專利名稱：一種快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種快速投影測(cè)量方法及裝置。
投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓術(shù)是一種光學(xué)全場(chǎng)、非接觸式的三維測(cè)量方法，而相位測(cè)量方法由于其測(cè)量精度高，而被廣泛地研究和發(fā)展，如V.Srinivasan等人1984年發(fā)表在《Applied optics》第二十三卷第一十八期上的技術(shù)，該技術(shù)采用相干光干涉形成條紋光場(chǎng)的方法來獲得結(jié)構(gòu)光，通過改變光程來獲得相移。該技術(shù)由于采用干涉技術(shù)，因而抗干擾性較差，同時(shí)單色光投影到物體表面上而產(chǎn)生的散斑噪聲將影響測(cè)量精度。為了克服上述缺點(diǎn)，趙宏等人提出了一種“利用莫爾條紋的準(zhǔn)正弦特性的三維輪廓術(shù)”的方法，該方法發(fā)表在1994年《光學(xué)學(xué)報(bào)》第十四卷第八期上，其過程是通過投影系統(tǒng)把一正弦光場(chǎng)投影到被測(cè)物體上，然而利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)來獲得三幅變相位的變形條紋圖，從而利用相移技術(shù)來解調(diào)三維信息，由于存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因而其測(cè)量速度受到影響，更重要的是，機(jī)械運(yùn)動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性受到極大的限制。
本發(fā)明的目的是提供一種全場(chǎng)、非接觸、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的快速測(cè)量方法，它是通過三組投影系統(tǒng)或成像系統(tǒng)來獲得三組變形條紋圖，然后利用相移技術(shù)來解調(diào)被測(cè)物體的三維信息。
本發(fā)明的快速測(cè)量方法，包括如下步驟(1)把被測(cè)物體放置在投影(或成像)裝置及光電傳感器的前方；(2)通過投影(或成像)裝置中的三個(gè)不同的投影(或成像)系統(tǒng)依次投影(或成像)結(jié)構(gòu)光圖到物體表面；(3)通過光電傳感器分別攝取三幅不同相位的變形結(jié)構(gòu)光圖，或是光電傳感器通過一光柵分別攝取三幅不同相位的莫爾條紋圖；(4)通過上述變形結(jié)構(gòu)光圖或莫爾圖，就可得到物體的三維形面坐標(biāo)。
本發(fā)明的測(cè)量裝置由以下幾部分組成，它包括投影(或成像)裝置(1)，用于獲得變形結(jié)構(gòu)光圖或莫爾條紋圖的光電傳感器(2)，被測(cè)物體(3)，測(cè)量結(jié)果輸出裝置(4)，以及產(chǎn)生莫爾條紋圖的光柵(5)，其中光柵(5)僅在為了獲取莫爾圖時(shí)使用，若是直接由光電傳感器獲取變形結(jié)構(gòu)光圖來測(cè)量三維物體形狀時(shí)，可不需要光柵(5)。當(dāng)投影(或成像)裝置(1)，作為投影裝置時(shí)，則包括三組投影系統(tǒng)(6)，兩個(gè)分光鏡(7)以及三個(gè)結(jié)構(gòu)光柵(8)組成。當(dāng)作為成像裝置時(shí)，則包括三組照明系統(tǒng)(6)，兩個(gè)分光鏡(7)，以及三結(jié)構(gòu)光柵(8)和一個(gè)成像透鏡組成。
本發(fā)明由于采用了全場(chǎng)，非接觸，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的快速測(cè)量方法，提高了測(cè)量速度及可靠性。從而大大地增強(qiáng)了投影結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法的實(shí)用性。


圖1是快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法及裝置的原理圖。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例二。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例三。
圖5是本發(fā)明的實(shí)施例四。
下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的方法和裝置。
如圖1所示，被測(cè)物體(3)放在投影(或成像)裝置(1)和光電傳感器(2)的前方，并保證光電傳感器(2)的光軸與投影(或成像)光軸在同一平面內(nèi)。有一定夾角，這一夾角由系統(tǒng)的測(cè)量分辨率決定，本發(fā)明的方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn)的(a)利用投影(或成像)裝置依次用三組投影系統(tǒng)(或成像系統(tǒng))把結(jié)構(gòu)光圖投影(或成像)在被測(cè)物體表面；(b)利用光電傳感器直接采集在被測(cè)物體表面上產(chǎn)生的三幅變形結(jié)構(gòu)光圖，或是光電傳感器通過光柵采集三幅莫爾條紋圖；(c)根據(jù)上述三幅變形結(jié)構(gòu)光圖或三幅莫爾條紋圖，利用相移技術(shù)解調(diào)物體的三維信息；(d)通過結(jié)果輸出裝置(4)輸出測(cè)量結(jié)果。
圖2描述了快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法及裝置的實(shí)施例之一，其投影(或成像)裝置(1)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由三組投影系統(tǒng)(6)，三個(gè)結(jié)構(gòu)光圖(8)和兩個(gè)分光鏡組成的投影裝置。光電傳感器(2)前有一個(gè)解調(diào)光柵(5)。
圖3描述了快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法及裝置的實(shí)施例之二，其投影(或成像)裝置(1)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由三組照明系統(tǒng)(6)，三個(gè)結(jié)構(gòu)光圖(8)和兩個(gè)分光鏡(7)，以及一個(gè)成像透鏡(9)組成的成像裝置。光電傳感器(2)前方有一個(gè)解調(diào)光柵(5)。
圖4描述了快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法及裝置的實(shí)施例之三，(與圖2相似)，但沒有解調(diào)光柵(5)，而是光電傳感器直接獲取變形結(jié)構(gòu)光圖。
圖5描述了快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法及裝置的實(shí)施例之四，(與圖3相似)，但沒有解調(diào)光柵(5)，而是光電傳感器直接獲取變形結(jié)構(gòu)光圖。
由于采用了本發(fā)明的方法，因而提高了結(jié)構(gòu)光三維輪廓相位測(cè)量方法的實(shí)用性，測(cè)量精度可達(dá)到10μm，比原有方法提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，更重要的是測(cè)量時(shí)間可由原來的30秒提高到現(xiàn)在的2秒完成，并且無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量可靠性和測(cè)量系統(tǒng)的使用壽命，可廣泛地用于工業(yè)產(chǎn)品的在線測(cè)試。
權(quán)利要求
1．一種快速投影結(jié)構(gòu)光的三維輪廓相位測(cè)量方法，其特征在于，(1)把被測(cè)物體放置在投影(或成像)裝置及光電傳感器前面，(2)通過投影(或成像)裝置一次投影多幅結(jié)構(gòu)光圖或依次投影(或成像)各結(jié)構(gòu)光圖于被測(cè)物體表面；(3)由與投影(或成像)光軸成一定夾角的光電傳感器來一次獲取或依次獲取投影(或成像)在被測(cè)物體上的變形結(jié)構(gòu)光圖，或由與投影(或成像)光軸成一定夾角的光電傳感器通過一解調(diào)光柵來依次觀察投影(或成像)在被測(cè)物體表面的變形結(jié)構(gòu)光圖，以獲得多幅不同的莫爾條紋圖；(4)直接通過分析變形結(jié)構(gòu)光場(chǎng)或分析莫爾條紋圖，計(jì)算出物體的三維輪廓。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由投影(或成像)系統(tǒng)投影(或成像)的各光場(chǎng)，其幾何光路結(jié)構(gòu)是完全一致的。
3．權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法的實(shí)施裝置，包括一放置在被測(cè)物體(3)一側(cè)的投影(或成像)裝置(1)，光電傳感器(2)，數(shù)據(jù)輸出設(shè)備(4)，以及用于解調(diào)信息的光柵(5)，本發(fā)明的特征在于，光電傳感器(2)的光軸與投影(或成像)光軸有一夾角θ，投影(或成像)裝置(1)是一共軛光路投影(或成像)系統(tǒng)，它包括一系列的結(jié)構(gòu)光投影(或成像)系統(tǒng)(6)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述的各路投影(或成像)光路或其共軛光路與光電傳感器光路處于同一平面內(nèi)，并成一定夾角。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所說的結(jié)構(gòu)光投影(或成像)系統(tǒng)(6)為結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)時(shí)，其前面配置一成像透鏡(8)。
6．根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所說的結(jié)構(gòu)光投影(或成像)系統(tǒng)(6)也可以是液晶屏、CRT。
全文摘要
一種全場(chǎng)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的高速投影結(jié)構(gòu)光三維物體輪廓相位測(cè)量方法及裝置,包括結(jié)構(gòu)光投影(或成像)裝置,光電成像及傳感器裝置,被測(cè)物體和測(cè)量結(jié)果輸出裝置,由投影(或成像)裝置依次或同時(shí)投影(或成像)多幅不同光場(chǎng)分布的光場(chǎng)圖到被測(cè)物體表面,然后由光電傳感器依次連續(xù)獲取多幅投影(或成像)到被測(cè)物體表面的變形光場(chǎng)圖,也可以通過編碼技術(shù)一次獲取變形光場(chǎng)圖后,再通過解碼技術(shù)分解為多幅不同的變形光場(chǎng)圖,最后由得到的N幅相應(yīng)的變形光場(chǎng)圖Z
文檔編號(hào)G01B11/24GK1228526SQ9811169
公開日1999年9月15日 申請(qǐng)日期1998年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者趙宏, 譚玉山 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)