CN105611109A - 基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置，该装置采用多光束干涉产生多方向结构光，不需要机械转动目标；外差干涉实现结构光的相移扫描，不需要机械平移；外差干涉获得多帧相移信号，频谱重建精度高抗噪性好；采用多频外差方式，产生的多方向结构光扫描信号可分离，可以实现多方向结构光同步扫描及探测；多方向搬移频谱拼接后可实现高分辨成像。

Description

基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置。

背景技术

结构光扫描成像技术利用投影条纹扫描目标实现对目标空域频谱的搬移，从而实现超分辨成像。相比其他三维成像技术，该技术具有非接触、面探测的优势。

为实现多方向的空域频谱搬移，结构光扫描成像系统需要产生多个方向的结构光。同时，为了能够正确提取频谱，需要在各方向下实现结构光的相移扫描。因此，该技术的关键在于产生多方向、相移扫描的结构光。

现有结构光成像装置主要有如下几种方案：

1、光栅投影实现结构光扫描成像。该技术利用均匀光照明物理光栅产生结构光；利用机械装置移动光栅，实现结构光的相移扫描；利用机械装置转动光栅或目标，从而获得不同相对方向的结构光。然而，该方案缺点主要为：需要制备高精度光栅；需要机械移动光栅及转动目标，精度较低；分时扫描及探测，不能同步探测。

2、空间光调制器投影实现结构光扫描成像。该技术采用空间光调制器(SLM)对照射到其上的均匀光进行调制，产生结构光；控制调制器在不同时刻产生不同方向、不同相对相移的结构光，实现对目标的多方向结构光扫描。然而，该方案缺点主要为：空间光调制器的空间分辨率较低，产生结构光空间频率有限；分时扫描及探测，不能同步探测。

3、双光束干涉实现结构光扫描成像。该技术利用双光束干涉产生正弦结构光；利用压电陶瓷促动器(PZT)推动光路中一个反射镜，改变两束光的相对光程，实现结构光的相移扫描；机械转动目标获得不同相对方向的结构光；然而，该方案缺点主要为：PZT推动反射镜实现扫描，存在相移误差；机械旋转目标，精度较低；分时扫描及探测，不能同步探测。

由此可见，现有结构光成像装置采用光栅投影、空间光调制器投影、双光束干涉等方式，分时产生不同方向的相移扫描结构光，系统中存在机械运动，影响精度；且多方向的结构光不能同步产生，当存在目标形变或外界振动时，将影响重建精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置，具有不含机械运动、多帧外差相移频谱重建精度高抗噪性好、多方向结构光同步扫描及探测、成像分辨率高的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置，包括：激光器、N个分束模块、N个移频模块、多光束扩束及位置调整模块以及成像及探测处理模块；其中：

所述激光器，用于输出偏振相干光；

所述N个分束模块均与激光器相连，用于对激光器出射光进行分光，获得N路同偏振态的相干光；

所述N个移频模块与N个分束模块之间一对一与连接，用于分别对应的调制输入的相干光，且各移频模块移频量互不相等；

所述多光束扩束及位置调整模块，用于对每一移频模块输出的光束进行扩束处理，并调整N路出射光相对目标成等边形分布，且确保所有出射光以相同倾斜角度照射到目标上；

所述成像及探测处理模块，用于将目标和结构光成像到面探测器上，再通过面探测器进行探测，并通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号。

进一步的，所述分束模块包括：依次连接的1个半波片与1个偏振分光棱镜。

进一步的，所述移频模块包括：依次连接的声光移频器、光阑与光纤耦合器；其中：

所述声光移频器将入射光进行调制，获得-1级光、0级光与+1级光；

所述光阑遮挡-1级光与0级光；

所述光纤耦合器将+1级光耦合入光纤。

进一步的，所述通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号包括：

面探测器帧频设置为多频外差信号最大外差频率的两倍以上，面探测器探测到的多频外差信号S为一个数据矩阵S[r,c,t_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，t_total为探测图像总帧数；多方向结构光分别对应不同的外差调制频率；

对多频外差信号的各帧图像分别进行空域二维快速傅里叶变换，获得各帧图像的空域频谱：

F_s＝FFT2(S)；

其中，FFT2表示二维快速傅里叶变换，各帧图像总的空域频谱F_s为三维矩阵F_s[r,c,t_total]；

对总的空域频谱F_s中各像素点对应的时域信号进行时域一维快速傅里叶变换，从而在对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱：

F_t＝FFT(F_s)；

其中，FFT表示一维快速傅里叶变换，各像素点总的时域频谱F_t为三维矩阵F_t[r,c,t_total]；

结构光扫描信号为多频外差、多方向信号，并设置各移频模块的移频量使得所需方向结构光的外差频率与其他方向结构光不同，以使所需方向结构光调制在不同的外差频率载波上，从而在F_t中对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱F_o：

F_o(f_m-f_n)＝F_t[[1:r,1:c,(f_m-f_n)]]，(1≤m≤N,1≤n≤N)；

将对应不同结构光的空域频谱F_o(f_m-f_n)(1≤m≤N,1≤n≤N)按照空间分布进行相对移动并拼接得到完整的目标空域频谱F_all；

其中，f_m与f_n分别表示对应第m个与第n个AOM的+1移频光束的移频量，与分别表示对应第m个与第n个AOM的+1移频光束的光束空间传播矢量；

对F_all进行二维快速逆傅里叶变换，获得重建目标O'：

O'＝iFFT2(F_all)；

其中，iFFT2表示二维快速逆傅里叶变换。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该装置采用多光束干涉产生多方向结构光，不需要机械转动目标；外差干涉实现结构光的相移扫描，不需要机械平移；外差干涉获得多帧相移信号，频谱重建精度高抗噪性好；采用多频外差方式，产生的多方向结构光扫描信号可分离，可以实现多方向结构光同步扫描及探测；多方向搬移频谱拼接后可实现高分辨成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多路光束空间位置分布示意图；

图3为本发明实施例提供的所需的三方向结构光示意图；

图4为本发明实施例提供的某像素点处多频外差信号；

图5为本发明实施例提供的某像素点处信号时域频谱；

图6为本发明实施例提供的三方向结构光扫描对应的空域拼接频谱示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置的结构示意图。如图1所示，其主要包括：激光器、N个分束模块、N个移频模块、多光束扩束及位置调整模块以及成像及探测处理模块；其中：

所述激光器，用于输出偏振相干光；

所述N个分束模块均与激光器相连，用于对激光器出射光进行分光，获得N路同偏振态的相干光；

所述N个移频模块与N个分束模块之间一对一连接，用于分别对应的调制输入的相干光，且各移频模块移频量互不相等；

所述多光束扩束及位置调整模块，用于对每一移频模块输出的光束进行扩束处理，并调整N路出射光相对目标成等边形分布，且确保所有出射光以相同倾斜角度照射到目标上；

所述成像及探测处理模块，用于将目标和结构光成像到面探测器上，再通过面探测器进行探测，并通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号。

本发明实施例中，N为大于3的整数。

本发明实施例中，所述分束模块包括：依次连接的1个半波片与1个偏振分光棱镜。也可以采用光栅衍射分光实现，或采用光纤分束器实现。

本发明实施例中，所述移频模块包括：依次连接的声光移频器(AOM)、光阑与光纤耦合器；其中：

所述声光移频器将入射光进行调制，获得-1级光、0级光与+1级光；

所述光阑遮挡-1级光与0级光；

所述光纤耦合器将+1级光耦合入光纤。

本发明实施例中，对应第i个AOM的+1移频光束的移频量为f_i，对应角频率为ω_i，且：

ω_i＝2πf_i(1)

照射到目标上光波为：

其中，a_i,ω_i, 为第i路光波的振幅、角频率、相位、空间矢量。k₀＝2π/λ为波矢量模值。

多路光在探测器面阵上干涉产生的信号为：

公式(3)中上划线表示取复数共轭。该干涉信号具有多个外差频率f_m-f_n(1≤m≤N,1≤n≤N)，且分别对应不同的空间分布设置各光束的移频量和空间位置，可获得多频外差、多方向的结构光。

令目标为O，则干涉产生的结构光照射目标后产生信号S如公式(4)所示：

S＝IO，(4)

由公式(4)可知，目标信息被调制记录在多频外差干涉信号上。

本发明实施例中，所述通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号包括：

1)获取多频外差信号。

面探测器帧频设置为多频外差信号最大外差频率的两倍以上，面探测器探测到的多频外差信号S为三维矩阵S[r,c,t_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，t_total为探测图像总帧数。如公式(3)、公式(4)所示，多方向结构光分别对应不同的外差调制频率；

2)对多频外差信号的各帧图像分别进行空域二维快速傅里叶变换，获得各帧图像的空域频谱。

F_s＝FFT2(S)；

其中，FFT2表示二维快速傅里叶变换。对S中任一帧序数为t_a的图像S[1:r,1:c,t_a]进行空域二维快速傅里叶变换，可以获得该帧图像的空域频谱。各帧图像总的空域频谱F_s为三维矩阵F_s[r,c,t_total]。

3)对空域频谱中各像素点对应的时域信号进行时域一维快速傅里叶变换，从而在对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱。

F_t＝FFT(F_s)；

其中，FFT表示一维快速傅里叶变换。对F_s中对应任一像素点(x,y)的多帧时域信号F_S[x,y,1:t_total]；进行快速傅里叶变换，获得该点对应的时域频谱。各像素点总的时域频谱F_t为三维矩阵F_t[r,c,t_total]。结构光扫描信号为多频外差、多方向信号，并设置各移频模块的移频量使得所需方向结构光的外差频率与其他方向结构光不同，以使所需方向结构光调制在不同的外差频率载波上，从而在F_t中对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱F_o。

F_o(f_m-f_n)＝F_t[1:r,1:c,(f_m-f_n)]，(1≤m≤N,1≤n≤N)；

4)目标重建。

将对应不同结构光的空域频谱F_o(f_m-f_n)(1≤m≤N,1≤n≤N)按照空间分布进行相对移动并拼接得到完整的目标空域频谱F_all。其中，f_m与f_n分别表示对应第m个与第n个AOM的+1移频光束的移频量，与分别表示对应第m个与第n个AOM的+1移频光束的光束空间传播矢量；

对F_all进行二维快速逆傅里叶变换，获得重建目标O'。

O'＝iFFT2(F_all)；

其中，iFFT2表示二维快速逆傅里叶变换。

本发明实施例的方案主要具有如下优点：

1)无机械运动：多光束干涉产生多方向结构光，不需要机械转动目标；外差干涉实现结构光的相移扫描，不需要机械平移；

2)抗噪性好：外差干涉获得多帧相移信号，频谱重建精度高抗噪性好；

3)同步扫描和探测：采用多频外差方式，产生的多方向结构光扫描信号可分离，可以实现多方向结构光同步扫描及探测；

4)分辨率高：多方向搬移频谱拼接后可实现高分辨成像。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

为了便于理解，下面结合一具体示例对本发明做进一步说明。

本示例中，使用的主要装置和参数为：

1)532nm单模连续激光器；

2)采用6个分光模块，获得6束相干光，即N＝6；

3)设置多通道光束位置和角度：位于六等边形的6个顶点位置，相对角度为60度，如图2所示。

本示例中，6束光相互干涉将产生多方向结构光。其中，所需的分别为1位置光束和4位置光束、2位置光束和5位置光束、3位置光束和6位置光束相互干涉产生的结构光，如图3a-图3c所示。

因此，需要设计移频量，以分离提取有效信号。

4)本示例中，设计移频量为：

基础移频量为f₀＝40MHz，

每一光束对应移频量为：

f₁＝f₀+0Hz,f₂＝f₀+1Hz，f₃＝f₀+2Hz，f₄＝f₀+8Hz，f₅＝f₀+11Hz，f₆＝f₀+14Hz。

则多路移频光干涉信号对应的外差量如表1所示：

表1多路移频光干涉信号对应的外差量(单位：Hz)

	f1	f2	f3	f4	f5	f6
							f1	0	1	2	8	11	14
f2		0	1	7	10	13
							f3			0	6	9	12
f4				0	3	6
							f5					0	3
f6						0

表1中数字分别为该表格所对应的两个移频量的差值。从表1中可以看到，1位置光束和4位置光束干涉产生的结构光外差量为8Hz，2位置光束和5位置光束产生的结构光外差量为10Hz，3位置光束和6位置光束产生的结构光外差量为12Hz，且与其他光束干涉外差量不同。因此，可以在时域频谱中分别提取±8Hz，±10Hz，±12Hz频率处信号，即可得到对应的扫描信号。

5)设置高速相机面阵为400*400pixels，探测帧频120Hz。

采用以上装置，在1s内获得120帧结构光同步扫描信号。

利用120帧信号可以建立一个400*400*120的三维数据矩阵。即：r＝400，c＝400，t_total＝120。对应探测器上某一像素点，我们获得120个时域采样信号，是包含多频外差的调制信号。利用空域二维快速傅里叶变换处理各帧图像获得各帧对应空域频谱。

空域频谱矩阵某一像素点的时域信号如图4所示。利用时域一维快速傅里叶变换处理各像素点时域信号获得该像素点处时域频谱，如图5所示。在时域频谱中，我们看到所需结构光对应频率点与其他干涉信号频率点清晰分离。

对每个像素点，在所需结构光对应的外差频率点±8Hz，±10Hz，±12Hz处分别提取信号，从而得到各结构光对应的空域频谱。将各空域频谱进行相对移动和拼接，获得目标的完整频谱。对该频谱进行空域逆傅里叶变换，获得重建目标。如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置，其特征在于，包括：激光器、N个分束模块、N个移频模块、多光束扩束及位置调整模块以及成像及探测处理模块；其中：

所述激光器，用于输出偏振相干光；

所述N个分束模块均与激光器相连，用于对激光器出射光进行分光，获得N路同偏振态的相干光；

所述N个移频模块与N个分束模块之间一对一与连接，用于分别对应的调制输入的相干光，且各移频模块移频量互不相等；

所述多光束扩束及位置调整模块，用于对每一移频模块输出的光束进行扩束处理，并调整N路出射光相对目标成等边形分布，且确保所有出射光以相同倾斜角度照射到目标上；

所述成像及探测处理模块，用于将目标和结构光成像到面探测器上，再通过面探测器进行探测，并通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分束模块包括：依次连接的1个半波片与1个偏振分光棱镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移频模块包括：依次连接的声光移频器、光阑与光纤耦合器；其中：

所述声光移频器将入射光进行调制，获得-1级光、0级光与+1级光；

所述光阑遮挡-1级光与0级光；

所述光纤耦合器将+1级光耦合入光纤。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号包括：

面探测器帧频设置为多频外差信号最大外差频率的两倍以上，面探测器探测到的多频外差信号S为一个数据矩阵S[r,c,t_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，t_total为探测图像总帧数；多方向结构光分别对应不同的外差调制频率；

对多频外差信号的各帧图像分别进行空域二维快速傅里叶变换，获得各帧图像的空域频谱：

F_s＝FFT2(S)；

其中，FFT2表示二维快速傅里叶变换，各帧图像总的空域频谱F_s为三维矩阵F_s[r,c,t_total]；

对总的空域频谱F_s中各像素点对应的时域信号进行时域一维快速傅里叶变换，从而在对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱：

F_t＝FFT(F_s)；

其中，FFT表示一维快速傅里叶变换，各像素点总的时域频谱F_t为三维矩阵F_t[r,c,t_total]；

结构光扫描信号为多频外差、多方向信号，并设置各移频模块的移频量使得所需方向结构光的外差频率与其他方向结构光不同，以使所需方向结构光调制在不同的外差频率载波上，从而在F_t中对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱F_o：

F_o(f_m-f_n)＝F_t[1:r,1:c,(f_m-f_n)]，(1≤m≤N,1≤n≤N)；

将对应不同结构光的空域频谱F_o(f_m-f_n)(1≤m≤N,1≤n≤N)按照空间分布进行相对移动并拼接得到完整的目标空域频谱F_all；

其中，f_m与f_n分别表示对应第m个与第n个AOM的+1移频光束的移频量，与分别表示对应第m个与第n个AOM的+1移频光束的光束空间传播矢量；

对F_all进行二维快速逆傅里叶变换，获得重建目标O'：

O'＝iFFT2(F_all)；

其中，iFFT2表示二维快速逆傅里叶变换。