CN206546159U - 显微三维测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于三维测量技术领域，提供了一种显微三维测量装置及系统，所述装置包括：结构光生成装置、光路转向组件、成像透镜组和CCD；所述结构光生成装置用于产生结构光；所述光路转向组件用于将结构光引导至待测量物上，并在经过待测量物后，将携带有物体图像信息的光线引导至所述成像透镜组；所述成像透镜组包括主透镜、微透镜阵列即光场相机，用于透射所述光线；所述CCD用于记录从微透镜阵列中相邻的微透镜透射的光线，得到记录的图像。本实用新型提供的显微三维测量装置及系统解决了结构光三维测量中存在的阴影遮挡的问题；同时，将光场相机和结构光三维测量相结合，极大的提高了光场相机的像素利用率，具有更高的精确度。

Description

显微三维测量装置及系统

技术领域

本实用新型属于三维测量技术领域，尤其涉及一种显微三维测量装置及系统。

背景技术

三维技术应用越来越广泛，三维图像能让我们更好的感知现实世界多样化，如何通过更加方便快捷的方式获取物体三维点云数据是三维测量领域的热点，目前常用的三维测量方法是基于三角测量原理的结构光测量方法，一般的三角测量法，由于投影光轴和摄像光轴之间成一定的角度，这样就会受到物体表面面形的影响，出现有些物体表面区域投影仪可以投射的到，但是摄像机拍不到；而有些摄像机拍的到区域，而投影仪投不到，最终导致重建的物体三维面型数据不完整，这种三角测量原理固有的遮挡和阴影问题限制了该方法的应用。

而光场相机以其成像方面记录多维光线信息的优势，开辟了研究三维成像的新领域。目前对于光场相机的三维重建方法一般是采用基于傅立叶切片定理，对四维光场数据进行分析，根据不同深度的像点的聚焦位置不一样，构建适当的滤波函数，得出大量随着深度变化图像对焦区域变化的层析图片，然后根据深度和对焦点的关系重建出物体表面三维面型，精度取决于层析的层数，相对精度较低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种显微三维测量装置及系统，旨在利用光场相机与结构光三维测量相结合来实现对待测量物的微结构面形高精度三维测量。

本实用新型提供了一种显微三维测量装置，包括：结构光生成装置、光路转向组件、成像透镜组和CCD；

所述结构光生成装置用于产生结构光；

所述光路转向组件用于将所述结构光引导至待测量物上，并在经过所述待测量物后，将携带有物体图像信息的光线引导至所述成像透镜组；

所述成像透镜组包括主透镜、微透镜阵列即光场相机，用于透射所述光线；

所述CCD用于记录从所述微透镜阵列中相邻的微透镜透射的光线，得到记录的图像。

进一步地，所述结构光生成装置为投影装置，所述投影装置沿光路方向依次包括：光源、第一透镜、光栅和第二透镜，所述投影装置用于投射光栅图像。

进一步地，所述光路转向组件包括器件:可调平面镜、第一光路转向组件、第二光路转向组件和毛玻璃。

进一步地，所述第一光路转向组件沿光路方向包括第一平面镜、半透半反镜和第一透镜组；

当所述可调平面镜用于将光路引导至所述第一光路转向组件时，所述可调平面镜与所述结构光的传播方向呈第一角度放置，所述可调平面镜和所述第一平面镜平行，并和所述半透半反镜互补。

进一步地，所述第二光路转向组件沿光路方向包括第二平面镜、第三平面镜、第二透镜组和毛玻璃；

当所述可调平面镜用于将光路引导至所述第二光路转向组件时，所述可调平面镜与所述结构光的传播方向呈第二角度放置，所述可调平面镜和所述第二平面镜平行，并和所述第三平面镜互补；

所述第一角度和第二角度互补。

进一步地，所述第一角度为45度，所述第二角度为135度。

进一步地，所述待测量物置于所述第一透镜组和所述毛玻璃之间并贴合于所述毛玻璃；

若所述待测量物为非透明物体，则所述投影装置出射的光线经过所述第一光路转向组件；

若所述待测量物为透明物体，则所述投影装置出射的光线经过所述第二光路转向组件。

进一步地，所述微透镜阵列与所述主透镜之间距离为主透镜焦距，所述微透镜阵列到所述CCD的距离为单个微透镜的焦距。

本实用新型还提供了一种显微三维测量系统，所述系统包括：上述显微三维测量装置和图像处理单元，所述图像处理单元包括图像处理模块、等相位点查找模块、连接模块和求解模块；

所述图像处理模块，用于对记录的图像进行处理得到绝对相位图；

所述等相位点查找模块，用于在所述绝对相位图中，通过等相位查找得到相位值相等的等相位点；

所述连接模块，用于通过标定确定所述微透镜阵列中的微透镜中心点的坐标，连接微透镜中心点到其相对应的宏像素中的等相位点，来构建多条三维空间直线；

所述求解模块，用于求解所述多条三维空间直线的交点，得到具有深度信息的三维空间点坐标，即求得待测量物三维点云数据。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型提供的一种显微三维测量装置及系统，将光场成像技术和结构光三维测量相结合，可以对透明物体或者非透明物体进行测量，得到图像，并对所述图像进行处理，得到连续的绝对相位图，再进行相位点匹配重建三维面型；该装置及系统解决了结构光三维测量中存在的阴影遮挡的问题；同时，将光场相机和结构光三维测量相结合，极大的提高了光场相机的像素利用率，处理数据达到了亚像素级别，具有更高的灵敏度和精确度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种显微三维测量装置的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种显微三维测量系统的示意图；

图3是图2提供的显微三维测量系统中的图像处理单元的模块示意图；

图4是本实用新型实施例提供的由等相位点求解像点的模块示意图。

具体实施方式

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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的主要实现思想为：本实用新型提供的一种显微三维测量装置及系统，物空间单个三维坐标点发射的光线经过第一透镜组、半透半反镜和主透镜后成像，光线继续向前传播，会被多个微透镜后的CCD捕获，得到记录的图像。每个微透镜后对应一个N*N的宏像素，一个物空间点最终会对应多个记录的图像上像点，通过连续拍摄多张相移图像结合差频相位展开算法，得到绝对相位图；通过在若干相邻宏像素中等相位查找，找出所有具有相同相位的像素点，将微透镜阵列用小孔模型代替，通过标定确定微透镜的中心坐标，连接微透镜中心点到其相对应的宏像素中的等相位的像素点，构建多条三维空间直线；并求解多条三维空间直线的交点，得到具有深度信息三维空间点坐标，即求取了三维点云数据。

下面具体介绍这种显微三维测量装置，如图1所示，包括：结构光生成装置(本实用新型实施例中涉及的结构光生成装置为投影装置1)、光路转向组件2、成像透镜组3、CCD4；

所述结构光生成装置用于产生结构光。

所述投影装置1沿光路方向依次包括：光源11、第一透镜12、光栅13和第二透镜14，用于投射光栅图像，其中所述光栅13可以用DMD或LCD替换。

所述光路转向组件2用于将所述结构光引导至待测量物上，并在经过所述待测量物后，将携带有物体图像信息的光线引导至所述成像透镜组。

本实用新型实施例中，所述光路转向组件2用于将所述投影装置投射的光栅图像引导至待测量物上，并在经过所述待测量物后，将投影物体表面条纹图引导至所述成像透镜组3。

所述成像透镜组3包括主透镜31、微透镜阵列32即光场相机，用于透射所述光线。

所述CCD4用于记录从所述微透镜阵列32中相邻的微透镜透射的光线，得到记录的图像。

具体地，所述微透镜阵列32与所述主透镜31之间距离为主透镜焦距，所述微透镜阵列32到所述CCD4的距离为单个微透镜的焦距。

具体地，所述光路转向组件2包括器件:可调平面镜21、第一光路转向组件、第二光路转向组件和毛玻璃28。

更具体地，所述第一光路转向组件沿光路方向包括第一平面镜22、半透半反镜23、第一透镜组25；所述第二光路转向组件沿光路方向包括第二平面镜26、第三平面镜26、第二透镜组27和毛玻璃28；所述待测量物置于所述第一透镜组25和所述毛玻璃28之间并贴合于所述毛玻璃28。

当所述可调平面镜用于将光路引导至所述第一光路转向组件时，所述可调平面镜21与所述结构光的传播方向呈第一角度放置，所述可调平面镜21和所述第一平面镜22平行，并和所述半透半反镜23互补；当所述可调平面镜用于将光路引导至所述第二光路转向组件时，所述可调平面镜21与所述结构光的传播方向呈第二角度放置，所述可调平面镜21和所述第二平面镜26平行，并和所述第三平面镜26互补。

进一步地，所述第一角度和第二角度互补。

本实用新型实施例中，所述第一角度为45度，所述第二角度为135度。

若所述待测量物为非透明物体，则实现对非透明的显微物体表面面形的高精度测量。具体地，当所述待测量物为非透明物体时，所述投影装置1出射的光线经过所述第一光路转向组件；所述投影装置1上方的可调平面镜21置于①的位置，投影装置1投射光栅图像，光线经过所述可调平面镜21、第一平面镜22、半透半反镜23和第一透镜组24后，投射到待测量物表面，光线在待测量物表面经过漫反射，产生投影物体表面条纹图，再经过所述第一透镜组24和半透半反镜23，并传播到主透镜31，所述待测量物表面一点通过所述主透镜31会在多个微透镜后面成像，最终被所述成像透镜组3后的CCD4记录，得到记录的图像。

若所述待测量物为透明物体，则实现对透明的显微物体表面面形的高精度测量。具体地，当待测量物体为透明时，所述投影装置1出射的光线经过所述第二光路转向组件；所述投影装置1上方的可调平面镜21置于②的位置，投影装置1投射光栅图像，光线经过所述可调平面镜21，再通过所述第二平面镜25、第三平面镜26反射，并穿过第二透镜组27后打在毛玻璃28上，条纹图像在毛玻璃28上经过漫反射，而后光线透过待测量物产生投影物体表面条纹图，再经过第一透镜组24和半透半反镜23，并传播到主透镜31，所述待测量物表面一点通过所述主透镜31会在多个微透镜后面成像，最终被所述成像透镜组3后的CCD4记录。

本实用新型提供的这种显微三维测量装置，将光场成像技术和结构光三维测量相结合，可以对透明物体或者非透明物体进行测量，得到图像。

下面具体介绍一种显微三维测量系统，如图2所示，包括上述显微三维测量装置1，还包括图像处理单元2；所述图像处理单元2包括图像处理模块21、等相位点查找模块22、连接模块23和求解模块24，具体如图3所示；

所述图像处理模块21，用于对记录的图像进行处理得到绝对相位图；

具体地，利用所述显微三维测量装置得到双频相移图像，并对获取的所述双频相移图像通过差频相位展开算法处理得到绝对相位图。

更具体地，所述差频相位展开算法的思想为：分别投影两组不同周期的相移条纹图，求解得到两幅不同周期的截断相位图，由于两幅条纹图像的周期不同，因此，由两幅相位图差生成的相位差图像与周期窄的条纹图的级次有关，根据此，我们就可以计算得到窄条纹图的周期编码，并根据该编码进行绝对相位展开。

所述等相位查找模块22，用于在所述绝对相位图中，通过等相位查找得到相位值相等的等相位点；

具体地，由于受到主透镜截断频率限制，物空间点发出光线透过主透镜，汇聚成像点后继续向前传播，打到微透镜阵列上为圆形区域(锥形切面)，光线通过微透镜中心(小孔)的光线最终会在微透镜后的CCD上成像，来自同一个物点的光线就会在若干相邻的微透镜后面的CCD上成像，这些像点具有相同的绝对相位值；给定某个特征点像素坐标以及水平和竖直方向绝对相位值，通过水平方向和竖直方向插值，确定其它具有相同相位值点的像素坐标。

更具体地，确定相同相位值点的过程为：对于得到的连续的绝对相位图，设定合适的窗口大小在相邻的宏像素中查找相位相等的点，通过插值的方法查找水平相位和竖直相位均相等的点，最终确定等相位点；像素坐标图3中P1、P2、P3表示查找到具有相同水平和竖直相位的像素点。

具体地，关于宏像素，一个微透镜后面会成NxN像素大小的像(例如：20x20大小)，每个微透镜后面对应的NxN大小的图像就叫一个宏像素，一个微透镜就会对应一个宏像素，算法的思想基于光线追迹连接像素坐标点和微透镜中心坐标点(小孔模型中心点)，从而构造出光线路径。

所述连接模块23，用于通过标定确定所述微透镜阵列中的微透镜中心点的坐标，连接微透镜中心点到其相对应的宏像素中的等相位点，来构建多条三维空间直线；

具体地，将微透镜用小孔模型代替，通过标定确定微透镜的中心坐标，连接微透镜中心点到其相对应的宏像素中的等相位点，来构建多条三维空间直线。

具体地，关于小孔模型，满足近光轴条件近似下，即物距远大于像距时，微透镜可以用小孔来代替，小孔坐标就是微透镜的几何中心。

所述求解模块24，用于求解所述多条三维空间直线的交点，得到具有深度信息的三维空间点坐标P(X,Y,Z)，即求得待测量物三维点云数据。

具体地，图4中坐标P(X,Y,Z)为得到的具有深度信息三维空间点的坐标，即像点的坐标。

本实用新型提供了一种基于光场相机和结构光的显微三维测量装置及系统，将结构光三维测量和光场相机相结合，一方面，提高了光场相机的像素利用率，处理的像素达到了亚像素级别，提高了重建采样率，也提高了精度；另一方面，构建了同轴测量系统，消除了遮挡和阴影的影响。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种显微三维测量装置，其特征在于，包括：结构光生成装置、光路转向组件、成像透镜组和CCD；

所述结构光生成装置用于产生结构光；

所述光路转向组件用于将所述结构光引导至待测量物上，并在经过所述待测量物后，将携带有物体图像信息的光线引导至所述成像透镜组；

所述成像透镜组包括主透镜、微透镜阵列即光场相机，用于透射所述光线；

所述CCD用于记录从所述微透镜阵列中相邻的微透镜透射的光线，得到记录的图像。

2.如权利要求1所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述结构光生成装置为投影装置，所述投影装置沿光路方向依次包括：光源、第一透镜、光栅和第二透镜，所述投影装置用于投射光栅图像。

3.如权利要求2所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述光路转向组件包括器件:可调平面镜、第一光路转向组件、第二光路转向组件和毛玻璃。

4.如权利要求3所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述第一光路转向组件沿光路方向包括第一平面镜、半透半反镜和第一透镜组；

当所述可调平面镜用于将光路引导至所述第一光路转向组件时，所述可调平面镜与所述结构光的传播方向呈第一角度放置，所述可调平面镜和所述第一平面镜平行，并和所述半透半反镜互补。

5.如权利要求4所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述第二光路转向组件沿光路方向包括第二平面镜、第三平面镜、第二透镜组和毛玻璃；

当所述可调平面镜用于将光路引导至所述第二光路转向组件时，所述可调平面镜与所述结构光的传播方向呈第二角度放置，所述可调平面镜和所述第二平面镜平行，并和所述第三平面镜互补；

所述第一角度和第二角度互补。

6.如权利要求5所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述第一角度为45度，所述第二角度为135度。

7.如权利要求5所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述待测量物置于所述第一透镜组和所述毛玻璃之间并贴合于所述毛玻璃；

若所述待测量物为非透明物体，则所述投影装置出射的光线经过所述第一光路转向组件；

若所述待测量物为透明物体，则所述投影装置出射的光线经过所述第二光路转向组件。

8.如权利要求1所述的显微三维测量装置，其特征在于，所述微透镜阵列与所述主透镜之间距离为主透镜焦距，所述微透镜阵列到所述CCD的距离为单个微透镜的焦距。

9.一种显微三维测量系统，其特征在于，所述系统包括：如权利要求1-8任一项所述的显微三维测量装置和图像处理单元，所述图像处理单元包括图像处理模块、等相位点查找模块、连接模块和求解模块；

所述图像处理模块，用于对记录的图像进行处理得到绝对相位图；

所述等相位点查找模块，用于在所述绝对相位图中，通过等相位查找得到相位值相等的等相位点；

所述连接模块，用于通过标定确定所述微透镜阵列中的微透镜中心点的坐标，连接微透镜中心点到其相对应的宏像素中的等相位点，来构建多条三维空间直线；

所述求解模块，用于求解所述多条三维空间直线的交点，得到具有深度信息的三维空间点坐标，即求得待测量物三维点云数据。