CN103226009B - 一种自成像结构光投影和相移装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自成像结构光投影和相移装置，包括光源，以及在光轴上沿入射方向依次布置的多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜。本发明还公开了一种自成像结构光投影和相移的方法，其方法是轴向调节显微物镜使其物方焦平面处于投影光栅某一自成像平面附近，以达到自成像条纹投影的目的，横向移动多狭缝实现投影条纹的相移或位移。本发明基于自成像原理，在实际使用时，用一般普通的位移平台即可满足要求；采用置于柱面透镜焦平面上的多个狭缝光源，从而获得高亮度、高对比度的投影结构光条纹；最后，本发明采用了多狭缝、光栅、柱面透镜和显微物镜这些体积较小的常用光学元件，能缩小整个投影装置的体积，易于实现装置集成化。

Description

一种自成像结构光投影和相移装置及方法

技术领域

本发明属于三维光学测量技术领域，具体涉及一种自成像结构光投影和相移装置及方法。

背景技术

光学三维测量在物体表面轮廓三维尺寸和形状测量中的应用日益广泛，在物体形变测量、塑性加工、实物仿形、机器视觉、生物医学、影视特技、人体检测、工业检测、质量控制、服装CAD以及逆向工程等众多领域，具有非常高的实用价值。

结构光照明三维传感测量，主要包括相干结构光场的产生、相移的产生与对应调制光场图像的采集、相移条纹图的处理及物体轮廓重构等三个步骤。

在结构光照明的三维传感测量中使用的相移技术由于具有对背景、对比度和噪声的变化不敏感，测量精度高，利于信号数据处理和自动三维测量等优点而得到广泛应用。光学位相测量系统需要高精度的相移装置，致使系统变得非常复杂。

在采用干涉型结构光场方法或光栅投影结构光场方法中，其相移分别是通过改变参考光波的光程四分之一波长，或横向移动光栅四分之一光栅常数的距离实现的。这就要求采用高精度（其精度至少为0.01微米）的相移器来完成，对于粗光栅尽管没有这么高的精度要求，但是它不适合细微形貌和高精度测量，限定了其使用范围。如果达不到精度要求，将会带来因无法抑制条纹飘移和抖动对测量误差的影响这一致命弱点。

目前，干涉或光栅移相装置中一般采用压电陶瓷驱动方式或精密步进电机驱动方式。压电陶瓷驱动方式尽管精度高，但也存在非线性、迟滞、蠕变效应，会导致移相测定不准确。步进电机具有较高的定位精度、无位置累积误差，但是存在步进电机转速不够平稳，运行会发生振荡、噪声大，在自然振荡频率附近运行时容易产生共振等缺点，需要复杂的细分等软硬件驱动电路和技术克服上述缺点问题。

液晶光阀投影结构光方式是将计算机模拟的正弦分布结构光场投影到被测物体上，不需要任何的相移装置，避免了因外界振动引起的干涉条纹抖动和漂移，非常容易获得结构投影光场和实现相移。但随着条纹空间频率的增大，由于受到液晶光阀扫描频率的调制，形成莫尔条纹，使投影光场不满足正弦分布，降低系统测量的精度。由于液晶光阀自身投影白光光场不均匀，使正弦投影条纹幅值被调制，故采集的条纹图表现为中心部分亮，边缘部分暗，强度的不均匀同样将对实际物体面形测量精度产生影响。同时，液晶光阀投影系统本身价格昂贵，体积大，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种自成像结构光投影和相移装置及方法，该装置主要解决了现有结构光投影系统设备复杂、体积大、成本高和相移装置精度要求高、驱动控制电路复杂，不适合细微形貌高精度测量要求的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于自成像的结构光投影和相移装置，包括光源，以及在光轴上沿入射方向依次布置的多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜；所述多狭缝固定在位移平台上。

上述光源为扩展的单色LED光源或激光光源。

上述多狭缝位于圆柱面透镜的物方焦平面上。

上述投影光栅采用郎奇光栅或振幅型正弦光栅。

上述显微物镜的物方焦点位于自成像平面上。

上述位移平台为手动或电动位移平台。

本发明还公开了一种基于自成像的结构光投影和相移的方法，包括以下步骤：

1）首先搭建结构光投影和相移装置，在实验平台上安装光源，在光轴上，沿入射方向依次设置多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜，并设计多狭缝的参数；

2）将多狭缝置于圆柱面透镜之物方焦点附近，利用微动调节机构，轴向移动多狭缝，最终使多狭缝位于圆柱面透镜物方的焦平面之上；

3）将投影光栅和显微物镜依次放置在圆柱面透镜之后，先将显微物镜镜头紧贴投影光栅后表面，利用微动调节机构，轴向向后移动显微物镜，直至出现光栅的自成像；

4）利用微动调节机构，横向调节多狭缝的位置，即实现了投影条纹的位移和相移；投影结构条纹相移量为，且，条纹位移量为Δx，且Δx=Δξ/M，其中Δξ是多狭缝的横向位移，M为放大率，d为光栅常数。

上述步骤1）中多狭缝参数的设计具体方法如下：

位于横向距光轴ξ位置处的狭缝光源使条纹位移Δx，Δx=Kd，K取正负整数，即K=±1,±2,±3…，即位移整数倍条纹周期，则该狭缝光源产生的条纹和位于中心光轴上的狭缝产生的条纹重合，狭缝位置确定为ξ=MKd，具体ξ的选取是使每个狭缝光源为相互独立的空间非相干光源，其它狭缝的位置为ξ’，且ξ’=Lξ，其中，L=±1,±2,±3,…；多狭缝采用使各狭缝间为相互独立的空间非相干光源的周期排列或者非周期排列。

本发明具有以下有益效果是：

本发明基于自成像原理，在光轴上沿入射光方向依次设置多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜，并设计多狭缝的参数；实际使用时，由于自成像距离一般是几个毫米甚至更小，故对精度的要求随之降低几十至几百倍，用一般普通的位移平台即可满足要求；另外，本发明采用置于柱面透镜焦平面上的多个狭缝光源，多缝将非相干光源分割成多个相互独立的相干缝光源，每个狭缝光源经透镜后形成不同方向的平面光波，这些不同方向的平面光波照射投影光栅时产生各自独立的光栅自成像，获得高亮度、高对比度的投影结构光条纹；最后，本发明采用了多狭缝、光栅、柱面透镜和显微物镜这些体积较小的常用光学元件，使得本发明结构简单、成本低，能缩小整个投影装置的体积，易于实现装置集成化。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明的原理图。

其中，1为光源；2为多狭缝；3为圆柱面透镜；4为投影光栅；5为显微物镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

参见图1，一种自成像结构光投影和相移装置，包括光源1，以及在光轴上沿入射方向依次布置的多狭缝2、圆柱面透镜3、投影光栅4以及显微物镜5，其中，光源为扩展的单色LED光源或激光光源，投影光栅4采用郎奇光栅或振幅型正弦光栅，显微物镜用于将投影光栅在物镜焦平面上的自成像投影至待测物体之上，投影光栅主要是在平面波照射时，在显微物镜的物方焦面附近形成光栅的像，显微物镜的物方焦点位于某个自成像平面上，光栅可以选用振幅型正弦光栅，柱面透镜用于将置于其前焦平面上不同位置狭缝光源发出的柱面波转换成不同方向的平面波，采用多个狭缝的目的是为了形成相互独立的相干狭缝光源，以增强投影结构条纹的光强；所述多狭缝2固定在手动或电动位移平台上，且该多狭缝2位于圆柱面透镜3的物方焦平面上，其中，手动或电动位移平台用于改变狭缝的位置，使得投影结构光条纹产生所需的相移。

本发明还公开了一种基于自成像的结构光投影和相移的方法，包括以下步骤：

1）首先搭建结构光投影和相移装置，在实验平台上安装光源，在光轴上，沿入射方向依次设置多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜，并设计多狭缝的参数；

其中，多狭缝参数的设计具体方法如下：

位于横向距光轴ξ位置处的狭缝光源使条纹位移Δx，其中，条纹位移量Δx=Kd，K取正负整数，即K=±1,±2,±3…，即位移整数倍条纹周期，则该狭缝光源产生的条纹和位于中心光轴上的狭缝产生的条纹重合，狭缝位置确定为ξ=MKd，具体ξ的选取是使每个狭缝光源为相互独立的空间非相干光源，其它狭缝的位置为ξ’，且ξ’=Lξ，其中，L=±1,±2,±3,…；多狭缝采用使各狭缝间为相互独立的空间非相干光源的周期排列或者非周期排列。

2）将多狭缝置于圆柱面透镜之物方焦点附近，利用微动调节机构，轴向移动多狭缝，最终使多狭缝位于圆柱面透镜物方的焦平面之上；

3）将投影光栅和显微物镜依次放置在圆柱面透镜之后，先将显微物镜镜头紧贴投影光栅后表面，利用微动调节机构，轴向向后移动显微物镜，直至出现光栅的自成像；

4）利用微动调节机构，横向调节多狭缝的位置，即实现了投影条纹的位移和相移；投影结构条纹相移量为且条纹位移量为Δx，且Δx=Δξ/M，其中Δξ是多狭缝的横向位移，M为放大率，d为光栅常数。

本发明的具体操作过程是这样的：

参见图2，扩展的单色LED光源或激光照射在多狭缝上，多狭缝位于位移平台上，横向调节位移平台可改变投影在待测物体条纹的位置或者说使条纹产生相移，轴向调节位移平台使多狭缝定位于圆柱面透镜的前焦平面位置，柱面透镜将不同位置狭缝光源发出的柱面波转换成不同方向的平面波，这些平面波经郎奇光栅或振幅型正弦光栅后由于泰伯效应形成重合的光栅的自成像，显微物镜将其物方焦平面附近的自成像投影至待测物体之上。不同于现有的直接移动光栅位置改变相位的方法，本发明通过改变狭缝光源位置达到投影条纹相移的目的；再则本发明通过投影光栅的自成像而非光栅本身以实现条纹投影的目的。

本发明具有以下优点：

1.光杠杆位移放大，相移精度高：自成像是指光栅在沿光轴方向的单色平行光照射时，在光栅后某一距离ZT（又称Talbot距离，Z_T=2d²/λ，式中d是光栅常数，λ是光的波长）及其整数倍距离处会形成光栅的像。当平行光倾斜于光轴小角度θ入射时，自成像在垂直于光轴的横向上会产生位移，即条纹发生横向移动，其条纹位移量为Δx=Z_Tsinθ≈2d²θ/λ，可见条纹的位移，即相移与平行光倾斜角成正比。

置于焦距为f的柱面透镜焦平面上位于横向距光轴ξ位置处的某个狭缝光源经透镜后形成倾斜角为θ≈tanθ=ξ/f入射的平面光波。可得位移（相移）量Δx与ξ的关系为ξ=(λf/2d²)Δx=MΔx，式中M=λf/2d²=f/Z_T，我们称之为位移（相移）放大率，实际使用时，由于自成像距离一般是几个毫米甚至更小，而焦距是几十甚至几百毫米，故位移（相移）放大率可达几十至几百倍，对精度的要求随之降低几十至几百倍，用一般普通的位移平台即可满足要求。

2.投影结构光强度大，条纹对比高：本发明采用置于柱面透镜焦平面上的多个狭缝光源。当单色扩展光源照射狭缝时，多缝将非相干光源分割成多个相互独立的相干缝光源，每个狭缝光源经透镜后形成不同方向的平面光波，这些不同方向的平面光波照射投影光栅时产生各自独立的光栅自成像，当多缝、光栅和透镜之间满足一定的关系时，各个缝光源产生的自成像条纹位置就会重合，获得高亮度、高对比度的投影结构光条纹。

3.结构参数调整简单，适用性强：自成像投影装置的光路共轴调节要求较低。通过选择合适光栅常数的光栅，可以方便调整投影结构条纹的周期间距；或者移除柱面透镜，多缝光源出射的柱面波照射光栅将形成放大的光栅自成像。光栅的自成像条纹经显微物镜投影到较大或较小的被测物体上，根据测量精度要求，可方便调节投影条纹周期间距，由于光栅常数很小，能很好地应用于物体精细形貌测量。

4.构成简单、体积小，成本低、易于集成化：在光栅自成像效应及倾斜平行光照射时条纹移动原理的基础上，利用圆柱面透镜和多缝光源等保证在高亮度、高精度情况下实现简易、低成本的结构光投影、相移方法及装置，解决了现有结构光投影和相移技术方法装置复杂、成本高的问题。本发明采用了多狭缝、光栅、柱面透镜和显微物镜这些体积较小的常用光学元件，装置构成简单，成本低；能缩小整个投影装置的体积，易于实现装置集成化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种自成像结构光投影和相移方法，包括一种自成像结构光投影和相移装置，该装置包括光源(1)，以及在光轴上沿入射方向依次布置的多狭缝(2)、圆柱面透镜(3)、投影光栅(4)以及显微物镜(5)；所述多狭缝(2)固定在位移平台上；光源(1)为扩展的单色LED光源或激光光源，多狭缝(2)位于圆柱面透镜(3)的物方焦平面上，投影光栅(4)采用郎奇光栅或振幅型正弦光栅，显微物镜的物方焦点位于自成像平面上，位移平台为手动或电动位移平台；其特征在于，自成像结构光投影和相移方法包括以下步骤：

1)首先搭建结构光投影和相移装置，在实验平台上安装光源，在光轴上，沿入射方向依次设置多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜，并设计多狭缝的参数；

2)将多狭缝置于圆柱面透镜之物方焦点附近，利用微动调节机构，轴向移动多狭缝，最终使多狭缝位于圆柱面透镜物方的焦平面之上；

3)将投影光栅和显微物镜依次放置在圆柱面透镜之后，先将显微物镜镜头紧贴投影光栅后表面，利用微动调节机构，轴向向后移动显微物镜，直至出现光栅的自成像；

4)利用微动调节机构，横向调节多狭缝的位置，即实现了投影条纹的位移和相移；投影结构条纹相移量为且条纹位移量为Δx，且Δx＝Δξ/M，其中Δξ是多狭缝的横向位移，M为放大率，d为光栅常数。

2.根据权利要求1所述的自成像结构光投影和相移方法，其特征在于：所述的步骤1)中多狭缝参数的设计具体方法如下：

位于横向距光轴ξ位置处的狭缝光源使条纹位移Δx，Δx＝Kd，K取正负整数，即K＝±1,±2,±3…，即位移整数倍条纹周期，则该狭缝光源产生的条纹和位于中心光轴上的狭缝产生的条纹重合，狭缝位置确定为ξ＝MKd，具体ξ的选取是使每个狭缝光源为相互独立的空间非相干光源，其它狭缝的位置为ξ’，且ξ’＝Lξ，其中，L＝±1,±2,±3,…；多狭缝采用使各狭缝间为相互独立的空间非相干光源的周期排列或者非周期排列。