CN106152972A - 一种相移式光投影三维测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相移式光投影三维测量系统及方法，由单模激光器产生激光经过光学扩束系统扩散成光束，光束经过一维分束光栅后形成两束光，两束光再经过声光调制器后产生布拉格衍射后分别经过调整角度投射到合束器形成干涉光路，干涉光路经聚焦透镜后被投影物镜放大，生成干涉条纹投影到被测物体上，投影到被测物体表面的干涉条纹被CCD相机获取后通过计算机进行处理最终恢复出被测物体三维形貌。本系统将声光调制技术与相移条纹变频技术相结合，可在机快速测量多种不同结构物体表面的三维形貌，抗振动能力较强，也可实现加工过程中的在机测量，特别是对结构复杂的物体表面具有较强的鲁棒性。

Description

一种相移式光投影三维测量系统及方法

技术领域

本发明涉及三维测量领域，具体涉及一种相移式光投影三维测量系统及方法。

背景技术

在现代工业、制造业等实际生产过程中需要进行大量的测量工作，因此三维形貌测量在现代工业及实际生活中正发挥着越来越重要的作用。而光学三维形貌测量由于其非接触、高精度、高速度等优点，目前己成为研究的热点之一。光学三维形貌测量是采用光学的手段获得物体三维空间信息的方法和技术，其在机器视觉、实物仿形、工业检测、生物医学、影视特技、虚拟现实等领域，均具有非常重要的意义和广阔的应用前景。

传统的三坐标接触探针式三维测量方法存在着固有的缺陷：1、测量时存在着一定的接触压力，对于某些质地柔软的物品来说必然会产生测量误差；2、由于测头半径无论如何不可能为零，所以无法测量某些复杂表面的细微特征；3、因为要逐点接触式测量，从而存在测量速度慢，不适合对大型零部件进行测量。而当前流行的激光扫描法用电荷耦合器件(CCD)或者位置敏感器件(PSD)进行数字点激光图像采集，由于要逐点或逐线扫描，因而在速度上受到了限制。同时，扫描精度受测试件的材料及表面特性影响较大，为此，本发明采用激光干涉条纹投影技术并结合相移测量法，力图实现工件的快速、高效、高精度测量，与现有技术相比，本发明具有显著的优点：(1)投影的结构光为真实干涉条纹，具有高亮度与高对比度，具有无限焦深，可降低软件处理难度；(2)有效测量面积大和空间重现力良好，投影得到的条纹图缝隙非常小，使获得的三维数据精度更高。(3)测量过程不受被测物体的颜色、形状和运动状态的影响；(4)实现相移速度快，精度更高，同时可利用时间相移法进行测量，测量过程不受被测表面不连续、跃变等不利因素影响，测量鲁棒性更好。

在先技术之一(参见“彩色组合编码条纹光栅轮廓术”,刘维一，王肇圻，母国光，方志良，光学学报，20(9),1218-1234,2000)研究了一种编码光栅投影三维轮廓术，其中投影光栅利用彩色空间红、绿、蓝三基色相互独立的特性，用彩色条纹对光栅进行编码，以白色条纹为起始位，后接红、绿、蓝(R、G、B)三种颜色的条纹组成一组。经过编码处理的光栅在保证测量精度不变的前提下，加大了高度测量的范围。测量的精度主要取决于图像的分辨率。这种方法采用投影仪进行条纹投影，其相移精度取决于对彩色图像的提取相位精度，彩色编码条纹光栅采用4个条纹为一组,最少要有3个条纹才能确定其所在位置,如果被测物体的空间宽度容纳不下3个条纹，则无法进行测量。这种方法对测量条件的要求较高，测量精度的可重复性较低。

在先技术之二(参见“Novel 3-D free-form surface profilometry forreverse engineering用于逆向工程的新型3D自由曲面轮廓术”，Liang-Chia Chen，Zhi-Xue Huang，7th International Symposium on Measurement Technology andIntelligent Instruments，Journal of Physics:Conference Series 13，174–177，2005)采用传感器集成理念，通过开发自动重建方法来解决自由曲面测量过程中的关键问题，具体采用激光扫描方式进行扫描，然后通过集成边缘探测算法和图像处理方法实时处理，进行三维重建，但由于自身的光线遮蔽问题，该方法无法探测凹形物体，因此应用受到很大限制。

在先技术之三(参见“Profilometry by fringe projection条纹投影轮廓术”，Luis Salas，Esteban Luna，Javier Salinas，Victor Garcia，Manuel Servin，Opt.Eng.42(11)3307–3314，2003)采用高强度光源将朗奇光栅通过投影镜头投射到被测物体上，通过高密度条纹图进行解相位，采用最小二乘法获取相关三维重构参数，获得了1/80等效波长的测量精度。此方法需要制作精密的朗奇光栅，而且无法实现相移测量，测量的范围有限，成本较高，灵活性不高，无法实现普适性测量。

在先技术之四(参见“基于双声光偏转器的变频三维数字成像”，张鹏，彭翔，邱文杰等，光子学报，34(10)，1550-1553,2005)提出采用双声光偏转器进行时序变频三维数字成像，利用两个声光调制器的衍射级进行干涉形成空间结构光条纹，测量过程和相位可通过计算机编程控制，测量灵活性较好，普适性高，但其需要两个声光调制器，并且要保证两个声光调制器同步，成本较高，难度较大。

在先技术之五(参见“基于声光栅的变频条纹投射系统”，赵慧洁，曾俊钰，雷彦章，光学学报，28(2)，2008)提出一种基于声光栅的变频条纹投射系统，该系统利用拍频信号驱动声光偏转器在声光晶体中形成两个重叠的光栅，光源发出的激光以布拉格角入射，形成两束一级衍射光，经透镜聚焦形成光强按正弦规律分布的结构光条纹，同时提出了一种新的相位凝固技术，使条纹空间频率和相位的变化规律得到了很好的解释。该系统对石膏像形貌进行测量，获得了用于三维成像的相位图。该投射系统对于解决复杂几何形状物体的三维测量问题具有一定的工程应用价值，该方法采用混频技术结合相位凝固方法实现条纹投影，技术实现上难度很大，同时相移的误差控制并不容易，其测量精度未提及。

因此，需要提供一种成本较低，准确度高，测量速度快，鲁棒性强的用于物体表面测量的三维测量系统。

发明内容

综上所述，为了解决现有的技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种相移式光投影三维测量系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种相移式光投影三维测量系统，包括单模激光器CCD相机和计算机，计算机与CCD相机相连接，沿单模激光器产生激光的前进方向依次设置聚焦透镜组成的光学扩束系统，一维分束光栅，声光调制器，合束器，聚焦透镜和投影物镜；

所述单模激光器产生的激光经所述光学扩束系统扩散成光束后再由所述一维分束光栅分解成两束激光，所述一维分束光栅与所述声光调制器之间还设有第一光楔和第二光楔，所述第一光楔和所述第二光楔分别调节一维分束光栅分解的两束激光的偏转角等于进入声光调制器的入射角，使两束激光经过所述声光调制器后产生布拉格衍射；

所述声光调制器和所述合束器之间设有第一空间滤波器和第二空间滤波器，所述第一空间滤波器和所述第二空间滤波器分别将经过声光调制器后的两束激光形成一级衍射光；所述第一空间滤波器和所述合束器之间设有第三光楔，所述第二空间滤波器和所述合束器之间设有第四光楔，所述第三光楔和所述第四光楔分别将一级衍射光调整角度投射到所述合束器上，并通过所述合束器后形成干涉光路；所述干涉光路通过所述聚焦透镜再被所述投影物镜放大后形成干涉条纹投影到被测物体上，所述CCD相机获取该干涉条纹后通过计算机进行处理最终恢复被测物体的三维形貌。

本发明的有益效果为：以单声光调制器为相移和变频器件，以等光程光路结构为主体，降低震动等噪声的扰动，利用干涉法产生实际干涉条纹进行投影，条纹清晰度不受离焦等影响，较低的成本下，实现精确三维测量的同时可以提高工件测量速度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下进一步的改进：

进一步，所述声光调制器通过射频功率放大器和直接数字频率合成器与计算机相连，通过计算机改变频率控制字来改变光线通过声光调制器的出射角，从而改变条纹周期。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过计算机改变频率控制字N来改变光线通过声光调制器的出射角从而改变条纹周期，由于直接数字频率合成器频率变化只需几十纳秒，因此干涉条纹的周期和相位变换在极短的时间内就能完成，可在短时间内完成相移条纹的结构光投射，使用更为方便。

进一步，所述一维分束光栅为一分二的一维衍射光栅，并且分出两束激光的光强相同。

采用上述进一步方案的有益效果是：提高干涉条纹投影的清晰度。

进一步，在所述光学扩束系统与一维分束光栅之间和/或合束器与聚焦透镜之间设置有改变光照方向以缩小测量系统占据的空间的反光镜。

采用上述进一步方案的有益效果是：减小相移式光投影三维测量系统的体积，提高使用灵活度。

进一步，所述声光调制器为高带宽调制器，可调制多种波长的激光，其带宽至少为40MHz，并且所述声光调制器的衍射效率大于60％。

采用上述进一步方案的有益效果是：使干涉条纹可变换多种频率，以适应不同的测量物体；并且有足够光强形成清楚的干涉条纹。

进一步，所述直接数字频率合成器的频率调节范围大于40MHz。

采用上述进一步方案的有益效果是：数字频率合成器兼容声光调制器8的频率带宽。

进一步，所述合束器是光学平板。

采用上述进一步方案的有益效果是：光学平板制作方便，容易获得。

进一步，所述投影物镜为可更换倍率的测量投影仪物镜，物镜放大倍率误差≤0.08％。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证投影到被测物体上的干涉条纹足够清晰。

进一步，所述CCD相机采集帧率不少于30fps。

采用上述进一步方案的有益效果是；保证CCD相机能清楚地采集到被测物体上的干涉条纹。

上述相移式光投影三维测量系统的测量方法，具体包括以下步骤：

a)将单模激光器产生的激光经过光学扩束系统后扩散成光束；

b)将光束经过一维分束光栅后形成第一光束和第二光束；

c)将第一光束经过第一光楔后再经过声光调制器，第二光束经过第二光楔后再经过声光调制器，并通过第一光楔和第二光楔分别调节第一光束和第二光束形成的偏转角度为进入声光调制器的入射角，使第一光束和第二光束经过声光调制器后分别均产生布拉格衍射，产生布拉格衍射的第一光束和第二光束分别通过第一空间滤波器和第二空间滤波器得到一级衍射光，并且该一级衍射光的衍射角均等于第一光楔和第二光楔进入声光调制器的入射角；

d)将第一空间滤波器和第二并空间滤波器得到的一级衍射光分别经过第一光楔和第二光楔调整角度后投射到能使光束产生干涉的合束器上；

e)通过合束器后形成干涉光路，将干涉光路通过聚焦透镜再被投影物镜放大后形成干涉条纹投影到被测物体上；

f)将所述声光调制器通过射频功率放大器和直接数字频率合成器与计算机相连，通过计算机改变直接数字频率合成器的频率控制字N来改变光线通过声光调制器的出射角，从而调节干涉条纹的周期，以达到将干涉条纹清楚地投影到被测物体上的目的；

g)投影到被测物体表面的干涉条纹被CCD相机获取后再通过计算机进行处理，最终恢复被测物体三维形貌。

使用上述方法进行三维测量的有益效果为：以单声光调制器为相移和变频器件，以等光程光路结构为主体，降低震动等噪声的扰动，利用干涉法产生实际干涉条纹进行投影，条纹清晰度不受离焦等影响，较低的成本下，实现精确三维测量的同时可以提高工件测量速度。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图。在图中：

1—单模激光器，2—激光扩束透镜组，3—反射镜，

4—分束光栅，5—第一光楔，6—第二光楔，

7—直接数字频率合成器与射频放大器，8—声光调制器，

9—第一空间滤波器，10—第二空间滤波器，11—第三光楔，

12—第四光楔，13—合束器 14—计算机，15—聚焦透镜，

16—投影物镜，17—被测物体，18—CCD相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种相移式光投影三维测量系统，包括单模激光器1，沿激光器1产生激光的前进方向依序设置聚焦透镜组成的光学扩束系统2，一维分束光栅4，声光调制器8，合束器13，聚焦透镜15和投影物镜16。

所述单模激光器1产生的激光经所述光学扩束系统2扩散成光束后再由所述一维分束光栅4分解成两束激光，所述一维分束光栅4为一分二的一维衍射光栅，并且分出两束激光的光强相同。所述一维分束光栅4与所述声光调制器8之间还设有第一光楔11和第二光楔12，所述第一光楔11和所述第二光楔12分别调节一维分束光栅4分解的两束激光的偏转角θ_i等于进入声光调制器8的入射角，使两束激光经过所述声光调制器8后产生布拉格衍射。所述声光调制器8和所述合束器13之间设有第一空间滤波器9和第二空间滤波器10，所述第一空间滤波器9和所述第二空间滤波器10分别将经过声光调制器8后的两束激光形成一级衍射光，该一级衍射光为θ_B。

所述声光调制器8为高带宽调制器，可调制多种波长的激光，其带宽至少为40MHz，可调制多种波长的激光，以便使干涉条纹可变换多种频率，其衍射效率大于等于60％，这样有足够光强形成干涉条纹。当通过光楔5和光楔6的出射光线θ_o以布拉格角θ_B入射到声光偏转器8时，衍射光能量集中在0级和一级(±1级)衍射光中，采用空间滤波器9和空间滤波器10滤除0级和其中一个一级光，可得到单一光束。通过声光调制器后，0级衍射光I₀和I₁级衍射光的光强与入射光光强I_i关系为：

$I_0=I_i{\cos }^2\frac{\mathrm{\ν}}{2}=I_i{\cos }^2\[\frac{1}{2}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}nL\right)\]$

$I_1=I_i{\sin }^2\frac{\mathrm{\ν}}{2}=I_i{\sin }^2\[\frac{1}{2}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}nL\right)\]$

其中L为换能器长度，ν＝2π/λΔnL为光波穿过超声场所产生的相位延迟。Δn为超声晶体声致折射率变化，而一级衍射效率为：

${\mathrm{\η}}_s=\frac{I_1}{I_i}={\sin }^2\[\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{2}\mathrm{\λ}}\sqrt{\left(\frac{L}{H}\right)M_2{P}_s}\]$

其中M₂为声光材料的品质因数，P_s为超声功率，H为换能器的宽度。

所述第一空间滤波器9和所述合束器13之间设有第三光楔11，所述第二空间滤波器10和所述合束器13之间设有第四光楔12，所述第三光楔11和所述第四光楔12分别将一级衍射光调整角度投射到所述合束器13上。

所述第一光楔5、第二光楔6，第三光楔11和第四光楔12为尺寸和材料完全相同的圆形光楔，加工时对一个圆柱形玻璃进行多次切割，以保证面形和尺寸误差一致；第一光楔5、第二光楔6对称放置在两光路中；以同样方式把光楔11、光楔12放置在声光调制器后面两光路中。第一光楔5、第二光楔6的作用是调节光束到声光偏转器8的布拉格衍射角位置。光线通过光楔后的传播方向改变为可以根据下式获得：

${\mathrm{\θ}}_o={\mathrm{\θ}}_i+(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}{{\mathrm{cos\θ}}_i}-1)\·\mathrm{\α}$

其中，θ_i为入射光楔的入射角，n为光楔折射率，θ_o为光楔出射角，α为光楔楔角。

所述合束器13是能使激光光束产生干涉的光学元件，优选的：所述合束器13是光学平板。一级衍射光调整角度投射到所述合束器13上后，通过所述合束器13后形成干涉光路；所述干涉光路通过所述聚焦透镜15再被所述投影物镜16放大后形成干涉条纹投影到被测物体17上，所述投影物镜16为可更换倍率的测量投影仪物镜，物镜放大倍率误差≤0.08％。所述CCD相机18获取该干涉条纹(正弦光栅)后通过计算机14进行处理最终恢复被测物体17的三维形貌，所述CCD相机18采集帧率不少于30fps。

另外，所述声光调制器8通过射频功率放大器和直接数字频率合成器7与计算机14相连，所述计算机14通过改变射频功率放大器和直接数字频率合成器7的频率控制字来改变光线通过声光调制器8的出射角，从而改变干涉条纹的周期以达到实现相移条纹的目的，具体如下：

所述射频功率放大器和直接数字频率合成器7的频率调节范围大于40MHz，以兼容声光调制器的频率带宽，其输出正弦模拟信号的频率F为F＝N·f/2^t(N为频率控制字，f为时钟频率，t为相位累加器的位数)。声光调制器8中的声波频率f_s等于射频功率放大器和直接数字频率合成器7的输出频率F，因此光线通过声光调制器8后一级衍射光线的偏转角度等于布拉格角θ_B，为：

其中n是声光介质的折射率，v_s是声速，f_s是声波频率，λ为光波波长。

因此，通过计算机改变频率控制字N就能改变出射光线角度，由此改变干涉条纹的频率。而条纹频率fr与出射角之间的关系可表示为(出射角很小时)。

声光调制器8与射频功率放大器和直接数字频率合成器7连接，射频功率放大器对直接数字频率合成器的信号进行放大，通过计算机14改变频率控制字N来改变光线通过声光调制器8的出射角从而改变条纹周期，由于直接数字频率合成器频率变化只需几十纳秒，因此干涉条纹的周期和相位变换在极短的时间内就能完成，可在短时间内完成相移条纹的结构光投射。

该三维测量系统在所述光学扩束系统2与一维分束光栅4之间和/或合束器13与聚焦透镜15之间设置有改变光照方向以缩小测量系统占据的空间的反光镜3，以提高该三维测量系统使用灵活度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相移式光投影三维测量系统，其特征在于，包括单模激光器(1)CCD相机(18)和计算机(14)，计算机(14)与CCD相机(18)相连接，沿单模激光器(1)产生激光的前进方向依次设置聚焦透镜组成的光学扩束系统(2)，一维分束光栅(4)，声光调制器(8)，合束器(13)，聚焦透镜(15)和投影物镜(16)；

所述单模激光器(1)产生的激光经所述光学扩束系统(2)扩散成光束后再由所述一维分束光栅(4)分解成两束激光，所述一维分束光栅(4)与所述声光调制器(8)之间还设有第一光楔(5)和第二光楔(6)，所述第一光楔(5)和所述第二光楔(6)分别调节一维分束光栅(4)分解的两束激光的偏转角等于进入声光调制器(8)的入射角，使两束激光经过所述声光调制器(8)后产生布拉格衍射；

所述声光调制器(8)和所述合束器(13)之间设有第一空间滤波器(9)和第二空间滤波器(10)，所述第一空间滤波器(9)和所述第二空间滤波器(10)分别将经过声光调制器(8)后的两束激光形成一级衍射光；所述第一空间滤波器(9)和所述合束器(13)之间设有第三光楔(11)，所述第二空间滤波器(10)和所述合束器(13)之间设有第四光楔(12)，所述第三光楔(11)和所述第四光楔(12)分别将一级衍射光调整角度投射到所述合束器(13)上，并通过所述合束器(13)后形成干涉光路；所述干涉光路通过所述聚焦透镜(15)再被所述投影物镜(16)放大后形成干涉条纹投影到被测物体(17)上，所述CCD相机(18)获取该干涉条纹后通过计算机(14)进行处理最终恢复被测物体(17)的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述声光调制器(8)通过射频功率放大器和直接数字频率合成器(7)与计算机(14)相连，所述计算机(14)通过改变射频功率放大器和直接数字频率合成器(7)的频率来改变光线通过声光调制器(8)的出射角，从而改变干涉条纹周期。

3.根据权利要求1所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述一维分束光栅(4)为一分二的一维衍射光栅，并且分出两束激光的光强相同。

4.根据权利要求1所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，在所述光学扩束系统(2)与一维分束光栅(4)之间和/或合束器(13)与聚焦透镜(15)之间设置有改变光照方向以缩小测量系统占据的空间的反光镜(3)。

5.根据权利要求1所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述声光调制器(8)为高带宽调制器，可调制多种波长的激光，其带宽至少为40MHz，所述声光调制器(8)的衍射效率大于60％。

6.根据权利要求1所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述直接数字频率合成器(7)的频率调节范围大于40MHz。

7.根据权利要求1所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述合束器(13)是光学平板。

8.根据权利要求1至7任一所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述投影物镜(16)为可更换倍率的测量投影仪物镜，物镜放大倍率误差≤0.08％。

9.根据权利要求1至7任一所述的相移式光投影三维测量系统，其特征在于，所述CCD相机(18)采集帧率不少于30fps。

10.一种相移式光投影三维测量方法，具体包括以下步骤：

a)将单模激光器(1)产生的激光经过光学扩束系统(2)后扩散成光束；

b)将光束经过一维分束光栅(4)后形成第一光束和第二光束；

c)将第一光束经过第一光楔(5)后再经过声光调制器，第二光束经过第二光楔(6)后再经过声光调制器，并通过第一光楔和第二光楔分别调节第一光束和第二光束形成的偏转角度为进入声光调制器(8)的入射角，使第一光束和第二光束经过声光调制器(8)后分别均产生布拉格衍射，产生布拉格衍射的第一光束和第二光束分别通过第一空间滤波器(9)和第二空间滤波器(10)得到一级衍射光，并且该一级衍射光的衍射角均等于第一光楔和第二光楔进入声光调制器(8)的入射角；

d)将第一空间滤波器和第二并空间滤波器得到的一级衍射光分别经过第一光楔(11)和第二光楔(12)调整角度后投射到能使光束产生干涉的合束器(13)上；

e)通过合束器(13)后形成干涉光路，将干涉光路通过聚焦透镜(15)再被投影物镜(16)放大后形成干涉条纹投影到被测物体(17)上；

f)将所述声光调制器(8)通过射频功率放大器和直接数字频率合成器(7)与计算机(14)相连，通过计算机改变直接数字频率合成器(7)的频率控制字N来改变光线通过声光调制器(8)的出射角，从而调节干涉条纹的周期，以达到将干涉条纹清楚地投影到被测物体上的目的；

g)投影到被测物体(17)表面的干涉条纹被CCD相机(18)获取后再通过计算机(14)进行处理，最终恢复被测物体(17)三维形貌。