一種無衍射柵型結構光條紋投影系統及其方法
2023-04-23 01:49:11
專利名稱：一種無衍射柵型結構光條紋投影系統及其方法
技術領域：
本發明涉及條紋投影領域，尤其涉及一種無衍射柵型結構光條紋投影系統及其方法。
背景技術：
基於條紋投影的相位測量技術可以實現物體三維形貌快速全場測量，該測量技術 在很多領域有很好的應用前景，比如機器視覺、生物醫學、質量控制和求逆工程等方面。基 於條紋投影的相位測量系統中的投影條紋的特性直接影響到三維形貌測量系統的解析度 與測量精度，並且決定這種測量系統的成本、體積及功率消耗。現有的用於三維形貌測量條紋投影的方法有採用基於LCD或者DMD數字投影儀 的投影系統，或者採用基於衍射光柵的投影系統，以及採用基於投射光柵的投影系統。採用基於LCD和DMD投影的數字投影系統可以方便投射各種樣式的條紋並且可以 方便的實現移相，但是由於受LCD和DMD解析度的限制，很難投射出比較細密的正弦條紋， 並且投影條紋相位分布不是聯繫的，從而使系統測量精度受到限制；另外，投影儀的功率一 般較高，發熱量較大，對測量系統的穩定性影響較大。利用衍射光柵及投射光柵投射的條紋 對比度較差，並且光柵加工難度較大，另外需要精密的調相機構，系統結構昂貴複雜。
發明內容
針對現有技術中產生投影條紋的相位解析度不高，對比度低的問題，本發明提供 一種無衍射柵型結構光投影系統及其方法，利用光強成正弦分布特性幹涉條紋進行投影， 得到解析度高、對比度高的無衍射柵型結構光條紋，有利於提高測量系統的測量精度及抗 噪聲能力。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種無衍射柵型結構光條紋投影系統，包括雷射器和濾波準直器，其特徵在 於，還包括第一分光稜鏡、三角稜鏡、全反射稜鏡組、第二分光稜鏡，其中，所述第一分光稜鏡，用於將經過所述濾波準直器空間濾波和準直後的光分成兩束 相干光，分別為第一光束和第二光束；所述三角稜鏡，用於將所述第一光束折射後產生微小的偏折，得到第一光束a ；所述全反射稜鏡組，用於改變所述第二光束的光路，得到第二光束b ；所述第二分光稜鏡，用於使所述第一光束a和所述第二光束b分別經其反射或者 折射後產生幹涉，形成空間無衍射柵型結構光條紋。本發明所述的無衍射柵型條紋投影系統中，所述三角稜鏡為實現光程調製的光楔。本發明所述的無衍射柵型條紋投影系統中，該系統還包括用於將所述空間無衍射 柵型結構光條紋進行擴束準直來實現寬間距無衍射柵型結構光條紋投影的透鏡組合。本發明所述的無衍射柵型條紋投影系統中，所述透鏡組合包括至少兩個不同焦距的透鏡和至少一個消除光畸變的補償透鏡。本發明所述的無衍射柵型條紋投影系統中，所述三角稜鏡在X軸方向上固定，可 沿與X軸垂直的Y軸方向精密移動，使經過其偏折後的第一光束產生沿X軸方向的波長量 級位移。本發明所述的無衍射柵型條紋投影系統中，所述全反射稜鏡組包括第一全反射稜 鏡和第二全反射稜鏡，所述第二光束順次經過所述第一全反射稜鏡和所述第二全反射稜鏡 被全反射，所述第二全反射稜鏡在X軸方向被固定，可沿Y軸方向精密移動，調整經過其全 反射後的所述第二光束的出射位置，即調整所述第一光束a和所述第二光束b的交匯區域， 從而調整投影條紋區域。本發明還提供了一種無衍射柵型結構光條紋投影方法，包括以下步驟A、將一束平行光經過濾波準直後分為兩束相干光，分別為第一光束和第二光束；B、使所述第一光束產生微小偏折，得到光程受調製的第一光束a ； C、改變所述第二光束的光路，使其與所述第一光束產生光程差，得到第二光束b ；D、使所述第一光束a和所述第二光束b產生幹涉，產生無衍射柵型結構光投影條 紋。作為優化，所述步驟D還對無衍射柵型結構光投影條紋進行擴束，消除畸變與相 差，得到寬間距無衍射柵型結構光投影條紋。本發明所述的無衍射柵型結構光條紋投影方法中，步驟B中，調節所述第一光束， 使其產生位移，從而調整投影條紋的相位，從而實現投影條紋的精密移相。本發明所述的無衍射柵型結構光條紋投影方法中，步驟C中，調節第二光束，使其 產生位移，從而調整投影條紋的空間分布。實施本發明產生的有益效果是本發明通過三角稜鏡使得將要產生幹涉的一束相 幹光產生微小的偏折，通過全反射稜鏡組改變另一束相干光的光路，使其與產生偏折的相 幹光產生光程差，通過第二分光稜鏡的兩束光產生幹涉，得到解析度高、對比度高的無衍射 柵型結構光條紋；通過調節全反射稜鏡可以改變條紋的幹涉區域，調節三角稜鏡實現條紋 精密移相，調節方便，能夠滿足不同需求的三維形貌測量。本發明無衍射柵型結構光條紋投 影系統結構簡單緊湊，關鍵器件易於實現，如果利用較小體積的相干光源可以實現投影的 系統的小型化，本發明無衍射柵型結構光條紋投影的方法簡單，易於操作，利用產生的無衍 射柵型結構光條紋可以用來作為基於相位法或者條紋中心線法的三維形貌非接觸全場測 量的條紋投影系統，提供光強成正弦分布的柵型結構光條紋。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影系統的結構示意圖；圖2是本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影系統的光路圖；圖3是本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影方法的流程圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不 用於限定本發明。在本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影系統中，如圖1所示，主要包括 雷射器100和濾波準直器200，雷射器100用來提供平行光，濾波準直器200用來將平行光 進行空間濾波和準直，得到較好的平行光。該系統還包括第一分光稜鏡300、三角稜鏡400、 全反射稜鏡組500、以及第二分光稜鏡600，其中，第一分光稜鏡300，用於將經過濾波準直 器空間濾波和準直後的平行光分成兩束相干光，得到第一光束和第二光束；三角稜鏡400， 用於將第一光束折射後產生微小的偏折，得到第一光束a ；全反射稜鏡組500，用於改變第 二光束的光路，得到第二光束b ；第二分光稜鏡600，用於使第一光束a經其反射(或折射) 和第二光束b折射(或反射)後產生幹涉，形成空間無衍射柵型結構光條紋。該系統可產 生兩組空間無衍射柵型結構光條紋，一組為第二光束b在第二分光稜鏡600分光面上的反 射光與發生微小偏折後的第一光束a經過第二分光稜鏡600的透射光產生的幹涉條紋 』另 一組為第二光束b經過第二分光稜鏡600的透射光與發生微小偏折後的第一光束a經過第 二分光稜鏡600分光面上的反射光產生的幹涉條紋。在本發明較佳實施例中，如圖2所示， 獲取的是第一組幹涉條紋。進一步地，本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影系統中，三角稜鏡400 可以為各種形狀的光楔(光楔的楔角一般小於3° )，主要用來實現光程調製，使第一光束 產生一個微小的偏折，以與第二光束產生幹涉。進一步地，本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影系統中，該系統還包括 透鏡組合700，用於將兩束相干光經過第二分光稜鏡600後產生的空間無衍射柵型結構光 條紋擴束準直，增大空間無衍射柵型結構光條紋的間距，來實現寬間距無衍射柵型結構光 條紋投影。本發明較佳實施例中透鏡組合700採用兩個不同焦距的凸透鏡和一個補償透 鏡，在擴束的同時實現消除光的畸變。如圖2所示，全反射稜鏡組500包括第一全反射稜鏡 501和第二全反射稜鏡502，第二光束順次經過第一全反射稜鏡501和第二全反射稜鏡502 被全反射，第二全反射稜鏡502在X軸方向被固定，可沿Y軸方向精密移動，以調整經過其 全反射後的第二光束的出射位置，即調整第一光束a和第二光束b的交匯區域，從而調整投 影條紋區域。本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影系統主要設置在一穩定的工作檯 上，三角稜鏡400在如圖2所示的X軸方向上固定，可沿與X軸垂直的Y軸方向精密移動， 使經過三角稜鏡400產生微小偏折後的第一光束產生沿X軸方向的波長量級位移，從而實 現投影條紋的高精密相移。如圖3所示，本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影的方法主要包括以下 步驟S101、將雷射器發出的一束平行光經過濾波準直器進行空間濾波準直；S102、通過分光稜鏡將經過濾波準直的平行光分為兩束相干光，分別為第一光束 和第二光束；S103、通過三角稜鏡使第一光束產生微小偏折，得到光程受調製的第一光束a ；S104、通過全反射稜鏡組改變第二光束的光路，使其與第一光束產生光程差，得到 第二光束b ；
S105、使第一光束a和第二光束b通過全反射稜鏡產生幹涉，從而得到無衍射柵型 結構光投影條紋。該方法可產生兩組空間無衍射柵型結構光條紋，一組為第二光束b在第 二分光稜鏡的分光面上的反射光與發生微小偏折後的第一光束a經過第二分光稜鏡的透 射光產生的幹涉條紋；另一組為第二光束b經過第二分光稜鏡的透射光與發生微小偏折後 的第一光束a經過第二分光稜鏡分光面上的反射光產生的幹涉條紋。在本發明較佳實施例 中，如圖2所示，獲取的是第一組幹涉條紋。 進一步地，本發明較佳實施例無衍射柵型結構光條紋投影方法還包括步驟S106、將經過步驟S105產生幹涉的兩束光進行擴束，消除畸變與相差，得到寬間 距無衍射柵型結構光投影條紋，以便於測量較大物體的三維形貌，擴大應用範圍。進一步地，步驟S103中，通過全反射稜鏡組調節第一光束，使其產生位移，從而調 整投影條紋的相位，從而實現投影條紋的精密移相。全反射稜鏡組包括第一全反射稜鏡和 第二全反射稜鏡，第二光束順次經過第一全反射稜鏡和第二全反射稜鏡被全反射，第二全 反射稜鏡在X軸方向被固定，可沿Y軸方向精密移動，以調整經過其全反射後的第二光束的 出射位置，即調整第一光束a和第二光束b的交匯區域，從而調整投影條紋區域。進一步地，步驟S104中，通過三稜鏡調節第二光束，使其產生位移，從而調整投影 條紋的空間分布。三角稜鏡在X軸方向上固定，可沿與X軸垂直的Y軸方向精密移動，使經 過三角稜鏡產生微小偏折後的第一光束產生沿X軸方向的波長量級位移，從而實現投影條 紋的高精密相移。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種無衍射柵型結構光條紋投影系統，包括雷射器和濾波準直器，其特徵在於，還包 括第一分光稜鏡、三角稜鏡、全反射稜鏡組、第二分光稜鏡，其中，所述第一分光稜鏡，用於將經過所述濾波準直器空間濾波和準直後的光分成兩束相干 光，分別為第一光束和第二光束；所述三角稜鏡，用於將所述第一光束折射後產生微小的偏折，得到第一光束a ；所述全反射稜鏡組，用於改變所述第二光束的光路，得到第二光束b ；所述第二分光稜鏡，用於使所述第一光束a經其反射和第二光束b經其折射，或使所述 第一光束a經其折射和第二光束b經其反射後產生幹涉，形成空間無衍射柵型結構光條紋。
2.根據權利要求1所述的無衍射柵型結構光條紋投影系統，其特徵在於，所述三角稜 鏡為光楔。
3.根據權利要求2所述的無衍射柵型結構光條紋投影系統，其特徵在於，該系統還包 括用於將所述空間無衍射柵型結構光條紋進行擴束的透鏡組合。
4.根據權利要求3所述的無衍射柵型結構光條紋投影系統，其特徵在於，所述透鏡組 合包括至少兩個不同焦距的透鏡和至少一個消除光畸變的補償透鏡。
5.根據權利要求1所述的無衍射柵型結構光條紋投影系統，其特徵在於，所述三角稜 鏡在X軸方向上固定，可沿與X軸垂直的Y軸方向精密移動，使經過其偏折後的第一光束產 生沿X軸方向的波長量級位移。
6.根據權利要求1所述的無衍射柵型結構光條紋投影系統，其特徵在於，所述全反射 稜鏡組包括第一全反射稜鏡和第二全反射稜鏡，所述第二光束順次經過所述第一全反射稜 鏡和所述第二全反射稜鏡被全反射，所述第二全反射稜鏡在X軸方向被固定，可沿Y軸方向 精密移動，調整經過其全反射後的所述第二光束的出射位置，即調整所述第一光束a和所 述第二光束b的交匯區域，從而調整投影條紋區域。
7.一種無衍射柵型結構光條紋投影方法，包括以下步驟A、將一束平行光經過濾波準直後分為兩束相干光，分別為第一光束和第二光束；B、使所述第一光束產生微小偏折，得到光程受調製的第一光束a；C、改變所述第二光束的光路，使其與所述第一光束產生光程差，得到第二光束b;D、使所述第一光束a和所述第二光束b產生幹涉，產生無衍射柵型結構光投影條紋。
8.根據權利要求7所述的無衍射柵型結構光條紋投影方法，其特徵在於，所述步驟D還 對所述無衍射柵型結構光投影條紋進行擴束，得到寬間距的無衍射柵型結構光投影條紋。
9.根據權利要求7所述的無衍射柵型結構光條紋投影方法，其特徵在於，所述步驟B 中，調節所述第一光束，使其產生位移，從而調整投影條紋的相位。
10.根據權利要求7所述的無衍射柵型結構光條紋投影方法，其特徵在於，步驟C中，調 節第二光束，使其產生位移，從而調整投影條紋的空間分布。
全文摘要
本發明公開了一種無衍射柵型結構光條紋投影系統及其方法，其中無衍射柵型結構光條紋投影系統包括雷射器和濾波準直器，還包括第一分光稜鏡、三角稜鏡、全反射稜鏡組和第二分光稜鏡，其中，第一分光稜鏡，用於將經過濾波準直器空間濾波和準直後的光分成兩束相干光，分別為第一光束和第二光束；三角稜鏡，用於將第一光束折射後產生微小的偏折，得到第一光束ａ；全反射稜鏡組，用於改變第二光束的光路，得到第二光束ｂ；第二分光稜鏡，用於使第一光束ａ和第二光束b分別經其反射或者折射後產生幹涉，形成空間無衍射柵型結構光條紋。本發明可以得到解析度高、對比度高的無衍射柵型結構光條紋，通過調節三角稜鏡可以改變條紋的幹涉區域，且調節方便。
文檔編號G01B11/25GK102147239SQ20111000406
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者周莉萍, 幹江紅, 徐龍 申請人:華中科技大學