径据此匹配。

14、进一步地，所述散斑抑制与整形可由两个不同波长的激光器经棱镜非相干合束、再经至少一个旋转扩散元件差分扰动、并经匀光整形实现。由于采用不同波长非相干合束与差分扰动相结合，可在不过度增大发散角的前提下满足所述散斑抑制要求，从而有利于使所述最小照明数值孔径不超出投影镜头的物方数值孔径。

15、进一步地，所述匹配关系在双工作距全焦段内的保持，可通过在投影镜头中设置可调焦组、并将成像光的光路至少两次反射折叠、使数字微镜器件的法线在全焦段内垂直于投影光轴来实现。由于投影镜头在全焦段内保持像方远心，其物方数值孔径不随工作距切换而改变，故照明数值孔径与物方数值孔径的匹配关系在长、短工作距下均得以保持。

16、第二方面，本发明提供一种长工作距大视场低散斑的结构光投影光学系统，包括激光照明光路、数字微镜器件和投影镜头；所述激光照明光路用于对激光进行散斑抑制并整形为照明光，使所述照明光的相干性降至预设的散斑抑制要求，且所述照明光具有由所述散斑抑制要求所确定的最小照明数值孔径，并以所述照明光照射所述数字微镜器件；所述数字微镜器件用于对所述照明光进行空间调制，并使处于开态的微镜将光反射至所述投影镜头；所述投影镜头用于将所述数字微镜器件出射的成像光投射至被测面以形成结构光图案，所述投影镜头的物方数值孔径根据所述抑制散斑所需的最小照明数值孔径确定、且不小于所述最小照明数值孔径，使所述数字微镜器件处于开态时所反射的成像光落入所述投影镜头的物方数值孔径之内而不被投影光阑拦切，并且所述投影镜头为像方远心，使所述投影镜头的物方数值孔径在长、短两种工作距之间切换的全焦段内保持不小于所述最小照明数值孔径。所述系统的各组成用于执行上述第一方面所述方法的相应过程。

17、本发明的核心构思在于：在采用激光光源、长工作距、大视场而光能相对稀缺的数字微镜器件结构光投影中，散斑抑制与光能利用并非两个相互独立、可分别优化的子问题，而是被同一物理自由度——数字微镜器件处照明光锥的半角，即照明数值孔径——从相反两侧同时争用而形成的一对耦合矛盾。一方面，为抑制激光散斑，照明数值孔径须不低于抑制散斑所需的最小照明数值孔径，此为其下限；另一方面，长工作距与大视场本身要求投影镜头的物方数值孔径尽量小，而数字微镜器件开态所反射的成像光锥的数值孔径等于照明数值孔径，一旦照明数值孔径超过投影镜头的物方数值孔径，该成像光便在投影光阑处被拦切而损失光能，故照明数值孔径又须不超过投影镜头的物方数值孔径，此为其上限。此上、下限所要求的孔径大小方向相反，且经同一照明数值孔径彼此牵连，在光能相对稀缺的工况下不能分别独立优化。

18、需要指出的是，散斑抑制与光能利用在本发明中由不同环节分工承担：散斑抑制由激光照明光路（例如不同波长非相干合束与旋转扩散元件差分扰动）完成，其结果表现为确定了照明数值孔径的下限，即最小照明数值孔径；而投影镜头物方数值孔径与照明数值孔径的匹配本身并不抑制散斑，其作用在于使已满足散斑抑制要求的开态成像光不被投影光阑拦切、不损失光能。二者的联系在于：在光能相对稀缺的工况下，若开态成像光会被拦切损失，则为节省光能往往不得不压低照明数值孔径，致使散斑抑制不足；本发明消除该拦切损失后，系统方能将照明数值孔径开至抑制散斑所需的最小值而无光能代价，从而使充分的散斑抑制在光能稀缺场景下变得可以负担。

19、现有技术将照明光路与投影光路各自独立设计，照明数值孔径在照明侧自行确定、投影镜头物方数值孔径在投影侧依成像与视场需求另行确定，二者互不约束；其所面向的宽波段、光能充裕场景甚至以专门的衰减元件主动削减光通量，并不存在约束照明与投影之间光能传递的需求，因而未给出、亦无动机将投影镜头物方数值孔径与抑制散斑所需的照明数值孔径相关联。针对上述耦合矛盾，本发明反转常规的孔径确定次序：不由成像与视场需求正向确定投影镜头物方数值孔径，而是以抑制散斑所需的最小照明数值孔径为锚点反向确定投影镜头物方数值孔径，令投影镜头物方数值孔径取为该最小照明数值孔径，并令照明数值孔径亦取该最小值，使可行的照明数值孔径区间收缩至同一工作点。区别于为接纳照明光而增大投影镜头物方数值孔径这一会牺牲长工作距与大视场性能的常规做法，本发明是将照明与投影的数值孔径一并压至共同的最小值：该最小照明数值孔径同时为满足散斑抑制的下限、使开态成像光不被拦切的下限、以及长工作距大视场所偏好的最小投影物方数值孔径，一值兼顾三者。在该工作点处，照明光既满足散斑抑制要求，其全部开态成像光又恰落入投影镜头物方数值孔径之内而不被拦切，从而以同一数值孔径同时实现散斑的充分抑制与光能的高效利用。进一步地，本发明使投影镜头保持像方远心，令其物方数值孔径不随像高与工作距切换而改变，由此上述匹配关系在长、短两种工作距之间切换的全焦段内得以稳定保持，使系统在不同作业距离下均能兼顾散斑抑制与光能利用。

20、有益效果

21、其一，本发明避免了开态成像光在投影光阑处的拦切损失，在光能相对稀缺的场景下提高了光能利用率，且该效果为几何光学的必然结论。区别于现有面向宽波段、光能充裕场景而将照明光路与投影光路独立设计、不约束二者数值孔径匹配关系、甚至主动以衰减元件削减光通量的做法，本发明使投影镜头物方数值孔径不小于抑制散斑所需的最小照明数值孔径；由于数字微镜器件开态所反射的成像光锥的数值孔径等于照明数值孔径，当照明数值孔径不大于投影镜头物方数值孔径时，该成像光锥被完整包含于投影镜头的接收锥之内，其全部开态成像光落入投影镜头物方数值孔径之内而不被投影光阑拦切。此开态成像光不被拦切系由上述数值孔径的几何包含关系必然导出，不依赖具体器件参数，故在光能相对稀缺的场景下有利于提高光能利用率的效果是确定的。

22、其二，本发明使散斑抑制与光能利用不再因共同的照明数值孔径而相互制约，从而使充分的散斑抑制在光能稀缺场景下得以实现。区别于将散斑抑制与光能利用作为相互独立的两个子问题分别处理的做法，本发明识别出二者经由照明数值孔径这一共同自由度从相反两侧相互牵连，并以抑制散斑所需的最小照明数值孔径反向确定投影镜头物方数值孔径，使二者在同一工作点上同时得到满足。由此，在光能相对稀缺的工况下，系统无需为节省光能而压低照明数值孔径，亦不致因此使散斑抑制不足；换言之，本发明经由消除拦切损失，使照明数值孔径可开至抑制散斑所需的最小值而无光能代价，从而使充分的散斑抑制成为光能稀缺场景下可负担的选项。其中，散斑对比度降至目标要求由激光照明光路的散斑抑制环节（如不同波长非相干合束与旋转扩散元件差分扰动）承担，其抑制程度可由本领域技术人员依所采用的散斑抑制手段与器件参数测定，本发明对该匹配关系的贡献在于使该散斑抑制不因光能拦切而被迫削弱。

23、其三，本发明使上述匹配关系在双工作距下稳定保持。区别于现有面向单一工作距、不涉及工作距切换的投影方案，本发明使投影镜头保持像方远心，令其物方数值孔径不随像高与工作距切换而改变，从而使照明数值孔径与投影镜头物方数值孔径之间的匹配关系在长、短两种工作距之间切换的全焦段内得以维持，借此使系统在适应机器人不同作业距离的同时持续兼顾散斑抑制与光能利用。