本發(fā)明屬于三維測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種顯微三維測量裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三維技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，三維圖像能讓我們更好的感知現(xiàn)實世界多樣化，如何通過更加方便快捷的方式獲取物體三維點云數(shù)據(jù)是三維測量領(lǐng)域的熱點，目前常用的三維測量方法是基于三角測量原理的結(jié)構(gòu)光測量方法，一般的三角測量法，由于投影光軸和攝像光軸之間成一定的角度，這樣就會受到物體表面面形的影響，出現(xiàn)有些物體表面區(qū)域投影儀可以投射的到，但是攝像機拍不到；而有些攝像機拍的到區(qū)域，而投影儀投不到，最終導(dǎo)致重建的物體三維面型數(shù)據(jù)不完整，這種三角測量原理固有的遮擋和陰影問題限制了該方法的應(yīng)用。

而光場相機以其成像方面記錄多維光線信息的優(yōu)勢，開辟了研究三維成像的新領(lǐng)域。目前對于光場相機的三維重建方法一般是采用基于傅立葉切片定理，對四維光場數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)不同深度的像點的聚焦位置不一樣，構(gòu)建適當(dāng)?shù)臑V波函數(shù)，得出大量隨著深度變化圖像對焦區(qū)域變化的層析圖片，然后根據(jù)深度和對焦點的關(guān)系重建出物體表面三維面型，精度取決于層析的層數(shù)，相對精度較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種顯微三維測量裝置及系統(tǒng)，旨在利用光場相機與結(jié)構(gòu)光三維測量相結(jié)合來實現(xiàn)對待測量物的微結(jié)構(gòu)面形高精度三維測量。

本發(fā)明提供了一種顯微三維測量裝置，包括：結(jié)構(gòu)光生成裝置、光路轉(zhuǎn)向組件、成像透鏡組和CCD；

所述結(jié)構(gòu)光生成裝置用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光；

所述光路轉(zhuǎn)向組件用于將所述結(jié)構(gòu)光引導(dǎo)至待測量物上，并在經(jīng)過所述待測量物后，將攜帶有物體圖像信息的光線引導(dǎo)至所述成像透鏡組；

所述成像透鏡組包括主透鏡、微透鏡陣列即光場相機，用于透射所述光線；

所述CCD用于記錄從所述微透鏡陣列中相鄰的微透鏡透射的光線，得到記錄的圖像。

進一步地，所述結(jié)構(gòu)光生成裝置為投影裝置，所述投影裝置沿光路方向依次包括：光源、第一透鏡、光柵和第二透鏡，所述投影裝置用于投射光柵圖像。

進一步地，所述光路轉(zhuǎn)向組件包括器件:可調(diào)平面鏡、第一光路轉(zhuǎn)向組件、第二光路轉(zhuǎn)向組件和毛玻璃。

進一步地，所述第一光路轉(zhuǎn)向組件沿光路方向包括第一平面鏡、半透半反鏡和第一透鏡組；

當(dāng)所述可調(diào)平面鏡用于將光路引導(dǎo)至所述第一光路轉(zhuǎn)向組件時，所述可調(diào)平面鏡與所述結(jié)構(gòu)光的傳播方向呈第一角度放置，所述可調(diào)平面鏡和所述第一平面鏡平行，并和所述半透半反鏡互補。

進一步地，所述第二光路轉(zhuǎn)向組件沿光路方向包括第二平面鏡、第三平面鏡、第二透鏡組和毛玻璃；

當(dāng)所述可調(diào)平面鏡用于將光路引導(dǎo)至所述第二光路轉(zhuǎn)向組件時，所述可調(diào)平面鏡與所述結(jié)構(gòu)光的傳播方向呈第二角度放置，所述可調(diào)平面鏡和所述第二平面鏡平行，并和所述第三平面鏡互補；

所述第一角度和第二角度互補。

進一步地，所述第一角度為45度，所述第二角度為135度。

進一步地，所述待測量物置于所述第一透鏡組和所述毛玻璃之間并貼合于所述毛玻璃；

若所述待測量物為非透明物體，則所述投影裝置出射的光線經(jīng)過所述第一光路轉(zhuǎn)向組件；

若所述待測量物為透明物體，則所述投影裝置出射的光線經(jīng)過所述第二光路轉(zhuǎn)向組件。

進一步地，所述微透鏡陣列與所述主透鏡之間距離為主透鏡焦距，所述微透鏡陣列到所述CCD的距離為單個微透鏡的焦距。

本發(fā)明還提供了一種顯微三維測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：上述顯微三維測量裝置和圖像處理單元，所述圖像處理單元包括圖像處理模塊、等相位點查找模塊、連接模塊和求解模塊；

所述圖像處理模塊，用于對記錄的圖像進行處理得到絕對相位圖；

所述等相位點查找模塊，用于在所述絕對相位圖中，通過等相位查找得到相位值相等的等相位點；

所述連接模塊，用于通過標(biāo)定確定所述微透鏡陣列中的微透鏡中心點的坐標(biāo)，連接微透鏡中心點到其相對應(yīng)的宏像素中的等相位點，來構(gòu)建多條三維空間直線；

所述求解模塊，用于求解所述多條三維空間直線的交點，得到具有深度信息的三維空間點坐標(biāo)，即求得待測量物三維點云數(shù)據(jù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明提供的一種顯微三維測量裝置及系統(tǒng)，將光場成像技術(shù)和結(jié)構(gòu)光三維測量相結(jié)合，可以對透明物體或者非透明物體進行測量，得到圖像，并對所述圖像進行處理，得到連續(xù)的絕對相位圖，再進行相位點匹配重建三維面型；該裝置及系統(tǒng)解決了結(jié)構(gòu)光三維測量中存在的陰影遮擋的問題；同時，將光場相機和結(jié)構(gòu)光三維測量相結(jié)合，極大的提高了光場相機的像素利用率，處理數(shù)據(jù)達(dá)到了亞像素級別，具有更高的靈敏度和精確度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種顯微三維測量裝置的示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種顯微三維測量系統(tǒng)的示意圖；

圖3是圖2提供的顯微三維測量系統(tǒng)中的圖像處理單元的模塊示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的由等相位點求解像點的模塊示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的主要實現(xiàn)思想為：本發(fā)明提供的一種顯微三維測量裝置及系統(tǒng)，物空間單個三維坐標(biāo)點發(fā)射的光線經(jīng)過第一透鏡組、半透半反鏡和主透鏡后成像，光線繼續(xù)向前傳播，會被多個微透鏡后的CCD捕獲，得到記錄的圖像。每個微透鏡后對應(yīng)一個N*N的宏像素，一個物空間點最終會對應(yīng)多個記錄的圖像上像點，通過連續(xù)拍攝多張相移圖像結(jié)合差頻相位展開算法，得到絕對相位圖；通過在若干相鄰宏像素中等相位查找，找出所有具有相同相位的像素點，將微透鏡陣列用小孔模型代替，通過標(biāo)定確定微透鏡的中心坐標(biāo)，連接微透鏡中心點到其相對應(yīng)的宏像素中的等相位的像素點，構(gòu)建多條三維空間直線；并求解多條三維空間直線的交點，得到具有深度信息三維空間點坐標(biāo)，即求取了三維點云數(shù)據(jù)。

下面具體介紹這種顯微三維測量裝置，如圖1所示，包括：結(jié)構(gòu)光生成裝置(本發(fā)明實施例中涉及的結(jié)構(gòu)光生成裝置為投影裝置1)、光路轉(zhuǎn)向組件2、成像透鏡組3、CCD4；

所述結(jié)構(gòu)光生成裝置用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。

所述投影裝置1沿光路方向依次包括：光源11、第一透鏡12、光柵13和第二透鏡14，用于投射光柵圖像，其中所述光柵13可以用DMD或LCD替換。

所述光路轉(zhuǎn)向組件2用于將所述結(jié)構(gòu)光引導(dǎo)至待測量物上，并在經(jīng)過所述待測量物后，將攜帶有物體圖像信息的光線引導(dǎo)至所述成像透鏡組。

本發(fā)明實施例中，所述光路轉(zhuǎn)向組件2用于將所述投影裝置投射的光柵圖像引導(dǎo)至待測量物上，并在經(jīng)過所述待測量物后，將投影物體表面條紋圖引導(dǎo)至所述成像透鏡組3。

所述成像透鏡組3包括主透鏡31、微透鏡陣列32即光場相機，用于透射所述光線。

所述CCD4用于記錄從所述微透鏡陣列32中相鄰的微透鏡透射的光線，得到記錄的圖像。

具體地，所述微透鏡陣列32與所述主透鏡31之間距離為主透鏡焦距，所述微透鏡陣列32到所述CCD4的距離為單個微透鏡的焦距。

具體地，所述光路轉(zhuǎn)向組件2包括器件:可調(diào)平面鏡21、第一光路轉(zhuǎn)向組件、第二光路轉(zhuǎn)向組件和毛玻璃28。

更具體地，所述第一光路轉(zhuǎn)向組件沿光路方向包括第一平面鏡22、半透半反鏡23、第一透鏡組25；所述第二光路轉(zhuǎn)向組件沿光路方向包括第二平面鏡26、第三平面鏡26、第二透鏡組27和毛玻璃28；所述待測量物置于所述第一透鏡組25和所述毛玻璃28之間并貼合于所述毛玻璃28。

當(dāng)所述可調(diào)平面鏡用于將光路引導(dǎo)至所述第一光路轉(zhuǎn)向組件時，所述可調(diào)平面鏡21與所述結(jié)構(gòu)光的傳播方向呈第一角度放置，所述可調(diào)平面鏡21和所述第一平面鏡22平行，并和所述半透半反鏡23互補；當(dāng)所述可調(diào)平面鏡用于將光路引導(dǎo)至所述第二光路轉(zhuǎn)向組件時，所述可調(diào)平面鏡21與所述結(jié)構(gòu)光的傳播方向呈第二角度放置，所述可調(diào)平面鏡21和所述第二平面鏡26平行，并和所述第三平面鏡26互補。

進一步地，所述第一角度和第二角度互補。

本發(fā)明實施例中，所述第一角度為45度，所述第二角度為135度。

若所述待測量物為非透明物體，則實現(xiàn)對非透明的顯微物體表面面形的高精度測量。具體地，當(dāng)所述待測量物為非透明物體時，所述投影裝置1出射的光線經(jīng)過所述第一光路轉(zhuǎn)向組件；所述投影裝置1上方的可調(diào)平面鏡21置于①的位置，投影裝置1投射光柵圖像，光線經(jīng)過所述可調(diào)平面鏡21、第一平面鏡22、半透半反鏡23和第一透鏡組24后，投射到待測量物表面，光線在待測量物表面經(jīng)過漫反射，產(chǎn)生投影物體表面條紋圖，再經(jīng)過所述第一透鏡組24和半透半反鏡23，并傳播到主透鏡31，所述待測量物表面一點通過所述主透鏡31會在多個微透鏡后面成像，最終被所述成像透鏡組3后的CCD4記錄，得到記錄的圖像。

若所述待測量物為透明物體，則實現(xiàn)對透明的顯微物體表面面形的高精度測量。具體地，當(dāng)待測量物體為透明時，所述投影裝置1出射的光線經(jīng)過所述第二光路轉(zhuǎn)向組件；所述投影裝置1上方的可調(diào)平面鏡21置于②的位置，投影裝置1投射光柵圖像，光線經(jīng)過所述可調(diào)平面鏡21，再通過所述第二平面鏡25、第三平面鏡26反射，并穿過第二透鏡組27后打在毛玻璃28上，條紋圖像在毛玻璃28上經(jīng)過漫反射，而后光線透過待測量物產(chǎn)生投影物體表面條紋圖，再經(jīng)過第一透鏡組24和半透半反鏡23，并傳播到主透鏡31，所述待測量物表面一點通過所述主透鏡31會在多個微透鏡后面成像，最終被所述成像透鏡組3后的CCD4記錄。

本發(fā)明提供的這種顯微三維測量裝置，將光場成像技術(shù)和結(jié)構(gòu)光三維測量相結(jié)合，可以對透明物體或者非透明物體進行測量，得到圖像。

下面具體介紹一種顯微三維測量系統(tǒng)，如圖2所示，包括上述顯微三維測量裝置1，還包括圖像處理單元2；所述圖像處理單元2包括圖像處理模塊21、等相位點查找模塊22、連接模塊23和求解模塊24，具體如圖3所示；

所述圖像處理模塊21，用于對記錄的圖像進行處理得到絕對相位圖；

具體地，利用所述顯微三維測量裝置得到雙頻相移圖像，并對獲取的所述雙頻相移圖像通過差頻相位展開算法處理得到絕對相位圖。

更具體地，所述差頻相位展開算法的思想為：分別投影兩組不同周期的相移條紋圖，求解得到兩幅不同周期的截斷相位圖，由于兩幅條紋圖像的周期不同，因此，由兩幅相位圖差生成的相位差圖像與周期窄的條紋圖的級次有關(guān)，根據(jù)此，我們就可以計算得到窄條紋圖的周期編碼，并根據(jù)該編碼進行絕對相位展開。

所述等相位查找模塊22，用于在所述絕對相位圖中，通過等相位查找得到相位值相等的等相位點；

具體地，由于受到主透鏡截斷頻率限制，物空間點發(fā)出光線透過主透鏡，匯聚成像點后繼續(xù)向前傳播，打到微透鏡陣列上為圓形區(qū)域(錐形切面)，光線通過微透鏡中心(小孔)的光線最終會在微透鏡后的CCD上成像，來自同一個物點的光線就會在若干相鄰的微透鏡后面的CCD上成像，這些像點具有相同的絕對相位值；給定某個特征點像素坐標(biāo)以及水平和豎直方向絕對相位值，通過水平方向和豎直方向插值，確定其它具有相同相位值點的像素坐標(biāo)。

更具體地，確定相同相位值點的過程為：對于得到的連續(xù)的絕對相位圖，設(shè)定合適的窗口大小在相鄰的宏像素中查找相位相等的點，通過插值的方法查找水平相位和豎直相位均相等的點，最終確定等相位點；像素坐標(biāo)圖3中P1、P2、P3表示查找到具有相同水平和豎直相位的像素點。

具體地，關(guān)于宏像素，一個微透鏡后面會成NxN像素大小的像(例如：20x20大小)，每個微透鏡后面對應(yīng)的NxN大小的圖像就叫一個宏像素，一個微透鏡就會對應(yīng)一個宏像素，算法的思想基于光線追跡連接像素坐標(biāo)點和微透鏡中心坐標(biāo)點(小孔模型中心點)，從而構(gòu)造出光線路徑。

所述連接模塊23，用于通過標(biāo)定確定所述微透鏡陣列中的微透鏡中心點的坐標(biāo)，連接微透鏡中心點到其相對應(yīng)的宏像素中的等相位點，來構(gòu)建多條三維空間直線；

具體地，將微透鏡用小孔模型代替，通過標(biāo)定確定微透鏡的中心坐標(biāo)，連接微透鏡中心點到其相對應(yīng)的宏像素中的等相位點，來構(gòu)建多條三維空間直線。

具體地，關(guān)于小孔模型，滿足近光軸條件近似下，即物距遠(yuǎn)大于像距時，微透鏡可以用小孔來代替，小孔坐標(biāo)就是微透鏡的幾何中心。

所述求解模塊24，用于求解所述多條三維空間直線的交點，得到具有深度信息的三維空間點坐標(biāo)P(X,Y,Z)，即求得待測量物三維點云數(shù)據(jù)。

具體地，圖4中坐標(biāo)P(X,Y,Z)為得到的具有深度信息三維空間點的坐標(biāo)，即像點的坐標(biāo)。

本發(fā)明提供了一種基于光場相機和結(jié)構(gòu)光的顯微三維測量裝置及系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)光三維測量和光場相機相結(jié)合，一方面，提高了光場相機的像素利用率，處理的像素達(dá)到了亞像素級別，提高了重建采樣率，也提高了精度；另一方面，構(gòu)建了同軸測量系統(tǒng)，消除了遮擋和陰影的影響。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。