專利名稱：一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及三維測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置。
背景技術(shù)：
數(shù)量眾多的光學(xué)非接觸三維信息獲取技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，其中結(jié)構(gòu)光技術(shù)由于其主動測量原理，采樣密度可調(diào)，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于逆向工程、考古、醫(yī)學(xué)、服飾、人體測量等需要恢復(fù)物體的三維形狀的領(lǐng)域中。結(jié)構(gòu)光技術(shù)是利用普通或者激光作為光源，將已知的圖案投射到被測物的表面，根據(jù)通過成像裝置從另一角度獲取的圖像，利用三角原理獲得采樣點(diǎn)的三維信息。結(jié)構(gòu)光投影裝置作為一個(gè)核心器件對測量結(jié)果與精度起著至關(guān)重要的作用。目前，常用的光柵投影裝置主要有幻燈投影儀與液晶投影儀。液晶投影儀中的光柵是利用計(jì)算機(jī)編程方法生成各種各樣的投影條紋，此光柵具有較好的對齊性、較低的成本、但不能投影具有連續(xù)光強(qiáng)分布的條紋，對比度較低，對環(huán)境光比較敏感?；脽敉队皟x采用膠片和一個(gè)光源來完成投射，這種方法大多采用泰伯效應(yīng)投影光柵，但不能隨時(shí)改變光柵的周期及相位，無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)投影，無法保證光柵的精確排列?，F(xiàn)有光柵器件之間的切換通過精密位移機(jī)器實(shí)現(xiàn)，對位移精度要求很高，另外光柵器件受其自身材質(zhì)影響，在強(qiáng)光下容易發(fā)生形變等，并且光柵在使用時(shí)靈活性差，因此，其應(yīng)用受到很大的限制。目前已白光源及光柵器件所構(gòu)成的投影裝置中，雖然可以解決投射的強(qiáng)度不連續(xù)等問題，但大多采用編碼(如格雷碼、二進(jìn)制編碼等)的方法來完成相位展開，這種方法所獲得的數(shù)據(jù)精度同編碼位數(shù)有很大關(guān)系，當(dāng)編碼條紋過寬時(shí)，精度不高，并且由于物體邊緣處的編碼缺失而無法展開相位值。同時(shí)為采集不同帶有結(jié)構(gòu)光條紋的影像圖片，現(xiàn)有技術(shù)采用更換不同相移光柵片實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是，測量速度慢，使用不方便。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種可準(zhǔn)確將每幅光柵送入三維測量系統(tǒng)中拍攝區(qū)， 提高三維測量速度慢，使用方便，能夠滿足基于格雷碼和相移法三維測量需要的一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括機(jī)架1、鹵素冷光源2、光源供電系統(tǒng)3、 光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4、照明系統(tǒng)固定裝置5、透射光柵6、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)固定裝置8、步進(jìn)電機(jī)9、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18和光柵移動裝置19，光源供電系統(tǒng)3通過導(dǎo)線與鹵素冷光源2連接，鹵素冷光源2與光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4通過照明系統(tǒng)固定裝置 5與機(jī)架1相連接，鹵素冷光源2安裝在光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4的物方焦點(diǎn)處，透射光柵6裝在光柵移動裝置19上，步進(jìn)電機(jī)9通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18連接。本實(shí)用新型還有這樣一些技術(shù)特征1、所述的光柵移動裝置19包括光柵安裝圓盤11、動光柵12、透射式定光柵13、相干光源14、光電二極管15、光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16和光柵移動裝置固定支撐17，動光柵12刻蝕在光柵安裝盤13上，與安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上的定光柵15構(gòu)成圓光柵副，相干光源 14安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上，光電二極管15安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上，光電二極管15通過導(dǎo)線與光電技術(shù)系統(tǒng)16相連接，光電技術(shù)系統(tǒng)16通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 18相連接；2、所述的步進(jìn)電機(jī)9固定在步進(jìn)電機(jī)安裝架10上，步進(jìn)電機(jī)安裝架10與機(jī)架1 固定連接；3、所述的振幅型透射光柵6包括16幅尺寸相同的光柵。本實(shí)用新型透射光柵6是由采用在石英光學(xué)基板制作的光柵安裝盤13上金屬鍍層刻蝕的透射光柵，一共由16幅尺寸相同的光柵組成，第一幅光柵特征是在白光石英光學(xué)基板上刻蝕的十字線，用于投射源的對準(zhǔn)及光柵投影系統(tǒng)的焦距調(diào)整；第二幅是為了光強(qiáng)歸一化的用的全白光透射的石英光學(xué)基板；第三幅到第十幅光柵是格黑白相間的按照格雷碼編碼順序的光柵；第十一幅至第十三幅光柵是透射光強(qiáng)呈等邊三角形變化的透射光柵， 其中第十一幅中包含115個(gè)周期，第十二幅包含94個(gè)周期，第十三幅包含80個(gè)周期；第十四幅到第十六幅光柵是投射光強(qiáng)呈梯形變化的透射光柵，其中第十四幅中包含115個(gè)周期，第十五幅包含94個(gè)周期，第十六幅包含80個(gè)周期。 步進(jìn)電機(jī)9為光柵移動裝置19提供轉(zhuǎn)動動力。步進(jìn)電機(jī)9通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18，由步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)輸出的電流控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，用于光柵的移動裝置19的旋轉(zhuǎn)?？涛g在光柵安裝盤13上的動光柵14，與安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上的定光柵15， 構(gòu)成圓光柵副，安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上的相干光源14為光柵副提供光強(qiáng)，安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上光電二極管15用于接收圓光柵副形成的莫爾條紋，光電二極管15通過導(dǎo)線與光電技術(shù)系統(tǒng)16相連接，光電技術(shù)系統(tǒng)16通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18相連接。本實(shí)用新型能夠解決現(xiàn)有光柵器件中存在的不能投影具有連續(xù)光強(qiáng)分布的條紋， 無法保證精確位移和展開相位值的問題，同時(shí)能夠解決光柵器件受其自身材質(zhì)影響，在強(qiáng)光下容易發(fā)生形變，靈活性差等缺點(diǎn)，有益效果在于由一塊石英光學(xué)基板上刻劃出多幅光柵，通過光柵移動裝置可準(zhǔn)確將每幅光柵送入三維測量系統(tǒng)中拍攝區(qū)，提高三維測量速度慢，使用方便，夠滿足基于格雷碼和相移法的三維測量需要，確保了結(jié)構(gòu)光三維測量中投射強(qiáng)度及光強(qiáng)的連續(xù)分布等問題，使最終測量結(jié)果精度得以提高，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

圖1為本實(shí)用新型的左視圖；圖2為圖1中A-A面剖面圖；圖3為本實(shí)用新型的俯視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明實(shí)施例一結(jié)合圖1，本實(shí)施例包括機(jī)架1、鹵素冷光源2、光源供電系統(tǒng)3、光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)
44、照明系統(tǒng)固定裝置5、透射光柵6、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)固定裝置8、步進(jìn)電9、步進(jìn)電機(jī)安裝架10、光柵安裝圓盤11、動光柵12、透射式定光柵13、相干光源14、光電二極管15、光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16、光柵移動裝置固定支撐17、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18和光柵移動裝置19。光源供電系統(tǒng)3通過導(dǎo)線與鹵素冷光源2連接，提供鹵素冷光源2釋放光束的電能，同時(shí)根據(jù)電源供電裝置輸出電流的大小，改變鹵素冷光源2釋放光束的光強(qiáng)；鹵素冷光源2與光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4通過照明系統(tǒng)固定裝置5與機(jī)架1相連接，鹵素冷光源2被安裝在光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4的物方焦點(diǎn)處，鹵素冷光源2釋放的近球面光束經(jīng)過光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4的孔徑光闌形成球面光束，經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4后形成平面光束垂直照射到透射光柵6表面；透射光柵6是安裝在光柵移動裝置19上的，透過透射光柵的光束通過光強(qiáng)的分布攜帶了編碼信息，通過光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7，將光束放大投射到被測物表面，以便供成像裝置獲取條紋圖像。透射光柵6是由采用在石英光學(xué)基板制作的光柵安裝盤13上金屬鍍層刻蝕的透射光柵，一共由16幅尺寸相同的光柵組成，第一幅光柵特征是在白光石英光學(xué)基板上刻蝕的十字線，用于投射源的對準(zhǔn)及光柵投影系統(tǒng)的焦距調(diào)整；第二幅是為了光強(qiáng)歸一化的用的全白光透射的石英光學(xué)基板；第三幅到第十幅光柵是格黑白相間的按照格雷碼編碼順序的光柵；第十一幅至第十三幅光柵是透射光強(qiáng)呈等邊三角形變化的透射光柵，其中第十一幅中包含115個(gè)周期，第十二幅包含94個(gè)周期，第十三幅包含80個(gè)周期；第十四幅到第十六幅光柵是投射光強(qiáng)呈梯形變化的透射光柵，其中第十四幅中包含115個(gè)周期，第十五幅包含94個(gè)周期，第十六幅包含80個(gè)周期。光柵的移動裝置19是由光柵安裝圓盤11、動光柵12、透射式定光柵13、相干光源 14、光電二極管15、光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16和光柵移動裝置固定支撐17組成?？涛g在光柵安裝盤13上的動光柵12，與安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上的定光柵15，構(gòu)成圓光柵副，安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上的相干光源14為光柵副提供光強(qiáng)，安裝在照明系統(tǒng)固定裝置5上光電二極管15用于接收圓光柵副形成的莫爾條紋，光電二極管15通過導(dǎo)線與光電技術(shù)系統(tǒng) 16相連接，光電技術(shù)系統(tǒng)16通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18相連接。步進(jìn)電機(jī)9通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18連接，由步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)輸出的電流控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，用于光柵的移動裝置19的旋轉(zhuǎn)。結(jié)合圖2，本實(shí)施方式由第一幅實(shí)現(xiàn)投影圖案對被測物的對準(zhǔn)及調(diào)焦，由第二幅到第十幅光柵實(shí)現(xiàn)最高為8位的格雷碼結(jié)構(gòu)光編碼圖案的投射。由圓光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋通過光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16計(jì)數(shù)提供給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18用于步進(jìn)電機(jī)9的控制。通過步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18控制步進(jìn)電機(jī)9，實(shí)現(xiàn)動透射光柵6的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)， 將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4組成的照明系統(tǒng)和光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7之間，實(shí)現(xiàn)投影圖案的投射。實(shí)施例二 本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一，不同在于由第一幅實(shí)現(xiàn)投影圖案對被測物的對準(zhǔn)及調(diào)焦，由第十一幅至第十三幅光柵是透射光強(qiáng)呈等邊三角形變化的透射光柵實(shí)現(xiàn)最多為三周期編碼的多周期三角形相移編碼結(jié)構(gòu)光投影圖案的投射，由圓光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋通過光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16計(jì)數(shù)提供給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18用于步進(jìn)電機(jī)9的控制。通過步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18控制步進(jìn)電機(jī)9，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4組成的照明系統(tǒng)和光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7之間，且可以控制同一幅相移光柵1/n周期移動，以實(shí)現(xiàn)η步相移投影圖案的投射。實(shí)施例三本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一，不同在于由第一幅實(shí)現(xiàn)投影圖案對被測物的對準(zhǔn)及調(diào)焦，由第十四幅至第十六幅光柵是透射光強(qiáng)呈梯形變化的透射光柵實(shí)現(xiàn)最多為三周期編碼的多周期梯形相移編碼結(jié)構(gòu)光投影圖案的投射，由圓光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋通過光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16計(jì)數(shù)提供給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18用于步進(jìn)電機(jī)9的控制。通過步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18控制步進(jìn)電機(jī)9，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4組成的照明系統(tǒng)和光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7之間，且可以控制同一幅相移光柵1/n周期移動，以實(shí)現(xiàn)η步相移投影圖案的投射。實(shí)施例四本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一，不同在于由第一幅實(shí)現(xiàn)投影圖案對被測物的對準(zhǔn)及調(diào)焦，第二幅到第十幅光柵中全部或部分格雷碼編碼光柵與第十一幅至第十三幅光柵中的一幅光柵組合。由圓光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋通過光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16計(jì)數(shù)提供給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18用于步進(jìn)電機(jī)9的控制。通過步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18控制步進(jìn)電機(jī)9，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4組成的照明系統(tǒng)和光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7之間?？梢詫?shí)現(xiàn)可變分辨力的三角形相移與格雷碼組合時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光編碼圖案的投射。實(shí)施例五本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一，不同在于由第一幅實(shí)現(xiàn)投影圖案對被測物的對準(zhǔn)及調(diào)焦，第二幅到第十幅光柵中全部或部分格雷碼編碼光柵與第十四幅至第十六幅梯形編碼光柵中的一幅光柵組合，由圓光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋通過光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)16計(jì)數(shù)提供給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18用于步進(jìn)電機(jī)9的控制。通過步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)18控制步進(jìn)電機(jī) 9，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)4組成的照明系統(tǒng)和光柵投影光學(xué)系統(tǒng)7之間?？梢詫?shí)現(xiàn)可變分辨力的梯形相移與格雷碼組合時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光編碼圖案的投射?，F(xiàn)有工藝水平完全可以滿足本實(shí)用新型所需的光柵、機(jī)械裝置和電氣設(shè)備的生產(chǎn)加工要求。
權(quán)利要求1.一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置，其特征在于它包括機(jī)架、鹵素冷光源、光源供電系統(tǒng)、光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)固定裝置、透射光柵、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)固定裝置、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和光柵移動裝置，光源供電系統(tǒng)通過導(dǎo)線與鹵素冷光源連接，鹵素冷光源與光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)通過照明系統(tǒng)固定裝置與機(jī)架相連接，鹵素冷光源安裝在光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)處，透射光柵裝在光柵移動裝置上，步進(jìn)電機(jī)通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置，其特征在于所述的光柵移動裝置包括光柵安裝圓盤、動光柵、透射式定光柵、相干光源、光電二極管、光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)和光柵移動裝置固定支撐，動光柵刻蝕在光柵安裝盤上，與安裝在照明系統(tǒng)固定裝置上的定光柵構(gòu)成圓光柵副，相干光源安裝在照明系統(tǒng)固定裝置上，光電二極管安裝在照明系統(tǒng)固定裝置上，光電二極管通過導(dǎo)線與光電技術(shù)系統(tǒng)相連接，光電技術(shù)系統(tǒng)通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置，其特征在于所述的步進(jìn)電機(jī)固定在步進(jìn)電機(jī)安裝架上，步進(jìn)電機(jī)安裝架與機(jī)架固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置，其特征在于所述的振幅型透射光柵包括16幅尺寸相同的光柵。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于圓光柵控制的結(jié)構(gòu)光投影裝置。它包括機(jī)架、鹵素冷光源、光源供電系統(tǒng)、光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)固定裝置、透射光柵、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)、光柵投影光學(xué)系統(tǒng)固定裝置、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)安裝架、光柵安裝圓盤、動光柵、透射式定光柵、相干光源、光電二極管、光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)、光柵移動裝置固定支撐、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和光柵移動裝置。本實(shí)用新型可準(zhǔn)確將每幅光柵送入三維測量系統(tǒng)中拍攝區(qū)，具有提高三維測量速度慢，使用方便，能夠滿足基于格雷碼和相移法三維測量需要等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01B11/25GK202145257SQ201120257670
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者于雙, 于曉洋, 于舒春, 吳海濱, 王洋, 陳德運(yùn) 申請人:哈爾濱理工大學(xué)