CN1888818A - 基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置 - Google Patents

Abstract

基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置，包括：声光偏转器，产生干涉条纹；双DDS信号发生装置，用于产生两路驱动信号；混频乘法器，将声光偏转器的中心频率与DDS发出的调制信号混频；功率放大器，将混频信号进行功率放大；调制激光器，提供相干光源，同时接收DDS发出的激光驱动信号；光路系统，包括准直镜、投影镜头以及滤掉声光偏转器0级衍射光的光阑；计算机控制系统，控制双DDS信号发生器产生信号的频率和相位和对高频调制激光器的亮度和占空比进行调节和控制。本发明完全电控，没有机械移动装置，条纹宽度和相位调节速度快，干涉条纹具有很高的正弦性，尤其适用于复杂表面工件的精密三维测量。

Description

基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置

技术领域

本发明涉及一种基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置。

背景技术

由于快速实时的三维立体视觉检测仪可以更快、更准确、更自动地探测和定位未知区域和目标的形貌及距离，使机器视觉系统具有更强的功能，因此在自动目标识别、导引和定位方面，引起了国内外的普遍关注，被广泛地应用于产品质量检测、逆向工程以及航天器间的自主自动空间对接中。

投影栅相位匹配则是一种新型的立体匹配方式，基于投影栅相位匹配的立体视觉检测方法采用投射条纹结构化被测表面，从而获取立体匹配点，该方法可以得到比被动视觉方法更高的测量精度。

由于被测目标的形貌各异，曲率变化范围较大，因此用一种固定宽度的条纹投射被测表面时，要么分辨率不能满足要求，要么在曲率变化大的区域出现相位跳变，使相位去包裹出现错误，在该区域无法找到立体匹配点，也就无法获得相关区域的数据，因此无法解决被测目标的高精度测量问题，所以投射条纹的宽度需要根据被测表面的曲率变化大小来确定。当被测表面的曲率变化大时，需要投射宽条纹，防止相位跳变；当被测表面的曲率变化小时，需要投射细条纹，提高系统分辨率；同时，由于这种条纹投射是单方向的，对光源强度的要求比加角反射镜时要小。

目前的基于正弦条纹投射技术的立体视觉检测方法有以下几种：(1)利用罗奇光栅离焦投影，(2)利用双光栅形成莫尔条纹，(3)利用干涉仪形成干涉条纹，(4)利用投影仪投射数字条纹。在这几种方法中，前三种可以获得模拟的正弦条纹，但条纹相位及宽度的改变必须通过改变投射系统的结构参数实现，要想实现精密的相位移动，必须附以复杂精密的机械运动装置，结构复杂，调节困难，系统抗干扰能力差。第四种方法是利用商业产品如基于LCD或DLP的投影投射仪投射条纹。由于投射的条纹是计算机仿真图像，因此可以通过程序精确获得所要的相移和条纹宽度，满足条纹自适应投射的特点，但是由于这种投影仪投射的是离散的数字结构光，非所以解相精度受到影响，另外投影仪体积、重量大，不利于集成和在线测试的灵活性。

发明内容

本发明技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种通过改变施加在结构光投射装置上的信号频率和相位，精确改变投射正弦干涉条纹的宽度和相位的正弦结构光投射装置。该结构光投射装置完全电控，没有机械移动装置，条纹宽度和相位调节速度快，干涉条纹具有很高的正弦性，尤其适用于复杂表面工件的精密三维测量。

本发明的技术解决方案：基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置，其特点在于包括：

声光偏转器，用于产生干涉条纹；

双DDS信号发生装置，用于产生两路驱动信号，一路接至混频乘法器，经过功率放大器后用于驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，两路信号的频率和相位差可以通过直接数字合成芯片DDS进行调节和控制；

混频乘法器，将声光偏转器的中心频率与DDS发出的调制信号混频，得到驱动声光偏转器的混频信号；

功率放大器，将混频乘法器产生的混频信号进行功率放大，使其满足声光偏转器的超声功率要求；

调制激光器，用于整个条纹投射装置的提供相干光源，同时接收DDS发出的激光驱动信号；

光路系统，包括位于声光偏转器前对调制激光进行准直的准直镜、位于声光偏转器后对其产生的干涉条纹放大的投影镜头以及滤掉声光偏转器0级衍射光的光阑；

计算机控制系统，与双DDS信号发生器用来控制双DDS信号发生器产生信号的频率和相位，从而控制该装置投射条纹的宽度和相位；同时与调制激光器相接，用于对高频调制激光器的亮度和占空比进行调节和控制。

本发明的工作原理：由双DDS信号发生装置产生两路驱动信号，一路驱动声光偏转器，频率为f_m，另一路用于驱动调制激光器2f_m，f_m经混频乘法器与声光偏转器的中心频率f_c混频得到f_c+f_m和f_c-f_m两个频率；该混频信号经过功率放大器后，驱动声光偏转器，声光偏转器中产生应力交变分布的行波声光栅，该声光栅为混频声光栅，混频声光栅的拍频为2f_m，以2f_m频率调制的激光器可以根据混频光栅运动到的不同位置进行实时的相位跟踪，从而照亮声光偏转器中传播的行波混频光栅，经过投影镜头产生正弦混频光栅的放大实像。通过改变DDS信号f_m的频率和相位就可以控制该正弦光栅的宽度和相位，从而得到宽度相位可调的正弦条纹。

由于本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)与光栅型条纹投射器和干涉型条纹投射器相比，本发明具有很高的灵活性，正弦条纹结构光的宽度和相位的控制完全电控，没有任何机械移动装置。

(2)与数字投影仪相比，投影仪投射的条纹为不连续的数字量，而本发明投射的条纹为连续的模拟量，从而提高了三维测量精度。

(3)本发明调节速度快，条纹的相位和频率改变的速度为超声在声光晶体内的渡越时间，为10μs左右；而投影仪的视频图像刷新速度为8ms左右。

(4)与数字投影仪相比，本发明投射的结构光为干涉条纹，具有很高的正弦性；投射不同宽度和相位的高质量的正弦条纹，可应用于复杂表面物体的三维测量。

(5)与干涉仪和数字投影仪性比，本发明的体积小，重量轻的特点；长度只有10cm左右，重量小于500g，适合航空航天领域的应用。

附图说明

图1为本发明正弦结构光投射装置原理图；

图2为本发明正弦结构光投射装置系统结构图；

图3为本发明中的混频布拉格衍射示意图；

图4为本发明中的双光点干涉示意图；

图5为本发明中的相位控制原理示意图；

图6为双DDS信号发生装置同步信号结构图；

图7为本发明的计算机系统控制软件流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明分为电气部分和光路部分，分别计算机控制系统1、双DDS信号发生及混频装置2、功率放大器3、调制激光器4、准直镜5、声光偏转器6、投影镜头7、光阑8组成，其中计算机控制系统1作为整个投射装置的控制中心，输出控制信号到双DDS信号发生装置2和调制激光器4，控制信号控制DDS信号的频率与相位和调制激光器的亮度与占空比，从而控制投射的正弦条纹的相位频率和亮度；双DDS信号发生及混频装置2包含两个高速DDS芯片和一个混频乘法器以及其他控制滤波电子元件，双DDS产生两路频率相位可控制的高频信号，其中一路信号f_m和一个80MHz的正弦晶振f_c混频，得到f_c+f_m和f_c-f_m两个频率；该混频信号经过功率放大器3驱动声光偏转器6，使声光偏转器中的声光晶体中产生声光栅；由双DDS信号发生装置2产生的另一路信号作为调制激光器4的调制信号；被调制的激光经准直镜5准直后，入射到声光偏转器6，照亮声光偏转器6内声光晶体产生的声光栅；声光偏转器6内的f_c+f_m和f_c-f_m两个频率产生两束不同角度的一级衍射光，在两束一级衍射光后放置投影透镜7，并在焦平面上用光阑8将出射的零级光滤掉，得到间距和相位可变的正弦干涉条纹。

干涉条纹间距控制原理与方法，如图3所示，声光偏转器输入了混频信号f_c+f_m和f_c-f_m后，会将入射激光分成两束，两束光线的偏转角度是不同的。根据声光布拉格衍射理论可得：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{\mathrm{\λ}}{2n{v}_s}{f}_s---\left(1\right)$

v_s为超声在晶体中的速度，f_s为声音频率，n为折射率；

在本实验中f_s＝f_c，f_c为声光偏转器的中心频率。

${\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_1=2{\mathrm{\θ}}_B=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nv}}_s}{f}_s---\left(2\right)$

           (sinθ_B+sinθ₂)d＝λ₂                        (3)

           (sinθ_B+sinθ₁)d＝λ₁

其中λ₁，λ₂对应频率为f_L+f_c+f_m和f_L+f_c-f_m的光波波长。

θ_B，θ₁，θ₂很小。

${\mathrm{\θ}}_B+{\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nv}}_s}(f_L+f_c+f_m)---\left(4\right)$

${\mathrm{\θ}}_B+{\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nv}}_s}(f_L+f_c+f_m)$

晶体内部两光束分开角度Δθ_s为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_s={\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1=\frac{2\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nv}}_s}{f}_m---\left(5\right)$

光线在晶体界面处会发生折射，于是两光束在晶体外部分开角度应为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{n\Δ}{\mathrm{\θ}}_s=\frac{2\mathrm{\λ}}{v_s}{f}_m---\left(6\right)$

如图4，汇聚的两光点的距离为d，则d≈FΔθ。根据双光点干涉，可以计算出条纹宽度：

$b=\frac{\mathrm{\λ}}{d}L=\frac{\mathrm{\λL}}{\mathrm{F\Δ\θ}}---\left(7\right)$

将 $\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\λ}}{v_s}{f}_m$ 代入(7)式，得频率和干涉条纹间距的关系：

$b=\frac{v_{s}L}{2F{f}_m}---\left(8\right)$

所以可以通过控制双DDS信号发生装置产生的调制频率f_m，来控制干涉条纹的间距。上式中F为两路驱动信号的频率差，Vs为超声在晶体中的速度，L为条纹出射距离。

干涉条纹相位的控制方法，如图5所示，声光偏转器内超声波会引起声光晶体折射率的变化，频率为f_c和f_m的电信号经过高速乘法相乘后，根据公式(9)，可以产生f_c+f_m和f_c-f_m频率的波形：

$\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)=\frac{1}{2}\left\{\cos \right[2\mathrm{\π}(f_c+f_m)t]+\cos [2\mathrm{\π}(f_c-f_m)t\left]\right\}---\left(9\right)$

引起折射率的变化为：

Δn＝Δn₀cos(2πf_ct)cos(2πf_mt)                            (10)

由于Δn是由cos(2πf_ct)和cos(2πf_mt)相乘组成(f_c＞f_m)所以包络的频率为2f_m，和方波频率相同。

方波信号是控制激光发光的，对于不同的方波相位，对应的声光栅的相位也是不同的。所以通过调整方波信号和声光偏转器混频信号之间的相位差φ，就可以调整成像声光栅的相位。

表1列出了调制激光器方波控制信号占空比与测得的条纹相干度以及条纹亮度比值之间的对比。

激光器调制信号的占空比可以控制照亮运动的声光栅的时间(声光晶体内为行波)，在一段时间内，在空间S处和波形A处所成像的平均强度<I>为：

$\&lang;I(x,y,z,\mathrm{\&phi;})\&rang;=2f_m{\&Integral;}_0^{0+\mathrm{\&Delta;t}}S(x,y,z)A(\mathrm{\&phi;},t)\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中，t₀为照亮声光栅时的时刻，Δt为每次照亮声光栅的时间。2f_m每秒钟照亮声光栅的次数，即为激光器方波控制信号的频率。

表1  方波控制信号占空比与条纹相干度以及条纹亮度的对比

激光调制信号占空比	相干度M(％)	条纹亮度比值P(％)
			10％	98	10
50％	63	50
			100％	0	100

在一个时间范围内，所成像的亮度是声光晶体中正弦波形S(x，y，z)A(φ，t)在时间t₀～t₀+Δt上的积分，所以照亮时间Δt越短，所成像越接近于S(x，y，z)A(φ，t)，也就越接近正弦波，相干度M也越好。

$M=100\&times;\frac{\&lang;I_{\mathrm{MAX}}\&rang;-\&lang;I_{\mathrm{MIN}}\&rang;}{\&lang;I_{\mathrm{MAX}}\&rang;+\&lang;I_{\mathrm{MIN}}\&rang;}---\left(12\right)$

其中<I_MAX>为所成干涉条纹的峰值亮度<I_MAX>为最暗处亮度。

如图5所示，由DDS输出的两路信号为同步信号时，才能得到稳定的干涉条纹。如图6所示，为双DDS信号发生装置的同步信号结构图。双DDS同步：第一片DDS的参考时钟由外部晶振提供，其内部晶振输出端口的输出信号作为第二片DDS的参考时钟。将第一片DDS的同步信号输出端与第二片DDS的同步信号输入端连接起来；同步时，第二片DDS将不断的更新自身同步时钟的相位，直到同步信号输入与同步信号输出的相位一致为止。

如图7所示，本发明的计算机系统控制软件部分主要包括对投射正弦条纹的频率和相位的控制，以及对投射条纹对比度的控制。本发明的检测系统启动时，首先检测系统硬件保证系统的各个部分和系统都正常连接，且工作正常，并初始化系统各个部分的参数，保证各个子系统处于初始状态；第二步，判断投射条纹的宽度是否合适，向第一片DDS输入频率控制字，将第一片DDS频率控制字倍频后输入到第二片DDS中，输出波形，向物体投射条纹，然后根据工件表面的反射率、倾斜角度和表面曲率等参数调节所输入的频率控制字从而调节条纹宽度；第三步，判断投射条纹的对比度是否合适，根据周围环境的情况改变激光器占空比从而调节条纹对比度使条纹投射到工件表面上的成像质量达到最佳；第四步，顺序改变投射条纹相位，采集被工件表面调制后的图像。

Claims (3)

1、基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置，其特征在于包括：

声光偏转器，用于产生干涉条纹；

双DDS信号发生装置，用于产生两路驱动信号，一路接至混频乘法器，经过功率放大器后用于驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，两路信号的频率和相位差可以通过直接数字合成芯片DDS进行调节和控制；

混频乘法器，将声光偏转器的中心频率与DDS发出的调制信号混频，得到驱动声光偏转器的混频信号；

功率放大器，将混频乘法器产生的混频信号进行功率放大，使其满足声光偏转器的超声功率要求；

调制激光器，用于整个条纹投射装置的提供相干光源，同时接收DDS发出的激光驱动信号；

光路系统，包括位于声光偏转器前对调制激光进行准直的准直镜、位于声光偏转器后对其产生的干涉条纹放大的投影镜头以及滤掉声光偏转器0级衍射光的光阑；

计算机控制系统，与双DDS信号发生器用来控制双DDS信号发生器产生信号的频率和相位，从而控制该装置投射条纹的宽度和相位；同时与调制激光器相接，用于对高频调制调制激光器的亮度和占空比进行调节和控制。

2、根据权利要求1所述的基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置，其特征在于：所述的双DDS信号发生装置由两个DDS芯片组成，第一片DDS的参考时钟由外部晶振提供，其Crystal Out端口的输出信号作为第二片DDS的参考时钟，将第一片DDS的Sync Out端与第二片DDS的Sync In端连接起来，同步时，第二片DDS将不断的更新自身同步时钟的相位，直到Sync In与Sync Out的相位一致为止。

3、根据权利要求1所述的基于声光偏转器的正弦条纹结构光投射装置，其特征在于：所述的计算机控制系统的控制步骤为：首先，向第一片DDS输入频率控制字，将第一片DDS频率控制字倍频后输入到第二片DDS中，输出波形，向物体投射条纹；第二步，根据工件表面的反射率、倾斜角度和表面曲率参数调节所输入的频率控制字从而调节条纹宽度；第三步，判断投射条纹的对比度是否合适，根据周围环境的情况改变激光器占空比从而调节条纹对比度使条纹投射到工件表面上的成像质量达到最佳；第四步，顺序改变投射条纹相位，采集被工件表面调制后的图像。

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