CN111780688A - 一种线结构光投影装置及轮廓测量方法 - Google Patents

一种线结构光投影装置及轮廓测量方法 Download PDF

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CN111780688A CN202010661566.4A CN202010661566A CN111780688A CN 111780688 A CN111780688 A CN 111780688A CN 202010661566 A CN202010661566 A CN 202010661566A CN 111780688 A CN111780688 A CN 111780688A
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郑超英
郭明辉
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Abstract

本发明提供了一种线结构光投影装置及轮廓测量方法，所述装置包括投影光源(1)、光束准直器(2)、中性可调衰减器(3)、衍射光栅(4)、傅里叶透镜(5)、双针孔空间滤波器(6)以及投影屏(8)；所述投影光源(1)发出的光束，依次经过光束准直器(2)和中性可调衰减器(3)后，光束入射至衍射光栅(4)发生衍射现象并形成多个衍射光束，其中+1级和‑1级两束衍射光经傅里叶透镜(5)后被聚焦于放置于傅里叶透镜(5)焦平面上的双针孔滤波器(6)并发生针孔衍射，形成两个点投光源，两个点投光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到投影屏(8)，提高了干涉条纹投影的稳定性。

Description

一种线结构光投影装置及轮廓测量方法
技术领域
本发明涉及一种线结构光投影装置及轮廓测量方法。
背景技术
结构光三维轮廓测量技术具有全场、非接触、精度高、速度快和可实现自动化测量等优点，被广泛应用于工业检测、机器视觉和生物医学等应用领域。结构光三维轮廓测量方法实现的技术多种多样，其中基于三角测量思想的相位测量轮廓术(PMP)和傅里叶变换轮廓术(FTP)是两种最常见，且被广泛应用于结构光三维轮廓测量技术。如文献(苏显渝，张启灿，陈文静.结构光三维成像技术,中国激光,2014,41(2):0209001.)中所述，结构光三维轮廓测量技术的基本原理描述如下：利用结构光条纹投影系统将正弦结构光投射到待测物体表面，经待物体调制后的畸变结构光条纹由摄像系统采集并记录，随后利用计算机对畸变结构光条纹图阵列进行相位恢复和高度重建处理，以恢复出待物体的三维形貌轮廓。由于采用的三维轮廓信息求解方式的不同，导致测量的速度、精度及应用场景都不同，其中PMP法具有计算速度快和测量精度高的优点，然而由于其测量需要采集记录多幅畸变条纹，容易受到环境因素干扰，很难实现准确的相移，也因此无法用于动态测量领域；而FTP只需要单次测量便可恢复出待物体的三维高度信息，可实现实时测量，而且对测量设备的要求简单，被广泛应用于动态三维轮廓测量领域。
结构光三维轮廓测量系统的核心装置之一是能够产生准确、灵活可控的结构光条纹投影方法及装置。常见的投影方法包括采用光栅投影法、数字结构光投影法和干涉条纹投影法等，其中光栅投影法利用白光投影光源照明光栅产生条纹进行投影，但其测量的灵活性较差，且条纹密度低导致测量精度相对较低。数字结构光投影法由于采用数字条纹投影技术，其结构光条纹由计算机生成，可以实现任意周期、形状的结构光条纹投影到待测物体表面，但受数字投影仪原理的限制导致难以产生高密度的正弦条纹，而且数字投影仪的非线性效应导致投影条纹图像非正弦化，使得三维轮廓测量精度较低。而干涉条纹投影法是用激光干涉产生的正弦干涉条纹实现结构光投影，该方法可提高线结构光条纹密度，而且具有良好的周期性和非定域性，比如文献(朱荣刚,朱日宏,宋倩,李建欣,李金鹏.基于光纤干涉投影的傅里叶变换轮廓术应用研究.中国激光,2013,40(07):172-176.)报道了一种光纤干涉投影方法的傅里叶变换轮廓术，利用光纤耦合器实现马赫-曾德尔光纤干涉结构以产生杨氏双孔干涉条纹，实现线结构光投影，具有结构紧凑、体积小、易于集成优化和灵敏度高等优点。此外，中国发明申请CN102679908A公开了一种双波长光纤干涉条纹投影技术，利用光纤波分复用技术和马赫泽德非平衡干涉仪结构，结合杨氏双孔干涉模型实现正弦干涉条纹投影，该方法测量精度较高、避免了电压和亮度的非线性关系产生的误差。但是，光纤干涉投影法存在一个常见的问题是光纤干涉臂极易受到温度波动及环境振动等因素的影响，从而导致光纤长度、折射率发生变化，使得干涉条纹投影出现相位漂移，从而影响三维轮廓测量精度；而且由于采用非共光路干涉，对周围环境的振动影响敏感，导致投影干涉条纹线结构光不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供本发明提出了一种线结构光投影装置及轮廓测量方法，该线结构光投影装置采用衍射光栅分光共光路干涉结构，利用衍射光栅产生的+1级和-1级衍射光束作为共光路干涉臂，有效避免了振动和环境变化对干涉条纹的影响，提高了干涉条纹投影的稳定性，且得到的干涉条纹图像中心和边缘强度分布相对均匀。
本发明之一是这样实现的：一种线结构光投影装置，包括投影光源(1)、光束准直器(2)、中性可调衰减器(3)、衍射光栅(4)、傅里叶透镜(5)、双针孔空间滤波器(6)以及投影屏(8)；所述投影光源(1)发出的光束，依次经过光束准直器(2)和中性可调衰减器(3)后，光束入射至衍射光栅(4)发生衍射现象并形成多个衍射光束，其中+1级和-1级两束衍射光经傅里叶透镜(5)后被聚焦于放置于傅里叶透镜(5)焦平面上的双针孔滤波器(6)并发生针孔衍射，形成两个点投光源，两个点投光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到投影屏(8)。
进一步地，所述投影光源(1)为激光或单波长LED投影光源。
进一步地，所述衍射光栅(4)为一维衍射光栅；所述一维衍射光栅为相位型一维衍射光栅或振幅型一维衍射光栅。
进一步地，所述的衍射光栅(4)为石英玻璃制作的一维衍射光栅、由空间光调制器生成的数字化相位型衍射光栅，或者由数字微镜晶片DMD生成的数字化振幅型衍射光栅。
进一步地，所述的傅里叶透镜(5)为正傅里叶透镜。
进一步地，所述双针孔空间滤波板(6)上设置有第一圆形低通针孔滤波器(61)和第二圆形低通针孔滤波器(62)；所述的双针孔空间滤波板(6)上设置的第一圆形低通针孔滤波器(61)和第二圆形低通针孔滤波器(62)之间的距离应为b，由如下公式确定：
b＝2α·f
其中α为衍射光栅(4)的一级衍射分光角，f为傅里叶透镜(5)的焦距；所述的双针孔空间滤波板(6)的第一圆形低通针孔滤波器(61)的孔径大小和第二圆形低通针孔滤波器(62)的孔径大小相等。
进一步地，所述双针孔空间滤波板(6)用于产生两个点投光源；所述的两个点投光源各自发出的发散光，并在重叠的区域发生干涉，形成固定空间载频的正弦线结构光；所述正弦线结构光的空间载频大小由以下公式决定：
Figure BDA0002578723440000031
其中κ为正弦线结构光的空间载频大小，α为衍射光栅(4)的一级衍射分光角，λ为所用投影光源(1)的波长。
进一步地，所述投影光源(1)的入射方向平行于所述投影装置的主光轴，所述衍射光栅(4)的放置方向垂直于所述投影装置的主光轴，所述双针孔空间滤波器(6)的放置方向垂直于所述投影装置的主光轴。
本发明之二是这样实现的：一种线结构光投影轮廓测量方法，所述方法需提供如本发明之一中任意一项所述的装置，还包括一工业相机以及计算机；具体包括如下步骤：
对工业相机采集得到的线结构光畸变干涉条纹，畸变干涉条纹为空间载频干涉条纹，如下：
g(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf0(x,y)+φ(x,y)] (1)
其中g(x,y)表示畸变干涉条纹强度分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)表示畸变干涉条纹的调制度函数，φ(x,y)表示待物体表面的轮廓信息，x和y表示畸变干涉条纹的空间坐标；
步骤1：对工业相机采集得到的畸变干涉条纹作预处理：包括对畸变干涉条纹去噪处理、截取干涉条纹的有效部分和对比度调整；
步骤2：对预处理后的畸变干涉条纹作傅里叶变换，在x方向上的空间载频分量，公式(1)写为：
g(x,y)＝a(x,y)+c(x,y)exp(i2πf0x)+c*(x,y)exp(-i2πf0x) (2)
其中g(x,y)表示畸变干涉条纹强度分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)表示畸变干涉条纹的调制度函数，f0表示x方向上的空间线性载频，“*”表示共轭，
Figure BDA0002578723440000041
其中，c(x,y)为：
Figure BDA0002578723440000042
对(2)式两边作傅里叶变换得：
G(f,y)＝A(f,y)+C(f-f0,y)+C*(f+f0,y) (4)
其中，G(f,y)、A(f,y)、C(f-f0,y)、C*(f+f0,y)分别为(2)式中g(x,y)、a(x,y)、b(x,y)、c*(x,y)的傅里叶变换；
步骤3：在频域中通过一个滤波窗函数将包含待测物体表面轮廓相位信息的基频C(f-f0,y)提取出来，并将它移动到零频的位置，得到C(f,y)，则对C(f,y)作傅里叶逆变换后有：
c(x,y)＝F-1{C(f,y)} (5)
因此，根据公式(3)可以求得待测物体表面轮廓截断相位分布为：
Figure BDA0002578723440000051
步骤4：公式(6)引入反正切计算，得到的反正切相位主值φ’(x,y)在[-π，+π]之间跳变，因此最后通过相位展开后得到待测物体表面轮廓相位信息φ(x,y)。
进一步地，所述的工业相机(9)的镜头设置有光学滤波片，所述的工业相机(9)镜头设置的光学滤波片为窄带光学滤波器，通光中心波长与投影光源(1)的波长相匹配。
本发明的优点在于：
1、本发明所公开的线结构光投影装置，与传统光纤干涉投影技术相比，由于采用共光路结构设计，对工作环境变化不敏感，提高了线结构光投影的稳定性，有助于提高三维轮廓测量过程中抗干扰能力，提高测量稳定性。
2、采用本发明线结构光投影装置，采用衍射光栅分光，由+1级和-1级衍射光束经过双针孔空间滤波器后实现低通滤波形成两个高质量的点光源，所述点光源不经过任何光学器件直接发生杨氏双孔干涉，形成的干涉条纹质量高，不受传统干涉条纹投影装置中因器件误差导致的线结构光畸变的问题，有助于提高三维轮廓测量的精度。
3、本发明所公开的线结构光投影装置，所产生的线结构光的周期固定，直接由衍射光栅分光后+1级衍射光束和-1级衍射光束之间的夹角决定，即引入了固定空间载频干涉条纹，因而可以通过基于傅里叶变换的空间相位调制技术快速准确的复原出待测物体的轮廓信息，提高了测量速度，适用于动态三维轮廓测量领域。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种线结构光投影装置的原理示意图；
图2是本发明所述的双孔空间滤波器的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-投影光源，2-光束准直器，3-中性可调衰减器，4-衍射光栅，5-傅里叶透镜，6-双针孔空间滤波器，7-待测物体，8-投影屏，9-工业相机，10-计算机。
具体实施方式
针对现有光纤干涉投影方法及装置存在的问题，结合共光路干涉具有稳定性强的优点，本发明提出了一种线结构光投影装置。该线结构光投影装置采用衍射光栅分光共光路干涉结构，利用衍射光栅产生的+1级和-1级衍射光束作为共光路干涉臂，有效避免了振动和环境变化对干涉条纹的影响，提高了干涉条纹投影的稳定性，且得到的干涉条纹图像中心和边缘强度分布相对均匀。
本发明的基本思想是：设计一种线结构光投影装置，该线结构光投影装置采用衍射光栅分光共光路干涉结构，光束入射至衍射光栅发生衍射并形成多个衍射光束，其中+1级和-1级两束衍射光经傅里叶透镜后被聚焦于放置在傅里叶透镜焦平面上的双针孔滤波器并发生针孔衍射，形成两个高质量的点投影光源，两个点投影光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到待测物体表面，经物体所调制的畸变线结构光条纹图样被工业相机采集记录，获得畸变线结构条纹阵列数字图像，最后通过傅里叶变换轮廓术重建出待测物体的三维形貌。
请参阅图1和图2所示，本发明线结构光投影装置，包括投影光源1、光束准直器2、中性可调衰减器3、衍射光栅4、傅里叶透镜5、双针孔空间滤波器6以及投影屏8，所述投影光源1为激光或单波长LED投影光源，所述的衍射光栅4为石英玻璃制作的一维衍射光栅、由空间光调制器生成的数字化相位型衍射光栅，或者由数字微镜晶片DMD生成的数字化振幅型衍射光栅，所述的傅里叶透镜5为正傅里叶透镜；所述投影光源1发出的光束，依次经过光束准直器2和中性可调衰减器3后，光束入射至衍射光栅4发生衍射现象并形成多个衍射光束，其中+1级和-1级两束衍射光经傅里叶透镜5后被聚焦于放置于傅里叶透镜5焦平面上的双针孔滤波器6并发生针孔衍射，形成两个点投光源，两个点投光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到投影屏8，所述投影光源1的入射方向平行于所述投影装置的主光轴，所述衍射光栅4的放置方向垂直于所述投影装置的主光轴，所述双针孔空间滤波器6的放置方向垂直于所述投影装置的主光轴。
所述双针孔空间滤波板6上设置有第一圆形低通针孔滤波器61和第二圆形低通针孔滤波器62；所述的双针孔空间滤波板6上设置的第一圆形低通针孔滤波器61和第二圆形低通针孔滤波器62之间的距离应为b，由如下公式确定：
b＝2α·f
其中α为衍射光栅4的一级衍射分光角，f为傅里叶透镜5的焦距；所述的双针孔空间滤波板6的第一圆形低通针孔滤波器61的孔径大小和第二圆形低通针孔滤波器62的孔径大小相等。
所述双针孔空间滤波板6用于产生两个点投光源；所述的两个点投光源各自发出的发散光，并在重叠的区域发生干涉，形成固定空间载频的正弦线结构光；所述正弦线结构光的空间载频大小由以下公式决定：
Figure BDA0002578723440000071
其中κ为正弦线结构光的空间载频大小，α为衍射光栅4的一级衍射分光角，λ为所用投影光源1的波长。
本发明一种具体实施方式：
本发明一种线结构光投影装置实施方案图，其特征在于所述投影装置包括：投影光源1、光束准直器2、中性可调衰减器3、衍射光栅4、傅里叶透镜5、双针孔空间滤波器6、工业相机9和计算机10；所述投影光源1发出的光束，依次经过光束准直器2和中性可调衰减器3后，光束入射至衍射光栅4发生衍射现象并形成多个衍射光束，其中+1级和-1级两束衍射光经傅里叶透镜5后被聚焦于放置于傅里叶透镜5焦平面上的双针孔滤波器6并发生针孔衍射实现光学低通空间滤波，形成两个高质量的点光源，两个点光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到待测物体7表面，经待测物体所调制的畸变条纹图样被工业相机9采集记录，获得畸变结构光条纹阵列数字图像，最后利用计算机10采用傅里叶变换轮廓术算法重建出待测物体7的三维形貌。
本发明一种线结构光投影轮廓测量方法，所述方法需提供所述线结构光投影装置，还包括一工业相机以及计算机；具体包括如下步骤：
对工业相机采集得到的线结构光畸变干涉条纹，畸变干涉条纹为空间载频干涉条纹，如下：
g(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf0(x,y)+φ(x,y)] (1)
其中g(x,y)表示畸变干涉条纹强度分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)表示畸变干涉条纹的调制度函数，φ(x,y)表示待物体表面的轮廓信息，x和y表示畸变干涉条纹的空间坐标；
步骤1：对工业相机采集得到的畸变干涉条纹作预处理：包括对畸变干涉条纹去噪处理、截取干涉条纹的有效部分和对比度调整；
步骤2：对预处理后的畸变干涉条纹作傅里叶变换，在x方向上的空间载频分量，公式(1)写为：
g(x,y)＝a(x,y)+c(x,y)exp(i2πf0x)+c*(x,y)exp(-i2πf0x) (2)
其中g(x,y)表示畸变干涉条纹强度分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)表示畸变干涉条纹的调制度函数，f0表示x方向上的空间线性载频，“*”表示共轭，
Figure BDA0002578723440000081
其中，c(x,y)为：
Figure BDA0002578723440000082
对(2)式两边作傅里叶变换得：
G(f,y)＝A(f,y)+C(f-f0,y)+C*(f+f0,y) (4)
其中，G(f,y)、A(f,y)、C(f-f0,y)、C*(f+f0,y)分别为(2)式中g(x,y)、a(x,y)、b(x,y)、c*(x,y)的傅里叶变换；
步骤3：在频域中通过一个滤波窗函数将包含待测物体表面轮廓相位信息的基频C(f-f0,y)提取出来，并将它移动到零频的位置，得到C(f,y)，则对C(f,y)作傅里叶逆变换后有：
c(x,y)＝F-1{C(f,y)} (5)
因此，根据公式(3)可以求得待测物体表面轮廓截断相位分布为：
Figure BDA0002578723440000091
步骤4：公式(6)引入反正切计算，得到的反正切相位主值φ’(x,y)在[-π，+π]之间跳变，因此最后通过相位展开后得到待测物体表面轮廓相位信息φ(x,y)。
所述的工业相机(9)的镜头设置有光学滤波片，所述的工业相机(9)镜头设置的光学滤波片为窄带光学滤波器，通光中心波长与投影光源(1)的波长相匹配。
实施例1
如图1至2所示，本发明公开的线结构光投影装置的具体实施方案的光路，包括投影光源1，光束准直器2，中性可调衰减器3，衍射光栅4，傅里叶透镜5，双针孔空间滤波器6，待测物体7，投影屏8，工业相机9，计算机10。
在本实施例中，投影光源1采用波长为632.8nm的He-Ne激光器，光束准直器2采用含有针孔滤波器的单波长望远镜系统，中性可调衰减器3采用可见光中性密度滤光片组，衍射光栅4为透射式1200线/mm的石英玻璃正弦相位型一维衍射光栅，傅里叶透镜5采用焦距分别为f＝200mm的消像差正傅里叶透镜，双针孔滤波器6上的第一圆形低通针孔滤波器61的孔径为5微米，双针孔滤波器6上的第二圆形低通针孔滤波器62的孔径为5微米，工业相机9采用型号为MVC-Ⅱ1M、1024*1280像素的面阵CCD探测器，计算机系统10为PC计算机。
按照如图1所示的光路连接好各个光学器件，所述投影光源1发出的光束，依次经过光束准直器2和中性可调衰减器3后，光束入射至衍射光栅4发生衍射现象并形成多个衍射光束，其中+1级和-1级两束衍射光经傅里叶透镜5后被聚焦于放置于傅里叶透镜5焦平面上的双针孔滤波器6并发生针孔衍射实现光学低通空间滤波，形成两个高质量的点光源，两个点光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到待测物体7表面，经待测物体所调制的畸变线结构光图样被工业相机9采集记录，获得畸变结构光阵列数字图像，最后利用计算机10采用如公式(1)至公式(6)所述的傅里叶变换轮廓术恢复出待测物体7的三维轮廓相位信息，最后得到待测物体7表面三维面形轮廓。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种线结构光投影装置，其特征在于：包括投影光源(1)、光束准直器(2)、中性可调衰减器(3)、衍射光栅(4)、傅里叶透镜(5)、双针孔空间滤波器(6)以及投影屏(8)；所述投影光源(1)发出的光束，依次经过光束准直器(2)和中性可调衰减器(3)后，光束入射至衍射光栅(4)发生衍射现象并形成多个衍射光束，其中+1级和-1级两束衍射光经傅里叶透镜(5)后被聚焦于放置于傅里叶透镜(5)焦平面上的双针孔滤波器(6)并发生针孔衍射，形成两个点投光源，两个点投光源发出的光发生杨氏双孔干涉，产生的干涉条纹作为线结构光投影到投影屏(8)。
2.如权利要求1所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述投影光源(1)为激光或单波长LED投影光源。
3.如权利要求1所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述衍射光栅(4)为一维衍射光栅；所述一维衍射光栅为相位型一维衍射光栅或振幅型一维衍射光栅。
4.如权利要求1或3所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述的衍射光栅(4)为石英玻璃制作的一维衍射光栅、由空间光调制器生成的数字化相位型衍射光栅，或者由数字微镜晶片DMD生成的数字化振幅型衍射光栅。
5.如权利要求1所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述的傅里叶透镜(5)为正傅里叶透镜。
6.如权利要求1所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述双针孔空间滤波板(6)上设置有第一圆形低通针孔滤波器(61)和第二圆形低通针孔滤波器(62)；所述的双针孔空间滤波板(6)上设置的第一圆形低通针孔滤波器(61)和第二圆形低通针孔滤波器(62)之间的距离应为b，由如下公式确定：
b＝2α·f
其中α为衍射光栅(4)的一级衍射分光角，f为傅里叶透镜(5)的焦距；所述的双针孔空间滤波板(6)的第一圆形低通针孔滤波器(61)的孔径大小和第二圆形低通针孔滤波器(62)的孔径大小相等。
7.如权利要求1所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述双针孔空间滤波板(6)用于产生两个点投光源；所述的两个点投光源各自发出的发散光，并在重叠的区域发生干涉，形成固定空间载频的正弦线结构光；所述正弦线结构光的空间载频大小由以下公式决定：
Figure FDA0002578723430000021
其中κ为正弦线结构光的空间载频大小，α为衍射光栅(4)的一级衍射分光角，λ为所用投影光源(1)的波长。
8.如权利要求1所述的一种线结构光投影装置，其特征在于：所述投影光源(1)的入射方向平行于所述投影装置的主光轴，所述衍射光栅(4)的放置方向垂直于所述投影装置的主光轴，所述双针孔空间滤波器(6)的放置方向垂直于所述投影装置的主光轴。
9.一种线结构光投影轮廓测量方法，其特征在于：所述方法需提供如权利要求1至8任意一项所述的装置，还包括一工业相机以及计算机；具体包括如下步骤：
对工业相机采集得到的线结构光畸变干涉条纹，畸变干涉条纹为空间载频干涉条纹，描述如下：
g(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf0(x,y)+φ(x,y)] (1)
其中g(x,y)表示畸变干涉条纹强度分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)表示畸变干涉条纹的调制度函数，φ(x,y)表示待物体表面的轮廓信息，x和y表示畸变干涉条纹的空间坐标；
步骤1：对工业相机采集得到的畸变干涉条纹作预处理：包括对畸变干涉条纹去噪处理、截取干涉条纹的有效部分和对比度调整；
步骤2：对预处理后的畸变干涉条纹作傅里叶变换，在x方向上的空间载频分量，公式(1)写为：
g(x,y)＝a(x,y)+c(x,y)exp(i2πf0x)+c*(x,y)exp(-i2πf0x) (2)
其中g(x,y)表示畸变干涉条纹强度分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)表示畸变干涉条纹的调制度函数，f0表示x方向上的空间线性载频，“*”表示共轭，
Figure FDA0002578723430000031
其中，c(x,y)为：
Figure FDA0002578723430000032
对(2)式两边作傅里叶变换得：
G(f,y)＝A(f,y)+C(f-f0,y)+C*(f+f0,y) (4)
其中，G(f,y)、A(f,y)、C(f-f0,y)、C*(f+f0,y)分别为(2)式中g(x,y)、a(x,y)、b(x,y)、c*(x,y)的傅里叶变换；
步骤3：在频域中通过一个滤波窗函数将包含待测物体表面轮廓相位信息的基频C(f-f0,y)提取出来，并将它移动到零频的位置，得到C(f,y)，则对C(f,y)作傅里叶逆变换后有：
c(x,y)＝F-1{C(f,y)} (5)
因此，根据公式(3)可以求得待测物体表面轮廓截断相位分布为：
Figure FDA0002578723430000033
步骤4：公式(6)引入反正切计算，得到的反正切相位主值φ’(x,y)在[-π，+π]之间跳变，因此最后通过相位展开后得到待测物体表面轮廓相位信息φ(x,y)。
10.根据权利要求9所述的一种线结构光投影轮廓测量方法，其特征在于：所述的工业相机(9)的镜头设置有光学滤波片，所述的工业相机(9)镜头设置的光学滤波片为窄带光学滤波器，通光中心波长与投影光源(1)的波长相匹配。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102095504A (zh) * 2010-12-07 2011-06-15 四川大学 基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪
CN102326049A (zh) * 2009-02-23 2012-01-18 立体光子国际有限公司 用于干涉测量系统的高速相移的设备和方法
CN204116710U (zh) * 2014-09-26 2015-01-21 江苏大学 一种两步衍射相位成像系统
CN106152972A (zh) * 2016-08-11 2016-11-23 广西师范大学 一种相移式光投影三维测量系统及方法
CN108562239A (zh) * 2018-01-10 2018-09-21 北京理工大学 一种共光路干涉条纹投射装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102326049A (zh) * 2009-02-23 2012-01-18 立体光子国际有限公司 用于干涉测量系统的高速相移的设备和方法
CN102095504A (zh) * 2010-12-07 2011-06-15 四川大学 基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪
US20120140242A1 (en) * 2010-12-07 2012-06-07 Sichuan University Circular common-path point diffraction interference wavefront sensor
CN204116710U (zh) * 2014-09-26 2015-01-21 江苏大学 一种两步衍射相位成像系统
CN106152972A (zh) * 2016-08-11 2016-11-23 广西师范大学 一种相移式光投影三维测量系统及方法
CN108562239A (zh) * 2018-01-10 2018-09-21 北京理工大学 一种共光路干涉条纹投射装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOJIE DUAN等: "Three-Dimensional Shape Reconstruction System Based on Fiber-Optic Interference Fringe Imaging", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF IMAGING SYSTEMS AND TECHNOLOGY》 *
支秋颖: ""基于光栅投影法的三维形貌重构研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

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