CN114509879B - 一种用于3d测量的动态光栅图案产生方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D测量的动态光栅图案产生方法与系统，发光单元阵列发出的光被透镜阵列汇聚到光栅整形阵列，在光经过光栅整形阵列后，通过光束偏转机构产生一个Y轴方向上的光束平移，再经过投影镜头，投射到工作面上。投影的结构光图案由光栅整形阵列产生元图案，并由发光单元阵列中若干条平行间隔设置的发光单元分别独立控制开关变化和频闪的次数，以及，光束偏转机构旋转产生联合作用产生的亮度沿Y轴方向变化的光栅条纹图案。具体的，发光单元阵列通过光源频闪频率来决定投影图案中光栅条的亮度，通过光栅整形阵列控制元图案的精度，通过光束偏转机构和发光单元的频闪来控制投影图案的分辨率，从而在工作面形成动态光栅图案。

Description

一种用于3D测量的动态光栅图案产生方法与系统

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种用于3D测量的动态光栅图案产生方法与系统。

背景技术

3D测量由于其可以获得物体的深度信息，正在被越来越广泛的应用到各个领域。3D测量按技术原理可分为线扫描方式和面扫描方式。面扫方式的速度快，效率高，更具有应用前景。面扫描方式的3D测量一般需要向物体投射结构光，并利用相机拍摄图案来计算三维点云数据，投射的结构光为特定图案，比如散斑图案。

如果投射的结构光为散斑图案，则只需一幅图片即可，但测量精度不高。对于测量精度高的场景更多是投射多幅光栅图案（正弦条纹、格雷码）或获得点云数据。由于每次投射图案都不一样，因此多用投影仪作为光源。投影仪的优点是可以根据需要投射任意图案的图形，但也具有如下缺点：

1、系统复杂、成本高；

2、光学利用率低；

3、在体积有限的情况下亮度低，同时由于投影仪只是将灰度低区域的光遮挡，或者反射到另一个，但对应位置的光源始终开启，因此动态对比度不高。

现有技术中没有较好的可替代多用投影仪的可产生较高对比度、测量精度和分辨率的动态图案产生方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种用于3D测量的动态光栅图案产生方法与系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于3D测量的动态光栅图案产生系统，包括：

发光单元阵列，用于发出高频频闪的光，所述发光单元阵列包括若干条平行间隔设置的发光单元，每条所述发光单元可独立控制，

定义所述发光单元阵列所在平面为基准面，具有彼此垂直的X轴方向和Y轴方向，定义光的传播路径为Z轴方向；

透镜阵列，设置在光的传播路径上，用于将Y轴方向的光聚焦，所述透镜阵列包括若干透镜单元，且每个透镜单元与一条所述发光单元对应，且沿Y轴方向并排设置；

光栅整形阵列，沿Z轴方向设置在所述透镜阵列之后，用于产生边界齐整的光栅条，所述光栅整形阵列包括通光区域和遮光区域；

以及沿Z轴方向设置的投影镜头和工作面，所述投影镜头位于所述光栅整形阵列和所述工作面之间，用于将所述光栅整形阵列产生的光栅条成像在工作面上；其中，还包括

光束偏转机构，可往复转动地设置在所述光栅整形阵列和所述投影镜头之间，且所述光束偏转机构的转动轴与X轴平行，用于使所述光栅整形阵列产生的光栅条在工作面的成像发生Y轴方向的偏移；

控制器，分别与所述发光单元阵列和所述光束偏转机构连接，用于控制所述发光单元阵列的频闪频率、开关和所述光束偏转机构的转动速度，在工作面上形成动态光栅图案。

优选地，每条所述发光单元为长条形光源或由若干光源排列而成。

优选地，相邻所述发光单元之间的距离为所述发光单元的发光区域尺寸的3-50倍。

优选地，所述透镜阵列为柱面透镜阵列，包括若干并排设置的柱面镜单元，每个柱面镜单元与一条所述发光单元对应。

优选地，所述光栅整形阵列为狭缝阵列，且狭缝的缝宽小于透过所述柱面透镜阵列后投射到所述光栅整形阵列时的光束的宽度；

若干所述狭缝沿Y轴方向排布。

优选地，所述光束偏转机构包括平板玻璃和转动电机，所述转动电机带动所述平板玻璃以自身中心绕转动轴往复转动，改变所述平板玻璃与所述光栅整形阵列的角度，使光栅条在工作面的成像发生偏移；

所述平板玻璃与所述光栅整形阵列的角度为

，光栅条的偏移量：

，其中，a为平板玻璃的厚度，n为平板玻璃的折射率；最大角度

应使最大偏移量

等于光栅条的间隔，光栅条的间隔等于相邻所述发光单元之间 的距离

。

优选地，还包括第一光学元件，所述第一光学元件位于所述透镜阵列和所述光栅整形阵列之间，用于准直X轴方向的光；

经所述第一光学元件准直后的光束长度大于所述光栅整形阵列的通光区域的长度L；

所述发光单元阵列的发光单元沿X轴方向为一个或多个点光源或线光源。

优选地，还包括第二光学元件，所述第二光学元件位于所述透镜阵列和所述光栅整形阵列之间，用于改变光在X轴方向的发散角；

所述投影镜头为柱面镜，用于只对所述光栅整形阵列的Y轴方向进行聚焦，使光栅条聚焦在工作面上；

所述发光单元阵列的发光单元沿X轴方向为一个或多个点光源或线光源。

为实现上述目的，本发明还采用了如下技术方案：

一种用于3D测量的动态光栅图案产生方法，采用上述的动态光栅图案产生系统，

控制所述发光单元阵列发出高频频闪的光，控制每列发光单元的频闪频率、开关；

光经过所述透镜阵列，所述透镜阵列对Y轴方向的光进行聚焦；

而后光通过所述光栅整形阵列，产生边界齐整的光栅条；

控制所述光束偏转机构绕与X轴平行的转动轴往复转动和所述光束偏转机构的往复转动的频率，光通过光束偏转机构，产生Y轴方向的光束平移；

在所述光束偏转机构与所述光栅整形阵列的夹角不同时，控制对应条的发光单元的点亮次数；

而后光经过所述投影镜头，投影在工作面上，光栅条在工作面上成像，从而在工作面上形成动态光栅图案。

优选地，方法还包括：

相邻所述发光单元之间的距离为

，所述光栅整形阵列中的通光区域宽度为d1， 设定相机的曝光时间为t，光束偏转机构的往复转动的频率为

，发光单元阵列的频闪的频 率为

，即在曝光时间内的光束偏转机构可以旋转N次，发光单元阵列可以亮灭

次，则成像在工作面上的光栅条被分为

个单元，光栅条的亮度被分为N级；

当光束偏转机构与所述光栅整形阵列平行时，控制对应条的发光单元的点亮次 数，在工作面投影第一光栅条，当光束偏转机构相对所述光栅整形阵列转动角度

时，控制 对应条的发光单元的点亮次数，在第一光栅条的侧面形成间隔的第二光栅条，以此循环，所 述光束偏转机构持续转动，在工作面的不同位置投影若干亮度相同或不同的光栅条，形成 动态光栅图案。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的用于3D测量的动态光栅图案产生方法与系统，发光单元阵列发出的光被透镜阵列汇聚到光栅整形阵列，在光经过光栅整形阵列后，通过光束偏转机构产生一个Y轴方向上的光束平移，再经过投影镜头，投射到工作面上。投影的结构光图案由光栅整形阵列产生元图案，并由发光单元阵列中若干条平行间隔设置的发光单元分别独立控制开关变化和频闪的次数，以及，光束偏转机构旋转产生联合作用产生的亮度沿Y轴方向变化的光栅条纹图案。具体的，发光单元阵列通过光源频闪频率和开关次数来决定投影图案中光栅条的亮度，通过光栅整形阵列控制元图案的精度，通过光束偏转机构和发光单元的频闪来控制投影图案的分辨率，从而在工作面形成动态光栅图案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明的第一种实施方式中提供的动态光栅图案产生系统的结构示意图。

图2为图1中的发光单元阵列的结构示意图。

图3为图1中的光栅整形阵列的结构示意图。

图4为本发明实施例的透镜阵列相对光栅整形阵列转动

后，光栅条在Y轴上的偏 移量。

图5为本发明实施例的一种发光单元阵列的结构示意图。

图6为在图5基础上，通过控制对应条的发光单元的点亮情况，在工作面上成像的光栅示意图。

图7为本发明的第二种实施方式中提供的动态光栅图案产生系统的结构示意图。

图8为本发明的第三种实施方式中提供的动态光栅图案产生系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、发光单元阵列；11、发光单元；12、光源；2、柱面透镜阵列；21、柱面镜单元；3、光栅整形阵列；31、通光区域；32、遮光区域；4、光束偏转机构；41、平板玻璃；42、转动电机；5、投影镜头；6、工作面；61、第一光栅条；62、第二光栅条；7、第一光学元件；8、第二光学元件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如附图1至附图6所示，本发明实施例提供了一种用于3D测量的动态光栅图案产生系统，包括发光单元阵列1，用于发出高频频闪的光，发光单元阵列1包括若干条平行间隔设置的发光单元11，每条发光单元11可独立控制，发光单元11的数量可以为50、100条等，具体条数根据所需分辨率来设置。

定义发光单元阵列1所在平面为基准面，具有彼此垂直的X轴方向和Y轴方向，定义光的传播路径为Z轴方向；

透镜阵列，设置在光的传播路径上，用于将Y轴方向的光聚焦，透镜阵列包括若干透镜单元，且每个透镜单元与一条发光单元11对应；

光栅整形阵列3，沿Z轴方向设置在透镜阵列之后，用于产生边界齐整的光栅条，光栅整形阵列3包括通光区域31和遮光区域32，通光区域31和遮光区域32间隔设置；

以及沿Z轴方向设置的投影镜头5和工作面6，投影镜头5位于光栅整形阵列3和工作面6之间，用于将光栅整形阵列3产生的光栅条成像在工作面6上；其中，还包括

光束偏转机构4，可往复转动地设置在光栅整形阵列3和投影镜头5之间，且光束偏转机构4的转动轴与X轴平行，用于使光栅整形阵列3产生的光栅条在工作面6的成像发生Y轴方向的偏移；

控制器，分别与发光单元阵列1和光束偏转机构4连接，用于控制发光单元阵列1的频闪频率、开关和光束偏转机构4的转动速度，在工作面6上形成动态光栅图案。

本实施例中，发光单元阵列1发出的光被透镜阵列汇聚到光栅整形阵列3，在光经过光栅整形阵列3后，通过光束偏转机构4产生一个Y轴方向上的光束平移，再经过投影镜头5，投射到工作面6上。投影的结构光图案由光栅整形阵列3产生元图案，并由发光单元阵列1中若干条平行间隔设置的发光单元11分别独立控制开关变化和频闪的次数，以及，光束偏转机构4旋转产生联合作用产生的亮度沿Y轴方向变化的光栅条纹图案。具体的，发光单元阵列1通过光源12频闪频率和开关来决定投影图案中光栅条的亮度，通过光栅整形阵列3控制元图案的精度，通过光束偏转机构4和发光单元11的频闪和开关来控制投影图案的分辨率，从而在工作面6形成动态光栅图案。

发光单元阵列1中，若干发光单元11的间隔排布方向为Y轴方向，每条发光单元11中的光源12的排布方向为X轴方向，比如，当发光单元11由若干光源12排列而成时，若干光源12沿X轴排布；当发光单元11为长条形光源时，长条形光源沿X轴平行设置。对应的，透镜阵列中的若干透镜单元分别与一条发光单元11对应，即若干透镜单元沿Y轴方向并排设置；对应的，光栅整形阵列3中的通光区域31和遮光区域32沿Y轴方向间隔设置。

指的注意的是，本发明中，为方便描述，定义发光单元阵列1所在平面为基准面，具有彼此垂直的X轴方向和Y轴方向，定义光的传播路径为Z轴方向，X轴方向和Y轴方向的实际朝向可如附图1中所示，也可以为附图1中的X轴方向和Y轴方向互换，即，在实际应用中，X轴方向实际为附图1中所示的Y轴方向，Y轴方向实际为附图1中所示的X轴方向，发光单元阵列1、透镜阵列和光栅整形阵列3与实际Y轴方向保持一致即可。

为方便描述，本发明以附图1中所示的X轴方向为横向，Y轴方向为竖向为例对实施例展开描述。

本实施例的发光单元阵列1为一维可控光源，每条发光单元11可独立控制，如附图2所示，为每列发光单元11可以单独控制。每列发光单元11可以是长条形光源，也可以由若干光源12排列而成。发光单元11中的光源12以高频频闪的方式发光，频闪的频率应远大于相机曝光时间的倒数。

如附图2所示，每列发光单元11之间有一定距离△d，该距离为考虑了发光单元11本身尺寸、散热、引线之后的距离。同时，为了发光单元11的杂散光影响到相邻发光单元11，影响投影图案的对比度，本实施例将相邻发光单元11之间的距离△d优选为发光单元11的发光区域尺寸的3-50倍，附图2中的虚空为单列发光单元11的发光区域。

优选地，发光单元阵列1可为VCSEL激光阵列，VCSEL激光阵列的发光区域小，发光单元11之间的距离可以在几十微米。当然，在其他实施例中，发光单元阵列1也可以由LED等发光单元11组成。

透镜阵列需要与发光单元阵列1一一对应，且实现Y轴方向的光聚焦，优选地，本实施例的透镜阵列为柱面透镜阵列2，包括若干并排设置的柱面镜单元21，每个柱面镜单元21与一条发光单元11对应，如附图1所示，单个柱面镜单元21沿X轴方向设置，若干柱面镜单元21沿Y轴方向排布。柱面透镜阵列2将Y轴方向的光聚焦在光栅整形阵列3上，光在X轴方向沿原方向传播.单个柱面镜单元21的聚焦光斑宽度可以大于发光单元11的发光区域尺寸，也可以小于发光区域尺寸，从而实现控制光栅图案分辨率的效果。另外，一般光源都有一定发散角，比如15°，则聚焦到光栅整形阵列3上每个位置的光都是多个发光单元11的叠加，可以对光起到匀光的作用。若发光单元11中的光源12为激光，则光源12在光栅整形阵列3上的相互叠加有利于抑制散斑效应。

光栅整形阵列3与发光单元阵列1、柱面透镜阵列2一一对应，且发光单元阵列1与光栅整形阵列3是共轭成像关系。具体的，光栅整形阵列3的作用是产生边界齐整的光栅条，值得注意的是，光栅条的形状不一定是条状，具体形状由通光区域31决定。如附图3所示，光栅整形阵列3包括通光区域31和遮光区域32，通光区域31构成投影图案的元图案，遮光区域32用来控制相邻通光区域31的相互干扰，提高投影对比度。

具体的，光栅整形阵列313可以为狭缝阵列，也可以是带有整形作用的其他光学元件。如附图3所示，本实施例选用狭缝阵列作为光栅整形阵列3，优选地，狭缝的缝宽d1要求小于透过柱面透镜阵列2后投射到光栅整形阵列3时的光束宽度d2，从而部分光束将被遮挡，光栅狭缝的形状即为射出光束的形状，即构成投影图案的元图形。狭缝的宽度d1代表光栅图案的分辨率。狭缝的宽度可以小于发光单元11的自身尺寸，可以产生微米级或亚微米级的条纹，从而提高整体系统的分辨率。

光束偏转机构4的主要作用为将通过光栅整形阵列3的光束在Y轴方向进行偏移。 如附图1所示，光束偏转机构4包括平板玻璃41和转动电机42，平板玻璃41用于传递光束，转 动电机42带动平板玻璃41以自身中心绕转动轴往复转动，改变平板玻璃41与光栅整形阵列 3的角度，使光栅条在工作面6的成像发生偏移。具体的，当平板玻璃41与光栅整形阵列3不 平行时，从光栅整形阵列3射出的光栅条作为投影镜头5的物面将在Y轴方向上产生偏移，从 而使光栅条在工作面6上也会跟着偏移一定距离，如附图4所示，平板玻璃41的旋转角度不 同，光栅条在工作面6上的偏移量就不同。平板玻璃41与光栅整形阵列3的角度为

，光栅条 的偏移量：

，其中，a为平板玻璃的厚度，n为平板玻璃的折射率； 最大角度

应使最大偏移量

等于光栅条的间隔，使光栅条可以在工作面6的任意 位置出现。光栅条的间隔由相邻发光单元11之间的距离△d决定，即光栅条的间隔等于相邻 发光单元11之间的距离△d。

基于上述实施例的动态光栅图案产生系统，本发明还公开一种动态光栅图案产生方法，包括：控制发光单元阵列1发出高频频闪的光；光经过透镜阵列，透镜阵列对Y轴方向的光进行聚焦；而后光通过光栅整形阵列3，产生边界齐整的光栅条；控制光束偏转机构4绕与X轴平行的转动轴往复转动，光通过光束偏转机构4，产生Y轴方向的光束平移；而后光再经过投影镜头5，投影在工作面6上，光栅条在工作面6上成像；控制每列发光单元11的频闪频率、开关和光束偏转机构4的转动速度，在光束偏转机构4与光栅整形阵列3的夹角不同时，控制对应条的发光单元11的点亮次数，从而在工作面6上形成动态光栅图案。

具体的，定义相邻发光单元11之间的距离为

，光栅整形阵列3中的通光区域31 宽度为d1，设定相机的拍摄曝光时间为t，光束偏转机构4的往复转动的频率为

，发光单元 阵列1的频闪的频率为

，即在曝光时间内的光束偏转机构4可以旋转N次，发光单元阵 列1可以亮灭

次，则成像在工作面6上的光栅条数量为发光单元11数量的

倍，光栅 条的亮度被分为N级；

当光束偏转机构4与光栅整形阵列3平行时，控制对应条的发光单元11点亮次数或 关闭，在工作面6投影第一光栅条61，当光束偏转机构4相对光栅整形阵列3转动角度

时，控 制对应条的发光单元11的点亮次数，在第一光栅条61的侧面形成间隔的第二光栅条62，以 此循环，光束偏转机构4持续转动，在工作面6的不同位置投影若干亮度相同或不同的光栅 条，形成动态光栅图案。

光栅条的亮度由发光单元11的点亮次数决定。假定在一个拍摄时间内，光束偏转 机构4中的平板玻璃的转动循环了N/2次，即扫描光栅条对应工作面N次。点亮次数可以为0~ N次，当点亮次数为0时，则对应条的发光单元11在转动角度为

时不亮，点亮次数为1时，则 对应条的发光单元11在转动角度为

时只亮1次，当点亮次数为N次时，则对应条的发光单元 11转动角度为

时保持点亮状态。

以附图5和附图6所示的具体示例为例对本发明的原理进行解释，图5中的A0、C0、 E0分别为单列发光单元11，附图6中的A1至F1是在工作面6上的成像，图6中的A1、C1、E1为光 束偏转机构4与光栅整形阵列3平行时，A0、C0、E0投射在工作面6上的位置，B1，D1，F1代表平 板玻璃41相对光栅整形阵列3旋转一个角度θB、θD、θF后，A0、C0、E0投射在工作面6上的成 像，假定我们希望获得的实际投影图像中，A1处的亮度为1（1代表最高亮度），B1处的亮度为

<1，C1的亮度为0，D1的亮度为1，E1的亮度为0，F1处的亮度

<1。

下面具体讲述如何通过控制光束偏转机构4的转动和对应条的发光单元11点亮次 数在工作面的对应位置显示各个光栅条（A1至F1）的位置和亮度。为了投射A1，每当光束偏 转机构4与光栅整形阵列3平行时，点亮与A对应的发光单元A0；为了投射B1，当光束偏转机 构4与光栅整形阵列3成角度θB时，与B对应的发光单元A0点亮

次，为了投射C1，每当 光束偏转机构4与光栅整形阵列3平行时，关闭与C对应的发光单元C0，为了投射D1，当光束 偏转机构4与光栅整形阵列3成角度θD时，与D对应的发光单元C0 点亮

次，以此类推， 可以获得E1、F1等其他位置的投影图案，进而获得所需要的格雷码和正弦图案等。

上述实施例中，为了获得所需要的的光栅条的位置和亮度，可人为设定光束偏转机构4的转动速度和对应时间的对应条发光单元11的发光情况，发光情况包括开、关、点亮次数等，从而获得所需的投影图案，而基于光束偏转机构4的转动速度和发光单元11的发光情况可人为设定，则可人为改变投影图案，从而获得动态图案，应用于面扫描方式3D测量，替代现有的投影仪方案，实现低成本、高测量精度。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，如附图7所示，在光的传播路径中增加一个第一光学元件7，第一光学元件7位于透镜阵列和光栅整形阵列3之间，用于准直X轴方向的光，第一光学元件7可以是单个柱面透镜，或是柱面透镜组，或是DOE（衍射光学元件）。

本实施例中，发光单元阵列1中的发光单元11沿X轴方向为一个或多个点光源或线光源。

为保证在工作面的投影图案为光栅条的形状，经过准直后的光束长度应大于光栅整形阵列3中的通光区域31的长度L。当发光单元为一个点光源时，第一光学元件7的焦距f满足

，

其中

为光沿x轴方向的发散半角。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于，如附图8所示，在光的传播路径中增加一个第二光学元件8，第二光学元件8位于透镜阵列和光栅整形阵列3之间，用于改变光在X轴方向的发散角，从而控制工作面6上的投影图案在X轴方向上的长度。第二光学元件8可以是单个柱面透镜，或是柱面透镜组，或是DOE（衍射光学元件）。

由于增加了第二光学元件对光在X轴方向的发散角进行约束，本实施例的投影镜头5可由柱面镜组成，只对通过光栅整形阵列3的光束在Y轴方向上进行聚焦，使生成的光栅条聚焦在工作面6上，不改变光束在X方向的传播方向。

本实施例中，发光单元阵列1中的发光单元11沿X轴方向为一个或多个点光源或线光源。

当然，上述实施例二和实施例三可同时与实施例一组合形成新的实施例，满足使用需求。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，包括：

发光单元阵列，用于发出高频频闪的光，所述发光单元阵列包括若干条平行间隔设置的发光单元，每条所述发光单元可独立控制，

定义所述发光单元阵列所在平面为基准面，具有彼此垂直的X轴方向和Y轴方向，定义光的传播路径为Z轴方向；

透镜阵列，设置在光的传播路径上，用于将Y轴方向的光聚焦，所述透镜阵列包括若干透镜单元，且每个透镜单元与一条所述发光单元对应，且沿Y轴方向并排设置；

光栅整形阵列，沿Z轴方向设置在所述透镜阵列之后，用于产生边界齐整的光栅条，所述光栅整形阵列包括通光区域和遮光区域；

以及沿Z轴方向设置的投影镜头和工作面，所述投影镜头位于所述光栅整形阵列和所述工作面之间，用于将所述光栅整形阵列产生的光栅条成像在工作面上；其中，还包括

光束偏转机构，可往复转动地设置在所述光栅整形阵列和所述投影镜头之间，且所述光束偏转机构的转动轴与X轴平行，用于使所述光栅整形阵列产生的光栅条在工作面的成像发生Y轴方向的偏移；

控制器，分别与所述发光单元阵列和所述光束偏转机构连接，用于控制所述发光单元阵列中每列发光单元的频闪频率、开关和所述光束偏转机构的转动速度，在工作面上形成动态光栅图案。

2.根据权利要求1所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，每条所述发光单元为长条形光源或由若干光源排列而成。

3.根据权利要求2所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，相邻所述发光单元之间的距离为所述发光单元的发光区域尺寸的3-50倍。

4.根据权利要求2所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，所述透镜阵列为柱面透镜阵列，包括若干并排设置的柱面镜单元，每个柱面镜单元与一条所述发光单元对应。

5.根据权利要求4所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，所述光栅整形阵列为狭缝阵列，且狭缝的缝宽小于透过所述柱面透镜阵列后投射到所述光栅整形阵列时的光束的宽度；

若干所述狭缝沿Y轴方向排布。

6.根据权利要求1所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，所述光束偏转机构包括平板玻璃和转动电机，所述转动电机带动所述平板玻璃以自身中心绕转动轴往复转动，改变所述平板玻璃与所述光栅整形阵列的角度，使光栅条在工作面的成像发生偏移；

所述平板玻璃与所述光栅整形阵列的角度为

，光栅条的偏移量：

，其中，a为平板玻璃的厚度，n为平板玻璃的折射率；最大角度

应使最大偏移量

等于光栅条的间隔，光栅条的间隔等于相邻所述发光单元之间 的距离

。

7.根据权利要求1至6任一项所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，还包括第一光学元件，所述第一光学元件位于所述透镜阵列和所述光栅整形阵列之间，用于准直X轴方向的光；

经所述第一光学元件准直后的光束长度大于所述光栅整形阵列的通光区域的长度L；

所述发光单元阵列的发光单元沿X轴方向为一个或多个点光源或线光源。

8.根据权利要求1至6任一项所述的用于3D测量的动态光栅图案产生系统，其特征在于，还包括第二光学元件，所述第二光学元件位于所述透镜阵列和所述光栅整形阵列之间，用于改变光在X轴方向的发散角；

所述投影镜头为柱面镜，用于只对所述光栅整形阵列的Y轴方向进行聚焦，使光栅条聚焦在工作面上；

所述发光单元阵列的发光单元沿X轴方向为一个或多个点光源或线光源。

9.一种用于3D测量的动态光栅图案产生方法，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的动态光栅图案产生系统，

控制所述发光单元阵列发出高频频闪的光，控制每列发光单元的频闪频率、开关；

光经过所述透镜阵列，所述透镜阵列对Y轴方向的光进行聚焦；

而后光通过所述光栅整形阵列，产生边界齐整的光栅条；

控制所述光束偏转机构绕与X轴平行的转动轴往复转动和所述光束偏转机构的往复转动的频率，光通过光束偏转机构，产生Y轴方向的光束平移；

在所述光束偏转机构与所述光栅整形阵列的夹角不同时，控制对应条的发光单元的点亮次数；

而后光经过所述投影镜头，投影在工作面上，光栅条在工作面上成像，从而在工作面上形成动态光栅图案。

10.根据权利要求9所述的用于3D测量的动态光栅图案产生方法，其特征在于，还包括：

相邻所述发光单元之间的距离为

，所述光栅整形阵列中的通光区域宽度为d1，设定相机的曝光时间为t，光束偏转机构的往复转动的频率为

，发光单元阵列的频闪的频率为

，即在曝光时间内的光束偏转机构可以旋转N次，发光单元阵列可以亮灭

次，则成像在工作面上的光栅条被分为

个单元，光栅条的亮度被分为N级；

当光束偏转机构与所述光栅整形阵列平行时，控制对应条的发光单元的点亮次数，在工作面投影第一光栅条，当光束偏转机构相对所述光栅整形阵列转动角度

时，控制对应条的发光单元的点亮次数，在第一光栅条的侧面形成间隔的第二光栅条，以此循环，所述光束偏转机构持续转动，在工作面的不同位置投影若干亮度相同或不同的光栅条，形成动态光栅图案。

Images