專利名稱：一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及條紋投影領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
基于條紋投影的相位測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物體三維形貌快速全場(chǎng)測(cè)量，該測(cè)量技術(shù) 在很多領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，比如機(jī)器視覺(jué)、生物醫(yī)學(xué)、質(zhì)量控制和求逆工程等方面?；?于條紋投影的相位測(cè)量系統(tǒng)中的投影條紋的特性直接影響到三維形貌測(cè)量系統(tǒng)的分辨率 與測(cè)量精度，并且決定這種測(cè)量系統(tǒng)的成本、體積及功率消耗?，F(xiàn)有的用于三維形貌測(cè)量條紋投影的方法有采用基于LCD或者DMD數(shù)字投影儀 的投影系統(tǒng)，或者采用基于衍射光柵的投影系統(tǒng)，以及采用基于投射光柵的投影系統(tǒng)。采用基于LCD和DMD投影的數(shù)字投影系統(tǒng)可以方便投射各種樣式的條紋并且可以 方便的實(shí)現(xiàn)移相，但是由于受LCD和DMD分辨率的限制，很難投射出比較細(xì)密的正弦條紋， 并且投影條紋相位分布不是聯(lián)系的，從而使系統(tǒng)測(cè)量精度受到限制；另外，投影儀的功率一 般較高，發(fā)熱量較大，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。利用衍射光柵及投射光柵投射的條紋 對(duì)比度較差，并且光柵加工難度較大，另外需要精密的調(diào)相機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)昂貴復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)生投影條紋的相位分辨率不高，對(duì)比度低的問(wèn)題，本發(fā)明提供 一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)及其方法，利用光強(qiáng)成正弦分布特性干涉條紋進(jìn)行投影， 得到分辨率高、對(duì)比度高的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋，有利于提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度及抗 噪聲能力。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，包括激光器和濾波準(zhǔn)直器，其特征在 于，還包括第一分光棱鏡、三角棱鏡、全反射棱鏡組、第二分光棱鏡，其中，所述第一分光棱鏡，用于將經(jīng)過(guò)所述濾波準(zhǔn)直器空間濾波和準(zhǔn)直后的光分成兩束 相干光，分別為第一光束和第二光束；所述三角棱鏡，用于將所述第一光束折射后產(chǎn)生微小的偏折，得到第一光束a ；所述全反射棱鏡組，用于改變所述第二光束的光路，得到第二光束b ；所述第二分光棱鏡，用于使所述第一光束a和所述第二光束b分別經(jīng)其反射或者 折射后產(chǎn)生干涉，形成空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型條紋投影系統(tǒng)中，所述三角棱鏡為實(shí)現(xiàn)光程調(diào)制的光楔。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型條紋投影系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括用于將所述空間無(wú)衍射 柵型結(jié)構(gòu)光條紋進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直來(lái)實(shí)現(xiàn)寬間距無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影的透鏡組合。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型條紋投影系統(tǒng)中，所述透鏡組合包括至少兩個(gè)不同焦距的透鏡和至少一個(gè)消除光畸變的補(bǔ)償透鏡。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型條紋投影系統(tǒng)中，所述三角棱鏡在X軸方向上固定，可 沿與X軸垂直的Y軸方向精密移動(dòng)，使經(jīng)過(guò)其偏折后的第一光束產(chǎn)生沿X軸方向的波長(zhǎng)量 級(jí)位移。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型條紋投影系統(tǒng)中，所述全反射棱鏡組包括第一全反射棱 鏡和第二全反射棱鏡，所述第二光束順次經(jīng)過(guò)所述第一全反射棱鏡和所述第二全反射棱鏡 被全反射，所述第二全反射棱鏡在X軸方向被固定，可沿Y軸方向精密移動(dòng)，調(diào)整經(jīng)過(guò)其全 反射后的所述第二光束的出射位置，即調(diào)整所述第一光束a和所述第二光束b的交匯區(qū)域， 從而調(diào)整投影條紋區(qū)域。本發(fā)明還提供了一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法，包括以下步驟A、將一束平行光經(jīng)過(guò)濾波準(zhǔn)直后分為兩束相干光，分別為第一光束和第二光束；B、使所述第一光束產(chǎn)生微小偏折，得到光程受調(diào)制的第一光束a ； C、改變所述第二光束的光路，使其與所述第一光束產(chǎn)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(chǎn)生干涉，產(chǎn)生無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條 紋。作為優(yōu)化，所述步驟D還對(duì)無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條紋進(jìn)行擴(kuò)束，消除畸變與相 差，得到寬間距無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條紋。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法中，步驟B中，調(diào)節(jié)所述第一光束， 使其產(chǎn)生位移，從而調(diào)整投影條紋的相位，從而實(shí)現(xiàn)投影條紋的精密移相。本發(fā)明所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法中，步驟C中，調(diào)節(jié)第二光束，使其 產(chǎn)生位移，從而調(diào)整投影條紋的空間分布。實(shí)施本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是本發(fā)明通過(guò)三角棱鏡使得將要產(chǎn)生干涉的一束相 干光產(chǎn)生微小的偏折，通過(guò)全反射棱鏡組改變另一束相干光的光路，使其與產(chǎn)生偏折的相 干光產(chǎn)生光程差，通過(guò)第二分光棱鏡的兩束光產(chǎn)生干涉，得到分辨率高、對(duì)比度高的無(wú)衍射 柵型結(jié)構(gòu)光條紋；通過(guò)調(diào)節(jié)全反射棱鏡可以改變條紋的干涉區(qū)域，調(diào)節(jié)三角棱鏡實(shí)現(xiàn)條紋 精密移相，調(diào)節(jié)方便，能夠滿足不同需求的三維形貌測(cè)量。本發(fā)明無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投 影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，關(guān)鍵器件易于實(shí)現(xiàn)，如果利用較小體積的相干光源可以實(shí)現(xiàn)投影的 系統(tǒng)的小型化，本發(fā)明無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影的方法簡(jiǎn)單，易于操作，利用產(chǎn)生的無(wú)衍 射柵型結(jié)構(gòu)光條紋可以用來(lái)作為基于相位法或者條紋中心線法的三維形貌非接觸全場(chǎng)測(cè) 量的條紋投影系統(tǒng)，提供光強(qiáng)成正弦分布的柵型結(jié)構(gòu)光條紋。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)的光路圖；圖3是本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。在本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)中，如圖1所示，主要包括 激光器100和濾波準(zhǔn)直器200，激光器100用來(lái)提供平行光，濾波準(zhǔn)直器200用來(lái)將平行光 進(jìn)行空間濾波和準(zhǔn)直，得到較好的平行光。該系統(tǒng)還包括第一分光棱鏡300、三角棱鏡400、 全反射棱鏡組500、以及第二分光棱鏡600，其中，第一分光棱鏡300，用于將經(jīng)過(guò)濾波準(zhǔn)直 器空間濾波和準(zhǔn)直后的平行光分成兩束相干光，得到第一光束和第二光束；三角棱鏡400， 用于將第一光束折射后產(chǎn)生微小的偏折，得到第一光束a ；全反射棱鏡組500，用于改變第 二光束的光路，得到第二光束b ；第二分光棱鏡600，用于使第一光束a經(jīng)其反射(或折射) 和第二光束b折射(或反射)后產(chǎn)生干涉，形成空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋。該系統(tǒng)可產(chǎn) 生兩組空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋，一組為第二光束b在第二分光棱鏡600分光面上的反 射光與發(fā)生微小偏折后的第一光束a經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡600的透射光產(chǎn)生的干涉條紋 ’另 一組為第二光束b經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡600的透射光與發(fā)生微小偏折后的第一光束a經(jīng)過(guò)第 二分光棱鏡600分光面上的反射光產(chǎn)生的干涉條紋。在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，如圖2所示， 獲取的是第一組干涉條紋。進(jìn)一步地，本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)中，三角棱鏡400 可以為各種形狀的光楔(光楔的楔角一般小于3° )，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)光程調(diào)制，使第一光束 產(chǎn)生一個(gè)微小的偏折，以與第二光束產(chǎn)生干涉。進(jìn)一步地，本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括 透鏡組合700，用于將兩束相干光經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡600后產(chǎn)生的空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光 條紋擴(kuò)束準(zhǔn)直，增大空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋的間距，來(lái)實(shí)現(xiàn)寬間距無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光 條紋投影。本發(fā)明較佳實(shí)施例中透鏡組合700采用兩個(gè)不同焦距的凸透鏡和一個(gè)補(bǔ)償透 鏡，在擴(kuò)束的同時(shí)實(shí)現(xiàn)消除光的畸變。如圖2所示，全反射棱鏡組500包括第一全反射棱鏡 501和第二全反射棱鏡502，第二光束順次經(jīng)過(guò)第一全反射棱鏡501和第二全反射棱鏡502 被全反射，第二全反射棱鏡502在X軸方向被固定，可沿Y軸方向精密移動(dòng)，以調(diào)整經(jīng)過(guò)其 全反射后的第二光束的出射位置，即調(diào)整第一光束a和第二光束b的交匯區(qū)域，從而調(diào)整投 影條紋區(qū)域。本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)主要設(shè)置在一穩(wěn)定的工作臺(tái) 上，三角棱鏡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(dòng)， 使經(jīng)過(guò)三角棱鏡400產(chǎn)生微小偏折后的第一光束產(chǎn)生沿X軸方向的波長(zhǎng)量級(jí)位移，從而實(shí) 現(xiàn)投影條紋的高精密相移。如圖3所示，本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影的方法主要包括以下 步驟S101、將激光器發(fā)出的一束平行光經(jīng)過(guò)濾波準(zhǔn)直器進(jìn)行空間濾波準(zhǔn)直；S102、通過(guò)分光棱鏡將經(jīng)過(guò)濾波準(zhǔn)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(guò)三角棱鏡使第一光束產(chǎn)生微小偏折，得到光程受調(diào)制的第一光束a ；S104、通過(guò)全反射棱鏡組改變第二光束的光路，使其與第一光束產(chǎn)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(guò)全反射棱鏡產(chǎn)生干涉，從而得到無(wú)衍射柵型 結(jié)構(gòu)光投影條紋。該方法可產(chǎn)生兩組空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋，一組為第二光束b在第 二分光棱鏡的分光面上的反射光與發(fā)生微小偏折后的第一光束a經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡的透 射光產(chǎn)生的干涉條紋；另一組為第二光束b經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡的透射光與發(fā)生微小偏折后 的第一光束a經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡分光面上的反射光產(chǎn)生的干涉條紋。在本發(fā)明較佳實(shí)施例 中，如圖2所示，獲取的是第一組干涉條紋。 進(jìn)一步地，本發(fā)明較佳實(shí)施例無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法還包括步驟S106、將經(jīng)過(guò)步驟S105產(chǎn)生干涉的兩束光進(jìn)行擴(kuò)束，消除畸變與相差，得到寬間 距無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條紋，以便于測(cè)量較大物體的三維形貌，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。進(jìn)一步地，步驟S103中，通過(guò)全反射棱鏡組調(diào)節(jié)第一光束，使其產(chǎn)生位移，從而調(diào) 整投影條紋的相位，從而實(shí)現(xiàn)投影條紋的精密移相。全反射棱鏡組包括第一全反射棱鏡和 第二全反射棱鏡，第二光束順次經(jīng)過(guò)第一全反射棱鏡和第二全反射棱鏡被全反射，第二全 反射棱鏡在X軸方向被固定，可沿Y軸方向精密移動(dòng)，以調(diào)整經(jīng)過(guò)其全反射后的第二光束的 出射位置，即調(diào)整第一光束a和第二光束b的交匯區(qū)域，從而調(diào)整投影條紋區(qū)域。進(jìn)一步地，步驟S104中，通過(guò)三棱鏡調(diào)節(jié)第二光束，使其產(chǎn)生位移，從而調(diào)整投影 條紋的空間分布。三角棱鏡在X軸方向上固定，可沿與X軸垂直的Y軸方向精密移動(dòng)，使經(jīng) 過(guò)三角棱鏡產(chǎn)生微小偏折后的第一光束產(chǎn)生沿X軸方向的波長(zhǎng)量級(jí)位移，從而實(shí)現(xiàn)投影條 紋的高精密相移。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，包括激光器和濾波準(zhǔn)直器，其特征在于，還包 括第一分光棱鏡、三角棱鏡、全反射棱鏡組、第二分光棱鏡，其中，所述第一分光棱鏡，用于將經(jīng)過(guò)所述濾波準(zhǔn)直器空間濾波和準(zhǔn)直后的光分成兩束相干 光，分別為第一光束和第二光束；所述三角棱鏡，用于將所述第一光束折射后產(chǎn)生微小的偏折，得到第一光束a ；所述全反射棱鏡組，用于改變所述第二光束的光路，得到第二光束b ；所述第二分光棱鏡，用于使所述第一光束a經(jīng)其反射和第二光束b經(jīng)其折射，或使所述 第一光束a經(jīng)其折射和第二光束b經(jīng)其反射后產(chǎn)生干涉，形成空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，其特征在于，所述三角棱 鏡為光楔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包 括用于將所述空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋進(jìn)行擴(kuò)束的透鏡組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡組 合包括至少兩個(gè)不同焦距的透鏡和至少一個(gè)消除光畸變的補(bǔ)償透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，其特征在于，所述三角棱 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(dòng)，使經(jīng)過(guò)其偏折后的第一光束產(chǎn) 生沿X軸方向的波長(zhǎng)量級(jí)位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)，其特征在于，所述全反射 棱鏡組包括第一全反射棱鏡和第二全反射棱鏡，所述第二光束順次經(jīng)過(guò)所述第一全反射棱 鏡和所述第二全反射棱鏡被全反射，所述第二全反射棱鏡在X軸方向被固定，可沿Y軸方向 精密移動(dòng)，調(diào)整經(jīng)過(guò)其全反射后的所述第二光束的出射位置，即調(diào)整所述第一光束a和所 述第二光束b的交匯區(qū)域，從而調(diào)整投影條紋區(qū)域。
7.一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法，包括以下步驟A、將一束平行光經(jīng)過(guò)濾波準(zhǔn)直后分為兩束相干光，分別為第一光束和第二光束；B、使所述第一光束產(chǎn)生微小偏折，得到光程受調(diào)制的第一光束a；C、改變所述第二光束的光路，使其與所述第一光束產(chǎn)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(chǎn)生干涉，產(chǎn)生無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條紋。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法，其特征在于，所述步驟D還 對(duì)所述無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條紋進(jìn)行擴(kuò)束，得到寬間距的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光投影條紋。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法，其特征在于，所述步驟B 中，調(diào)節(jié)所述第一光束，使其產(chǎn)生位移，從而調(diào)整投影條紋的相位。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影方法，其特征在于，步驟C中，調(diào) 節(jié)第二光束，使其產(chǎn)生位移，從而調(diào)整投影條紋的空間分布。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)及其方法，其中無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影系統(tǒng)包括激光器和濾波準(zhǔn)直器，還包括第一分光棱鏡、三角棱鏡、全反射棱鏡組和第二分光棱鏡，其中，第一分光棱鏡，用于將經(jīng)過(guò)濾波準(zhǔn)直器空間濾波和準(zhǔn)直后的光分成兩束相干光，分別為第一光束和第二光束；三角棱鏡，用于將第一光束折射后產(chǎn)生微小的偏折，得到第一光束ａ；全反射棱鏡組，用于改變第二光束的光路，得到第二光束ｂ；第二分光棱鏡，用于使第一光束ａ和第二光束b分別經(jīng)其反射或者折射后產(chǎn)生干涉，形成空間無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋。本發(fā)明可以得到分辨率高、對(duì)比度高的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋，通過(guò)調(diào)節(jié)三角棱鏡可以改變條紋的干涉區(qū)域，且調(diào)節(jié)方便。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102147239SQ20111000406
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者周莉萍, 干江紅, 徐龍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)