CN202145257U

CN202145257U - 一种基于圆光栅控制的结构光投影装置

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Publication number: CN202145257U
Application number: CN201120257670U
Authority: CN
Inventors: 王洋; 于晓洋; 于双; 吴海滨; 于舒春; 陈德运
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2021-07-20

Abstract

本实用新型提供了一种基于圆光栅控制的结构光投影装置。它包括机架、卤素冷光源、光源供电系统、光源准直光学系统、照明系统固定装置、透射光栅、光栅投影光学系统、光栅投影光学系统固定装置、步进电机、步进电机安装架、光栅安装圆盘、动光栅、透射式定光栅、相干光源、光电二极管、光电计数系统、光栅移动装置固定支撑、步进电机控制系统和光栅移动装置。本实用新型可准确将每幅光栅送入三维测量系统中拍摄区，具有提高三维测量速度慢，使用方便，能够满足基于格雷码和相移法三维测量需要等优点。

Description

一种基于圆光栅控制的结构光投影装置

(一)技术领域

本实用新型涉及三维测量领域，具体涉及一种基于圆光栅控制的结构光投影装置。

(二)背景技术

数量众多的光学非接触三维信息获取技术被广泛的应用于现代工农业生产过程中，其中结构光技术由于其主动测量原理，采样密度可调，测量精度高等优点被广泛应用于逆向工程、考古、医学、服饰、人体测量等需要恢复物体的三维形状的领域中。结构光技术是利用普通或者激光作为光源，将已知的图案投射到被测物的表面，根据通过成像装置从另一角度获取的图像，利用三角原理获得采样点的三维信息。结构光投影装置作为一个核心器件对测量结果与精度起着至关重要的作用。

目前，常用的光栅投影装置主要有幻灯投影仪与液晶投影仪。液晶投影仪中的光栅是利用计算机编程方法生成各种各样的投影条纹，此光栅具有较好的对齐性、较低的成本、但不能投影具有连续光强分布的条纹，对比度较低，对环境光比较敏感。幻灯投影仪采用胶片和一个光源来完成投射，这种方法大多采用泰伯效应投影光栅，但不能随时改变光栅的周期及相位，无法实现自适应投影，无法保证光栅的精确排列。现有光栅器件之间的切换通过精密位移机器实现，对位移精度要求很高，另外光栅器件受其自身材质影响，在强光下容易发生形变等，并且光栅在使用时灵活性差，因此，其应用受到很大的限制。目前已白光源及光栅器件所构成的投影装置中，虽然可以解决投射的强度不连续等问题，但大多采用编码(如格雷码、二进制编码等)的方法来完成相位展开，这种方法所获得的数据精度同编码位数有很大关系，当编码条纹过宽时，精度不高，并且由于物体边缘处的编码缺失而无法展开相位值。同时为采集不同带有结构光条纹的影像图片，现有技术采用更换不同相移光栅片实现。现有技术的缺点是，测量速度慢，使用不方便。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可准确将每幅光栅送入三维测量系统中拍摄区，提高三维测量速度慢，使用方便，能够满足基于格雷码和相移法三维测量需要的一种基于圆光栅控制的结构光投影装置。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括机架1、卤素冷光源2、光源供电系统3、光源准直光学系统4、照明系统固定装置5、透射光栅6、光栅投影光学系统7、光栅投影光学系统固定装置8、步进电机9、步进电机控制系统18和光栅移动装置19，光源供电系统3通过导线与卤素冷光源2连接，卤素冷光源2与光源准直光学系统4通过照明系统固定装置5与机架1相连接，卤素冷光源2安装在光源准直光学系统4的物方焦点处，透射光栅6装在光栅移动装置19上，步进电机9通过导线与步进电机控制系统18连接。

本实用新型还有这样一些技术特征：

1、所述的光栅移动装置19包括光栅安装圆盘11、动光栅12、透射式定光栅13、相干光源14、光电二极管15、光电计数系统16和光栅移动装置固定支撑17，动光栅12刻蚀在光栅安装盘13上，与安装在照明系统固定装置5上的定光栅15构成圆光栅副，相干光源14安装在照明系统固定装置5上，光电二极管15安装在照明系统固定装置5上，光电二极管15通过导线与光电技术系统16相连接，光电技术系统16通过导线与步进电机控制系统18相连接；

2、所述的步进电机9固定在步进电机安装架10上，步进电机安装架10与机架1固定连接；

3、所述的振幅型透射光栅6包括16幅尺寸相同的光栅。

本实用新型透射光栅6是由采用在石英光学基板制作的光栅安装盘13上金属镀层刻蚀的透射光栅，一共由16幅尺寸相同的光栅组成，第一幅光栅特征是在白光石英光学基板上刻蚀的十字线，用于投射源的对准及光栅投影系统的焦距调整；第二幅是为了光强归一化的用的全白光透射的石英光学基板；第三幅到第十幅光栅是格黑白相间的按照格雷码编码顺序的光栅；第十一幅至第十三幅光栅是透射光强呈等边三角形变化的透射光栅，其中第十一幅中包含115个周期，第十二幅包含94个周期，第十三幅包含80个周期；第十四幅到第十六幅光栅是投射光强呈梯形变化的透射光栅，其中第十四幅中包含115个周期，第十五幅包含94个周期，第十六幅包含80个周期。

步进电机9为光栅移动装置19提供转动动力。步进电机9通过导线与步进电机控制系统18，由步进电机控制系统输出的电流控制步进电机转动，用于光栅的移动装置19的旋转。刻蚀在光栅安装盘13上的动光栅14，与安装在照明系统固定装置5上的定光栅15，构成圆光栅副，安装在照明系统固定装置5上的相干光源14为光栅副提供光强，安装在照明系统固定装置5上光电二极管15用于接收圆光栅副形成的莫尔条纹，光电二极管15通过导线与光电技术系统16相连接，光电技术系统16通过导线与步进电机控制系统18相连接。

本实用新型能够解决现有光栅器件中存在的不能投影具有连续光强分布的条纹，无法保证精确位移和展开相位值的问题，同时能够解决光栅器件受其自身材质影响，在强光下容易发生形变，灵活性差等缺点，有益效果在于：由一块石英光学基板上刻划出多幅光栅，通过光栅移动装置可准确将每幅光栅送入三维测量系统中拍摄区，提高三维测量速度慢，使用方便，够满足基于格雷码和相移法的三维测量需要，确保了结构光三维测量中投射强度及光强的连续分布等问题，使最终测量结果精度得以提高，具有重要的工程实用价值。

(四)附图说明

图1为本实用新型的左视图；

图2为图1中A-A面剖面图；

图3为本实用新型的俯视图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明：

实施例一：

结合图1，本实施例包括机架1、卤素冷光源2、光源供电系统3、光源准直光学系统4、照明系统固定装置5、透射光栅6、光栅投影光学系统7、光栅投影光学系统固定装置8、步进电9、步进电机安装架10、光栅安装圆盘11、动光栅12、透射式定光栅13、相干光源14、光电二极管15、光电计数系统16、光栅移动装置固定支撑17、步进电机控制系统18和光栅移动装置19。光源供电系统3通过导线与卤素冷光源2连接，提供卤素冷光源2释放光束的电能，同时根据电源供电装置输出电流的大小，改变卤素冷光源2释放光束的光强；卤素冷光源2与光源准直光学系统4通过照明系统固定装置5与机架1相连接，卤素冷光源2被安装在光源准直光学系统4的物方焦点处，卤素冷光源2释放的近球面光束经过光源准直光学系统4的孔径光阑形成球面光束，经过准直光学系统4后形成平面光束垂直照射到透射光栅6表面；透射光栅6是安装在光栅移动装置19上的，透过透射光栅的光束通过光强的分布携带了编码信息，通过光栅投影光学系统7，将光束放大投射到被测物表面，以便供成像装置获取条纹图像。

透射光栅6是由采用在石英光学基板制作的光栅安装盘13上金属镀层刻蚀的透射光栅，一共由16幅尺寸相同的光栅组成，第一幅光栅特征是在白光石英光学基板上刻蚀的十字线，用于投射源的对准及光栅投影系统的焦距调整；第二幅是为了光强归一化的用的全白光透射的石英光学基板；第三幅到第十幅光栅是格黑白相间的按照格雷码编码顺序的光栅；第十一幅至第十三幅光栅是透射光强呈等边三角形变化的透射光栅，其中第十一幅中包含115个周期，第十二幅包含94个周期，第十三幅包含80个周期；第十四幅到第十六幅光栅是投射光强呈梯形变化的透射光栅，其中第十四幅中包含115个周期，第十五幅包含94个周期，第十六幅包含80个周期。

光栅的移动装置19是由光栅安装圆盘11、动光栅12、透射式定光栅13、相干光源14、光电二极管15、光电计数系统16和光栅移动装置固定支撑17组成。刻蚀在光栅安装盘13上的动光栅12，与安装在照明系统固定装置5上的定光栅15，构成圆光栅副，安装在照明系统固定装置5上的相干光源14为光栅副提供光强，安装在照明系统固定装置5上光电二极管15用于接收圆光栅副形成的莫尔条纹，光电二极管15通过导线与光电技术系统16相连接，光电技术系统16通过导线与步进电机控制系统18相连接。

步进电机9通过导线与步进电机控制系统18连接，由步进电机控制系统输出的电流控制步进电机转动，用于光栅的移动装置19的旋转。

结合图2，本实施方式由第一幅实现投影图案对被测物的对准及调焦，由第二幅到第十幅光栅实现最高为8位的格雷码结构光编码图案的投射。由圆光栅副产生的莫尔条纹通过光电计数系统16计数提供给步进电机控制系统18用于步进电机9的控制。通过步进电机控制系统18控制步进电机9，实现动透射光栅6的顺时针方向旋转和逆时针方向旋转，将所需光栅移动到卤素冷光源2和光源准直光学系统4组成的照明系统和光栅投影光学系统7之间，实现投影图案的投射。

实施例二：

本实施例基本结构同实施例一，不同在于由第一幅实现投影图案对被测物的对准及调焦，由第十一幅至第十三幅光栅是透射光强呈等边三角形变化的透射光栅实现最多为三周期编码的多周期三角形相移编码结构光投影图案的投射，由圆光栅副产生的莫尔条纹通过光电计数系统16计数提供给步进电机控制系统18用于步进电机9的控制。通过步进电机控制系统18控制步进电机9，将所需光栅移动到卤素冷光源2和光源准直光学系统4组成的照明系统和光栅投影光学系统7之间，且可以控制同一幅相移光栅l/n周期移动，以实现n步相移投影图案的投射。

实施例三：

本实施例基本结构同实施例一，不同在于由第一幅实现投影图案对被测物的对准及调焦，由第十四幅至第十六幅光栅是透射光强呈梯形变化的透射光栅实现最多为三周期编码的多周期梯形相移编码结构光投影图案的投射，由圆光栅副产生的莫尔条纹通过光电计数系统16计数提供给步进电机控制系统18用于步进电机9的控制。通过步进电机控制系统18控制步进电机9，将所需光栅移动到卤素冷光源2和光源准直光学系统4组成的照明系统和光栅投影光学系统7之间，且可以控制同一幅相移光栅l/n周期移动，以实现n步相移投影图案的投射。

实施例四：

本实施例基本结构同实施例一，不同在于由第一幅实现投影图案对被测物的对准及调焦，第二幅到第十幅光栅中全部或部分格雷码编码光栅与第十一幅至第十三幅光栅中的一幅光栅组合。由圆光栅副产生的莫尔条纹通过光电计数系统16计数提供给步进电机控制系统18用于步进电机9的控制。通过步进电机控制系统18控制步进电机9，将所需光栅移动到卤素冷光源2和光源准直光学系统4组成的照明系统和光栅投影光学系统7之间。可以实现可变分辨力的三角形相移与格雷码组合时间编码结构光编码图案的投射。

实施例五：

本实施例基本结构同实施例一，不同在于由第一幅实现投影图案对被测物的对准及调焦，第二幅到第十幅光栅中全部或部分格雷码编码光栅与第十四幅至第十六幅梯形编码光栅中的一幅光栅组合，由圆光栅副产生的莫尔条纹通过光电计数系统16计数提供给步进电机控制系统18用于步进电机9的控制。通过步进电机控制系统18控制步进电机9，将所需光栅移动到卤素冷光源2和光源准直光学系统4组成的照明系统和光栅投影光学系统7之间。可以实现可变分辨力的梯形相移与格雷码组合时间编码结构光编码图案的投射。

现有工艺水平完全可以满足本实用新型所需的光栅、机械装置和电气设备的生产加工要求。

Claims

1.一种基于圆光栅控制的结构光投影装置，其特征在于它包括机架、卤素冷光源、光源供电系统、光源准直光学系统、照明系统固定装置、透射光栅、光栅投影光学系统、光栅投影光学系统固定装置、步进电机、步进电机控制系统和光栅移动装置，光源供电系统通过导线与卤素冷光源连接，卤素冷光源与光源准直光学系统通过照明系统固定装置与机架相连接，卤素冷光源安装在光源准直光学系统的物方焦点处，透射光栅装在光栅移动装置上，步进电机通过导线与步进电机控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于圆光栅控制的结构光投影装置，其特征在于所述的光栅移动装置包括光栅安装圆盘、动光栅、透射式定光栅、相干光源、光电二极管、光电计数系统和光栅移动装置固定支撑，动光栅刻蚀在光栅安装盘上，与安装在照明系统固定装置上的定光栅构成圆光栅副，相干光源安装在照明系统固定装置上，光电二极管安装在照明系统固定装置上，光电二极管通过导线与光电技术系统相连接，光电技术系统通过导线与步进电机控制系统相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于圆光栅控制的结构光投影装置，其特征在于所述的步进电机固定在步进电机安装架上，步进电机安装架与机架固定。

4.根据权利要求3所述的一种基于圆光栅控制的结构光投影装置，其特征在于所述的振幅型透射光栅包括16幅尺寸相同的光栅。