CN101936718B - 正弦条纹投影装置以及三维轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三种正弦条纹投影装置以及一种利用该正弦条纹投影装置实现的三维轮廓测量方法，该方法包括：S₁、校正从该正弦条纹投影装置出射的各波长光的强度；S₂、获取各波长条纹间的实际相位移；S₃、进行该相机的标定，并依次对各波长条纹投影进行相位-高度标定；S₄、通过该投影装置依次将各波长条纹投影至被测物，通过相机拍摄被测物表面的各波长条纹投影图像，然后根据各波长条纹投影图像计算出各观测点的初始相位，并对该些初始相位解包裹；S₅、根据相位-高度标定由各观测点的经过解包裹的初始相位分别获取该个观测点的高度坐标，再根据相机标定获取该个观测点的三维坐标。本发明的该测量方案运行速度高、测量精度高，并且成本低廉。

Description

正弦条纹投影装置以及三维轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及正弦条纹投影装置以及一种利用该正弦条纹投影装置实现的三维轮廓测量方法，特别是涉及一种基于多波长正弦条纹结构光投影的三维轮廓测量方法。 

背景技术

在精密的三维轮廓测量中，业内普遍使用高精度马达或者精密投影仪等设备来实现不同波长条纹投影间的相位移。但是，上述设备均不可避免地存在着种种缺陷，例如：高精度马达价格昂贵、装配要求高，很难实现设备的批量生产；而精密投影仪不但同样价格昂贵，而且透光率低、不易聚焦。以上的种种问题便严重影响了精密的三维轮廓测量技术在电子制造以及其它各个工业领域中的广泛应用。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的三维轮廓测量设备价格昂贵、光学品质不佳的缺陷，提供一种基于多波长正弦条纹结构光投影的高速高精度低成本的正弦条纹投影装置以及利用该正弦条纹投影装置实现的三维轮廓测量方法。 

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种正弦条纹投影装置，其特点在于，其包括多个波长不同的点光源，每个该点光源的后方均设有一凹面镜，该多个点光源发出的光经由一根光纤的传输后，依次通过一准直镜组、一光栅、一投影镜头以及一折射板，并从该折射板以不同的相位出射。 

其中，该准直镜组包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的一光阑。 

本发明的另一技术方案为：一种正弦条纹投影装置，其特点在于，其包括一点光源，该点光源的后方设有一凹面镜，该点光源发出的光依次通过一LCD、一准直镜组、一光栅、一投影镜头以及一折射板，其中通过该LCD对进入后续光路的光的波长进行控制，不同波长的光从该折射板以不同的相位出射。 

其中，该准直镜组包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的两个光阑。 

本发明的又一技术方案为：一种正弦条纹投影装置，其特点在于，其包括多个波长不同的点光源，每个该点光源的后方均设有一凹面镜，每个该点光源发出的光在经由准直镜组并被半反射镜折转90°之后，均依次通过一光栅、一投影镜头以及一折射板，并从该折射板以不同的相位出射。 

其中，该准直镜组包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的一光阑。 

本发明的又一技术方案为：一种利用上述正弦条纹投影装置实现的三维轮廓测量方法，其特点在于，该方法包括：S₁、调整从该正弦条纹投影装置出射的各波长光的强度，使得当该投影装置分别进行各波长条纹的投影时，通过一相机拍摄到的各波长条纹投影图像的平均灰度相同；S₂、通过该投影装置依次将各波长条纹投影至一校正板或一被测物的平滑区域，获取各波长条纹间的实际相位移；S₃、进行该相机的标定，并依次对各波长条纹投影进行相位-高度标定；S₄、通过该投影装置依次将各波长条纹投影至被测物，通过该相机拍摄被测物表面的各波长条纹投影图像，然后根据各波长条纹投影图像计算出各观测点的初始相位，并对该些初始相位解包裹；S₅、根据相位-高度标定由各观测点的经过解包裹的初始相位分别获取该各观测点的高度坐标，再根据相机标定获取该各观测点的三维坐标。 

较佳地，在步骤S₂中利用反傅里叶法获取各波长条纹间的实际相位移。 

较佳地，步骤S₃中对每个波长的条纹投影进行相位-高度标定的过程包括以下步骤：S₁₁、通过该投影装置将当前波长的条纹投影于校正板上，并将校正板依次放置于与该投影装置距离不同的一第一位置、一第二位置及一第三位置处，通过该相机拍摄当校正板分别处于该三个位置处时该波长条纹在校正板上的投影图像，并获取同一观测点在本步骤的三次拍摄中的相位 

S₁₂、在该第一位置的相位图中取一与条纹方向相交的直线，在该直线上取点P1’、P2’、P3’，并使该P1’、P2’、P3’点的相位分别等于 

记录该P1’、P2’、P3’点的坐标。 

较佳地，在步骤S₄中，设该相机拍摄到的各波长条纹投影图像中观测点的灰度为 

其中I0为背景光强度， 

为步骤S₂中获取的各波长条纹的实际相位移且设 

A为从该正弦条纹投影装置出射的光强，a为该观测点的初始相位，i＝1...n，n＞＝4且n∈z；根据方程组 

计算出该观测点的初始相位a。 

较佳地，取I0＝0，且n＞＝3。 

较佳地，在步骤S₅中，根据相位-高度标定求得观测点的高度坐标的过程包括以下步骤：S₂₁、在该直线上取点Pc’，并使该Pc’点的相位等于该观测点的经过解包裹的初始相位；S₂₂、设该观测点的高度坐标为Hc，由公式[(H1-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(H1-Hc)]＝[(P1’-P3’)*(P2’-Pc’)]/[(P2’-P3’)*(P1’-Pc’)]求得Hc，其中H1、H2、H3为校正板分别处于该三个位置时在步骤S₁₁中所述的该同一观测点的高度坐标。 

较佳地，当被测物表面空间分布不连续时，通过该投影装置对被测物进行垂直投影。 

本发明的积极进步效果在于：本发明的该测量方案运行速度高、测量精度高，并且成本低廉，可以很好地应用于电子制造SMT(表面组装技术，Surface Mounted Technology)工艺中的锡膏测量以及元器件引脚测量。 

附图说明

图1为本发明的第一种正弦条纹投影装置的结构示意图。 

图2为本发明的第二种正弦条纹投影装置的结构示意图。 

图3为本发明的第三种正弦条纹投影装置的结构示意图。 

图4为本发明的三维轮廓测量方法中采用的校正板的示意图。 

图5为本发明的三维轮廓测量方法中采用的相位-高度标定的原理图。 

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。 

为了对被测物的三维轮廓进行测量，特别是为了在电子制造SMT工艺中实现高速高精度的锡膏测量，以有效地提高电子组装品的质量，本发明采用多波长的正弦条纹结构光照射被测物表面，由于被测物的三维面形会对结构光照明光束产生空间调制，这便导致了结构光的形变，当从另一视角通过一相机观察这些形变时，便能够基于形变数据实现对被测物面形的三维重建。 

在本发明中采用一正弦条纹投影装置来实现上述结构光的投影。 

如图1所示，本发明提出的第一种正弦条纹投影装置包括多个波长不同的点光源，图1中以设置有四个点光源1a、1b、1c、1d的情况为例，其中该四个点光源1a、1b、1c、1d所发出的光的波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4，每个该点光源的后方均设有一凹面镜，该多个点光源发出的光经由同一根光纤2的传输后，将依次通过一准直镜组3、一光栅4、一投影镜头5以及一折射板6，由于不同波长的光在通过物体时的折射率不同，因此不同波长的光会从该折射板6以不同的相位出射，即各波长条纹之间会形成一定的相位差。其中，在该正弦条纹投影装置中，该准直镜组3包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的一光阑。该投影装置能够利 用单一的装置结构实现多个波长的正弦条纹的投影，并且使得各波长条纹之间形成一定的相位差。其中对各个点光源的点亮/关闭可以采用简单的电控方式进行，当根据实际应用需要在不同波长的正弦条纹之间进行切换时，只需点亮所需波长的点光源、同时关闭其余波长的各点光源即可，因此该切换操作不但简便易行，而且得益于电控的高速率，该投影装置的切换速度也是非常迅速的，并且该投影装置还具有成本低廉的优势。 

如图2所示，本发明提出的第二种正弦条纹投影装置包括一点光源1e，该点光源1e的后方同样设有一凹面镜，该点光源1e发出的光将依次通过一LCD 7、一准直镜组3’、一光栅4、一投影镜头5以及一折射板6。在该投影装置中，通过该LCD 7对进入后续光路的光的波长进行选择控制，以根据不同的应用需求在该LCD 7之后获得不同波长的光，例如λ1、λ2或λ3，该些不同波长的光将最终从该折射板6以不同的相位出射。类似地，该准直镜组3’包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的两个光阑。该投影装置同样利用单一的装置结构实现了多个波长的正弦条纹的投影，并且保证在各波长条纹之间形成一定的相位差。当根据实际应用需要在不同波长的正弦条纹之间进行切换时，只需对该LCD 7进行相应的控制，便能够获得所需的某一波长的正弦条纹投影，因此该切换操作同样简便易行、切换速度高，并且该投影装置同样成本低廉。 

如图3所示，本发明提出的第三种正弦条纹投影装置包括多个波长不同的点光源，图3中以设置有三个点光源1a、1b、1c的情况为例，其中该三个点光源1a、1b、1c所发出的光的波长分别为λ1、λ2、λ3，每个该点光源的后方均设有一凹面镜，每个该点光源发出的光均会先各自经由一相应的准直镜组3”并被一相应的半反射镜8折转90°，然后不同波长的光均将依次通过一光栅4、一投影镜头5以及一折射板6，并最终从该折射板6以不同的相位出射。在该投影装置中，该准直镜组3”同样包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的一光阑。该投影装置同样利 用单一的装置结构实现了多个波长的正弦条纹的投影，，并且使得各波长条纹之间形成一定的相位差，其中对各个点光源的点亮/关闭也可以采用简单的电控方式进行，当根据实际应用需要在不同波长的正弦条纹之间进行切换时，该第三种投影装置的切换原理与上述的第一种投影装置完全相同，因此同样具有切换操作简便易行、切换速度高、成本低廉的优点。 

当采用上述三种正弦条纹投影装置中的任意一种进行三维轮廓测量时，本发明的该三维轮廓测量方法包括以下步骤： 

S₁、调整从该正弦条纹投影装置出射的各波长光的强度，使得当该投影装置分别进行各波长条纹的投影时，通过一相机拍摄到的各波长条纹投影图像的平均灰度相同。 

设从上述投影装置出射的各波长光的强度为Ai(i＝1...n，n代表上述投影装置能够实现的不同波长的正弦条纹投影的数量)，考虑到各波长光的亮度不同，而且锡膏或者其他的被测物材料对不同波长光线的反射和吸收率也不同，因此在一般情况下A1、A2...An并不相同，所以首先需要通过一校正步骤来统一该些光强参数。该校正步骤为：通过该投影装置依次将各波长条纹投影至一校正板(如图4所示)或一实际物体表面上，并通过一相机拍摄各波长条纹在该校正板或者该实际物体表面上的投影图像；计算每个波长的条纹投影下的投影图像中的区域平均灰度，并对上述投影装置进行参数调整，改变从其出射的各波长光的亮度，使得各波长条纹投影在该相机CCD中形成相同的平均灰度，即A1＝A2＝...An＝A。 

S₂、通过该投影装置依次将各波长条纹投影至校正板或一被测物的平滑区域，利用反傅里叶法测量各波长条纹间的实际相位移 

其中设 

S₃、利用相机小孔模型进行该相机的标定，以获取该相机的内外参数；并依次对各波长条纹投影进行相位-高度标定，即通过该相机识别校正板上的圆圈中心，并利用相机的标定参数计算出校正板平面的位置，该标定方法利用一个参考平面完成校正，克服了该投影装置本身的误差缺陷，因此较为 稳定、少干扰。 

具体地，如图5所示，对每个波长的条纹投影进行相位-高度标定的过程包括以下步骤：S₁₁、通过该装置将某个波长的条纹投影于校正板上，将校正板依次放置于与该投影装置距离不同的一第一位置d1、一第二位置d2及一第三位置d3处，通过该相机拍摄当校正板分别处于该三个位置d1、d2、d3处时该波长的条纹在校正板上的投影，并获取同一个观测点(u0，v0)在本步骤的三次拍摄中的相位 

S₁₂、在该第一位置d1的相位图中取一与条纹方向垂直或相交的直线le，在该直线le上取点P1’、P2’、P3’，并使该P1’、P2’、P3’点的相位分别等于 记录该P1’、P2’、P3’点的坐标。 

S₄、通过该装置依次将各波长条纹投影至被测物，较佳地，当被测物表面高度变化剧烈、空间分布不连续以及具有空洞时，通过该投影装置对被测物进行垂直投影，接着通过该相机拍摄被测物表面的各波长条纹投影图像，然后根据各波长条纹投影图像计算出由该相机观测到的各观测点的初始相位，并对该些初始相位解包裹。 

即，当已知 

且A1＝A2＝...An＝A时，建立以下方程组，其中Ii(i＝1...n)为该相机拍摄到的各波长条纹投影图像中某一观测点的灰度： 

I1＝I0+A(1+cos(a))； 

对余弦函数进行三角分解得： 

I1＝I0+A(1+cos(a))； 

上述方程组中的未知数仅为：背景光强度I0，从该投影装置出射的光的强度A，该观测点的初始相位a。当n＞＝4(即该投影装置至少可以实现四种波长的正弦条纹投影)时，便可以利用迭代最小二乘法对该方程组求解，从而获得初始相位a的值，然后对该值解包裹得 

(k∈z)。进一步地，在实际应用中应尽量减少背景光的影响，即在无照明时，使得相机CCD的感光接近于零，在这种情况下通常可以忽略背景光强度I0，即认为I0＝0，此时，只需满足n＞＝3便可以对以上方程组求解。通过同样的方式，便可以逐个获得全部观测点的经过解包裹的初始相位。 

S₅、根据相位-高度标定，由各观测点的经过解包裹的初始相位分别获取该各观测点的高度坐标，再根据相机标定获取该各观测点的三维坐标。 

其中，仍如图5所示，根据相位-高度标定求得观测点的高度坐标的过程包括以下步骤：S₂₁、设某一观测点经过解包裹的初始相位为 

在该直线le上取点Pc’，并使该Pc’点的相位等于 

S₂₂、设该观测点的高度坐标为Hc，则Hc可由公式[(H1-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(H1-Hc)]＝[(P1’-P3’)*(P2’-Pc’)]/[(P2’-P3’)*(P1’-Pc’)]求得，其中H1、H2、H3为校正板分别处于上述三个位置d1、d2、d3时上述观测点(u0，v0)的高度坐标，而诸如(P1’-P3’)等等表示的则是相位图面中的欧氏距离。解得该观测点的高度坐标Hc后，通过相机内部参数模型即可得出该观测点在相机空间中的三维坐标(x，y，Hc)。通过同样的方式，便可以逐个获得全部观测点的三维空间坐标，继而便能够重建出相机观测区域中被测物的三维轮廓。 

上述步骤S₁～S₅的具体实现，为本领域技术人员公知的技术手段，并非本发明的发明点所在，在此不再赘述。 

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理 解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种利用一正弦条纹投影装置实现的三维轮廓测量方法，其特征在于，该正弦条纹投影装置采用方案一、方案二和方案三中的一种，

在该方案一中，该正弦条纹投影装置包括多个波长不同的点光源，每个该点光源的后方均设有一凹面镜，该多个点光源发出的光经由一根光纤的传输后，依次通过一准直镜组、一光栅、一投影镜头以及一折射板，并从该折射板以不同的相位出射；

在该方案二中，该正弦条纹投影装置包括一点光源，该点光源的后方设有一凹面镜，该点光源发出的光依次通过一LCD、一准直镜组、一光栅、一投影镜头以及一折射板，其中通过该LCD对进入后续光路的光的波长进行控制，不同波长的光从该折射板以不同的相位出射；

在该方案三中，该正弦条纹投影装置包括多个波长不同的点光源，每个该点光源的后方均设有一凹面镜，每个该点光源发出的光在经由准直镜组并被半反射镜折转90°之后，均依次通过一光栅、一投影镜头以及一折射板，并从该折射板以不同的相位出射；

该方法包括：

S₁、调整从该正弦条纹投影装置出射的各波长光的强度，使得当该投影装置分别进行各波长条纹的投影时，通过一相机拍摄到的各波长条纹投影图像的平均灰度相同；

S₂、使用该投影装置依次将各波长条纹投影至一校正板或一被测物的平滑区域，获取各波长条纹间的实际相位移；

S₃、进行该相机的标定，并依次对各波长条纹投影进行相位-高度标定；

S₄、通过该投影装置依次将各波长条纹投影至被测物，通过该相机拍摄被测物表面的各波长条纹投影图像，然后根据各波长条纹投影图像计算出各观测点的初始相位，并对该些初始相位解包裹；

S₅、根据相位-高度标定由各观测点的经过解包裹的初始相位分别获取该 各观测点的高度坐标，再根据相机标定获取该各观测点的三维坐标。

2.如权利要求1所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，

在该方案一中，该准直镜组包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的一光阑；

在该方案二中，该准直镜组包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的两个光阑；

在该方案三中，该准直镜组包括一第一凸透镜、一第二凸透镜以及设于该第一和第二凸透镜之间的一光阑。

3.如权利要求1或2所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，在步骤S₂中利用反傅里叶法获取各波长条纹间的实际相位移。

4.如权利要求1或2所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，对每个波长的条纹投影进行相位-高度标定的过程包括以下步骤：

S₁₁、通过该投影装置将当前波长的条纹投影于校正板上，并将校正板依次放置于与该投影装置距离不同的一第一位置、一第二位置及一第三位置处，通过该相机拍摄当校正板分别处于该三个位置处时该波长条纹在校正板上的投影图像，并获取同一观测点在本步骤的三次拍摄中的相位 

S₁₂、在该第一位置的相位图中取一与条纹方向相交的直线，在该直线上取点P1’、P2’、P3’，并使该P1’、P2’、P3’点的相位分别等于 

记录该P1’、P2’、P3’点的坐标。

5.如权利要求1或2所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，在步骤S₄中，设该相机拍摄到的各波长条纹投影图像中观测点的灰度为 

其中I0为背景光强度， 

为步骤S₂中获取的各波长条纹的实际相位移且设 

A为从该正弦条纹投影装置出射的光强，a为该观测点的初始相位，i＝1...n，n＞＝4且n∈z；根据方程组 

计算出该观测点的初始相位a。

6.如权利要求5所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，取I0＝0，且 n＞＝3。

7.如权利要求4所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，根据相位-高度标定求得观测点的高度坐标的过程包括以下步骤：

S₂₁、在该直线上取点Pc’，并使该Pc’点的相位等于该观测点的经过解包裹的初始相位；

S₂₂、设该观测点的高度坐标为Hc，由公式[(H1-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(H1-Hc)]＝[(P1’-P3’)*(P2’-Pc’)]/[(P2’-P3’)*(P1’-Pc’)]求得Hc，其中H1、H2、H3为校正板分别处于该三个位置时在步骤S₁₁中所述的该同一观测点的高度坐标。

8.如权利要求1或2所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，当被测物表面空间分布不连续时，通过该投影装置对被测物进行垂直投影。 

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