CN1414412A

CN1414412A - 投影结构光的产生方法及装置

Info

Publication number: CN1414412A
Application number: CN 02131095
Authority: CN
Inventors: 李恩邦; 彭翔
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: CN1186671C

Abstract

本发明公开了一种投影结构光的产生方法及装置。该方法对相干光源的光束，通过分束、衍射、方向微调、空间滤波、光束间距变换、聚焦放大过程，在场景上投射得到干涉条纹强度为正弦分布的静止条纹结构光。其特征在于，分束后的两束平行光分别以Bragg角进入双声光调制器的两个输入端，同时采用频率相同且具有0～2π可调相位差的射频信号双声光调制器并且实时改变射频信号的频率。所述的装置由相干光源、分束器、双声光调制器及射频驱动电路、方向微调器、滤波器、间距变换器、聚焦透镜、显微物镜构成。本发明优点在于，装置无任何机械运动部件，实时产生空间变频和相位移动的投影结构光，抗外界干扰能力强、稳定性好和良好的可控性及普适性。

Description

投影结构光的产生方法及装置

技术领域

本发明涉及一种投影结构光的产生方法及装置，更确切地说涉及一种实时产生空间变频和相位移动的投影结构光的技术。

背景技术

基于条纹结构光投影和相位测量的三维传感检测技术具有全场、非接触、快速信息获取的特征，这种方法无需任何机械或光学扫描机制且测量精度高，从而被广泛的研究与发展。产生条纹结构光和已知的空间相位移动的方法和装置是条纹结构光投影和相位测量技术关键环节。目前产生条纹结构光投影的主要两类方法是激光干涉投影和白光光栅投影；产生相位移动的主要方法是通过控制压电晶体的机械变形调整光程或投影光栅位置。上述方法在实际应用中存在的主要困难是：基于激光干涉投影的方法和装置(如Mach-Zehnder结构)的稳定性都较差、对机械振动和其他各种扰动极为敏感，而且难以实时产生空间变频的投影结构光和相位移动，从而难以应用于现场环境和动态环境；基于白光光栅投影虽然结构稳定，但一般采用Ronchi光栅难以产生正弦结构光，并且同样很难动态和实时地改变结构光的空间频率。以上两类方法和装置由于都存在机械运动，使产生相位移动的速度和可靠性受到很大限制。

可对比的技术文献有一下四篇：[1]K.Creath，Y.Y.Cheng，and J.Wyant，“Contouring aspheric surface using two wavelengthphase-shifting interferometry，”Opt.Acta 32(12)，1455-1464(1985).[2]Y.B.Choi and S.W.Kim，“Phase-shifting grating projection Moire topography，”Opt.Eng.37(3)，1005-1010(1998).[3]M.S.Mermelstein，D.L.Feldkhun and L.G.Shirley，“Video-rate surface profiling withacousto-optic accordion fringe interferometry，”Opt.Eng.39(1)：106-113(2000).[4]发明专利：申请号98111691。

发明内容

本发明的目的在于提供一种投影结构光的产生方法及装置。所述的装置不存在任何的机械运动部件，所述的方法能快速产生稳定性高、普适性强的投影结构光。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。对相干光源的光束，通过分束、衍射、方向微调、空间滤波、光束间距变换、聚焦放大过程，在场景上投射得到干涉条纹强度为正弦分布的静止条纹结构光，其特征在于，分束后的两束平行光分别以Bragg角进入双声光调制器的两个输入端，同时采用频率相同且具有0～2π可调相位差的射频信号驱动双声光调制器并且实时改变射频信号的频率，从在而双声光调制器的两个输出端，输出偏转角度和相对相位可控的两束一级衍射光，该两束光再经方向微调、空间滤波、光束间距变换、聚焦放大、投射得到投影结构光。

按照上述方法，产生投影结构光的装置。该装置主要包括相干光源、分束器、双声光调制器及射频驱动电路、光束方向微调器、空间滤波器、平行光束间距变换器、聚焦透镜、显微物镜构成。其特征在于，当相干光源为可见光激光器时，分束器由胶合在半透半反膜两个棱镜构成；声光调制器为钼酸铅晶体，工作频率为40～80MHz，驱动功率0.8～1.2W，动态响应时间小于1ms；两个光楔的夹角为1-1.5度；正透镜为平凸镜，焦距值为10mm。显微物镜的放大倍数在10-40x；信号发生器为锁相频率合成器，对频率和相位变化的动态响应时间均小于1ms。

本发明优点在于，装置不存在任何机械运动部件，实时产生空间变频和相位移动的投影结构光，抗外界干扰能力强、稳定性好，并且具有良好的可调控性和普适性。

附图说明

图1为本发明装置结构框图。

图2为图1中的集成分束器的结构示意图。

图中101为激光器，102为集成分束器，103和104为声光调制器，105和106为光束方向微调器(光楔)，107为双孔空间滤波器，108为合束器，109为正透镜，110为显微物镜，111为场景，112和113为射频功率放大器，114为射频功率放大器的信号发生器，201为半透半反膜，202和203为棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

如附图1所示，由激光器101产生的连续激光束经分束器102后，被分成强度相等或接近相等的两平行光束。它们分别进入声光调制器103和104，产生的一级衍射光。它们将以一小角度离开声光调制器，该角度正比于声光调制器驱动信号的频率。作为光束方向微调器的光楔用于调整两光束之间的夹角。经光楔105和106后分别得到两束平行光，经过双空间滤波器107进入合束器108后得到两束光。合束器108与分束器102结构相同，但反向使用。它们被正透镜109聚焦后产生的两束光再由显微物镜110向空间投射，形成两束扩展光束，它们在空间相互重叠而产生干涉。声光调制器103和104分别由射频放大器112和113产生的信号驱动。放大器112和113的输入信号由信号发生器114产生。两信号具有相同频率的正弦波，它们之间的相位差为预先设定的值。改变两个信号的频率则可控制所产生干涉条纹的间距，改变两个信号之间的相位差即可控制所产生干涉条纹的空间相位。两信号的频率及它们之间的相位差可手动控制，亦可由计算机编程控制。

附图1中的激光器101可为任何单频激光器，典型的是氦氖激光器以及单模半导体激光器。分束器102与合束器108可为任何形式反射镜或棱镜的组合，但采用如附图2所示的集成组合棱镜将使整个条纹投射装置的结构紧凑且稳定。如激光器为可见光激光器，则声光调制器可选用钼酸铅晶体，其典型工作频率在40-80MHz，驱动功率0.8～1.2W，动态响应时间小于1ms。光楔105和106的夹角由声光调制器103和104的工作频率决定，典型值为1-1.5度。正透镜109为平凸镜，焦距典型值为10mm。显微物镜110的放大倍数可取在10-40x。

由信号发生器114可为锁相频率合成器，对频率和相位变化的动态响应时间均小于1ms。

附图2中，入射光束入射到半透半反膜201上被分成两等光强光束后，再由胶合在一起的棱镜202和203全反射，得到两束平行光。

Claims

1、一种投影结构光的产生方法，该方法对相干光源的光束，通过分束、衍射、方向微调、空间滤波、光束间距变换、聚焦放大过程，在场景上投射得到干涉条纹强度为正弦分布的静止条纹结构光，其特征在于，分束后的两束平行光分别以Bragg角进入双声光调制器的两个输入端，同时采用频率相同且具有0～2π可调相位差的射频信号驱动双声光调制器并且实时改变射频信号的频率，从而在双声光调制器的两个输出端，输出偏转角度和相对相位可控的两束一级衍射光，该两束光再经方向微调、空间滤波、光束间距变换、聚焦放大、投射得到投影结构光。

2、一种按照权利要求1所述的方法，产生投影结构光的装置，该装置主要包括相干光源、分束器、双声光调制器及射频驱动电路、光束方向微调器、空间滤波器、平行光束间距变换器、聚焦透镜、显微物镜构成，其特征在于：当相干光源为可见光激光器时，分束器由胶合在半透半反膜两个棱镜构成；声光调制器为钼酸铅晶体，工作频率为40～80MHz，驱动功率0.8～1.2W，动态响应时间小于1ms；两个光楔的夹角为1-1.5度；正透镜为平凸镜，焦距值为10mm；显微物镜的放大倍数在10-40x；信号发生器为锁相频率合成器，对频率和相位变化的动态响应时间均小于1ms。