CN104111531B - 一种参数可调的无衍射栅型结构光产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无衍射栅型结构光实现方法，包括：(1)将激光器发出的激光光束经过空间滤波准直器进行空间滤波准直，形成平行光束；(2)通过分光镜将所述平行光束分为两束相干光；(3)通过两对称布置且旋转可调的平面反射镜，使两束相干光分别被对应的平面反射镜反射，得到反射后的第一光束和第二光束；(4)使两光束交汇以产生干涉，并通过旋转平面反射镜，使通过两束光束的交汇夹角发生改变，从而即可获得无衍射柵型结构光条纹。本发明还公开了一种无衍射栅型结构光实现装置。本发明可以产生条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离可调的栅型结构光，可适用于具有不同测量精度、测量范围、测量分辨率等需求的物体表面三维形貌测量。

Description

一种参数可调的无衍射栅型结构光产生方法和装置

技术领域

本发明涉及无衍射光技术领域，具体涉及一种参数可调的无衍射栅型结构光的实现方法和装置，可适用于表面曲率跨度较大的自由曲面类零件表面的非接触三维形貌测量。

背景技术

无衍射光束是波动方程在自由空间中的一组特殊解，其场分布具有第一类零阶贝塞尔函数的形式，且具有在传播时不发散的特性，在多个领域具有广泛用途。

现有的产生无衍射光的方法和装置有很多，例如在中国实用新型专利CN200983014Y中公开了一种实现线性无衍射结构光的器件，该器件以等腰三角棱镜的中心平面为对称，在等腰三角棱镜的两个对称边线处分别连接两个形状相同的直角三角棱镜，使三个三角棱镜的底面位于同一平面内，构成组合三角棱镜，实现了中心级次较强的线性无衍射结构光。

这种线性无衍射结构光由于是一种线结构光，其测量的范围较小、效率不高，不利于测量大型物体的表面形貌。

为克服上述缺陷，人们又提出了一种无衍射栅型结构光，这种无衍射栅型结构光是一种在无衍射线结构光基础上发展起来的新型光，其具有焦深长、条纹细、间距小、光强成正弦分布等特点，用于非接触主动式光学投影法测量三维形貌可以保证系统具有良好的纵向测量范围、精度以及高的横向分辨率。例如，在中国发明专利CN102147239A中公开了一种使用分光棱镜和三角棱镜为主要光学元件实现无衍射栅型结构光条纹投影的系统装置，该装置通过使经第一分光棱镜分光后的两束光束在分别经过三角棱镜和全反射棱镜后交汇于第二分光棱镜并产生干涉，形成空间无衍射栅型结构光条纹。

虽然上述栅型结构光可以一定程度上提升测量的效率和范围，但是，由于其中的三角棱镜等光学元件受制造精度的制约其体积较小，因此该系统产生的无衍射光测量范围不大，测量效率不高。

此外，三角棱镜一旦制成，其角度为恒定不变，产生的无衍射光条纹宽度不可调节。而在被测物体为自由曲面且表面曲率变化很大(如航空叶片)的情况下，根据实际表面情况调节结构光的条纹粗细及无衍射范围大小以适应不同曲面的测量需求是十分必要的，这样可以最大效率的利用无衍射栅型结构光，比如，在曲率变化平缓的表面采用宽条纹投影，在曲率变化陡急的表面采用细条纹投影。上述装置生成的无衍射栅型结构光不能满足参数可调的要求，且投影装置结构复杂、光路元器件多。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型无衍射栅型结构光实现方法和装置，可以产生条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离可调的栅型结构光，该结构光可适用于具有不同测量精度、测量范围、测量分辨率等需求的物体表面三维形貌测量。

按照本发明的一个方面，提供一种无衍射栅型结构光实现方法，其用于生成参数可调的无衍射柵型结构光，其特征在于，该方法具体包括：

S101将激光器发出的激光光束经过空间滤波准直器进行空间滤波准直，形成平行光束；

S102通过分光镜将经过滤波准直后的所述平行光束分为两束相干光；

S103通过两对称布置且旋转可调的平面反射镜，使两束相干光分别被对应的平面反射镜反射，得到反射后的第一光束和第二光束；

S104使该第一光束和第二光束交汇以产生干涉，并通过旋转平面反射镜，使通过所述平面反射镜反射而相交汇的两束光束的交汇夹角发生改变，从而即可获得参数可调的无衍射柵型结构光条纹。

作为本发明的改进，所述可调的参数包括条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离。

作为本发明的改进，所述无衍射柵型结构光的可调的各参数大小与两相交汇光束的夹角成反比。

作为本发明的改进，所述两平面反射镜的旋转为同时相向或反向的旋转。

作为本发明的改进，还包括对生成的无衍射柵型结构光的扩束准直步骤，以增大空间衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

作为本发明的改进，还可以在交汇前对第一光束和/或第二光束通过反射镜进行光路折叠，以缩短光路长度。

本发明的方法中，激光由激光器出射，经空间滤波准直器后生成直接适当的平行光束，垂直入射于分光棱镜并分成透射光束和反射光束，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别置于精密旋转台上且以一个合适的角度严格对称布置于分光棱镜分光面的两侧，透射光束和反射光束分别经第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后，在分光棱镜正后方一定区域叠加，形成明暗相间的条纹。

本发明的方法中，还可以对产生的新型近似无衍射栅型结构光进行扩束，消除畸变与像差，得到条纹间距和测量范围较宽的无衍射栅型结构光。

按照本发明的另一方面，提供一种无衍射栅型结构光实现装置，用于生成参数可调的无衍射柵型结构光，其特征在于，该装置包括：

空间滤波准直器，其用于对激光器发出的激光光束进行空间滤波准直，以形成平行光束；

分光镜，其用于将经过滤波准直后的所述平行光束分为两束相干光；

两旋转可调的平面反射镜，其对称布置于所述分光镜两侧，以用于对所述两束相干光分别进行反射，从而得到反射后的第一光束和第二光束；通过使该第一光束和第二光束交汇以产生干涉，并通过旋转所述平面反射镜，使通过所述平面反射镜反射而相交汇的两束光束的交汇夹角发生改变，从而即可获得参数可调的无衍射柵型结构光条纹。

作为本发明的改进，所述两平面反射镜中，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别固定于透镜架上，该透镜架上设有用于分别对平面反射镜进行上下和左右方向进行微调的旋钮，所述透镜架通过支杆和支架连接于旋转台上，该旋转台以一定夹角严格对称布置于分光棱镜分光面两侧，并可沿其中心旋转，从而可实现对所述两平面反射镜旋转角度的调整。

作为本发明的改进，该装置还可以包括透镜组合，用于生成的近似无衍射柵型结构光条纹的扩束准直，以增大空间衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

作为本发明的改进，该装置还可以包括两个按一定角度放置的大型平面反射镜，以用于折叠空间光路，从而缩短光路长度。

本发明的装置中，用于折叠空间光路的大型光学平面反射镜至少两个，以一定角度放置与光路中。

本发明的装置中，透镜组合包括至少两个不同焦距的透镜和一个消除光畸变的补偿透镜。

本发明的装置中，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别固定于透镜架上，透镜架上有两个旋钮，可以对平面反射镜进行上下和左右方向的微调。透镜架通过支杆、支架连接于旋转台上，旋转台以一定夹角严格对称布置于分光棱镜分光面(也即Z轴)两侧。旋转台可沿其中心顺、逆时针旋转，精度高达1’。当同时同向或反向转动两旋转台时，两平面反射镜必然也随之转动，则两通过平面反射镜反射而相交汇的光束1、2的交汇夹角必然也发生改变。由于系统所产生新型无衍射栅型结构光的条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离只与两相交光束的夹角有关，因而所产生结构光的条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离也将发生改变(也即参数可调)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明产生的无衍射柵型结构光具有焦深长、条纹细、间距小、光强成正弦分布等特点，且它的测量参数(条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离)可以根据不同的测量对象需求而做出相应调节，具有很强的适应性。

本发明新型无衍射柵型结构光实现方法简易，系统结构简单、调节方便，关键器件易于实现，利用较小的光源可以实现大面积投影测量，可以适用于测量航空叶片这种表面曲率跨度很大的自由曲面类零件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明较佳实施例新型无衍射柵型结构光实现方法系统结构示意图；

图2是本发明较佳实施例新型无衍射柵型结构光实现方法系统光路示意图；

图3是本发明较佳实施例新型无衍射柵型结构光实现方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1显示了按照本发明实现无衍射柵型结构光方法的系统结构示意图，如图1中所示，主要包括激光器a和空间滤波准直器b，激光器a用来提供光束，空间滤波准直器b用来将激光进行空间滤波和准直，得到较好的平行光。

该系统还包括分光棱镜c以及两对称布置的第一平面反射镜d1和第二平面反射镜d2，其中，分光棱镜c用于将经过滤波准直器空间滤波和准直后的平行光分成两束相干光，得到第一光束和第二光束；第一平面反射镜d1和第二平面反射镜d2分别用于反射第一光束和第二光束，得到第一光束a和第二光束b，使其在后方以一定的夹角交汇后产生干涉，形成空间无衍射柵型结构光条纹，如图2所示。

本实施例中，第一平面反射镜d1和第二平面反射镜d2主要用来实现参数调节，可以改变产生的近似无衍射柵型结构光的条纹间距、无衍射范围以及无衍射传播距离。

本发明较佳实施例中,由于光路较长，可以优选增加两个按一定角度放置的大型平面反射镜e1、e2以折叠空间光路。

本发明较佳实施例中，还可以包括透镜组合f，用于最后生成的无衍射柵型结构光条纹的扩束准直，增大空间无衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

本发明较佳实施例中透镜组合f采用两个不同焦距的凸透镜和一个补偿透镜，在扩束的同时实现光畸变的消除。

本发明较佳实施例中，该系统设置在一稳定工作台上，第一平面反射镜d1和第二平面反射镜d2分别固定在第一旋转台i1和第二旋转台i2上，可沿其中心顺、逆时针旋转，从而调整结构光的条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离。

如图3所示，本发明较佳实施例中，无衍射柵型结构光实现方法包括以下步骤：

S101、将激光器发出的一束光束经过空间滤波准直器进行空间滤波准直；

S102、通过分光棱镜将经过滤波准直后的平行光分为两束相干光，分别为第一光束和第二光束；

S103、通过两严格对称布置的平面反射镜，使两束相干光分别被两平面反射镜反射得到第一光束a和第二光束b，它们分别以一定的偏折角度向后方一定区域传播；

S104、将该第一光束a和第二光束b交汇产生干涉，从而即可得到无衍射柵型结构光条纹

该步骤中，可以优选通过第一个大型平面反射镜将第一光束a和第二光束b同时反射，再通过第二个大型平面反射镜将第一光束a和第二光束b再次反射，折叠光路，最后第一光束a和第二光束b交汇产生干涉，从而得到无衍射柵型结构光条纹。

通过转动连接两平面反射镜的旋转台，使两平面镜同向或反向同时转动，可以实现无衍射柵型结构光条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离的改变，从而实现参数调节，当顺时针转动其中一个旋转台，逆时针转动另一旋转台时，两光束的交汇夹角将减小，相应的条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离将增大。反之，当逆时针转动其中一个旋转台，顺时针转动另一旋转台时，两光束的交汇夹角将增大，相应的条纹宽度、无衍射范围及无衍射传播距离将减小。该系统所产生无衍射结构光的各参数大小与两相交汇光束的夹角成反比关系。

本发明的无衍射柵型结构光实现方法的较佳实施例中，还可以包括步骤：

S105、将经过步骤S104产生的新型无衍射柵型结构光进行扩束，消除畸变与相差，得到宽间距无衍射栅型结构光，以便于测量较大物体的三维形貌，扩大应用范围；

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种无衍射栅型结构光实现方法，其用于生成参数可调的无衍射柵型结构光，其特征在于，该方法具体包括：

S101将激光器发出的激光光束经过空间滤波准直器进行空间滤波准直，形成平行光束；

S102通过分光镜将经过滤波准直后的所述平行光束分为两束相干光；

S103通过两对称布置且旋转可调的平面反射镜，使两束相干光分别被对应的平面反射镜反射，得到反射后的第一光束和第二光束；

S104使该第一光束和第二光束交汇以产生干涉，并通过旋转平面反射镜，使通过所述平面反射镜反射而相交汇的两束光束的交汇夹角发生改变，从而即可获得参数可调的无衍射柵型结构光条纹；

其中，两平面反射镜中的第一平面反射镜和第二平面反射镜分别固定于透镜架上，该透镜架上设有用于分别对平面反射镜进行上下和左右方向进行微调的旋钮，所述透镜架通过支杆和支架连接于旋转台上，该旋转台以一定夹角严格对称布置于分光棱镜分光面两侧，并可沿其中心旋转，从而可实现对所述两平面反射镜旋转角度的调整。

2.根据权利要求1所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，所述可调的参数包括条纹宽度及无衍射范围。

3.根据权利要求1或2所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，所述无衍射柵型结构光的可调的各参数大小均与两相交汇光束的夹角成反比。

4.根据权利要求1或2所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，所述两平面反射镜的旋转为同时相向或反向的旋转。

5.根据权利要求3所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，所述两平面反射镜的旋转为同时相向或反向的旋转。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还包括对生成的无衍射柵型结构光的扩束准直步骤，以增大空间衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

7.根据权利要求3所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还包括对生成的无衍射柵型结构光的扩束准直步骤，以增大空间衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

8.根据权利要求4所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还包括对生成的无衍射柵型结构光的扩束准直步骤，以增大空间衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还可以在交汇前对第一光束和/或第二光束通过反射镜进行光路折叠，以缩短光路长度。

10.根据权利要求3所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还可以在交汇前对第一光束和/或第二光束通过反射镜进行光路折叠，以缩短光路长度。

11.根据权利要求4所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还可以在交汇前对第一光束和/或第二光束通过反射镜进行光路折叠，以缩短光路长度。

12.根据权利要求6所述的一种无衍射栅型结构光实现方法，其中，还可以在交汇前对第一光束和/或第二光束通过反射镜进行光路折叠，以缩短光路长度

13.一种无衍射栅型结构光实现装置，用于生成参数可调的无衍射柵型结构光，其特征在于，该装置包括：

空间滤波准直器，其用于对激光器发出的激光光束进行空间滤波准直，以形成平行光束；

分光镜，其用于将经过滤波准直后的所述平行光束分为两束相干光；以及两旋转可调的平面反射镜，其对称布置于所述分光镜两侧，以用于对所述两束相干光分别进行反射，从而得到反射后的第一光束和第二光束；通过使该第一光束和第二光束交汇以产生干涉，并通过旋转所述平面反射镜，使通过所述平面反射镜反射而相交汇的两束光束的交汇夹角发生改变，从而即可获得参数可调的无衍射柵型结构光条纹；

其中，所述两平面反射镜中，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别固定于透镜架上，该透镜架上设有用于分别对平面反射镜进行上下和左右方向进行微调的旋钮，所述透镜架通过支杆和支架连接于旋转台上，该旋转台以一定夹角严格对称布置于分光棱镜分光面两侧，并可沿其中心旋转，从而可实现对所述两平面反射镜旋转角度的调整。

14.根据权利要求13所述的一种无衍射栅型结构光实现装置，其中，该装置还可以包括透镜组合，用于生成的无衍射柵型结构光条纹的扩束准直，以增大空间衍射柵型结构光条纹的间距，实现大范围、宽间距的无衍射栅型结构光投影。

15.根据权利要求13或14项所述的一种无衍射栅型结构光实现装置，其中，该装置还可以包括两个按一定角度放置的大型平面反射镜，以用于折叠空间光路，从而缩短光路长度。