CN205246014U - 一种结构光投影的高速三维测量系统 - Google Patents

Abstract

一种结构光投影的高速三维测量系统，包括LED点光源、光处理结构、光栅，以及投影透镜，所述光栅所成的像通过高速照相机或摄影机拍摄，所述LED点光源的发光和所述高速照相机或摄影机的拍摄是由控制电路控制的，且所述高速照相机或摄影机的拍摄是在所述LED点光源发光时进行的，所述光处理结构包括至少一个平凸透镜，所述光处理结构、光栅、以及投影透镜沿所述LED点光源的光的照射方向依次排列设置。因此，本实用新型具有达光栅上的光束质量更高的、同时光栅上的光照面积更大的优点。

Description

一种结构光投影的高速三维测量系统

技术领域

本实用新型涉及结构光投影的三维测量领域,尤其是一种结构光投影的高速三维测量系统。

背景技术

光学三维扫描是将光栅连续投射到物体表面，摄像头同步采集图像，然后对图像进行计算，并利用相位稳步极线实现两幅图像上的三维空间坐标（X、Y、Z），从而实现对物体表面三维轮廓的测量。实时三维扫描是三维传感技术发展的方向，目前实现实时三维扫描的方法主要有两大类，一类是采用傅里叶变换三维测量轮廓术，该方法由于只需要一幅干涉图即可对整个范围进行分析，其测量系统简约，分辨率高，处理数据快，但是由于其测量精度极度依赖于条纹的质量，当物体形状较复杂时，其测量精度急剧下降，因此其测量领域具有很大限制。另一类是采用相移三维测量轮廓术，该方法优点是测量精度高，可以用于面形复杂的物体表面的测量，但是由于需要投影三幅以上相移精确的条纹图像，因此其测量速度很慢，测量效率很低，远远不能满足高速三维测量的要求；为了解决上述问题，中国专利文献CN101957183A公开了一种结构光投影的高速三维测量系统，其结构具体如下：包括一套相移图像投影单元和高速摄

影机；所述相移图像投影单元包括多色LED点光源阵列，在沿所述多色LED点光源阵列的出光方向上所述相移图像投影单元还包括依次排列的准直透镜、光栅、一对平行放置的反射光栅或一对颠倒放置的三棱镜、投影透镜；所述结构光投影三维测量系统还包括用于驱动所述多色LED点光源阵列的驱动电路；所述高速摄影机用于拍摄所述光栅在被测物体表面的投影像；所述高速摄影机快门频率与所述多色LED点光源阵列频闪的频率同步。此技术方案使得结构光投影的高速三维测量系统能够同时满足测量效率高、测量速度快的要求。

但是，上述现有技术中还存在以下问题：第一，就是到达光栅上的光束质量不够高，比较杂乱而且无序，不利于后续的投影透镜的投影；第二就是光在光栅上的光照面积过小，不利于投影成像，对物体表面三维轮廓的测量会造成一定的影响。

实用新型内容

为了克服上述问题，本实用新型向社会提供一种到达光栅上的光束质量更高的、同时光栅上的光照面积更大的高速三维测量系统。

本实用新型的技术方案是：提供一种结构光投影的高速三维测量系统，包括LED点光源、光处理结构、光栅，以及投影透镜，所述光栅所成的像通过高速照相机或摄影机拍摄，所述LED点光源的发光和所述高速照相机或摄影机的拍摄是由控制电路控制的，且所述高速照相机或摄影机的拍摄是在所述LED点光源发光时进行的，所述光处理结构包括至少一个平凸透镜，所述光处理结构、光栅、以及投影透镜沿所述LED点光源的光的照射方向依次排列设置。

作为对本实用新型的改进，所述的至少一个平凸透镜是1－6个平凸透镜。

作为对本实用新型的改进，两个以上的平凸透镜的面积是从离所述LED点光源最近的所述平凸透镜开始，依次逐渐增大的。

作为对本实用新型的改进，两个以上的平凸透镜是相隔预定距离设置的。

作为对本实用新型的改进，两个以上的平凸透镜是前后层叠设置的。

作为对本实用新型的改进，两个以上的平凸透镜中的最后一个平凸透镜可用双凸透镜代替。

作为对本实用新型的改进，靠近所述LED点光源的平凸透镜上设有隔热膜，所述隔热膜设在所述平凸透镜上的靠近所述LED点光源的一面。

作为对本实用新型的改进，所述高速照相机或摄影机的数量是一个或者两个。

作为对本实用新型的改进，所述光栅是通过在玻璃片上设置若干大小不同的点制成的。

作为对本实用新型的改进，所述光栅是可通过所述控制电路控制而呈现出图案的液晶屏。

本实用新型由于所述光处理结构包括至少一个平凸透镜，所述光处理结构、光栅、以及投影透镜沿所述LED点光源的光的照射方向依次排列设置。本实用新型中，至少一个的平凸透镜对LED点光源11发出的光进行处理，使得LED点光源11发出的光线变成质量更高的的平行光束，这样就会使得光在光栅上更加集中且清晰，最后再通过投影透镜投射在被测物体表面(即投影平面)，利用LED快速的频率响应特性和光处理结构实现光栅图像的高速相移，再使用高速照相机或摄影机进行同步拍摄，从而实现高速的三维测量。因此，本实用新型具有达光栅上的光束质量更高的、同时光栅上的光照面积更大的优点。

附图说明

　图1是本实用新型第一种实施例的结构示意图。

图2是本实用新型第二种实施例的结构示意图。

其中，11LED点光源、12光处理结构、13光栅，14投影透镜、15高速照相机或摄影机、16　控制电路、17被测物体表面、121平凸透镜、122隔热膜。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参见图1，图1揭示的是一种结构光投影的高速三维测量系统的第一种实施例，一种结构光投影的高速三维测量系统，包括LED点光源11、光处理结构12、光栅13，以及投影透镜14，所述光栅13所成的像通过高速照相机或摄影机15拍摄，所述LED点光源11的发光和所述高速照相机或摄影机15的拍摄是由控制电路16控制的，且所述高速照相机或摄影机15的拍摄是在所述LED点光源11发光时进行的，本实施例中，所述LED点光源11和高速照相机或摄影机15是由同一控制电路16控制的；当然，本实用新型中，所述LED点光源11的发光和所述高速照相机或摄影机15的拍摄可以是同步进行的也可以是不同步的，同步时可以是同步且同频率的，还可以是同步且摄影机15的拍摄频率大于所述LED点光源11的发光频率，只要保持所述高速照相机或摄影机15的拍摄是在所述LED点光源11发光时进行的即可。所述光处理结构12包括至少一个平凸透镜121，本实用新型中，优选地，所述的至少一个平凸透镜121是1－6个平凸透镜121，而本实施例中，采用三个所述平凸透镜121，所述光处理结构12、光栅13、以及投影透镜14沿所述LED点光源11的光的照射方向依次排列设置；且所述光栅13的位置与被测物体表面(即投影平面)17的位置相对于投影透镜14满足几何光学的物像关系；本实用新型中，首先通过所述控制电路16对所述LED点光源11进行控制，所述LED点光源11发出的光线通过所述光处理结构12中的平凸透镜121，由于所述平凸透镜121能够把点光源转化成平行光束，这样所述LED点光源11发出的光线通过一个所述平凸透镜121之后即变成平行光束，而由于所述平凸透镜121的有限性，此时只是一部分的光变成平行光束，另外一部分还是杂乱的，此时光继续经过剩余的两个所述平凸透镜121的处理，这样大部分的光都变成质优的平行光束，而且为了使得所述平凸透镜121能够发挥更大的作用，本实用新型中，两个以上的平凸透镜121的面积是从离所述LED点光源11最近的所述平凸透镜121开始，依次逐渐增大的，这样所述LED点光源11发出的光依次经过面积呈递增趋势的所述平凸透镜121时，使得光的光照面积能够不断地展宽，最后再出现在光栅13上能够具有更大的光照范围，起到扩大光照面积的作用；因此，本实用新型具有达光栅上的光束质量更高的、同时光栅上的光照面积更大的优点。平行光束通过所述光栅13后，最后通过所述投影透镜14投射在被测物体表面(即投影平面)17，这样就能得到更加清晰的三维图像，也就有利于测量更加准确；其中光栅13的位置和被测物体表面(即投影平面)17的位置满足物像关系。同时由于LED的频率响应速度非常高，可以达到106hz，因此通过所述控制电路16控制LED和高速照相机或摄影机15的同步信号，可以实现高速的三维测量。

本实用新型中，优选地，两个以上的平凸透镜121是相隔预定距离设置的，当然，两个以上的平凸透镜121也可以是是前后层叠设置的。

本实用新型中，由于所述LED点光源11会发光的同时会有大量的热量放出，为了保护所述平凸透镜121，使得所述平凸透镜121的使用寿命更长，靠近所述LED点光源11的平凸透镜121上设有隔热膜122，所述隔热膜122设在所述平凸透镜121上的靠近所述LED点光源11的一面。

本实用新型中，优选地，所述高速照相机或摄影机15的数量是一个或者是两个，为了使得测量效果更好，优选两个，而且两个所述高速照相机或摄影机15是对称设置的。

本实用新型中，优选地，所述光栅13是通过在玻璃片上设置若干大小不同的点制成的；除此之外，所述光栅13还可以是可通过所述控制电路16控制而呈现出图案的液晶屏。

本实用新型还可以设为第二种实施例（如图2所示），第二种实施例与第一种实施例大体上相同，其不同之处在于本实施例中所述平凸透镜121是四个，且四个平凸透镜121中的最后一个平凸透镜121是用双凸透镜代替。

Claims (10)

1.一种结构光投影的高速三维测量系统，包括LED点光源（11）、光处理结构（12）、光栅（13）、以及投影透镜（14），所述光栅（13）所成的像通过高速照相机或摄影机（15）拍摄，其特征在于，所述LED点光源（11）的发光和所述高速照相机或摄影机（15）的拍摄是由控制电路（16）控制的，且所述高速照相机或摄影机（15）的拍摄是在所述LED点光源（11）发光时进行的，所述光处理结构（12）包括至少一个平凸透镜（121），所述光处理结构（12）、光栅（13）、以及投影透镜（14）沿所述LED点光源（11）的光的照射方向依次排列设置。

2.根据权利要求1所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：所述的至少一个平凸透镜（121）是1－6个平凸透镜（121）。

3.根据权利要求2所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：两个以上的平凸透镜（121）的面积是从离所述LED点光源（11）最近的所述平凸透镜（121）开始，依次逐渐增大的。

4.根据权利要求2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：两个以上的平凸透镜（121）是相隔预定距离设置的。

5.根据权利要求2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：两个以上的平凸透镜（121）是前后层叠设置的。

6.根据权利要求2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：两个以上的平凸透镜（121）中的最后一个平凸透镜（121）可用双凸透镜代替。

7.根据权利要求1、2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：靠近所述LED点光源（11）的平凸透镜（121）上设有隔热膜，所述隔热膜设在所述平凸透镜（121）上的靠近所述LED点光源（11）的一面。

8.根据权利要求1、2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：所述高速照相机或摄影机（15）的数量是一个或者两个。

9.根据权利要求1、2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：所述光栅（13）是通过在玻璃片上设置若干大小不同的点制成的。

10.根据权利要求1、2或3所述的结构光投影的高速三维测量系统，其特征在于：所述光栅（13）是可通过所述控制电路（16）控制而呈现出图案的液晶屏。