CN104930986B - 一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统 - Google Patents

一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，其包括沿光路依次设置的激光器、空间滤波器、扩束准直器、矩形光阑和分光棱镜，分光棱镜的第一、二输出光束的光路上分别设置有第一、第二凸透镜；第一凸透镜和第二凸透镜的光轴相互平行，第一、第二输出光束分别经第一、第二凸透镜进行扩束并改变传输方向，相干叠加形成栅型条纹区域；还包括设置于分光棱镜与此栅型条纹区域之间且镜头朝向此栅型条纹区域的摄像机；第一凸透镜和第二凸透镜的光轴均与摄像机的光轴平行，并且关于摄像机的光轴对称分布；被测物体置于此栅型条纹区域内。本发明的投影和摄像系统一方面能够产生宽条纹区域、低发散度的栅型结构光，另一方面可在获得大测量范围的同时能够保证参考面上的条纹相位呈线性分布。

Description

一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统
技术领域
本发明涉及一种用于物体表面三维形貌测量的投影和摄像系统。
背景技术
基于栅型条纹投影的三维测量技术可以实现物体三维表面形貌的快速、精确重构，在相关领域有很好的应用前景：例如机器视觉、生物医学、质量控制、逆向工程等。
目前基于栅型条纹的投影和摄像系统存在两个主要问题：(1)大部分系统采用近心投射方式将栅型条纹投射到物体表面，投射光束的条纹间距随投射距离的增加呈发散状态，造成测量精度的下降；(2)目前典型的测量系统有两种：交叉光轴系统和平行光轴系统，交叉光轴系统的测量范围大，但是在参考面上的条纹分布不均匀，导致相位呈非线性分布；平行光轴系统可以减少条纹分布的不均匀，但是其测量范围小，且不易调整。
有鉴于此，本发明人针对现有的基于栅型条纹的投影和摄像系统存在的问题进行了深入研究，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，其在获得大测量范围的同时能够保证参考面上的条纹相位呈线性分布。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，包括沿光路依次设置的激光器、空间滤波器、扩束准直器、矩形光阑和分光棱镜，分光棱镜的第一输出光束的光路上设置有第一凸透镜，分光棱镜的第二输出光束的光路上设置有第二凸透镜；第一凸透镜和第二凸透镜的光轴相互平行，第一输出光束和第二输出光束分别经第一凸透镜和第二凸透镜进行扩束并改变传输方向，相干叠加形成栅型条纹区域；还包括设置于分光棱镜与此栅型条纹区域之间且镜头朝向此栅型条纹区域的摄像机；第一凸透镜和第二凸透镜的光轴均与摄像机的光轴平行，并且关于摄像机的光轴对称分布；被测物体置于此栅型条纹区域内。
所述被测物体位于摄像机的光轴上。
由所述分光棱镜射至所述第一凸透镜的第一输出光束与所述第一凸透镜的光轴的交点到所述第一凸透镜的距离大于所述第一凸透镜的焦距；而且，由所述分光棱镜射至所述第二凸透镜的第二输出光束与所述第二凸透镜的光轴的交点到所述第二凸透镜的距离大于所述第二凸透镜的焦距。
采用上述方案后，本发明一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，激光器输出的高斯光束经过空间滤波器和扩束准直器变换为性能良好的平面光，经过矩形光阑后变换为矩形平面光；分光棱镜将矩形平面光分为两束相干光(第一输出光束、第二输出光束)，第一凸透镜、第二凸透镜分别对第一输出光束、第二输出光束进行扩束，并改变其传输方向，使其在光学系统后相干叠加形成明暗相间的具有宽条纹区域和低发散度特点的栅型条纹区域。被测物体置于栅型条纹区域内，摄像机设置于分光棱镜与此栅型条纹区域之间且镜头朝向此栅型条纹区域。摄像机距栅型条纹区域近时可获得高分辨率，距栅型条纹区域远时分辨率低，但是测量范围大。当栅型条纹被投射在平面时，摄像机获得的是等距直条纹图样；当栅型条纹被投射在高低不平的物体表面时，摄像机获得的是变形的条纹图样，根据条纹的变形量可以重构出物体表面的轮廓信息。
本发明的投影和摄像系统一方面能够产生宽条纹区域、低发散度的栅型结构光，另一方面由于其投影光轴和摄像机光轴是同轴的，可以有效避免现有交叉光轴系统和平行光轴系统存在的问题，在获得大测量范围的同时能够保证参考面上的条纹相位呈线性分布。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为对图1进行进一步说明的示意图。
具体实施方式
本发明一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，如图1所示，包括沿光路依次设置的激光器100、空间滤波器200、扩束准直器300、矩形光阑400和分光棱镜500，分光棱镜500的第一输出光束的光路上设置有第一凸透镜600，分光棱镜500的第二输出光束的光路上设置有第二凸透镜700；第一凸透镜600和第二凸透镜700的光轴相互平行，第一输出光束和第二输出光束分别经第一凸透镜600和第二凸透镜700进行扩束并改变传输方向，相干叠加形成栅型条纹区域ABCD；还包括设置于分光棱镜500与此栅型条纹区域ABCD之间且镜头朝向此栅型条纹区域ABCD的摄像机800；第一凸透镜600和第二凸透镜700的光轴均与摄像机800的光轴平行，并且关于摄像机800的光轴对称分布；被测物体900置于此栅型条纹区域ABCD内。
具体实施时，将图1所示的各光学元件依次放置于稳定的工作平台。
其中，激光器100作为系统光源，产生高斯光束。
空间滤波器200和扩束准直器300将激光器100产生的高斯光束整形为性能良好的平面光。
矩形光阑400对上述平面光进行整形得到矩形平面光。
分光棱镜500将上述矩形平面光分成两束相干光，得到第一输出光束和第二输出光束。
第一凸透镜600与第二凸透镜700焦距相等。第一凸透镜600和第二凸透镜700分别用于对第一输出光束和第二输出光束进行扩束，并改变第一输出光束和第二输出光束的传输方向，使其在光学系统后相干叠加，形成具有宽条纹区域和低发散度特点的栅型结构光(如图1阴影部分的栅型条纹区域ABCD)。
摄像机800用于接收投射在被测物体900表面形成的变形条纹。
作为一种较佳的实施方式，将被测物体900置于摄像机800的光轴上。
为了保证系统产生的栅型结构光具有低发散度，如图2所示，由分光棱镜500射至第一凸透镜600的第一输出光束与第一凸透镜600的光轴的交点(图2中的E点)到第一凸透镜600的距离为L，第一凸透镜600的焦距为f，L>f。
而且，由分光棱镜500射至第二凸透镜700的第二输出光束与第二凸透镜700的光轴的交点(图中未示出)到第二凸透镜700的距离大于第二凸透镜700的焦距。
工作时，激光器100输出的高斯光束经过空间滤波器200和扩束准直器300变换为性能良好的平面光，经过矩形光阑400后变换为矩形平面光；分光棱镜500将矩形平面光分为两束相干光(第一输出光束、第二输出光束)，第一凸透镜600、第二凸透镜700分别对第一输出光束、第二输出光束进行扩束，并改变其传输方向，使其在光学系统后相干叠加形成明暗相间的具有宽条纹区域和低发散度特点的栅型条纹区域ABCD。被测物体900置于栅型条纹区域内ABCD，摄像机800设置于分光棱镜500与此栅型条纹区域ABCD之间且镜头朝向此栅型条纹区域ABCD。
摄像机800距栅型条纹区域ABCD近时可获得高分辨率，距栅型条纹区域ABCD远时分辨率低，但是测量范围大。当栅型条纹被投射在平面时，摄像机800获得的是等距直条纹图样；当栅型条纹被投射在高低不平的物体表面时，摄像机800获得的是变形的条纹图样，根据条纹的变形量可以重构出被测物体表面的轮廓信息。
本发明的投影和摄像系统一方面能够产生宽条纹区域、低发散度的栅型结构光，另一方面由于其投影光轴和摄像机光轴是同轴的，可以有效避免现有交叉光轴系统和平行光轴系统存在的问题，在获得大测量范围的同时能够保证参考面上的条纹相位呈线性分布。
在保证第一凸透镜600和第二凸透镜700的光轴与摄像机800的光轴平行并关于摄像机800的光轴对称分布的基础上，改变第一凸透镜600和第二凸透镜700到摄像机800光轴的距离或者改变第一凸透镜600和第二凸透镜700的焦距，可以对栅型结构光的条纹区域宽度、条纹间距、光束焦深等参数进行调整。
保持第一凸透镜600和第二凸透镜700中的一个凸透镜参数不变，改变另一个凸透镜参数则可以实现栅型条纹的精密相移。

Claims (2)

1.一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，其特征在于：包括放置于稳定的工作平台上沿光路依次设置的激光器、空间滤波器、扩束准直器、矩形光阑和分光棱镜，分光棱镜的第一输出光束的光路上设置有放置于稳定的工作平台上的第一凸透镜，分光棱镜的第二输出光束的光路上设置有放置于稳定的工作平台上的第二凸透镜；第一凸透镜和第二凸透镜的光轴相互平行，第一输出光束和第二输出光束分别经第一凸透镜和第二凸透镜进行扩束并改变传输方向，相干叠加形成栅型条纹区域；还包括设置于分光棱镜与此栅型条纹区域之间且镜头朝向此栅型条纹区域的摄像机；第一凸透镜和第二凸透镜的光轴均与摄像机的光轴平行，并且关于摄像机的光轴对称分布；被测物体置于此栅型条纹区域内；由所述分光棱镜射至所述第一凸透镜的第一输出光束与所述第一凸透镜的光轴的交点到所述第一凸透镜的距离大于所述第一凸透镜的焦距；而且，由所述分光棱镜射至所述第二凸透镜的第二输出光束与所述第二凸透镜的光轴的交点到所述第二凸透镜的距离大于所述第二凸透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维形貌测量的投影和摄像系统，其特征在于：所述被测物体位于摄像机的光轴上。
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