CN102042815A - 超高速实时三维测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在微秒时间量级内实时获取物体变形过程中三维信息的超高速实时三维测量系统，包括发光系统、投影系统、图像采集系统和控制电路；每个LED光源发出的光通过对应的光学准直系统准直后，再经过对应的液晶板入射到第一X棱镜，三个LED光源发出的光均由第一X棱镜的出射窗口射出；再经过投影透镜组将三个液晶板的信息投射到待测物体表面；从待测物体表面漫反射的光通过消色差成像透镜进入第二X棱镜，第二X棱镜根据颜色(频率)不同将光分成三束，每套数字高速摄影机对应接收一种颜色(频率)的光并进行成像。该系统具有精度高、速度快、非接触测量、稳定性好等优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及三维测量领域和瞬态成像领域，特别涉及一种在微秒时间内实时获取物体变形过程中三维信息的超高速实时三维测量系统。
【背景技术】
随着全球化市场竞争的日趋激烈，三维测量技术作为加快产品开发和创新设计的重要技术之一，越来越受到重视。超高速实时三维测量技术广泛应用于各种测量领域，例如在爆轰、子弹穿甲、碎裂、以及高速碰撞和高速振动过程中，对物体表面变形的研究。这些瞬态过程具有高达1.5km/s的速度，需要us量级的分幅时间，需要在零点零几秒内获得近万幅高时间分辨的三维图像，相应的摄影频率要求达到106pps(幅/秒)。目前实现高速三维传感的方法主要有两大类，一类是采用傅里叶变换三维测量轮廓术，即通过投影系统将光栅投影到被测物体表面，摄像系统获取被物体高度分布调制的变形条纹，并由图像采集系统将变形条纹图输入计算机进行快速傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换，求解物体的高度分布信息。该方法由于只需要投影并拍摄一帧条纹图像即可以获得物体的三维轮廓信息，因此测量速度很快，但是由于其测量精度极度依赖于条纹的质量，当物体形状较复杂时，其测量精度急剧下降，因此其测量领域具有很大限制(仅适合表面起伏不大，形状变化比较平滑的变形过程，例如鼓面振动等)。另一类是采用相位三维测量轮廓术，即通过投影系统将具有一定相位差的多幅光栅投影到被测物体上，摄像系统获取被物体高度分布调制的变形条纹图，并输入计算机来根据相移算法计算相位，再对应计算出物体的高度分布。该方法优点是测量精度高，可以用于面形复杂的物体表面的测量，但是由于需要投影并拍摄三幅以上相移精确的条纹图像，因此其测量速度受到很大影响。受到投影系统的制约，目前采用这类方法的测量速度最快可以达到667pps，远远不能满足高速三维测量的要求。
因此，现有技术有待改进和发展。
【发明内容】
本发明要解决现有技术中在高速三维测量技术里测量精度和测量速度不能同时满足的问题，提供了一种超高速实时三维测量系统，该系统具有精度高、速度快、非接触测量、稳定性好等优点。
本发明的技术方案如下：
一种超高速实时三维测量系统，包括发光系统、投影系统、图像采集系统和控制电路；所述发光系统包括三个LED光源、三套光学准直系统；所述投影系统包括三个液晶板、第一X棱镜和投影透镜组；所述图像采集系统包括消色差成像透镜、第二X棱镜、三套数字高速摄影机；所述控制电路用于使三个LED光源的频闪周期与三套高速摄像机的采集周期同步；三个LED光源分别放置在第一X棱镜的三个不同的侧面，每个LED光源与第一X棱镜之间放置一套光学准直系统和一个液晶板；每个LED光源发出的光通过对应的光学准直系统准直后，再经过对应的液晶板入射到第一X棱镜，三个LED光源发出的光均由第一X棱镜的出射窗口射出；再经过投影透镜组将三个液晶板的信息投射到待测物体表面；从待测物体表面反射的光通过消色差成像透镜进入第二X棱镜，第二X棱镜将光分成三束，每套数字高速摄影机对应接收一束光并进行成像。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，所述三个LED光源分别为R光源、G光源、B光源。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，所述LED光源具有每秒106以上的闪烁频率，100流明以上的亮度，以及5nm以内的谱宽。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，用光栅替代所述液晶板。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，所述第一X棱镜为分光分色棱镜，在第一X棱镜的其中一个对角线方向镀第一反红透蓝绿膜，另一个对角线方向镀第一反蓝透红绿膜。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，采用2组反红透蓝绿滤色镜和反蓝透红绿滤色镜代替所述第一X棱镜。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，所述第二X棱镜为分光分色棱镜，在所述第二X棱镜的其中一个对角线方向镀第二反红透蓝绿膜，另一个对角线方向镀第二反蓝透红绿膜。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，采用2组反红透蓝绿滤色镜和反蓝透红绿滤色镜代替所述第二X棱镜。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，所述三个LED光源的发光时间与三套高速摄像机的曝光时间同步。
所述的超高速实时三维测量系统，其中，所述控制电路包括传输线和计算机，三个LED光源及三套高速摄像机分别通过传输线与计算机连接。
本发明的有益效果：
与以往的三维测量系统相比，本发明具有以下特点：
1、可以获得高时间分辨率的三维图像。本发明投影频率可以达到106Hz，与数字高速摄影机配合使用，每秒可以获得106帧以上的三维图像，幅数可以达到近千帧。
2、与目前的相位测量轮廓术相比，原理上无误差。获取一帧三维图像所需的三帧相移图像是在同一时间内投影并采集到的，因此在这一过程中物体的变形是完全相同的，可以认为物体是绝对静止的，不会给测量带来额外的误差。
3、与傅里叶变换轮廓术相比，由于同时获取了三帧相移图像，因此位相求解的精度更高，测量精度可达20um。
4、整个系统工作过程中没有运动部件，简化了系统的机械和光学设计，实施方便并且稳定性好。
5、利用RGB三色LED光源进行投影照明，并与分光X棱镜或者分光滤色镜结合使用实现了三帧相移图像投影和采集光路之间的分离和独立，精度高，稳定性好。
6、使用LED作为照明光源，利用LED响应速度快的特点，可以实现每秒106以上的闪烁频率。
7、使用三个摄影频率可以达到106fps的数字高速摄影机进行同步拍摄，每秒获取3×106帧相移图像。
【附图说明】
图1是本发明超高速实时三维测量系统示意图。
图2是本发明中采用X棱镜的投影系统的光路图。
图3是本发明中采用反红透蓝绿滤色镜和反蓝透红绿滤色镜的投影系统的光路图。
图4是本发明中采集系统的光路图。
图5是本发明中控制电路LED和数字高速摄影机的同步电路信号脉冲图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1是本发明超高速实时三维测量系统的示意图。由图可见，超高速实时三维测量系统由发光系统、投影系统、图像采集系统、控制电路所组成。其中，发光系统包括三个不同频率(R、G、B)的LED光源：R光源101、G光源102、B光源103，以及三套光学准直系统120。每个LED光源与第一X棱镜130之间放置一套光学准直系统120。
在发光系统中，三个LED光源分别位于第一X棱镜130的三个不同的侧面，每面放置一种颜色的LED光源。LED光源具有较高的响应速度(10-6秒)，较高的亮度(100流明)，以及较窄的谱宽(每种颜色光的波长宽度在5nm以内)，以便实现较高的频闪速度，较强的照度和较好的分光效果。例如红光(R)的波长范围为625～630nm，绿光(G)的波长范围为515～520nm，蓝光(B)的波长范围为465～470nm。
请参阅图2和图1，投影系统由三个液晶板(LCD)110(也可以采用三个不同相移的光栅代替)、第一X棱镜130和投影透镜组140组成。
每套光学准直系统120与第一X棱镜130之间放置一个液晶板(LCD)110。每个LED光源发出的光束分别经过对应的光学准直系统120准直，并通过对应的液晶板110携带有不同的信息后，进入第一X棱镜130。
第一X棱镜130为分光分色棱镜，即在第一X棱镜130对角线所在的平面镀膜，其中一个对角线方向镀第一反红透蓝绿膜131，另一个对角线方向镀第一反蓝透红绿膜132。
R光源101发出的红光由R入射窗口111入射到第一X棱镜130后，经过第一反红透蓝绿膜131反射后，直接由出射窗口114射出，不会进入到其他两个窗口；B光源103发出的蓝光由B入射窗口113入射，经过第一反蓝透红绿膜132反射后，也直接有出射窗口114射出，也不会进入其他窗口；而G光源102发出的绿光由G入射窗口112入射，先后通过第一发蓝透红绿膜132和第一反红透蓝绿膜131，也直接由出射窗口114射出，同样不会进入其他窗口。这样就实现了在同一个窗口同时投影三幅相移图像。
从出射窗口114出射的光进入投影透镜组140，投影透镜组140将三个液晶板110的信息以不同颜色的光投射到待测物体表面141，即将相位测量轮廓术所需的三幅相移图像同时投影到待测物体表面141。
替代液晶板110的光栅必须保证在成像平面所成的像之间具有一定的相移。
需要指出的是，第一X棱镜130也可以采用2组反红透蓝绿滤色镜230和反蓝透红绿滤色镜231代替，如图3所示。
请参阅图4，图像采集系统包括消色差成像透镜150、第二X棱镜160、三套每秒可以采集106帧的数字高速摄影机(分别是R摄影机171、G摄影机172、B摄影机173)。在图像采集系统中，由于也采用了相应的第二X棱镜160，不同颜色光形成的图像，只能通过相对应的光路成像在相对应的数字高速摄影机上。具体地说，合成的光束经过消色差成像透镜150进入第二X棱镜160，当光束经过第二反红透蓝绿滤色膜161后，红色分量被反射，成像在R摄影机171上，而其它两束光则透射过第二反红透蓝绿滤色膜161；当其它两束光经过第二反蓝透红绿滤色膜162后，蓝色分量被反射，成像在B摄影机173上；而绿色分量则透射过第二反蓝透红绿滤色膜162，成像在G摄影机172上，这样不同颜色的光所携带的图像信息就被分离开了。
第二X棱镜160也可以用具有相同功能的RGB滤光镜来替代。
请再次参阅图1，控制电路包括传输线和计算机180。通过计算机180对三个LED光源和三个数字高速摄影机的快门进行同步控制，使三个LED光源的频闪周期T1与三个数字高速摄影机的采集周期T2同步，如图5所示。为了保证数字高速摄影机能够采集到图像，必须使LED光源的发光在数字高速摄影机的曝光时间内完成，即LED光源的发光时间t1与数字高速摄影机的曝光时间t2同步。
在这套系统中，由于三帧相移图像是同时投影并同时获取的，因此其消除了传统方法中由于相移图像是在不同时刻获取所带来的误差。它既具有傅立叶变换轮廓术高速、实时性的特点，又具有相位测量轮廓术的精确、稳定的优点，是一种非常理想的高速三维测量的方法。
由于LED光源的频率响应速度非常高，可以达到106Hz，而目前的数字高速摄影机的摄影频率也可以达到106fps，因此通过控制电路控制LED光源和数字高速摄影机的同步信号，每个数字高速摄影机每秒都可以得到106帧的图像，即在采用三步相移的相位测量轮廓术的情况下每秒即可得到106帧以上的三维图像。
该系统还可以通过添加更多不同颜色(频率)的LED光源、液晶板(光栅)，对应的滤色镜和高速摄像机扩展到四帧及四帧以上相位三维测量轮廓术，以获得更高的精度。
与以往的三维测量系统相比，本发明具有以下优点：
1、可以获得高时间分辨率的三维图像。本发明投影频率可以达到106Hz，与数字高速摄影机配合使用，每秒可以获得106帧以上的三维图像，幅数可以达到近千帧。
2、与目前的相位测量轮廓术相比，原理上无误差。获取一帧三维图像所需的三帧相移图像是在同一时间内投影并采集到的，因此在这一过程中物体的变形是完全相同的，可以认为物体是绝对静止的，不会给测量带来额外的误差。
3、与傅里叶变换轮廓术相比，由于同时获取了三帧相移图像，因此位相求解的精度更高，测量精度可达20um。
4、整个系统工作过程中没有运动部件，简化了系统的机械和光学设计，实施方便并且稳定性好。
5、利用RGB三色LED光源进行投影照明，并与分光X棱镜或者分光滤色镜结合使用实现了三帧相移图像投影和采集光路之间的分离和独立，精度高，稳定性好。
6、使用LED作为照明光源，利用LED响应速度快的特点，可以实现每秒106以上的闪烁频率。
7、使用三个摄影频率可以达到106fps的数字高速摄影机进行同步拍摄，每秒可获取3×106帧相移图像。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种超高速实时三维测量系统，其特征在于：包括发光系统、投影系统、图像采集系统和控制电路；
所述发光系统包括三个LED光源、三套光学准直系统；所述投影系统包括三个液晶板、第一X棱镜和投影透镜组；所述图像采集系统包括消色差成像透镜、第二X棱镜、三套数字高速摄影机；所述控制电路用于使三个LED光源的频闪周期与三套高速摄像机的采集周期同步；
三个LED光源分别放置在第一X棱镜的三个不同的侧面，每个LED光源与第一X棱镜之间放置一套光学准直系统和一个液晶板；
每个LED光源发出的光通过对应的光学准直系统准直后，再经过对应的液晶板入射到第一X棱镜，三个LED光源发出的光均由第一X棱镜的出射窗口射出；再经过投影透镜组将三个液晶板的信息投射到待测物体表面；从待测物体表面反射的光通过消色差成像透镜进入第二X棱镜，第二X棱镜将光分成三束，每套数字高速摄影机对应接收一束光并进行成像。
2.根据权利要求1所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：所述三个LED光源分别为R光源、G光源、B光源。
3.根据权利要求2所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：所述LED光源具有每秒106以上的闪烁频率，100流明以上的亮度，以及5nm以内的谱宽。
4.根据权利要求1所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：用光栅替代所述液晶板。
5.根据权利要求1所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：所述第一X棱镜为分光分色棱镜，在第一X棱镜的其中一个对角线方向镀第一反红透蓝绿膜，另一个对角线方向镀第一反蓝透红绿膜。
6.根据权利要求5所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：采用2组反红透蓝绿滤色镜和反蓝透红绿滤色镜代替所述第一X棱镜。
7.根据权利要求1所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：所述第二X棱镜为分光分色棱镜，在所述第二X棱镜的其中一个对角线方向镀第二反红透蓝绿膜，另一个对角线方向镀第二反蓝透红绿膜。
8.根据权利要求7所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：采用2组反红透蓝绿滤色镜和反蓝透红绿滤色镜代替所述第二X棱镜。
9.根据权利要求1所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：所述三个LED光源的发光时间与三套高速摄像机的曝光时间同步。
10.根据权利要求1所述的超高速实时三维测量系统，其特征在于：所述控制电路包括传输线和计算机，三个LED光源及三套高速摄像机分别通过传输线与计算机连接。
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