[发明专利]一种自成像结构光投影和相移装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于三维光学测量技术领域，具体涉及一种自成像结构光投影和相移装置及方法。

背景技术

光学三维测量在物体表面轮廓三维尺寸和形状测量中的应用日益广泛，在物体形变测量、塑性加工、实物仿形、机器视觉、生物医学、影视特技、人体检测、工业检测、质量控制、服装CAD以及逆向工程等众多领域，具有非常高的实用价值。

结构光照明三维传感测量，主要包括相干结构光场的产生、相移的产生与对应调制光场图像的采集、相移条纹图的处理及物体轮廓重构等三个步骤。

在结构光照明的三维传感测量中使用的相移技术由于具有对背景、对比度和噪声的变化不敏感，测量精度高，利于信号数据处理和自动三维测量等优点而得到广泛应用。光学位相测量系统需要高精度的相移装置，致使系统变得非常复杂。

在采用干涉型结构光场方法或光栅投影结构光场方法中，其相移分别是通过改变参考光波的光程四分之一波长，或横向移动光栅四分之一光栅常数的距离实现的。这就要求采用高精度（其精度至少为0.01微米）的相移器来完成，对于粗光栅尽管没有这么高的精度要求，但是它不适合细微形貌和高精度测量，限定了其使用范围。如果达不到精度要求，将会带来因无法抑制条纹飘移和抖动对测量误差的影响这一致命弱点。

目前，干涉或光栅移相装置中一般采用压电陶瓷驱动方式或精密步进电机驱动方式。压电陶瓷驱动方式尽管精度高，但也存在非线性、迟滞、蠕变效应，会导致移相测定不准确。步进电机具有较高的定位精度、无位置累积误差，但是存在步进电机转速不够平稳，运行会发生振荡、噪声大，在自然振荡频率附近运行时容易产生共振等缺点，需要复杂的细分等软硬件驱动电路和技术克服上述缺点问题。

液晶光阀投影结构光方式是将计算机模拟的正弦分布结构光场投影到被测物体上，不需要任何的相移装置，避免了因外界振动引起的干涉条纹抖动和漂移，非常容易获得结构投影光场和实现相移。但随着条纹空间频率的增大，由于受到液晶光阀扫描频率的调制，形成莫尔条纹，使投影光场不满足正弦分布，降低系统测量的精度。由于液晶光阀自身投影白光光场不均匀，使正弦投影条纹幅值被调制，故采集的条纹图表现为中心部分亮，边缘部分暗，强度的不均匀同样将对实际物体面形测量精度产生影响。同时，液晶光阀投影系统本身价格昂贵，体积大，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种自成像结构光投影和相移装置及方法，该装置主要解决了现有结构光投影系统设备复杂、体积大、成本高和相移装置精度要求高、驱动控制电路复杂，不适合细微形貌高精度测量要求的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于自成像的结构光投影和相移装置，包括光源，以及在光轴上沿入射方向依次布置的多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜；所述多狭缝固定在位移平台上。

上述光源为扩展的单色LED光源或激光光源。

上述多狭缝位于圆柱面透镜的物方焦平面上。

上述投影光栅采用郎奇光栅或振幅型正弦光栅。

上述显微物镜的物方焦点位于自成像平面上。

上述位移平台为手动或电动位移平台。

本发明还公开了一种基于自成像的结构光投影和相移的方法，包括以下步骤：

1）首先搭建结构光投影和相移装置，在实验平台上安装光源，在光轴上，沿入射方向依次设置多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜，并设计多狭缝的参数；

2）将多狭缝置于圆柱面透镜之物方焦点附近，利用微动调节机构，轴向移动多狭缝，最终使多狭缝位于圆柱面透镜物方的焦平面之上；

3）将投影光栅和显微物镜依次放置在圆柱面透镜之后，先将显微物镜镜头紧贴投影光栅后表面，利用微动调节机构，轴向向后移动显微物镜，直至出现光栅的自成像；

4）利用微动调节机构，横向调节多狭缝的位置，即实现了投影条纹的位移和相移；投影结构条纹相移量为，且，条纹位移量为Δx，且Δx=Δξ/M，其中Δξ是多狭缝的横向位移，M为放大率，d为光栅常数。

上述步骤1）中多狭缝参数的设计具体方法如下：