CN1093935C - 一种快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种全场无机械运动的高速投影结构光三维物体轮廓相位测量方法及装置，包括结构光投影(或成像)装置，光电成像及传感器装置，被测物体和测量结果输出装置，由投影(或成像)装置依次或同时投影(或成像)多幅不同光场分布的光场图到被测物体表面，然后由光电传感器依次连续获取多幅投影(或成像)到被测物体表面的变形光场图，也可以通过编码技术一次获取变形光场图后，再通过解码技术分解为多幅不同的变形光场图，最后由得到的N幅相应的变形光场图Z1，Z2…Zn(n≥3)，得到物体的三维轮廓信息。
Description
本发明涉及光电检测技术，更进一步涉及一种快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置。
投影结构光的三维轮廓技术是一种光学全场、非接触式的三维测量方法，而相位测量方法由于其测量精度高，而被广泛地研究和发展，如V.Srinivasan等人1984年发表在《Applied optics》第二十三卷第一十八期上的技术，该技术采用相干光干涉形成条纹光场的方法来获得结构光，通过改变光程来获得相移。该技术由于采用干涉技术，因而抗干扰性较差，同时单色光投影到物体表面上而产生的散斑噪声将影响测量精度。
为了克服上述缺点，赵宏等人提出了一种“利用莫尔条纹的准正弦特性的三维轮廓术”的方法，该方法发表在1994年《光学学报》第十四卷第八期上，其过程是通过投影系统把一正弦光场投影到被测物体上，然后利用机械运动来获得三幅变相位的变形条纹图，从而利用相移技术来解调三维信息，由于存在机械运动，因而其速度受到影响，更重要的是，机械运动在实际应用中的可靠性受到极大的限制。
本发明的目的是针对现有技术部分存在的上述问题，提供一种全场、非接触、无机械运动的快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置，通过三组投影/成像系统来获得三组变形条纹图，然后利用相移技术来解调被测物体的三维信息。
本发明的快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法，包括以下步骤：
(1)把被测物体放置在投影/成像装置及光电传感器前面；
(2)通过投影/成像装置的三个投影/成像系统一次投影/成像多幅结构光图或依次投影/成像多幅各结构光图于被测物体表面；
(3)由与投影/成像装置的光轴成一定夹角的光电传感器来一次获取或依次获取多幅投影/成像在被测物体上的变形结构光图，或由与投影/成像装置的光轴成一定夹角的光电传感器通过一解调光栅来依次观察投影/成像在被测物体表面的变形结构光图，以获得不同的莫尔条纹图；
(4)直接通过分析变形结构光场或分析莫尔条纹图，就可得到物体的三维形面坐标，计算出物体的三维轮廓。
本发明的其他特点是，由投影/成像系统完成的投影/成像的各光场，其几何光路结构是共轭光路投影/成像。
本发明的快速投影结构光的三维轮廓相位测量装置，包括：
一个放置在被测物体3一侧的投影/成像装置1，光电传感器2，数据输出设备4，以及用于解调信息的光栅5，其特点是：光电传感器2的光轴与投影/成像装置1的光轴有一夹角θ，投影/成像装置1的三维成像系统的光路成共轭光路投影/成像系统，它包括一系列的结构光投影/成像系统6。
快速投影结构光的三维轮廓相位测量装置的其他特点是：共轭光路投影/成像系统的光路与光电传感器2的光路处于同一平面内，并成一定夹角；结构光投影/成像系统6的显示装置是CRT。
本发明由于采用了全场、非接触、无机械运动的快速测量方法极其装置，共轭光路投影/成像系统的应用，提高了测量速度及可靠性。从而大大的增强了投影结构光测量方法的实用性。
图1是本发明快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置的原理示意图；
图2是本发明的实施例1的示意图；
图3是本发明的实施例2的示意图；
图4是本发明的实施例3的示意图；
图5是本发明的实施例4的示意图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明的快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法，包括以下步骤：
(a)把被测物体放置在投影/成像装置及光电传感器前面；
(b)通过投影/成像装置的三个投影/成像系统一次投影/成像多幅结构光图或依次投影/成像多幅各结构光图于被测物体表面；
(c)由与投影/成像装置的光轴成一定夹角的光电传感器来一次获取或依次获取多幅投影/成像在被测物体上的变形结构光图，或由与投影/成像装置的光轴成一定夹角的光电传感器通过一解调光栅来依次观察投影/成像在被测物体表面的变形结构光图，以获得不同的莫尔条纹图；
(d)直接通过分析变形结构光场或分析莫尔条纹图，计算出物体的三维轮廓。
由投影/成像系统投完成的投影/成像的各光场，其几何光路结构是共轭光路投影/成像。
本发明的快速投影结构光的三维轮廓相位测量装置，包括：投影/成像装置1，用于获得变形结构光图或莫尔条纹图的光电传感器2，被测物体3，测量结果数据输出设备4，以及用于产生、解调信息的光栅5。其中光栅5仅在为了获取莫尔图时使用。若是直接由光电传感器获取变形结构光图来测量三维物体形状时，可不需要光栅5。当投影/成像装置1作为投影装置时，则包括三组投影系统6，两个分光镜7以及三个结构光栅8构成。当作为成像装置时，则包括三组照明系统6，两个分光镜7，以及三结构光栅8和一个成像透镜构成。
光电传感器2的光轴与投影/成像装置1的光轴有一夹角θ，投影/成像装置1的三维成像系统的光路成共轭光路投影/成像系统，它包括一系列的结构光投影/成像系统6。被测物体3放在投影/成像装置1和光电传感器2的前方，并保证共轭光路投影/成像系统的光路与光电传感器2的光路处于同一平面内，并成一定夹角θ；这一夹角θ由系统的测量分辨率决定。结构光投影/成像系统6的显示装置选择CRT。
下面是发明人给出的实施例。
实施例1：参见图2，图中描述了快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置的一个实施例，其投影/成像装置1，实质上是一个由三组投影系统6、三个结构光图8和两个分光镜7组成的投影装置，光电传感器2前方有一个解调光栅5。系统三维成像光路结构是共轭光路投影。
实施例2：参见图3，图中描述了快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置的又一个具体实施例，其投影/成像装置1，实质上是一个由三组投影系统6、三个结构光图8和两个分光镜7，以及一个成像透镜9组成的成像装置，光电传感器2前方有一个解调光栅5。三组投影系统6、系统三维成像光路结构是共轭光路投影。
实施例3：参见图4，图4描述了快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置的又一个具体实施例(与图2相似)，但没有调解光栅5，而是由光电传感器2直接获取变形结构光图。其他与实施例1同。
实施例4：参见图5，图5描述了快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法及装置的又一个具体实施例(与图3相似)，但没有调解光栅5，而是由光电传感器2直接获取变形结构光图。其他与实施例2同。
由于本发明采用了全场、非接触、无机械运动的快速测量方法及装置，共轭光路投影/成像系统的应用，提高了测量速度及可靠性，测量精度可达到10μm，比原有的方法提高了一个数量级，更重要的是测量时间可由原来的30s提高到现在的2s完成，并且无任何机械运动，提高了系统的测量可靠性和测量系统的使用寿命，可广泛用于工业产品的在线测试。
Claims (5)
1.一种快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法，包括以下步骤：
(1)把被测物体放置在投影/成像装置及光电传感器前面；
(2)通过投影/成像装置的三个投影/成像系统一次投影/成像多幅结构光图或依次投影/成像多幅各结构光图于被测物体表面；
(3)由与投影/成像装置的光轴成一定夹角的光电传感器来一次获取或依次获取多幅投影/成像在被测物体上的变形结构光图，或由与投影/成像装置的光轴成一定夹角的光电传感器通过一解调光栅来依次观察投影/成像在被测物体表面的变形结构光图，以获得不同的莫尔条纹图；
(4)直接通过分析变形结构光场或分析莫尔条纹图，计算出物体的三维轮廓。
2.根据权利要求1所述的快速投影结构光的三维轮廓相位测量方法，其特征在于：由投影/成像系统完成的投影/成像的各光场，其几何光路结构是共轭光路投影/成像。
3.一种快速投影结构光的三维轮廓相位测量装置，包括：一个放置在被测物体[3]一侧的投影/成像装置[1]，光电传感器[2]，数据输出设备[4]，以及用于解调信息的光栅[5]，其特征在于：光电传感器[2]的光轴与投影/成像装置[1]的光轴有一夹角θ，投影/成像装置[1]的三维成像系统的光路成共轭光路投影/成像系统，它包括一系列的结构光投影/成像系统[6]。
4.根据权利要求3所述的快速投影结构光的三维轮廓相位测量装置，其特征在于：所述共轭光路投影/成像系统的光路与光电传感器[2]的光路处于同一平面内，并成一定夹角。
5.根据权利要求3所述的快速投影结构光的三维轮廓相位测量装置，其特征在于：所述结构光投影/成像系统[6]的显示装置是CRT。
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