專利名稱：縱向干涉條紋圖案投影透鏡、光學(xué)系統(tǒng)及三維圖像采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種縱向干涉條紋圖案投影透鏡、光學(xué)系統(tǒng)以及三維圖 像采集裝置，具體涉及適于對由光束干涉形成的縱向干涉條紋圖案進(jìn)行 投影的縱向干涉條紋圖案投影透鏡。
背景技術(shù)：
例如在JP-A-2005-331784 (這里所用的術(shù)語"JP-A"是指"未審公 開的日本專利申請")中描述了一種通過引起光束干涉而形成同心干涉圖 案的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，該專利申請未描述縱向干涉條紋圖案的形成。迄今， 已經(jīng)利用衍射光柵來形成縱向干涉條紋圖案。利用寬度為光的波長等級 的狹縫(或開口)作為衍射光柵的構(gòu)成部件。為了提高光的利用效率， 在利用狹縫的衍射光柵中，通常布置多個狹縫以增加通過狹縫并被其衍 射的光的量。然而，在光柵中布置有多個狹縫的情況下，傳統(tǒng)光柵的缺 陷在于盡管對應(yīng)于零級干涉的光強極高，然而光強隨著像第一級、第二 級、第三級…的干涉等級的增加而迅速降低。為解決該缺陷，采用了將 狹縫數(shù)量減小到例如兩個的方法。然而，光的利用效率(即光通過狹縫 的比率)大大降低。
可選的是，采用利用光學(xué)棱鏡形成干涉條紋圖案的方法。該方法在 形成尺寸可與棱鏡尺寸相當(dāng)?shù)母缮鏃l紋圖案的情況下是有效的。然而， 該方法不適用于干涉條紋圖案的廣角投影。在使用棱鏡對干涉條紋圖案 進(jìn)行廣角投影的情況下，圖案中央部分的光強比圖案周邊部分的光強大 得多。即，與圖案中央部分的光強相比，圖案周邊部分的光強極低。
在使用狹縫(例如，兩個狹縫)作為用于干涉條紋圖案的廣角投影 部件的情況下，光強較低。因而不能利用該方法。在利用光學(xué)棱鏡的情 況下，圖案中央部分的光強極高。圖案周邊部分的光強極低。因而，不
能實現(xiàn)干涉條紋圖案的廣角投影。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠以高光強對縱向干涉條紋圖 案進(jìn)行廣角投影的縱向干涉條紋圖案投影透鏡。
(1) 根據(jù)本發(fā)明的第一方面， 一種縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括: 透鏡主體；透鏡第一表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表 面，并具有沿恒定方向彼此平行地延伸且形狀相同的兩個凸部或凹部；
以及透鏡第二表面，該透鏡第二表面構(gòu)成所述透鏡主體的另一表面，其 中，通過一個凸部或凹部的激光與通過另一凸部或凹部的激光相干涉， 從而形成縱向干涉條紋圖案。
(2) 如第(1)項所述的縱向干涉條紋圖案投影透鏡，其中，所述
兩個凸部或凹部在所述透鏡第一表面上彼此平行地線性延伸；并且所述 透鏡第二表面具有平面形狀。
(3) 如第(1)項所述的縱向干涉條紋圖案投影透鏡，其中，所述
透鏡第一表面和所述透鏡第二表面位于繞一點形成的同心圓的圓弧上。
(4) 如第(1)至第(3)項中任一項所述的縱向干涉條紋圖案投影
透鏡，其中，所述兩個凸部或凹部的位于沿所述透鏡主體的光軸的平面
內(nèi)的截面形狀均由表達(dá)為下式(1)的曲線表示
Jd,l-6卜 (1)
其中，a、 b和n表示實數(shù)，a不等于0， b大于0， n大于0而小于4，
il表示絕對值，A表示取冪。
(5) 根據(jù)本發(fā)明的第二方面， 一種光學(xué)系統(tǒng)包括前透鏡，該前透 鏡將從光源放射的光束改變成平行光線；縱向干涉條紋圖案投影透鏡， 該縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括透鏡主體、透鏡第一表面和透鏡第二 表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表面，并具有沿恒定方 向彼此平行地延伸且形狀相同的兩個凸部或凹部，該透鏡第二表面構(gòu)成 所述透鏡主體的另一表面，并且所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡使從所 述前透鏡輸出的、通過一個凸部或凹部的光與通過另一凸部或凹部的激
光相干涉，從而投影出縱向干涉條紋圖案；以及后透鏡，該后透鏡對從
所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡輸出的光進(jìn)行廣角投影。
(6) 根據(jù)本發(fā)明的第三方面， 一種光學(xué)系統(tǒng)包括前透鏡，該前透
鏡將從光源放射的光束改變成平行光線；縱向干涉條紋圖案投影透鏡， 該縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括透鏡主體、透鏡第一表面和透鏡第二 表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表面，并具有形狀相同 且沿恒定方向延伸的兩個凸部或凹部，該透鏡第二表面構(gòu)成所述透鏡主 體的另一表面，并且所述透鏡第一表面和所述透鏡第二表面位于繞一點 形成的同心圓的圓弧上，其中，所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡使從所 述前透鏡輸出的、通過一個凸部或凹部的光與通過另一凸部或凹部的激 光相干涉，從而投影出縱向干涉條紋圖案。
(7) 如第(5)或(6)項所述的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)還包括限制 投影范圍的窗口，該投影范圍即所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡投影出 縱向干涉條紋圖案的范圍，從而使由所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡投 影的縱向干涉條紋圖案的條紋數(shù)為期望值。
(8) 如第(5)至第(7)項中任一項所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述 兩個凸部或凹部的位于沿所述透鏡主體的光軸的平面內(nèi)的截面形狀均由 表達(dá)為下式(1)的曲線表示-
6卜 (1)
其中，a、 b和n表示實數(shù)，a不等于0， b大于0， n大于0而小于4， ll表示絕對值，A表示取冪。
(9) 根據(jù)本發(fā)明的第四方面， 一種三維圖像采集裝置包括激光光 源；根據(jù)第(5)至第(8)項中的任一項所述的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，該光學(xué) 透鏡系統(tǒng)使從所述激光光源輸出的光束相干涉，從而投影出縱向干涉條 紋圖案；攝像機，該攝像機拍攝從所述光學(xué)透鏡系統(tǒng)投影到對象物上的 縱向干涉條紋圖案的圖像；以及計算單元，該計算單元基于從所述攝像 機輸出的攝像信息得到所述對象物的三維圖像。
(10) 如第(9)項所述的三維圖像采集裝置，該三維圖像采集裝置 還包括發(fā)光模塊，該發(fā)光模塊通過將所述激光光源和所述光學(xué)透鏡系統(tǒng) 集成在一起而構(gòu)成，并安裝成用于所述攝像機的攝像閃光裝置。
(11) 如第(9)或第(10)項所述的三維圖像采集裝置，其中，所 述計算單元結(jié)合在所述攝像機中。
(12) 如第(9)至第(11)項中任一項所述的三維圖像采集裝置， 該三維圖像采集裝置為投影到所述對象物上的縱向干涉條紋圖案順序指 定編號，并根據(jù)所指定的編號獲得三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明，可得到能夠以高的光強對縱向干涉條紋圖案進(jìn)行廣角 投影的縱向干涉條紋圖案投影透鏡。


根據(jù)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施例，其中-
圖1A至圖1C表示根據(jù)本發(fā)明的縱向干涉條紋圖案投影透鏡的實施 例，圖1A是該實施例的正視圖，圖1B是沿圖1A中所示的線A-A'剖取 的剖視圖，圖1C是該實施例的側(cè)視圖2是表示縱向干涉條紋圖案投影透鏡的截面與光軸之間的關(guān)系的
視圖3A和圖3B表示利用圖1A至圖1C中所示透鏡的光學(xué)透鏡系統(tǒng) 的示例；
圖4是表示形成在投影面上的縱向干涉條紋圖案的條紋間距的說明
圖5A至圖5C表示根據(jù)本發(fā)明的縱向干涉條紋圖案投影透鏡的另一 實施例，圖5A是該實施例的正視圖，圖5B是沿圖5A中所示的線A-A' 剖取的剖視圖，圖5C是該實施例的側(cè)視圖6A和圖6B表示利用圖5A至圖5C中所示透鏡的光學(xué)透鏡系統(tǒng) 的示例；
圖7是表示利用根據(jù)本發(fā)明的縱向干涉條紋圖案投影透鏡的三維圖 像采集裝置的實施例的視圖8是表示投影出的縱向干涉條紋圖案的光量分布仿真結(jié)果示例的 曲線圖；以及
圖9A至圖9C表示根據(jù)本發(fā)明的縱向干涉條紋圖案投影透鏡的另一 實施例，圖9A是該實施例的正視圖，圖9B是沿圖9A中所示的線A-A' 剖取的剖視圖，圖9C是該實施例的側(cè)視圖。
具體實施例方式
以下參照附圖描述本發(fā)明的實施例。 (第一實施例)
圖1A至圖1C表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的縱向干涉條紋圖案投影 透鏡的實施例。圖1A是該實施例的正視圖。圖1B是沿圖1A中所示的 線A-A'剖取的剖視圖。圖1C是該實施例的側(cè)視圖。在本實施例的以下 描述中，對通過使激光(波長為800nm)通過特定結(jié)構(gòu)的透鏡而投影出 縱向干涉條紋圖案的示例描述如下。
如圖1A中所示，縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括透鏡主體la和透 鏡第一表面2，該透鏡第一表面2構(gòu)成透鏡主體la的一個表面并具有形 狀相同且沿恒定方向彼此平行地延伸的兩個凸部3和4，并且該縱向干涉 條紋圖案投影透鏡還包括透鏡第二表面5，其構(gòu)成透鏡主體la的另一表 面。當(dāng)激光從透鏡第一表面2入射時，通過凸部3的光與通過凸部4的 光相干涉，因而從透鏡第二表面5輸出的光可在對象物上形成縱向干涉 條紋圖案。在本實施例中，如圖1A和圖1C所示，形成在透鏡第一表面 2上的兩個凸部3和4均具有使這兩個凸部3和4彼此平行地線性延伸的 形狀。此外，透鏡第二表面5形成平坦表面。
圖2是表示縱向干涉條紋圖案投影透鏡的截面與光軸之間的關(guān)系的 視圖。即，透鏡1朝著光軸兩側(cè)的區(qū)域?qū)νㄟ^由光軸劃分單一平面(即， (x-y)平面)而成的其中一個半平面的光進(jìn)行廣角投影。透鏡1還朝著 光軸兩側(cè)的區(qū)域?qū)νㄟ^另一半平面的光進(jìn)行廣角投影。透鏡1包括具有 形狀相同的兩個凸部3和4的透鏡第一表面2。透鏡1的截面成形為雙半 圓。在本實施例中，如圖2所示，x軸定位在兩個凸部3和4之間。凸部 4的頂部定位在沿垂直于x軸的y軸方向的坐標(biāo)為y=b的位置處。凸部3 和4的截面形狀由下式(1)表示<formula>formula see original document page 10</formula>(1)
其中，a、 b和n表示實數(shù)，a不等于0， b大于0， n大于0而小于4， ll表示絕對值，A表示取冪。更具體地說，在式1中，例如a-2， b=0.25, n=2.1。透鏡1沿y方向的寬度為lmm，沿z方向的寬度為lmm,沿x 方向的厚度為2mm。使用塑料透鏡作為透鏡1。透鏡1的折射率為1.48。
圖3A和圖3B表示使用圖1所示透鏡的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的示例。如這 些圖中所示，該光學(xué)透鏡系統(tǒng)包括準(zhǔn)直透鏡32,該準(zhǔn)直透鏡32作為適 于將從半導(dǎo)體激光(LD)光源31放射的光束改變成平行光線的前透鏡； 圖1中示出的縱向干涉條紋圖案投影透鏡33;以及凹透鏡34，該凹透鏡 34作為適于對從縱向干涉條紋圖案投影透鏡33輸出的光進(jìn)行廣角投影的 后透鏡。即，在該示例中，從激光光源31放射的光束首先由準(zhǔn)直透鏡32 改變成平行光束。接著，平行光束入射在具有雙半柱狀形狀的透鏡(即 雙半柱狀透鏡)上，即縱向干涉條紋圖案投影透鏡33上。對通過由光軸 35劃分的雙半柱狀透鏡的一個凸部的光進(jìn)行廣角投影，如圖3A所示。 來自由光軸35劃分(x-y)平面而成的兩個區(qū)域的光束在對象物36上疊 加，從而形成縱向干涉條紋圖案37。
圖3B是沿與圖3A所示的平面垂直且光軸所通過的平面剖取的剖視 圖。如圖3B所示，從激光光源31輸出的光束由準(zhǔn)直透鏡32改變成平行 光束。接著，光束以直線通過鄰近的縱向干涉條紋圖案投影透鏡33。隨 后，后凹透鏡34對光束進(jìn)行廣角投影。因而，在圖3B所示的平面中， 激光束彼此不干涉。相反，激光束被簡單地投影。
對由上述光學(xué)透鏡系統(tǒng)在對象物36上的投影面上形成的縱向干涉 條紋圖案進(jìn)行觀察。圖4示出了在投影面置于距透鏡lm距離處的情況下， 縱向干涉條紋圖案的條紋間距。這樣，縱向干涉條紋圖案的條紋間距約 為3mm。如以上所述，可使用圖1所示的透鏡形成縱向干涉條紋圖案。 因此，可使用半導(dǎo)體激光器和相對簡單的光學(xué)透鏡系統(tǒng)對縱向干涉條紋 圖案進(jìn)行廣角投影。 (第二實施例)
圖5A至圖5C表示根據(jù)本發(fā)明的縱向干涉條紋圖案投影透鏡的第二
實施例。圖5A是該實施例的正視圖。圖5B是沿圖5A中所示的線A-A' 剖取的剖視圖。圖5C是該實施例的側(cè)視圖。在第二實施例的以下描述中， 對通過使從半導(dǎo)體激光光源輸出的激光(其波長為800nm)通過特定結(jié) 構(gòu)的透鏡而對縱向干涉條紋圖案進(jìn)行投影的示例描述如下。
如圖5A所示，縱向干涉條紋圖案投影透鏡51包括透鏡第一表面52， 該透鏡第一表面52具有形狀相同且沿彼此平行的方向延伸的兩個凸部53 和54，并且該縱向干涉條紋圖案投影透鏡還包括透鏡第二表面55。當(dāng)激 光從透鏡第一表面52入射時，通過凸部53的光與通過凸部54的光相干 涉，因而從透鏡第二表面55輸出的光可在對象物上形成縱向干涉條紋圖 案。在本實施例中，如圖5A和圖5C所示，形成在透鏡第一表面52上 的兩個凸部53和54均具有彎曲形狀。此外，透鏡第二表面55形成與透 鏡第一表面的形狀類似的曲面。
在本實施例中，更具體地說，透鏡第一表面52和透鏡第二表面55 形成為使得透鏡第一表面52和透鏡第二表面55的截面分別位于繞特定 點形成的同心圓弧上。該特定點例如是激光光源的發(fā)光點。因此，透鏡 51成形為使得從激光光源放射的光可直線傳播而不會折射經(jīng)過透鏡51。
圖6A和圖6B表示使用圖5所示透鏡的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的示例。如這 些圖中所示，該光學(xué)透鏡系統(tǒng)包括前透鏡62，該前透鏡62適于將從半 導(dǎo)體激光(LD)光源61放射的光束改變成在特定平面上的平行光線；以 及縱向干涉條紋圖案投影透鏡63，該縱向干涉條紋圖案投影透鏡63具有 透鏡第一表面和透鏡第二表面，所述透鏡第一表面具有形狀相同且沿彼 此平行的方向延伸的兩個凸部或兩個凹部，使得透鏡第一表面和透鏡第 二表面的截面位于繞激光光源形成的同心圓弧上，并且從前透鏡通過凸 部或凹部中的一個的光與從前透鏡通過凸部或凹部中的另一個的光相干 涉，從而形成縱向干涉條紋圖案。
圖6A示出了光學(xué)透鏡系統(tǒng)在通過光軸的水平面上的剖視圖。從激光 光源61輸出的光束由前透鏡62改變成平行光束。隨后，通過雙半柱狀 透鏡而分別通過光軸64的左側(cè)區(qū)域以及光軸64的右側(cè)區(qū)域(在圖6A中 進(jìn)行觀察)的光束在對象物65上疊加從而形成縱向干涉條紋圖案。圖6B
表示光學(xué)透鏡系統(tǒng)在通過光軸的垂直平面上的剖視圖。各個透鏡構(gòu)造成 使得在該平面中，從激光光源61放射的光直線傳播而不會被各個透鏡表
面折射。因此，從激光光源61放射的光在保持?jǐn)U散角的同時而投影。顯
然，光束在投影面上不疊加，從而不形成干涉條紋圖案。因此，通過該
透鏡構(gòu)造，可朝對象物65對縱向干涉條紋圖案進(jìn)行廣角投影。根據(jù)本實 施例，與第一實施例相比，可減少光學(xué)系統(tǒng)的透鏡數(shù)量。因此，可通過 更簡單的光學(xué)透鏡系統(tǒng)形成縱向干涉條紋圖案。 (第三實施例)
圖7是表示使用根據(jù)本發(fā)明的縱向千涉條紋圖案投影透鏡的三維圖 像采集裝置的實施例的視圖。如圖7所示，本實施例包括激光光源71; 光學(xué)透鏡系統(tǒng)72，該光學(xué)透鏡系統(tǒng)72構(gòu)成為通過使由激光光源71放射 的光束彼此干涉而投影出縱向千涉條紋圖案；攝像機75，該攝像機75適 于對投影到對象物73上的縱向干涉條紋圖案74進(jìn)行成像；以及計算單 元76，該計算單元76基于從攝像機75輸出的成像信息來采集對象物73 的三維圖像。采用第一和第二實施例中所用的光學(xué)系統(tǒng)作為光學(xué)透鏡系 統(tǒng)72。而且，可通過將激光光源71和光學(xué)透鏡系統(tǒng)72集成在一起而獲 得發(fā)光模塊77。發(fā)光模塊77與攝像機75分開設(shè)置，如圖7所示。然而， 發(fā)光模塊77可作為攝像閃光裝置而安裝在攝像機75中。而且，計算單 元76連接至攝像機75的外部，如圖7所示。然而，計算單元76可結(jié)合 在攝像機75中。
而且，可在發(fā)光模塊77中或其外部設(shè)置矩形窗口 78，該矩形窗口 78適于限制縱向干涉條紋圖案投影的投影范圍，從而使從發(fā)光模塊77的 縱向干涉條紋圖案投影透鏡投影出的縱向干涉條紋圖案的條紋數(shù)量具有 預(yù)定值。即，設(shè)置適于限制縱向干涉條紋圖案的投影的投影范圍的矩形 窗口78。因而，如圖7所示，投影的干涉條紋圖案的條紋數(shù)量受到限制。
在本實施例中，如在圖7中所見，縱向干涉條紋圖案74由從左側(cè)開 始交替布置的亮紋和暗紋構(gòu)成。投影范圍限制窗口 78設(shè)定成使縱向干涉 條紋圖案74包括九個亮紋，并在縱向干涉條紋圖案74的右端布置亮紋， 如在圖7中所見。通過設(shè)置在發(fā)光模塊77側(cè)的攝像機75對供縱向干涉
條紋圖案74投影的對象物73進(jìn)行成像?？v向干涉條紋圖案74被攝像機 75成像成根據(jù)對象物73形狀的不規(guī)則性而變形的圖像。
采集距離圖像的方法如下進(jìn)行。首先，從成像的縱向干涉條紋圖案 74檢測該縱向干涉條紋圖案74中的第一到第九個亮條紋。當(dāng)獲悉檢測到 的亮條紋的數(shù)量時，與所檢測到的亮條紋對應(yīng)的平面由下式2表示。
<formula>formula see original document page 13</formula> (式2)
其中§、 b、 L為已知系數(shù)。
接下來，從圖像檢測攝像機75的成像元件(CCD) 79處的高亮度 點，其對應(yīng)于投影到對象物上的單個縱向干涉條紋圖案。然后，從攝像 機75中的CCD像素位置和角度計算出高亮度點的位置坐標(biāo)(xp》，z,)。 假設(shè)攝像機透鏡的主點的位置為(Xp， yp， Zp)，則由高亮度點的像素位 置確定的直線由下式表示。<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，僅"m"為未知數(shù)。通過將由式3表示的三個直線式代入由 式2表示的平面式而得出未知數(shù)"m"。因此，得到對象物的三維坐標(biāo)(x, y， z)。因而，順序檢測與縱向干涉條紋圖案的亮條紋圖案相對應(yīng)的高亮 度點。得出由一個條紋線確定的對象物的三維坐標(biāo)。對每一縱向干涉條 紋圖案進(jìn)行類似處理，從而得到整個對象物的三維坐標(biāo)。
根據(jù)本實施例，僅通過借助簡單且可小型化的投影裝置將縱向干涉 條紋圖案投影到對象物上并借助普通數(shù)碼相機對投影到對象物上的縱向 干涉條紋圖案進(jìn)行成像，就可采集到對象物的三維圖像。在將用于投影 縱向干涉條紋圖案的裝置安裝成攝像機的閃光裝置的情況下，可使該三 維圖像采集裝置更緊湊從而使其可為便攜式。因此，該三維圖像采集裝 置可容易地采集對象物的三維圖像。
圖8是表示投影出的縱向干涉條紋圖案的光量分布仿真結(jié)果示例的 曲線圖。在該示例中，使用在第一實施例的描述中所述的縱向干涉條紋 圖案投影方法將縱向干涉條紋圖案投影到對象物上。將對象物放置在距 透鏡600mm的距離處。在第三實施例中也使用第一實施例中所用的透鏡。
圖8中所示的曲線圖表示僅通過分別設(shè)置在光軸兩側(cè)的其中一個部分的
光的光投影強度。從圖8可明白，與透鏡的周邊部分相比，光強在透鏡 的中央部分達(dá)到峰值。通過使各個光強值乘以圖4所示的干涉條紋的相 位周期而得到實際投影的干涉條紋中的光強分布。比如指定為右1、右2、 右3的編號的干涉條紋的光強衰減，如圖8所示。因此，投影到對象物 上的縱向干涉條紋圖案被成像。在圖像中，采用光強最高的條紋作為基 準(zhǔn)?？蔀榭v向干涉條紋指定比如第右N (N為自然數(shù))或第左N的編號。 可根據(jù)該編號確定式2那樣的平面式。得到由平面式確定的平面與由式3 表示的、由最高亮度點的像素位置確定的直線的交點，從而可得到三維 圖像。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可通過為投影到對象物上的縱向干涉條紋圖案 順序指定編號而根據(jù)編號信息采集三維圖像?？衫门c中央高光強的縱 向條紋對應(yīng)的平面作為基準(zhǔn)平面。因而，可為條紋指定編號，從而可不 用投影范圍限制窗口而簡單地得到三維圖像。 (第四實施例)
圖9A至圖9C表示根據(jù)本發(fā)明的縱向干涉條紋圖案投影透鏡的另一 實施例。圖9A是該實施例的正視圖。圖9B是沿圖9A中所示的線A-A， 剖取的剖視圖。圖9C是該實施例的側(cè)視圖。盡管根據(jù)第一和第二實施例 的透鏡適用于透鏡第一表面具有兩個凸部，但是第四實施例的透鏡第一 表面具有兩個凹部。第四實施例的其余部分與第一和第二實施例的對應(yīng) 部分相似。因此，與第一和第二實施例相似，可投影出縱向干涉條紋圖 案。以下對第四實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
根據(jù)本實施例，如圖9A所示，縱向干涉條紋圖案投影透鏡91包括 透鏡第一表面92，該透鏡第一表面92具有形狀相同且沿彼此平行的方向 延伸的兩個凹部93和94，并且該縱向干涉條紋圖案投影透鏡91還包括 透鏡第二表面95。當(dāng)激光從透鏡第一表面92入射時，通過凹部93的光 與通過凹部94的光相干涉，從而從透鏡第二表面95輸出的光可在對象 物上形成縱向干涉條紋圖案。在本實施例中，如圖9A和圖9C所示，形 成在透鏡第一表面92上的兩個凹部93和94的形狀均由式1表示。透鏡
第一表面的兩個凹部可成形為彼此平行地線性延伸，并且透鏡第二表面
可成形為平面。然而，根據(jù)本實施例，透鏡第一表面的兩個凹部93和94 的截面成形為彎曲形狀。此外，透鏡第二表面95形成為與透鏡第一表面 的形狀類似的曲面。
在本實施例中，更具體地說，透鏡第一表面92和透鏡第二表面95 形成為使得透鏡第一表面92和透鏡第二表面95的截面分別位于繞特定 點形成的同心圓弧上。該特定點例如是激光光源的發(fā)光點。因此，透鏡 91成形為使得從激光光源放射的光可直線傳播而不會折射過透鏡91。根 據(jù)本實施例，與第一和第二實施例類似，可通過簡單的光學(xué)透鏡系統(tǒng)形 成縱向干涉條紋圖案。
為了說明和描述之目的而提供了本發(fā)明實施例的以上描述。不旨在 窮盡或?qū)⒈景l(fā)明局限于所公開的確切形式。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將 清楚多種修改和變型。所述實施例是為了最佳解釋本發(fā)明的原理及其實 際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員理解本發(fā)明的各種實施例并理解 適用于所構(gòu)想的實際應(yīng)用的各種修改而選出并描述的。本發(fā)明的范圍理 應(yīng)由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1、一種縱向干涉條紋圖案投影透鏡，該縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括透鏡主體；透鏡第一表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表面，并具有沿恒定方向彼此平行地延伸且形狀相同的兩個凸部或凹部；以及透鏡第二表面，該透鏡第二表面構(gòu)成所述透鏡主體的另一表面；其中，通過一個凸部或凹部的激光與通過另一凸部或凹部的激光相干涉，從而形成縱向干涉條紋圖案。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向干涉條紋圖案投影透鏡，其中， 所述兩個凸部或凹部在所述透鏡第一表面上彼此平行地線性延伸；并且所述第二透鏡表面具有平面形狀。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向干涉條紋圖案投影透鏡，其中，所述 透鏡第一表面和所述透鏡第二表面位于繞一點形成的同心圓的圓弧上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向干涉條紋圖案投影透鏡，其中， 所述兩個凸部或凹部的位于沿所述透鏡主體的光軸的平面內(nèi)的截面形狀均由表達(dá)為下式(1)的曲線表示x=a*|w-對 (i)其中，a、 b和n表示實數(shù)，a不等于0， b大于0， n大于0而小于4， ll表示絕對值，A表示取冪。
5、 一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括-前透鏡，該前透鏡將從光源放射的光束改變成平行光線； 縱向干涉條紋圖案投影透鏡，該縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括 透鏡主體；透鏡第一表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表 面，并具有沿恒定方向彼此平行地延伸且形狀相同的兩個凸部或凹 部；以及 透鏡第二表面，該透鏡第二表面構(gòu)成所述透鏡主體的另一表 面，并且所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡使從所述前透鏡輸出的、 通過一個凸部或凹部的光與通過另一凸部或凹部的激光相干涉，從而投影出縱向干涉條紋圖案；以及后透鏡，該后透鏡對從所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡輸出的光進(jìn) 行廣角投影。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)還包括限制投影范 圍的窗口，該投影范圍即所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡投影出縱向干 涉條紋圖案的范圍，從而使由所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡投影出的 縱向干涉條紋圖案的條紋數(shù)量具有期望值。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述兩個凸部或凹部的位于沿所述透鏡主體的光軸的平面內(nèi)的截面形狀均由表達(dá)為下式(1)的曲線表示叫 (1)其中，a、 b和n表示實數(shù)，a不等于0， b大于0， n大于0而小于4， ll表示絕對值，A表示取冪。
8、 一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括前透鏡，該前透鏡將從光源放射的光束改變成平行光線； 縱向干涉條紋圖案投影透鏡，該縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括 透鏡主體；透鏡第一表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表 面，并具有沿恒定方向延伸且形狀相同的兩個凸部或凹部；以及透鏡第二表面，該透鏡第二表面構(gòu)成所述透鏡主體的另一表 面，并且所述透鏡第一表面和所述透鏡第二表面位于繞一點形成的 同心圓的圓弧上； 射所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡使從所述前透鏡輸出的、通過一個 凸部或凹部的光與通過另一凸部或凹部的激光相干涉，從而投影出縱向 千涉條紋圖案。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)還包括限制投影范 圍的窗口，該投影范圍即所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡投影出縱向干 涉條紋圖案的范圍，從而使由所述縱向干涉條紋圖案投影透鏡投影出的 縱向干涉條紋圖案的條紋數(shù)量具有期望值。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述兩個凸部或凹部的位于沿所述透鏡主體的光軸的平面內(nèi)的截面形狀均由表達(dá)為下式(1)的曲線表示<formula>formula see original document page 4</formula> (i)其中，a、 b和n表示實數(shù)，a不等于0， b大于0， n大于0而小于4， ll表示絕對值，A表示取冪。
11、 一種三維圖像采集裝置，該三維圖像采集裝置包括-激光光源；根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，該光學(xué)透鏡系統(tǒng)使從所述激 光光源輸出的光束相干涉，并投影出縱向干涉條紋圖案；攝像機，該攝像機拍攝從所述光學(xué)透鏡系統(tǒng)投影到對象物上的縱向 干涉條紋圖案的圖像；以及計算單元，該計算單元基于從所述攝像機輸出的攝像信息得到所述對象物的三維圖像。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的三維圖像采集裝置，該三維圖像采集裝 置還包括發(fā)光模塊，該發(fā)光模塊通過將所述激光光源和所述光學(xué)透鏡系 統(tǒng)集成在一起而構(gòu)成，并安裝成用于所述攝像機的攝像閃光裝置。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的三維圖像采集裝置，其中，所述計算單 元結(jié)合在所述攝像機中。
14、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的三維圖像采集裝置，其中，該三維圖像 采集裝置為投影到所述對象物上的縱向干涉條紋圖案順序指定編號，并 根據(jù)所指定的編號獲得三維圖像。
全文摘要
本發(fā)明提供了縱向干涉條紋圖案投影透鏡、光學(xué)系統(tǒng)及三維圖像采集裝置。該縱向干涉條紋圖案投影透鏡包括透鏡主體；透鏡第一表面，該透鏡第一表面構(gòu)成所述透鏡主體的一個表面，并具有沿恒定方向彼此平行地延伸且形狀相同的兩個凸部或凹部；以及透鏡第二表面，該透鏡第二表面構(gòu)成所述透鏡主體的另一表面，其中，通過一個凸部或凹部的激光與通過另一凸部或凹部的激光相干涉，從而形成縱向干涉條紋圖案。
文檔編號G02B3/00GK101178445SQ20071010897
公開日2008年5月14日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者瀨古保次 申請人:富士施樂株式會社