CN106403846A - 用于物体表面三维测量的光投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于物体表面三维测量的光投影装置，激光器产生激光经光学扩束单元、反射镜、第一偏振片后产生偏振光，投射到所述第一雅敏光学平板的前后表面上，通过所述雅敏光学平板后形成两路光路，第一路光路经第二偏振片形成垂直偏振光后再经第一光楔对投射到所述第二雅敏光学平板，第二路光路经第三偏振片形成垂直偏振光后再经第二光楔对投射到所述第二雅敏光学平板，所述两路光路通过所述第二雅敏光学平板形成合束依次通过1/4波片、可调节偏振片、投影物镜后放大并投影到被测物表面。本发明将偏振技术与相移条纹技术相结合，在机/离机快速测量多种不同结构物体表面的三维形貌，具有较强的抗振和噪声动能力，特别是对结构复杂的模具表面测量具有较强的鲁棒性。

Description

用于物体表面三维测量的光投影装置

技术领域

本发明属于粗糙物体表面形貌的三维测量与数字化技术领域，具体涉及一种用于物体表面三维测量的光投影装置。

背景技术

在现代制造业、虚拟仿真、考古和测量领域，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，

现有技术之一(参见“彩色数字编码投影光栅三维轮廓术的研究”，刘维一，王肇圻，母国光，光学学报，21(6)，687-690，2001)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。

现有技术之二(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。

现有技术之三(参见“Overview of three-dimensional shape measurementusing optical methods光学三维测量方法”，F.Chen，G.M.Brown，M.Song，Opt.Eng.39(2000)10–22.)采用高强度光源将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。

现有技术之四(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，普适性搞，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。

现有技术之五(参见“相位检测面形术在大尺度三维面形测量中的应用”，李万松，苏礼坤，苏显渝.光学学报，20(6)：792～796，2000)提出一种基于大尺度三维测量系统，该系统利用相位光栅形成结构光条纹，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，该方法相移的误差控制并不容易，其测量精度有待提升。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于物体表面三维测量的光投影装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种用于物体表面三维测量的光投影装置，该装置包括激光器、聚焦透镜组成的光学扩束单元、反射镜、第一偏振片、第一雅敏光学平板、第二偏振片、第三偏振片、第一光楔对、第二光楔对、第二雅敏光学平板、1/4波片，所述激光器产生激光经光学扩束单元、反射镜、第一偏振片后产生偏振光，投射到所述第一雅敏光学平板的前后表面上，通过所述雅敏光学平板后形成两路光路，第一路光路经第二偏振片形成垂直偏振光后再经第一光楔对投射到所述第二雅敏光学平板，第二路光路经第三偏振片形成垂直偏振光后再经第二光楔对投射到所述第二雅敏光学平板，所述两路光路通过所述第二雅敏光学平板形成合束依次通过1/4波片、可调节偏振片、投影物镜后放大并投影到被测物表面。

上述方案中，所述被测物表面反射的条纹光通过CCD相机采集后传输到计算机。

上述方案中，所述激光器输出的是单模激光。

上述方案中，所述第一光楔对和第二光楔对的尺寸参数和光学性能相同。

上述方案中，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片的透振方向分别是45°、90°和0°，所述可调节偏振片的偏振方向为0-180°。

上述方案中，所述第一雅敏光学平板和第二雅敏光学平板的前后表面镀有偏振反射膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明的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，能够降低软件处理难度；

(2)本发明的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)本发明的测量过程不受被测物体的颜色、形状和运动状态的影响；

(4)本发明能够实现相移速度快，精度更高，同时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。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种用于物体表面三维测量的光投影装置的结构示意图；

图中，1—激光器，2—光学扩束单元，3—反射镜，4—第一偏振片，5—第一雅敏光学平板，6—第二偏振片，7—第三偏振片，8—第一光楔对，9—第二光楔对，10—第二雅敏光学平板，11—1/4波片，12—可调节偏振片，13—投影物镜，14—被测物，15—CCD相机，16—计算机。

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施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种用于物体表面三维测量的光投影装置，如图1所示，该装置包括激光器1、聚焦透镜组成的光学扩束单元2、反射镜3、第一偏振片4、第一雅敏光学平板5、第二偏振片6、第三偏振片7、第一光楔对8、第二光楔对9、第二雅敏光学平板10、1/4波片11、，所述激光器1产生激光经光学扩束单元2、反射镜3、第一偏振片4后产生偏振光，投射到所述第一雅敏光学平板5的前后表面上，通过所述雅敏光学平板5后形成两路光路，第一路光路经第二偏振片6形成垂直偏振光后再经第一光楔对8投射到所述第二雅敏光学平板10，第二路光路经第三偏振片7形成垂直偏振光后再经第二光楔对9投射到所述第二雅敏光学平板10，所述两路光路通过所述第二雅敏光学平板10形成合束依次通过1/4波片11、可调节偏振片12、投影物镜13后放大并投影到被测物14的表面。

所述被被测物14表面反射的条纹光通过CCD相机15采集后传输到计算机16。

具体地，沿所述激光器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单元2、反射镜3，通过一45°的第一偏振片4产生偏振光，投射到第一雅敏光学平板5的前后表面上，所述第一雅敏光学平板5的前后表面镀有偏振反射膜，通过所述第一雅敏光学平板5后形成两路光路(即a、b两路光)，a路光通过垂直设置的第二偏振片6形成垂直偏振光，光路b通过水平设置的第三偏振片7形成水平偏振光，光路a和光路b分别通过第一光楔对8和第二光楔对9产生微角度偏转，用以改变干涉条纹的周期和倾斜量，光路a和b又通过第二雅敏光学平板10形成合束，合束后的光路经过1/4波片11改变偏振态，最后通过可调节偏振片12形成不同相位的干涉条纹，干涉条纹经过投影物镜13放大并投影到被测物14的表面，所述被被测物14的表面反射的条纹光通过CCD相机15采集然后输入到计算机16进行最后的软件处理，采用相移法提取相位，并对相位进行解包裹处理，最后根据标定参数恢复被测物的三维形貌。

所述投影物镜13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15的采集速度不小于30fps，以配合相位解包裹和三维重建算法的高速需求，分辨率不小于1024×1024像素。

所述激光器1输出的是单模激光，采用波长为632.8nm的氦氖激光。

所述第一光楔对8和第二光楔对9的尺寸参数和光学性能相同。

所述光线通过第一光楔对8和第二光楔对9后的传播方向改变，改变后的方向根据下式获得

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。

所述第一偏振片4、第二偏振片6、第三偏振片7的透振方向分别是45°、90°和0°，所述可调节偏振片12的偏振方向为0-180°。

所述第一雅敏光学平板5和第二雅敏光学平板10的前后表面镀有偏振反射膜。

为了降低成本，提高相移测量的准确性，同时降低测量的成本，本发明以偏振片和1/4波片为相移器件，以光楔对为条纹调节手段，采用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，在实现精确三维测量的同时可以提高工件测量速度。

本发明将偏振技术与相移条纹技术相结合，在机/离机快速测量多种不同结构物体表面的三维形貌，具有较强的抗振和噪声动能力，特别是对结构复杂的模具表面测量具有较强的鲁棒性。

本发明能够安装在机床上进行工件加工的在机检测，利用调节偏振片旋转方向实现相移条纹获取进而实现物体面形的三维测量，其对具有加工缺陷等不连续区域的工件测量十分有效；本发明采用等光程结构，抗振动、噪声能力强，适合不同复杂面形的测量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于物体表面三维测量的光投影装置，其特征在于，该装置包括激光器、聚焦透镜组成的光学扩束单元、反射镜、第一偏振片、第一雅敏光学平板、第二偏振片、第三偏振片、第一光楔对、第二光楔对、第二雅敏光学平板、1/4波片，所述激光器产生激光经光学扩束单元、反射镜、第一偏振片后产生偏振光，投射到所述第一雅敏光学平板的前后表面上，通过所述雅敏光学平板后形成两路光路，第一路光路经第二偏振片形成垂直偏振光后再经第一光楔对投射到所述第二雅敏光学平板，第二路光路经第三偏振片形成垂直偏振光后再经第二光楔对投射到所述第二雅敏光学平板，所述两路光路通过所述第二雅敏光学平板形成合束依次通过1/4波片、可调节偏振片、投影物镜后放大并投影到被测物表面。

2.根据权利要求1所述的用于物体表面三维测量的光投影装置，其特征在于：所述被测物表面反射的条纹光通过CCD相机采集后传输到计算机。

3.根据权利要求1或2所述的用于物体表面三维测量的光投影装置，其特征在于：所述激光器输出的是单模激光。

4.根据权利要求3所述的用于物体表面三维测量的光投影装置，其特征在于：所述第一光楔对和第二光楔对的尺寸参数和光学性能相同。

5.根据权利要求4所述的用于物体表面三维测量的光投影装置，其特征在于：所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片的透振方向分别是45°、90°和0°，所述可调节偏振片的偏振方向为0-180°。

6.根据权利要求5所述的用于物体表面三维测量的光投影装置，其特征在于：所述第一雅敏光学平板和第二雅敏光学平板的前后表面镀有偏振反射膜。