CN102155925A - 基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，其构成是在准直的激光光源和被测物体之间插入一个一维达曼光栅，被测物体和参考面置于准直透镜的傅里叶变换平面上。CCD接收经物体反射的结构光，参考面和实际物体表面的反射点在CCD靶面上成像的相对距离用来确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。达曼光栅的作用在于将光源的光强等分成多份，实现多点扫描同时具有很高的空间分辨率。此外，由于达曼光栅的各级衍射斑的相对距离严格固定，故而最大限度地降低了单点扫描时振镜的转动误差。本发明装置具有很高的测量精度、空间分辨率，并极大地提高扫描效率，将具有重要的实用意义。

Description

基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置

技术领域

本发明涉及激光扫描三维物体表面形貌测量装置，特别是一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置。

基于分光器件的高效率的扫描技术。在提高扫描效率的同时，对光源强度的要求相对较低，同时具有很高的测量精度和空间分辨率。因而能够广泛地应用于光学扫描测量系统中，特别是在远距离、大尺寸物体的三维表面形貌的信息的获取上，如飞机上对地面建筑、地形地貌等三维数字化信息获取，卫星上多点激光扫描获得月球表面三维信息等众多领域。

背景技术

光学三维传感在机器视觉、工业检测、实物仿形、生物医学等领域具有重要意义和非常广泛地应用前景。主动三维传感是获取三维面形信息的两大基本方法之一，通常情况下它采用具有高亮度、方向性和单色性好、易于实现强度调制的激光光源。主动三维传感采用主动照明技术，投影器发出结构照明光束，接收器接收由被测三维表面返回的光信号，由于三维面形对结构照明光束产生空间或时间调制，因此解调接收到的光信号就可以得到三维面形数据。

最简单的结构照明系统投射一个光点到待测物体表面，为了获取完整的三维面形，必须有附加的二维扫描。这种测量方法对于远距离、大尺寸物体的测量具有很高的测量精度，然而因为每次只扫描一个点，其测量效率是很低的，对于那些对实时性要求较高的应用有较大的限制。同时，由于扫描过程中振镜存在着转动误差，每增加一次扫描即引入一次误差。

另一种结构照明系统投射一个线状光束到待测物体表面，形成线结构照明。采用这种照明的传感系统使用二维面阵探测器作为接收器件，只需要附加一维扫描就可以形成完整的三维面形数据。然而这种投射方式，照明系统对光源的均匀性要求太高，从而造成照明系统成本的较大提高，不能应用于光源亮度不均匀的场合。

在光源和被测物体之间插入适当的光学分光元件可以很好的解决上述缺点。1971年，由Dammann和Gortler最早提出了被称为“达曼光栅”的二值相位光栅【参见在先技术1：H.Dammann and K.Gortler，Opt.Comm.1971，3(3)：312～315】。它作为夫琅禾费型光学器件，入射光波经过它产生的夫琅禾费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sinc函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。1995年周常河给出了从2到64点阵的达曼光栅解【参见在先技术2：C.H.Zhou，L.R.Liu，Appl.Opt.，1995，34(26)，5961～5969】，之后设计了与大多数光学系统相配的圆形达曼光栅，并详细地分析了相位制作误差等对性能的影响【参见在先技术3：C.H.Zhou，J.Jia，L.R.Liu，Opt.Lett.，2003，27(22)：2174～2176】。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，该装置只需附加一维扫描，即可得到很高的测量精度、空间分辨率和极大地提高扫描效率，将具有重要的实用意义。

本发明的基本原理是在激光光源和被测物体之间插入具有分光作用的一维达曼光栅并附加一维扫描，以实现对被测物体的三维表面形貌测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，包括激光光源和计算机，其特点在于沿所述的激光光源的激光光束的输出方向同光轴地依次设置平行光管、小孔光阑、达曼光栅、准直透镜、被测物体和参考平面，所述的参考平面置于所述的准直透镜的傅里叶变换平面上，所述的被测物体置于一个平移台和参考平面上，所述的平移台具有带动所述的被测物体作垂直于所述的光轴运动的机构，实现照明光束对被测物体的一维扫描，具有CCD入瞳和CCD靶面的CCD接收器位于所述的被测物体反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源出射的激光光束，经平行光管、小孔光阑照射在所述的达曼光栅上，经所述的达曼光栅分束后成像在被测物体的表面，被测物体反射的结构光经CCD入瞳采集成像在CCD靶面上，所述的参考面和被测物体表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面上成像的相对距离用来确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。

一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，包括激光光源和计算机，其特征在于沿所述的激光光源激光输出方向依次是平行光管、小孔光阑、振镜、达曼光栅、准直透镜、被测物体和参考平面，所述的参考平面置于所述的准直透镜的傅里叶变换平面上，所述的被测物体置于所述的参考平面上，所述的振镜的转动实现照明光束对被测物体的一维扫描，具有CCD入瞳和CCD靶面的CCD接收器位于所述的被测物体反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源出射的激光光束，经所述的平行光管、小孔光阑、振镜后照射在所述的达曼光栅上，经所述的达曼光栅分束后成像在被测物体的表面，被测物体反射的结构光经CCD入瞳采集成像在CCD靶面上，所述的参考面和被测物体表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面上成像的相对距离用来确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。

本发明的技术效果：

1、由于达曼光栅将光源能量均匀地分布在各个衍射级次上，并且各个衍射级次的相对空间位置严格固定。用它作为分光元件，一次可以扫描多个点，且各点之间不存在单点扫描中振镜引入的转动误差。特别是在远距离、大尺寸物体相对高度测量的应用领域，只需附加一维的光学扫描，即可获得地面地形的大致形貌。

2、此外，相对于条纹投影方式要求的光源均匀照度、参考投影图与被测物条纹图的条纹数目相当、空间分辨率受基频和倍频光谱混叠限制，基于达曼光栅的扫描方式具有对光源的均匀性要求较低、不存在条纹投影数目相对的问题，以及空间分辨率很高(增加扫描次数可以极大地提高空间分辨率)的优点。因而该法在三维物体形貌重构领域有其独特的优势。

3、在光源和被测物体之间插入具有分光作用的达曼光栅，既提高了扫描效率又避免了因将光强分布在整条线上而造成单位线上的光强过低的问题。

所述光栅为一维达曼光栅，即将光源强度等分成N份。相对于单点扫描而言，扫描效率提高了N倍，这里N可以是任意正整数。

附图说明

图1是达曼光栅的分光原理图。

图2是本发明基于达曼光栅的三维表面形貌测量装置实施例1示意图。

图3是本发明基于达曼光栅的三维表面形貌测量装置实施例2示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是达曼光栅的分光原理图。激光光源1辐射出的激光光束经平行光管准直后，平行光入射到达曼光栅4后经过准直透镜5聚焦在焦平面12上。

图2是本发明基于达曼光栅的三维表面形貌测量装置实施例1示意图。其中达曼光栅是固定不动的，被测物体置于平移台上作一维平动，实现附加的一维扫描。

由图可见，本发明基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，包括激光光源1和计算机(图中未示)，沿所述的激光光源1的激光输出方向同光轴地依次设置平行光管2、小孔光阑3、达曼光栅4、准直透镜5、被测物体6和参考平面7，所述的参考平面7置于所述的准直透镜5的傅里叶变换平面上，所述的被测物体6置于一个平移台8和参考平面7上，所述的平移台8具有带动所述的被测物体6作垂直于所述的光轴运动的机构，实现照明光束对被测物体6的一维扫描，具有CCD入瞳9和CCD靶面10的CCD接收器位于所述的被测物体6反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源1出射的激光光束，经平行光管2、小孔光阑3照射在所述的达曼光栅4上，经所述的达曼光栅4分束后成像在被测物体6的表面，被测物体6反射的结构光经CCD入瞳9采集成像在CCD靶面10上，所述的参考面7和被测物体6表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面10上成像的相对距离确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。

图中的达曼光栅是一维达曼光栅，采用1×N结构，即一次光扫描可以扫描N个点。激光光源1辐射出的激光光束经平行光管2准直后，入射到达曼光栅4上，通过准直透镜5成像在焦平面上。成像光斑经被测物体6反射后，漫反射光被CCD接收器采集后送入计算机。计算机根据实际物体表面的反射点的成像光斑和参考面上对应点的成像光斑的相对距离，计算出物体的实际高度。

图中，A是被测物体6表面的反射点，O是对应的参考面上的反射点，A′和O′分别是A、O的像点。l为CCD准直透镜5的物距，l′是像距，h是物体表面到参考平面的距离，h′是A′O′的长度，即l经过准直透镜5的像。α是入射光轴与接收光轴的夹角。根据准直透镜成像原理，以入射光与准直透镜光轴交点所在平面为参考零平面，即基准面，则A相对于基准面的高度h的计算公式为：

$h=\frac{l\×h^{\′}}{l^{\′}\×\sin \mathrm{\α}+h^{\′}\×\cos \mathrm{\α}}$

在实际的测量装置中，变换准直透镜5是不必要的。在缺少变换准直透镜的情况下，光栅成像点在无穷远处，实际装置中，达曼光栅与被测物体间距足够大，因而不影响实际的成像光斑。

数据被采集后送入计算机进行处理。该采集的信息包含物体相对于零参考面7的高度信息，解调后即可得到高度h的信息，即物体三维信息的测量。平移台8的一维平动增加了附加的一维扫描

图3是本发明基于达曼光栅的三维表面形貌测量装置实施例2示意图。其中达曼光栅置于振镜之后，而被测物体固定不动，振镜的转动实现附加的一维扫描。由图可见，基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置实施例2的结构，包括激光光源1和计算机，沿所述的激光光源1的激光输出方向依次是平行光管2、小孔光阑3、振镜11、达曼光栅4、准直透镜5、被测物体6和参考平面7，所述的参考平面7置于所述的准直透镜5的傅里叶变换平面上，所述的被测物体6置于所述的参考平面7上，所述的振镜11的转动实现照明光束对被测物体6的一维扫描，具有CCD入瞳9和CCD靶面10的CCD接收器位于所述的被测物体)反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源1出射的激光光束，经所述的平行光管2、小孔光阑3、振镜11后照射在所述的达曼光栅4上，经所述的达曼光栅4分束后成像在被测物体6的表面，被测物体(6)反射的结构光经CCD入瞳9采集成像在CCD靶面10上，所述的参考面7和被测物体6表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面10上成像的相对距离用来确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。

该实例采用1×N的达曼光栅，将光源能量等分成N份，在确定时刻可以扫描N个点，相对于单点扫描，扫描效率提高了N倍。

本发明由于达曼光栅的作用在于将光源的光强等分成多份，实现多点扫描同时具有很高的空间分辨率。此外，由于达曼光栅的各级衍射斑的相对距离严格固定，故而最大限度地降低了单点扫描时振镜的转动误差。本发明具有点扫描的高信噪比。与条纹投影方法相比，通过多点扫描，可以实现很高的测量精度和空间分辨率，适用于远距离、大尺寸物体的三维表面形貌的获取。本发明有望在三维工件的立体数字化建模，飞机上对地面建筑、地形等三维数字化信息获取和卫星上多点激光扫描获得月球表面三维信息等众多领域广泛应用。

Claims (3)

1.一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，包括激光光源(1)和计算机，其特征在于沿所述的激光光源(1)激光输出方向同光轴地依次设置平行光管(2)、小孔光阑(3)、达曼光栅(4)、准直透镜(5)、被测物体(6)和参考平面(7)，所述的参考平面(7)置于所述的准直透镜(5)的傅里叶变换平面上，所述的被测物体(6)置于一个平移台(8)和参考平面(7)上，所述的平移台(8)具有带动所述的被测物体(6)作垂直于所述的光轴运动的机构，实现照明光束对被测物体(6)的一维扫描，具有CCD入瞳(9)和CCD靶面(10)的CCD接收器位于所述的被测物体(6)反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源(1)出射的激光光束，经平行光管(2)、小孔光阑(3)照射在所述的达曼光栅(4)上，经所述的达曼光栅(4)分束后成像在被测物体(6)的表面，被测物体(6)反射的结构光经CCD入瞳(9)采集成像在CCD靶面(10)上，所述的参考面(7)和被测物体(6)表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面(10)上成像的相对距离确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。

2.一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，包括激光光源(1)和计算机，其特征在于沿所述的激光光源(1)激光输出方向依次是平行光管(2)、小孔光阑(3)、振镜(11)、达曼光栅(4)、准直透镜(5)、被测物体(6)和参考平面(7)，所述的参考平面(7)置于所述的准直透镜(5)的傅里叶变换平面上，所述的被测物体(6)置于所述的参考平面(7)上，所述的振镜(11)的转动实现照明光束对被测物体(6)的一维扫描，具有CCD入瞳(9)和CCD靶面(10)的CCD接收器位于所述的被测物体(6)反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源(1)出射的激光光束，经所述的平行光管(2)、小孔光阑(3)、振镜(11)后照射在所述的达曼光栅(4)上，经所述的达曼光栅(4)分束后成像在被测物体(6)的表面，被测物体(6)反射的结构光经CCD入瞳(9)采集成像在CCD靶面(10)上，所述的参考面(7)和被测物体(6)表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面(10)上成像的相对距离用来确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。

3.根据权利要求1或2所述的基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，其特征在于所述的达曼光栅(4)为一维达曼光栅。

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