CN1456862A - 实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的方法和装置 - Google Patents

Abstract

实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的方法和装置涉及一种应用于三维测量设备的光学投影过程中实现光强呈锯齿形分布的栅线投影以及实现相位移动栅线投影的方法和装置。该装置包括平面圆盘1、步进旋转电机2、步进旋转电机转轴21、投影成像镜头3、投影光源4、投影光源聚焦镜头5、固定支架6，其中投影光源位于外壳7内的一侧，投影成像镜头位于外壳另一侧上，投影光源聚焦镜头位于投影成像镜头与投影光源之间，投影成像镜头、投影光源、投影光源聚焦镜头的中心线位于同一条轴线上，步进旋转电机位于投影光源聚焦镜头旁，平面圆盘位于投影成像镜头和投影光源聚焦镜头之间，其中心固定在步进旋转电机转轴上，平面圆盘上的矩形窗口均匀分布在平面圆盘的圆周上，光栅片分另插在矩形窗口上。

Description

实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的方法和装置

一、技术领域

本发明涉及一种应用于三维测量设备的光学投影过程中实现光强呈锯齿形分布的栅线投影以及实现相位移动栅线投影的方法和装置。

二、背景技术

光学投影系统是三维测量设备等许多设备中的重要组成部分，它在一定程度上决定了设备的制造成本、性能、体积等。

实现光强呈锯齿形分布的锯齿形栅线投影的方法有：由程序控制液晶LCD产生锯齿形栅线图像进行投影的方法、由透光量呈锯齿形分布的栅片作模板进行投影的方法等。前一种方法需复杂的电路甚至一台计算机来控制，比较典型的构成是一台计算机加一台计算机投影机，成本昂贵，结构庞大。后一种方法的透光量呈锯齿形分布的光学栅片制作困难，成本昂贵。实现相位移动栅线投影的方法有：由程序控制液晶LCD产生相位移动栅线图像进行投影的方法、由平移步进装置控制被投影的栅片作平移的方法等。前一种方法能很好的实现相位移动栅线投影，但同样带来了成本昂贵、结构庞大的问题。后一种方法需要旋转的步进电机、旋转运动转换为平移的装置及平移的平台来实现，结构较为复杂。

三、发明内容

1、技术问题

本发明目的是提供一种应用于光学投影过程中特别是应用于三维测量设备的光学投影过程中实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的方法和装置。

2、技术方案

本发明提供了一种光学投影过程中用矩形条纹栅片实现光强呈锯齿形分布的栅线投影的方法以及用简单的步进旋转装置实现相位移动栅线投影的方法。

本发明实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的装置包括平面圆盘、步进旋转电机、步进旋转电机转轴、投影成像镜头、投影光源、投影光源聚焦镜头、固定支架，其中投影光源位于外壳内的一侧，投影成像镜头位于外壳另一侧上，投影光源聚焦镜头位于投影成像镜头与投影光源之间，投影成像镜头、投影光源、投影光源聚焦镜头的中心线位于同一条轴线上，步进旋转电机位于投影光源聚焦镜头旁，平面圆盘位于投影成像镜头和投影光源聚焦镜头之间，其中心固定在步进旋转电机转轴上，平面圆盘上的矩形窗口均匀分布在平面圆盘的圆周上，光栅片分另插在矩形窗口上。光栅片为一种透光量是矩形条纹分布的栅片，即由完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布而成。

采用透光量是矩形条纹分布的栅片作为投影栅片，将该栅片置于成像装置中的光源镜头与成像镜头之间进行投影，将成像屏幕放置与成像镜头的光轴基本垂直，沿光轴方向分别细微调整投影栅片位置、成像镜头位置、成像镜头焦距，并将上述成像屏幕与成像镜头光轴保持基本垂直状态且沿成像镜头光轴方向移动成像屏幕，得到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像。

沿光轴方向分别调整成像屏幕的位置，可以观察到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像有一定的成像景深范围。

3、技术效果

本发明中实现光强呈锯齿形分布的栅线投影方法，采用透光量呈矩形条纹分布的栅片(即完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布的栅片)作为投影栅片，这种栅片制作非常简单；可在玻璃、金属片等多种材料上制作；不存在栅片上透光量控制不准的问题。因而与透光量呈锯齿形分布栅片相比的制造过程非常简单，成本非常低。

本发明中实现光强呈锯齿形分布的栅线投影方法，观察到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像的景深较大。

本发明中实现相位移动栅线投影的方法，在一个平面圆盘上可以制作数量达10个至数十个的投影栅线图案，可满足很广泛的应用需求，并且不需要为此增加设备的体积及相应的制作成本。

本发明中实现相位移动栅线投影的方法，步进旋转电机旋转分辨率可以很容易做到40分(0.045度)甚至更精确，相位移动的精度主要决定于平面圆盘上栅线图案放置的位置精度。这一放置过程是在制作平面圆盘时进行的，因而位置精度可以得到很好的保证。

四、附图说明

图1是本发明用于实现光强呈锯齿形分布的栅线投影以及实现相位移动栅线投影的方法的装置示意图。其中有承载栅片的平面圆盘1、步进旋转电机2、步进旋转电机旋转轴21、投影成像镜头3、投影光源4、投影光源聚焦镜头5、固定支架6、步进旋转电机旋转轴21。

图2是一种透光量呈矩形条纹分布栅片，即完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布的栅片图案的示意图。

图3是本发明用于承载栅片平面圆盘的示意图。其中有矩形窗口1-3、第一个矩形区域的相位基准线1-1、平面圆盘的中心1-2。

五、具体实施方案

本发明实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的装置包括平面圆盘1、步进旋转电机2、步进旋转电机转轴21、投影成像镜头3、投影光源4、投影光源聚焦镜头5、固定支架6，其中投影光源4位于外壳7内的一侧，投影成像镜头3位于外壳7另一侧上，投影光源聚焦镜头5位于投影成像镜头3与投影光源4之间，投影成像镜头3、投影光源4、投影光源聚焦镜头5的中心线位于同一条轴线上，步进旋转电机2位于投影光源聚焦镜头5的旁边，平面圆盘1位于投影成像镜头3和投影光源聚焦镜头5之间，其中心固定在步进旋转电机转轴21上，平面圆盘1上的矩形窗口9分布在平面圆盘1的圆周上，光栅片分别插在矩形窗口上。

光栅片为一种透光量是矩形条纹分布的栅片，即由完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布而成。

采用透光量是矩形条纹分布的栅片作为投影栅片，将该栅片置于成像装置中的光源镜头与成像镜头之间进行投影，将成像屏幕放置与成像镜头的光轴基本垂直，沿光轴方向分别细微调整投影栅片位置、成像镜头位置、成像镜头焦距，并将上述成像屏幕与成像镜头光轴保持基本垂直状态且沿成像镜头光轴方向移动成像屏幕，得到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像。

现结合附图详细说明本发明方法的实施例。

用矩形条纹栅片实现光强呈锯齿形分布的栅线投影，具体步骤如下：

1、用透光量呈矩形条纹分布的栅片，即完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布的栅片作为投影栅片，如附图2；

2、如附图1所示，建立一套由投影光源、投影光源聚焦镜头、投影成像镜头等组成的光学投影装置；

3、将该投影栅片放置在一般光学投影系统光源聚焦镜头的聚焦点附近进行投影，这时将一成像屏幕放置在成像镜头的成像聚焦面附近并与成像镜头的光轴基本垂直，可以观察到光强呈矩形条纹分布(即黑白条纹相间分布)的投影图像；

4、沿光轴方向分别细微调整投影栅片的位置、成像镜头的光圈、成像镜头的位置、成像镜头的焦距，将该成像屏幕与成像镜头光轴保持基本垂直，并沿与成像镜头光轴方向移动成像屏幕，很容易就可以观察到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像；

5、轴方向分别调整成像屏幕的位置，可以得到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像有一定的成像景深范围。

用简单的步进旋转装置实现相位移动栅线投影，具体步骤如下：

1、如附图1和附图3所示，做一个平面圆盘，并与一步进旋转装置固定，使得步进旋转装置可以带动平面圆盘围绕平面圆盘的圆心作规定角度的旋转运动；

2、如附图1所示，建立一套由投影光源、投影光源聚焦镜头、投影成像镜头等组成的光学投影装置；

3、如附图1所示，将上述平面圆盘连同上述步进旋转装置嵌入上述光学投影装置中，使得该平面圆盘位于投影光源聚焦镜头的聚焦点附近，并与成像镜头的光轴基本垂直；

4、测量该平面圆盘上圆心距成像镜头光轴的距离，设为D；测量该平面圆盘上一次投影的有效矩形区域的尺寸，设为A₁和B₁(其中A₁为垂直于圆盘半径方向的尺寸，B₁为圆盘半径方向的尺寸)；

5、如附图3所示，在上述平面圆盘上标志若干个(设为N个)互不重叠的矩形区域，使得：矩形区域的尺寸基本相同(不要求严格相等)，设为A和B(其中A≤A₁，B≤B₁)；矩形区域的中心基本位于圆盘上以圆盘圆心为圆心、D为半径的圆上；矩形区域尺寸为A的边基本垂直于经过矩形区域中心的圆盘半径方向；

6、如附图3所示，定义经过各个矩形区域中一点(该点最好位于矩形区域中心)的半径为该矩形区域的相位基准线，测量经过各个矩形区域相位基准线距第一个矩形区域相位基准线的角度，设为_i(i＝1，2，3，...N，₁＝0)；

7、确定一个待投影栅线图案，设其一个周期的宽度为T，需投影图象栅线的周期数为K(K×T≤B)，栅线长度L(T≤A)。此图案可以是如附图2所示的透光量呈矩形条纹分布栅片(即完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布的栅片)图案，也可以是透光量呈锯齿分布栅片图案，也可以是透光量呈正旋函数分布栅片图案；

8、在上述平面圆盘上的第1个矩形区域中制作一个上述投影图案，使得：该投影图案尽量位于矩形区域的中心；该投影图案的栅线方向平行于该矩形区域的相位基准线；该投影图案中间一个栅线周期的起点(设其相位为0)与矩形区域相位基准线重合；

9、依次在上述平面圆盘上的第i(i≤N)个矩形区域中制作一个上述投影图案，使得：该投影图案尽量位于矩形区域的中心；该投影图案的栅线方向平行于该矩形区域相位基准线；该投影图案中间栅线周期的起点与矩形区域相位基准线距离为t_i(t_i≤T，其相位 $p_i=2\mathrm{\π}\×\frac{t_i}{T}$ )；

10、完成第一个投影图案的所有相位后，依次确定其他待投影栅线图案，仿照步骤7～9，在剩余的矩形区域制作不同相位的其他待投影栅线图案；

11、实际投影过程中，先用步进旋转装置将第一个矩形区域旋转至投影位置，再对于每一投影栅线图案，用步进旋转装置旋转_i角度即可将经过所需的相位p₁投影图案对应圆盘上矩形区域旋转至投影位置，并可得到对应相位p₁的投影栅线图案。

Claims (4)

1、一种实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的装置，其特征在于该装置包括平面圆盘(1)、步进旋转电机(2)、步进旋转电机转轴(21)、投影成像镜头(3)、投影光源(4)、投影光源聚焦镜头(5)、固定支架(6)，其中投影光源(4)位于外壳(7)内的一侧，投影成像镜头(3)位于外壳(7)另一侧上，投影光源聚焦镜头(5)位于投影成像镜头(3)与投影光源(4)之间，投影成像镜头(3)、投影光源(4)、投影光源聚焦镜头(5)的中心线位于同一条轴线上，步进旋转电机(2)位于投影光源聚焦镜头(5)的旁边，平面圆盘(1)位于投影成像镜头(3)和投影光源聚焦镜头(5)之间，其中心固定在步进旋转电机转轴(21)上，平面圆盘(1)上的矩形窗口(1-3)分布在平面圆盘(1)的圆周上，光栅片分别插在矩形窗口(1-3)上。

2、根据权利要求1所述的实现锯齿形栅线投影及相位移动栅线投影的装置，其特征在于光栅片为一种透光量是矩形条纹分布的栅片，即由完全透光条纹与完全不透光条纹相间分布而成。

3、一种实现锯齿形栅线投影方法，其特征在于采用透光量是矩形条纹分布的光栅片作为投影栅片，将该栅片置于成像装置中的光源镜头与成像镜头之间进行投影，将成像屏幕放置与成像镜头的光轴基本垂直，沿光轴方向分别细微调整投影栅片位置、成像镜头位置、成像镜头焦距，并将上述成像屏幕与成像镜头光轴保持基本垂直状态且沿成像镜头光轴方向移动成像屏幕，得到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像。

4、一种实现相位移动栅线投影的方法，其特征在于采用透光量是矩形条纹分布的栅片作为投影栅片，将该栅片置于成像装置中的光源镜头与成像镜头之间进行投影，将成像屏幕放置在成像镜头的成像聚焦面附近，并与成象镜头的光轴基本垂直，得到光强成矩形条纹分布的投影图像，沿光轴方向移动成像屏幕，得到光强呈锯齿形分布的栅线投影图像。

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