專利名稱：一種快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電檢測技術領域，更進一步涉及一種快速投影測量方法及裝置。
投影結構光的三維輪廓術是一種光學全場、非接觸式的三維測量方法，而相位測量方法由于其測量精度高，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，該技術采用相干光干涉形成條紋光場的方法來獲得結構光，通過改變光程來獲得相移。該技術由于采用干涉技術，因而抗干擾性較差，同時單色光投影到物體表面上而產(chǎn)生的散斑噪聲將影響測量精度。為了克服上述缺點，趙宏等人提出了一種“利用莫爾條紋的準正弦特性的三維輪廓術”的方法，該方法發(fā)表在1994年《光學學報》第十四卷第八期上，其過程是通過投影系統(tǒng)把一正弦光場投影到被測物體上，然而利用機械運動來獲得三幅變相位的變形條紋圖，從而利用相移技術來解調(diào)三維信息，由于存在機械運動，因而其測量速度受到影響，更重要的是，機械運動在實際應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、非接觸、無機械運動的快速測量方法，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，然后利用相移技術來解調(diào)被測物體的三維信息。
本發(fā)明的快速測量方法，包括如下步驟(1)把被測物體放置在投影(或成像)裝置及光電傳感器的前方；(2)通過投影(或成像)裝置中的三個不同的投影(或成像)系統(tǒng)依次投影(或成像)結構光圖到物體表面；(3)通過光電傳感器分別攝取三幅不同相位的變形結構光圖，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)通過上述變形結構光圖或莫爾圖，就可得到物體的三維形面坐標。
本發(fā)明的測量裝置由以下幾部分組成，它包括投影(或成像)裝置(1)，用于獲得變形結構光圖或莫爾條紋圖的光電傳感器(2)，被測物體(3)，測量結果輸出裝置(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使用，若是直接由光電傳感器獲取變形結構光圖來測量三維物體形狀時，可不需要光柵(5)。當投影(或成像)裝置(1)，作為投影裝置時，則包括三組投影系統(tǒng)(6)，兩個分光鏡(7)以及三個結構光柵(8)組成。當作為成像裝置時，則包括三組照明系統(tǒng)(6)，兩個分光鏡(7)，以及三結構光柵(8)和一個成像透鏡組成。
本發(fā)明由于采用了全場，非接觸，無機械運動的快速測量方法，提高了測量速度及可靠性。從而大大地增強了投影結構光測量方法的實用性。


圖1是快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法及裝置的原理圖。
圖2是本發(fā)明的實施例一。
圖3是本發(fā)明的實施例二。
圖4是本發(fā)明的實施例三。
圖5是本發(fā)明的實施例四。
下面結合附圖來詳細說明本發(fā)明的方法和裝置。
如圖1所示，被測物體(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)的測量分辨率決定，本發(fā)明的方法是按以下步驟實現(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))把結構光圖投影(或成像)在被測物體表面；(b)利用光電傳感器直接采集在被測物體表面上產(chǎn)生的三幅變形結構光圖，或是光電傳感器通過光柵采集三幅莫爾條紋圖；(c)根據(jù)上述三幅變形結構光圖或三幅莫爾條紋圖，利用相移技術解調(diào)物體的三維信息；(d)通過結果輸出裝置(4)輸出測量結果。
圖2描述了快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法及裝置的實施例之一，其投影(或成像)裝置(1)，實質(zhì)上是一個由三組投影系統(tǒng)(6)，三個結構光圖(8)和兩個分光鏡組成的投影裝置。光電傳感器(2)前有一個解調(diào)光柵(5)。
圖3描述了快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法及裝置的實施例之二，其投影(或成像)裝置(1)，實質(zhì)上是一個由三組照明系統(tǒng)(6)，三個結構光圖(8)和兩個分光鏡(7)，以及一個成像透鏡(9)組成的成像裝置。光電傳感器(2)前方有一個解調(diào)光柵(5)。
圖4描述了快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法及裝置的實施例之三，(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構光圖。
圖5描述了快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法及裝置的實施例之四，(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構光圖。
由于采用了本發(fā)明的方法，因而提高了結構光三維輪廓相位測量方法的實用性，測量精度可達到10μm，比原有方法提高了一個數(shù)量級，更重要的是測量時間可由原來的30秒提高到現(xiàn)在的2秒完成，并且無任何機械運動，提高了系統(tǒng)的測量可靠性和測量系統(tǒng)的使用壽命，可廣泛地用于工業(yè)產(chǎn)品的在線測試。
權利要求
1．一種快速投影結構光的三維輪廓相位測量方法，其特征在于，(1)把被測物體放置在投影(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構光圖或依次投影(或成像)各結構光圖于被測物體表面；(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)在被測物體上的變形結構光圖，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)在被測物體表面的變形結構光圖，以獲得多幅不同的莫爾條紋圖；(4)直接通過分析變形結構光場或分析莫爾條紋圖，計算出物體的三維輪廓。
2．根據(jù)權利要求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，其幾何光路結構是完全一致的。
3．權利要求1所述的測量方法的實施裝置，包括一放置在被測物體(3)一側的投影(或成像)裝置(1)，光電傳感器(2)，數(shù)據(jù)輸出設備(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)，它包括一系列的結構光投影(或成像)系統(tǒng)(6)。
4．根據(jù)權利要求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)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所說的結構光投影(或成像)系統(tǒng)(6)為結構光成像系統(tǒng)時，其前面配置一成像透鏡(8)。
6．根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所說的結構光投影(或成像)系統(tǒng)(6)也可以是液晶屏、CRT。
全文摘要
一種全場無機械運動的高速投影結構光三維物體輪廓相位測量方法及裝置,包括結構光投影(或成像)裝置,光電成像及傳感器裝置,被測物體和測量結果輸出裝置,由投影(或成像)裝置依次或同時投影(或成像)多幅不同光場分布的光場圖到被測物體表面,然后由光電傳感器依次連續(xù)獲取多幅投影(或成像)到被測物體表面的變形光場圖,也可以通過編碼技術一次獲取變形光場圖后,再通過解碼技術分解為多幅不同的變形光場圖,最后由得到的N幅相應的變形光場圖Z
文檔編號G01B11/24GK1228526SQ9811169
公開日1999年9月15日 申請日期1998年12月30日 優(yōu)先權日1998年12月30日
發(fā)明者趙宏, 譚玉山 申請人:西安交通大學