CN114719766A - 一种基于非相干光源频闪多条纹调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于非相干光源频闪调制多条纹装置，通过非相干线光源模块获取特定长度的扫描线将其投射至调制机构，控制非相干光源频闪并同步驱动调制机构将扫描线调制成大面阵条纹；通过控制器实现动态自调整非相干光源驱动电流或采用离焦方式将扫描线调制成正弦条纹；通过改变点亮非相干光源的初始时刻，使得条纹之间产生相位差。本发明有效解决激光光源投射至高反射率物体表面形成散斑的问题，高速投射出大面阵、高分辨率的条纹，满足光切线扫轮廓术，条纹投影轮廓术等3D检测系统中条纹投影装置的应用需求。

Description

一种基于非相干光源频闪多条纹调制装置
技术领域
本发明涉及3D光学检测领域一种条纹投影装置。
背景技术
在光切线扫轮廓术检测系统中常用激光光源只投射一条激光线于物体表面，通过扫描采样提取物体表面因不同高度产生畸变轮廓线的中心线，根据三角函数关系计算出被测物体的高度信息。光切线扫轮廓术因检测精度高，重复性好等优势被广泛应用于3D检测领域，但激光会在强反射率的物体表面形成散斑，影响检测精度，采用非相干光源检测高反射率物体有很好的效果，但因其非相干特性在同等前提下投射的扫描线远远不能达到激光所能做到的细长效果，影响检测速度。
在条纹投影轮廓术检测系统中常常采用光栅投影装置（PZT加上朗奇光栅或正弦光栅）或者数字投影装置（如DMD，LCOS，LCD等）投射正弦条纹于物体表面，通过对条纹信息处理来获取物体的高度信息。条纹投影轮廓术因检测速度快，测高范围大等优势被广泛应用于3D检测领域，但条纹投影轮廓术检测系统检测精度相对较低且不能检测高度过低的物体。为平衡好3D检测系统的检测精度、检测速度与测高范围，需将光切线扫轮廓术及条纹投影轮廓术两者相融合，不仅增加硬件成本，视觉部分空间尺寸会变大，系统维护也会变得复杂。
如附图1所示一种非相干线光源模块。该模块利用单波长光源通过线光源模块生成扫描线，当需要进一步提高检测精度时，可通过两个非相干线光源进行差分获取更高精度的扫描线，有效的解决光切线扫轮廓术检测系统中传统激光光源产生散斑的问题。
本发明旨在发明一种通过驱动非相干线光源频闪利用调制机构调制多条纹装置。该装置可高速投射大面阵，高分辨率可变条纹，满足不同3D检测系统(如光切线扫轮廓术检测系统，条纹投影轮廓术检测系等)的检测需求，提升3D检测系统检测能力。
发明内容
本发明提供一种能够高速投射大面阵、高分辨率的条纹装置，具体是通过一种基于非相干光源频闪多条纹调制装置，该装置包括高功率LED光源，准直透镜（如单凸透镜，双凸透镜，胶合透镜，组合透镜等），狭缝，聚焦、整形光学器件（如圆柱体透镜，光学器件组合等），调制机构（如多面体棱镜，声光偏转器，微电系统反射器）及配合调制机构的伺服系统，光电探测器，控制器。具体步骤如下。
S1、控制器控制高功率LED光源的驱动电流频闪点亮光源。
S2、控制特定角度光线通过准直透镜进行准直，为了增加光的利用率，保证光源的视场角尽可能的小，且光源需要放置在准直透镜的焦点处。
S3、准直后的光线采用狭缝投影方式生成扫描线。
S4、由于光线经过狭缝投影产生扫描线仍会有杂散光，聚焦、整形光学器件能有效的抑制通过狭缝的杂散光并实现对扫描线长度的调制，线长跟随工作距离的增大而增大，线长越长，可调制出条纹投射范围则越大。
S5、将聚焦、整形光学器件处理后的扫描线投射至调制机构，通过光的反射将扫描线反射至物体表面。
S6、通过伺服系统控制调制机构，保证相机在一次曝光时间内拍取调制的条纹，该条纹可应用于光切线扫轮廓术检测系统中，相机一次曝光采集条纹图像，通过提取所有条纹轮廓线的中心线，根据三角函数关系计算出被测物体的高度信息，该方案与传统方案相机一次曝光采样一条扫描线相比，减少了曝光时间，大大提升了光切线扫轮廓术检测系统的检测速度。
S7、通过控制器实现动态自调整非相干光源驱动电流或采用离焦的方式将非相干光源调制成正弦条纹。
S8、通过改变点亮非相干光源的初始时刻，改变条纹的初始相位，从而产生相位移。
本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，具体步骤如下：
其中步骤S1包括：S9、非相干光源单次点亮时间的长短决定了条纹的线宽，点亮时间越短，条纹的线宽越细，但线宽受光学系统的聚焦特性限制，当达到最小线宽后，继续减小非相干光源点亮时间，条纹宽度不会变细，但是亮度会变暗，非相干光源点亮时间与条纹宽度的关系：
Figure 368942DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 978040DEST_PATH_IMAGE002
为条纹的线宽，
Figure 373249DEST_PATH_IMAGE003
为多面体棱镜的工作距离，
Figure 984359DEST_PATH_IMAGE004
为棱镜的旋转角速度，
Figure 72401DEST_PATH_IMAGE005
为非相干光源点亮时间，
Figure 401751DEST_PATH_IMAGE006
为非相干光源点亮无法改变线宽的最小时间，W min 为条纹的最小线宽。
其中步骤S6包括：S10、可调制条纹最大横向宽度计算公式：
Figure 335072DEST_PATH_IMAGE007
其中L为可投射条纹最大横向宽度，d为多面体棱镜的工作距离，
Figure 3951DEST_PATH_IMAGE008
为多面体棱镜的法线夹角。
其中步骤S6包括：S11、以多面体棱镜转动一面的时间为相机的一次曝光时间，不同位置处的频闪条纹是在不同时刻投射的，为保证条纹各区域亮度的一致性，曝光时间必须遵守以下约束条件：
Figure 325211DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 813961DEST_PATH_IMAGE005
为非相干光源点亮时间（
Figure 383263DEST_PATH_IMAGE005
必须大于无法改变条纹线宽的最小时间
Figure 906649DEST_PATH_IMAGE006
），
Figure 70914DEST_PATH_IMAGE010
为正整数，
Figure 374856DEST_PATH_IMAGE011
为单次点亮非相干光源时棱镜旋转的弧度，
Figure 915559DEST_PATH_IMAGE004
为多面体棱镜的旋转角速度，通过光电探测器信号反馈，控制器实时动态调整非相干光源驱动电流，保证条纹之间的一致性，提高条纹投射的重复性和稳定性。
其中步骤S8包括：S12、计算不同相位移点亮非相干光源的初始时刻及相位计算公式：
Figure 355767DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 956513DEST_PATH_IMAGE013
为第几步相位移（从0开始计算），
Figure 419855DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 826566DEST_PATH_IMAGE013
步相位移点亮非相干光源的初始时刻，
Figure 324543DEST_PATH_IMAGE015
为第0步相位移的初始时刻，
Figure 830611DEST_PATH_IMAGE016
为第
Figure 610611DEST_PATH_IMAGE013
步相位移延迟的时间，
Figure 493116DEST_PATH_IMAGE017
为投射一条正弦条纹所需要的时间，
Figure 845600DEST_PATH_IMAGE018
为相位移的总步数，
Figure 584886DEST_PATH_IMAGE019
为第
Figure 22820DEST_PATH_IMAGE013
步相位移的相位，
Figure 771333DEST_PATH_IMAGE020
为第0步相位移的相位，
Figure 978324DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure 154090DEST_PATH_IMAGE013
步相位移与第0步相位移的相位差。
附图说明
图1为本发明提供的一种非相干线光源模块示意图。
图2为本发明提供的一种基于非相干光源使用多面体棱镜频闪调制多条纹装置的示意图。
图3为本发明提供的一种多面体棱镜调制条纹模块示意图。
图4为本发明提供的一种基于相干光源通过多面体棱镜调制条纹的流程图。
附图标记说明
11 - 高功率LED光源；12 - 准直透镜；13 - 狭缝；14 - 聚焦、整形光学器件；15- 多面体棱镜；16 -光电探测器；17 - 控制器；18 - 伺服系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，以详细说明本发明的技术方案。
S1、本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，如附图2所示：控制器17控制高功率LED光源10的驱动电流频闪点亮光源，光源的点亮时间与生成单个周期亮条纹线宽存在如下关系：
Figure 79321DEST_PATH_IMAGE001
如附图3所示，其中
Figure 864481DEST_PATH_IMAGE002
为条纹的线宽，
Figure 191557DEST_PATH_IMAGE003
为多面体棱镜的工作距离，
Figure 475908DEST_PATH_IMAGE004
为棱镜的旋转角速度，
Figure 685172DEST_PATH_IMAGE005
为非相干光源点亮时间，
Figure 713171DEST_PATH_IMAGE006
为非相干光源点亮无法改变线宽的最小时间，W min 为条纹的最小线宽。
S2、控制特定角度光线通过准直透镜12进行准直，为了增加光的利用率，保证光源的视场角尽可能的小，且非相干光源需要放置在准直透镜的焦点处。
S3、准直后的光线通过狭缝13投影方式生成扫描线。
S4、由于光线经过狭缝投影产生扫描线仍会有杂散光，聚焦、整形光学器件14能有效的抑制通过狭缝的杂散光并实现对光线长度的调制，线长跟随工作距离的增大而增大，线长越长，可调制出条纹投射范围则越大。
S5、本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，如附图2所示，将聚焦、整形光学器件处理后的扫描线投射至多面体棱镜15，通过光的反射将光线反射至物体表面。
S6、本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，如附图2所示，通过伺服系统18旋转多面体棱镜，保证相机在一次曝光时间内拍取调制的面阵条纹，该条纹可应用于光切线扫轮廓术检测系统中，相机一次曝光采集条纹图像，通过提取所有条纹轮廓线的中心线，根据三角函数关系计算出被测物体的高度信息，该方案与传统方案相机一次曝光采集一条扫描线相比，减少了曝光时间，大大提升了光切线扫轮廓术检测系统的检测速度。可调制条纹最大横向宽度为：
Figure 957071DEST_PATH_IMAGE007
如附图3所示，其中L为可投射条纹最大横向宽度，d为多面体棱镜的工作距离，
Figure 412323DEST_PATH_IMAGE008
为多面体棱镜的法线夹角，通过光电探测器16信号反馈，控制器实时动态调节非相干光源驱动电流及马达转速，实现条纹的正弦化。棱镜转动一面的时间为相机的一次曝光时间，为保证条纹各区域亮度的一致性，曝光时间必须遵守以下约束条件：
Figure 312146DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 940573DEST_PATH_IMAGE005
为非相干光源点亮时间（
Figure 976662DEST_PATH_IMAGE005
必须大于无法改变条纹线宽的最小时间
Figure 166597DEST_PATH_IMAGE006
），
Figure 288137DEST_PATH_IMAGE010
为正整数，
Figure 657939DEST_PATH_IMAGE011
为单次点亮非相干光源时棱镜旋转的弧度，
Figure 876430DEST_PATH_IMAGE004
为多面体棱镜的旋转角速度，通过光电探测器信号反馈，控制器实时动态调整非相干光源驱动电流，保证条纹之间的一致性，提高条纹投射的重复性和稳定性。
S7、通过控制器实时调整非相干光源驱动电流或采用离焦的方式将非相干光源调制成正弦条纹。
S8、本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，如附图2所示，通过改变点亮非相干光源的初始时刻，改变条纹的初始相位，从而产生相位移，不同相位移点亮非相干光源的初始时刻及相位计算关系如下：
Figure 673485DEST_PATH_IMAGE012
如附图3所示，其中
Figure 282321DEST_PATH_IMAGE013
为第几步相位移（从0开始计算），
Figure 252551DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 263232DEST_PATH_IMAGE013
步相位移点亮非相干光源的初始时刻，
Figure 293505DEST_PATH_IMAGE015
为第0步相位移的初始时刻，
Figure 389637DEST_PATH_IMAGE016
为第
Figure 101241DEST_PATH_IMAGE013
步相位移延迟的时间，
Figure 810439DEST_PATH_IMAGE017
为投射一条正弦条纹所需要的时间，
Figure 949296DEST_PATH_IMAGE018
为相位移的总步数，
Figure 267145DEST_PATH_IMAGE019
为第
Figure 844757DEST_PATH_IMAGE013
步相位移的相位，
Figure 830030DEST_PATH_IMAGE020
为第0步相位移的相位，
Figure 202106DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure 7251DEST_PATH_IMAGE013
步相位移与第0步相位移的相位差。
综上所述，本发明基于非相干线光源模块生成特定长度的扫描线，通过频闪点亮非相干光源并同步驱动调制机构，将扫描线调制成大面阵条纹，通过控制器实现动态自调整非相干光源驱动电流或采用离焦方式将扫描线调制成大面阵正弦条纹，通过改变点亮非相干光源的初始时刻，使得不同正弦条纹之间产生相位差。该装置能根据实际需求高速投射大面阵，高分辨率的条纹，满足光切线扫轮廓术检测系统，条纹投影轮廓术检测系统等3D检测系统的条纹投影需求，有效提升了3D检测系统的检测能力。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于非相干光源频闪多条纹调制装置，该装置包括高功率LED光源，准直透镜（如单凸透镜，双凸透镜，胶合透镜，组合透镜等），狭缝，聚焦、整形光学器件（如圆柱体透镜，光学器件组合等），调制机构（如多面体棱镜，声光偏转器，微电系统反射器）及配合调制机构的伺服系统，光电探测器，控制器，具体步骤如下：
S1、控制器控制高功率LED光源的驱动电流频闪点亮光源；
S2、控制特定角度光线通过准直透镜进行准直，为了增加光的利用率，保证光源的视场角尽可能的小，且光源需要放置在准直透镜的焦点处；
S3、准直后的光线采用狭缝投影方式生成扫描线；
S4、由于光线经过狭缝投影产生扫描线仍会有杂散光，聚焦、整形光学器件能有效的抑制通过狭缝的杂散光并实现对扫描线长度的调制，线长跟随工作距离的增大而增大，线长越长，可调制出条纹投射范围则越大；
S5、将聚焦、整形光学器件处理后的扫描线投射至调制机构，通过光的反射将扫描线反射至物体表面；
S6、通过伺服系统控制调制机构，保证相机在一次曝光时间内拍取调制的条纹，该条纹可应用于光切线扫轮廓术检测系统中，相机一次曝光采集条纹图像，通过提取所有条纹轮廓线的中心线，根据三角函数关系计算出被测物体的高度信息，该方案与传统方案相机一次曝光采样一条扫描线相比，减少了曝光时间，大大提升了光切线扫轮廓术检测系统的检测速度；
S7、通过控制器实现动态自调整非相干光源驱动电流或采用离焦的方式将非相干光源调制成正弦条纹；
S8、通过改变点亮非相干光源的初始时刻，改变条纹的初始相位，从而产生相位移。
2.如权利要求1所述的方法，本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，步骤S1包括：
S9、非相干光源单次点亮时间的长短决定了条纹的线宽，点亮时间越短，条纹的线宽越细，但线宽受光学系统的聚焦特性限制，当达到最小线宽后，继续减小非相干光源点亮时间，条纹宽度不会变细，但是亮度会变暗，非相干光源点亮时间与条纹宽度的关系：
Figure 506977DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 346757DEST_PATH_IMAGE002
为条纹的线宽，
Figure 889734DEST_PATH_IMAGE003
为多面体棱镜的工作距离，
Figure 447754DEST_PATH_IMAGE004
为棱镜的旋转角速度，
Figure 101589DEST_PATH_IMAGE005
为非相干光源点亮时间，
Figure 61455DEST_PATH_IMAGE006
为非相干光源点亮无法改变线宽的最小时间，W min 为条纹的最小线宽。
3.如权利要求1所述的方法，本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，步骤S6包括：
S10、可调制条纹最大横向宽度计算公式：
Figure 775333DEST_PATH_IMAGE007
其中L为可投射条纹最大横向宽度，d为多面体棱镜的工作距离，
Figure 555070DEST_PATH_IMAGE008
为多面体棱镜的法线夹角；
S11、以多面体棱镜转动一面的时间为相机的一次曝光时间，不同位置处的频闪条纹是在不同时刻投射的，为保证条纹各区域亮度的一致性，曝光时间必须遵守以下约束条件：
Figure 511132DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 387821DEST_PATH_IMAGE005
为非相干光源点亮时间（
Figure 210283DEST_PATH_IMAGE005
必须大于无法改变条纹线宽的最小时间
Figure 539633DEST_PATH_IMAGE006
），
Figure 738533DEST_PATH_IMAGE010
为正整数，
Figure 469729DEST_PATH_IMAGE011
为单次点亮非相干光源时棱镜旋转的弧度，
Figure 463093DEST_PATH_IMAGE004
为多面体棱镜的旋转角速度，通过光电探测器信号反馈，控制器实时动态调整非相干光源驱动电流，保证条纹之间的一致性，提高条纹投射的重复性和稳定性。
4.如权利要求1所述的方法，本发明提供了一个实施实例步骤，调制机构使用多面体棱镜，步骤S8包括：
S12、计算不同相位移点亮非相干光源的初始时刻及相位计算公式：
Figure 217422DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 783795DEST_PATH_IMAGE013
为第几步相位移（从0开始计算），
Figure 307180DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 533762DEST_PATH_IMAGE013
步相位移点亮非相干光源的初始时刻，
Figure 775388DEST_PATH_IMAGE015
为第0步相位移的初始时刻，
Figure 316091DEST_PATH_IMAGE016
为第
Figure 756299DEST_PATH_IMAGE013
步相位移延迟的时间，
Figure 357045DEST_PATH_IMAGE017
为投射一条正弦条纹所需要的时间，
Figure 882704DEST_PATH_IMAGE018
为相位移的总步数，
Figure 227098DEST_PATH_IMAGE019
为第
Figure 459496DEST_PATH_IMAGE013
步相位移的相位，
Figure 797854DEST_PATH_IMAGE020
为第0步相位移的相位，
Figure 748493DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure 693315DEST_PATH_IMAGE013
步相位移与第0步相位移的相位差。
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