專利名稱：一種結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)三維測(cè)量在物體表面輪廓三維尺寸和形狀測(cè)量中的應(yīng)用日益廣泛，在物體形變測(cè)量、塑性加工、實(shí)物仿形、機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)、影視特技、人體檢測(cè)、工業(yè)檢測(cè)、質(zhì)量控制、服裝CAD以及逆向工程等眾多領(lǐng)域，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)光照明三維傳感測(cè)量，主要包括相干結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的產(chǎn)生、相移的產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)調(diào)制光場(chǎng)圖像的采集、相移條紋圖的處理及物體輪廓重構(gòu)等三個(gè)步驟。在結(jié)構(gòu)光照明的三維傳感測(cè)量中使用的相移技術(shù)由于具有對(duì)背景、對(duì)比度和噪聲的變化不敏感，測(cè)量精度高，利于信號(hào)數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)三維測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。光學(xué)位相測(cè)量系統(tǒng)需要高精度的相移裝置，致使系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。在采用干涉型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)方法或光柵投影結(jié)構(gòu)光場(chǎng)方法中，其相移分別是通過改變參考光波的光程四分之一波長(zhǎng)，或橫向移動(dòng)光柵四分之一光柵常數(shù)的距離實(shí)現(xiàn)的。這就要求采用高精度(其精度至少為0.01微米)的相移器來完成，對(duì)于粗光柵盡管沒有這么高的精度要求，但是它不適合細(xì)微形貌和高精度測(cè)量，限定了其使用范圍。如果達(dá)不到精度要求，將會(huì)帶來因無法抑制條紋飄移和抖動(dòng)對(duì)測(cè)量誤差的影響這一致命弱點(diǎn)。目前，干涉或光柵移相裝置中一般采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方式或精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方式盡管精度高，但也存在非線性、遲滯、蠕變效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致移相測(cè)定不準(zhǔn)確。步進(jìn)電機(jī)具有較高的定位精度、無位置累積誤差，但是存在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)，運(yùn)行會(huì)發(fā)生振蕩、噪聲大，在自然 振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生共振等缺點(diǎn)，需要復(fù)雜的細(xì)分等軟硬件驅(qū)動(dòng)電路和技術(shù)克服上述缺點(diǎn)問題。液晶光閥投影結(jié)構(gòu)光方式是將計(jì)算機(jī)模擬的正弦分布結(jié)構(gòu)光場(chǎng)投影到被測(cè)物體上，不需要任何的相移裝置，避免了因外界振動(dòng)引起的干涉條紋抖動(dòng)和漂移，非常容易獲得結(jié)構(gòu)投影光場(chǎng)和實(shí)現(xiàn)相移。但隨著條紋空間頻率的增大，由于受到液晶光閥掃描頻率的調(diào)制，形成莫爾條紋，使投影光場(chǎng)不滿足正弦分布，降低系統(tǒng)測(cè)量的精度。由于液晶光閥自身投影白光光場(chǎng)不均勻，使正弦投影條紋幅值被調(diào)制，故采集的條紋圖表現(xiàn)為中心部分亮，邊緣部分暗，強(qiáng)度的不均勻同樣將對(duì)實(shí)際物體面形測(cè)量精度產(chǎn)生影響。同時(shí)，液晶光閥投影系統(tǒng)本身價(jià)格昂貴，體積大，限制了其應(yīng)用范圍。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，該裝置主要解決了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、體積大、成本高和相移裝置精度要求高、驅(qū)動(dòng)控制電路復(fù)雜，不適合細(xì)微形貌高精度測(cè)量要求的技術(shù)問題。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為:包括光源，以及在光軸上沿入射方向依次布置的多狹縫、圓柱面透鏡、投影光柵以及顯微物鏡；所述多狹縫固定在手動(dòng)或電動(dòng)位移平臺(tái)上。上述光源為擴(kuò)展的單色LED光源或激光光源。上述多狹縫位于圓柱面透鏡的物方焦平面上。上述投影光柵采用郎奇光柵或振幅型正弦光柵。上述顯微物鏡的物方焦點(diǎn)位于自成像平面上。本實(shí)用新型具有以下有益效果是:本實(shí)用新型基于自成像原理，沿入射光光軸方向依次設(shè)置多狹縫、圓柱面透鏡、投影光柵以及顯微物鏡，并設(shè)計(jì)多狹縫的參數(shù)；實(shí)際使用時(shí)，由于自成像距離一般是幾個(gè)毫米甚至更小，故對(duì)精度的要求隨之降低幾十至幾百倍，用一般普通的位移平臺(tái)即可滿足要求；另外，本實(shí)用新型采用置于柱面透鏡焦平面上的多個(gè)狹縫光源，多縫將非相干光源分割成多個(gè)相互獨(dú)立的相干縫光源，每個(gè)狹縫光源經(jīng)透鏡后形成不同方向的平面光波，這些不同方向的平面光波照射投影光柵時(shí)產(chǎn)生各自獨(dú)立的光柵自成像，獲得高亮度、高對(duì)比度的投影結(jié)構(gòu)光條紋；最后，本實(shí)用新型采用了多狹縫、光柵、柱面透鏡和顯微物鏡這些體積較小的常用光學(xué)元件，使得本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，能縮小整個(gè)投影裝置的體積，易于實(shí)現(xiàn)裝置集成化。

圖1為本實(shí)用新型裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的原理圖。其中，I 為光源；2為多狹縫；3為圓柱面透鏡；4為投影光柵；5為顯微物鏡。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明:參見圖1，本實(shí)用新型包括光源1，以及在光軸上沿入射方向依次布置的多狹縫2、圓柱面透鏡3、投影光柵4以及顯微物鏡5，其中，光源為擴(kuò)展的單色LED光源或激光光源，投影光柵4采用郎奇光柵或振幅型正弦光柵，顯微物鏡用于將投影光柵在物鏡焦平面上的自成像投影至待測(cè)物體之上，投影光柵主要是在平面波照射時(shí)，在顯微物鏡的物方焦面附近形成光柵的像，顯微物鏡的物方焦點(diǎn)位于某個(gè)自成像平面上，光柵可以選用振幅型正弦光柵，柱面透鏡用于將置于其前焦平面上不同位置狹縫光源發(fā)出的柱面波轉(zhuǎn)換成不同方向的平面波，采用多個(gè)狹縫的目的是為了形成相互獨(dú)立的相干狹縫光源，以增強(qiáng)投影結(jié)構(gòu)條紋的光強(qiáng)；所述多狹縫2固定在手動(dòng)或電動(dòng)位移平臺(tái)上，且該多狹縫2位于圓柱面透鏡3的物方焦平面上，其中，手動(dòng)或電動(dòng)位移平臺(tái)用于改變狹縫的位置，使得投影結(jié)構(gòu)光條紋產(chǎn)生所需的相移。采用本實(shí)用新型進(jìn)行結(jié)構(gòu)光投影和相移的方法，包括以下步驟:I)首先搭建結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上安裝光源，在光軸上，沿入射方向依次設(shè)置多狹縫、圓柱面透鏡、投影光柵以及顯微物鏡，并設(shè)計(jì)多狹縫的參數(shù)；其中，多狹縫參數(shù)的設(shè)計(jì)具體方法如下:位于橫向距光軸ξ位置處的狹縫光源使條紋位移Λχ，其中，條紋位移量Ax=Kd,K取正負(fù)整數(shù)，即K=±l，±2，±3...，即位移整數(shù)倍條紋周期，則該狹縫光源產(chǎn)生的條紋和位于中心光軸上的狹縫產(chǎn)生的條紋重合，狹縫位置確定為I=MKd,具體ξ的選取是使每個(gè)狹縫光源為相互獨(dú)立的空間非相干光源，其它狹縫的位置為ξ ’，且ξ ’ =Ll，其中，L=±l，±2，±3，…；多狹縫采用使各狹縫間為相互獨(dú)立的空間非相干光源的周期排列或者非周期排列。2)將多狹縫置于圓柱面透鏡之物方焦點(diǎn)附近，利用微動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，軸向移動(dòng)多狹縫，最終使多狹 縫位于圓柱面透鏡物方的焦平面之上；3)將投影光柵和顯微物鏡依次放置在圓柱面透鏡之后，先將顯微物鏡鏡頭緊貼投影光柵后表面，利用微動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，軸向向后移動(dòng)顯微物鏡，直至出現(xiàn)光柵的自成像；4)利用微動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，橫向調(diào)節(jié)多狹縫的位置，即實(shí)現(xiàn)了投影條紋的位移和相移；投影結(jié)構(gòu)條紋相移量為Δρ，且A^=27rA<f/M^，條紋位移量為ΛX，且Λχ= Λ ξ/Μ，其中Λ ξ
是多狹縫的橫向位移，M為放大率，d為光柵常數(shù)。本實(shí)用新型的具體操作過程是這樣的:參見圖2，擴(kuò)展的單色LED光源或激光照射在多狹縫上，多狹縫位于位移平臺(tái)上，橫向調(diào)節(jié)位移平臺(tái)可改變投影在待測(cè)物體條紋的位置或者說使條紋產(chǎn)生相移，軸向調(diào)節(jié)位移平臺(tái)使多狹縫定位于圓柱面透鏡的前焦平面位置，柱面透鏡將不同位置狹縫光源發(fā)出的柱面波轉(zhuǎn)換成不同方向的平面波，這些平面波經(jīng)郎奇光柵或振幅型正弦光柵后由于泰伯效應(yīng)形成重合的光柵的自成像，顯微物鏡將其物方焦平面附近的自成像投影至待測(cè)物體之上。不同于現(xiàn)有的直接移動(dòng)光柵位置改變相位的方法，本實(shí)用新型通過改變狹縫光源位置達(dá)到投影條紋相移的目的；再則本實(shí)用新型通過投影光柵的自成像而非光柵本身以實(shí)現(xiàn)條紋投影的目的。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):1.光杠桿位移放大，相移精度高:自成像是指光柵在沿光軸方向的單色平行光照射時(shí)，在光柵后某一距離Zt (又稱Talbot距離，Ζτ=2(12/λ，式中d是光柵常數(shù)，λ是光的波長(zhǎng))及其整數(shù)倍距離處會(huì)形成光柵的像。當(dāng)平行光傾斜于光軸小角度Θ入射時(shí)，自成像在垂直于光軸的橫向上會(huì)產(chǎn)生位移，即條紋發(fā)生橫向移動(dòng)，其條紋位移量為Ax=Z1Sin Θ ^ 2d2 θ / λ，可見條紋的位移，即相移與平行光傾斜角成正比。置于焦距為f的柱面透鏡焦平面上位于橫向距光軸ξ位置處的某個(gè)狹縫光源經(jīng)透鏡后形成傾斜角為Θ tan0 = 〖/f入射的平面光波。可得位移(相移)量ΛΧ與ξ的關(guān)系為ξ = ( λ f/2d2) Δ χ=Μ Δχ,式中M= λ f/2d2=f/ZT,我們稱之為位移(相移)放大率，實(shí)際使用時(shí)，由于自成像距離一般是幾個(gè)毫米甚至更小，而焦距是幾十甚至幾百毫米，故位移(相移)放大率可達(dá)幾十至幾百倍，對(duì)精度的要求隨之降低幾十至幾百倍，用一般普通的位移平臺(tái)即可滿足要求。2.投影結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度大，條紋對(duì)比高:本實(shí)用新型采用置于柱面透鏡焦平面上的多個(gè)狹縫光源。當(dāng)單色擴(kuò)展光源照射狹縫時(shí)，多縫將非相干光源分割成多個(gè)相互獨(dú)立的相干縫光源，每個(gè)狹縫光源經(jīng)透鏡后形成不同方向的平面光波，這些不同方向的平面光波照射投影光柵時(shí)產(chǎn)生各自獨(dú)立的光柵自成像，當(dāng)多縫、光柵和透鏡之間滿足一定的關(guān)系時(shí)，各個(gè)縫光源產(chǎn)生的自成像條紋位置就會(huì)重合，獲得高亮度、高對(duì)比度的投影結(jié)構(gòu)光條紋。3.結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng):自成像投影裝置的光路共軸調(diào)節(jié)要求較低。通過選擇合適光柵常數(shù)的光柵，可以方便調(diào)整投影結(jié)構(gòu)條紋的周期間距；或者移除柱面透鏡，多縫光源出射的柱面波照射光柵將形成放大的光柵自成像。光柵的自成像條紋經(jīng)顯微物鏡投影到較大或較小的被測(cè)物體上，根據(jù)測(cè)量精度要求，可方便調(diào)節(jié)投影條紋周期間距，由于光柵常數(shù)很小，能很好地應(yīng)用于物體精細(xì)形貌測(cè)量。4.構(gòu)成簡(jiǎn)單、體積小，成本低、易于集成化:在光柵自成像效應(yīng)及傾斜平行光照射時(shí)條紋移動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，利用圓柱面透鏡和多縫光源等保證在高亮度、高精度情況下實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、低成本的結(jié)構(gòu)光投影、相移方法及裝置，解決了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)光投影和相移技術(shù)方法裝置復(fù)雜、成本高的問題。本實(shí)用新型采用了多狹縫、光柵、柱面透鏡和顯微物鏡這些體積較小的常用光學(xué)元件，裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單，成本低；能縮小整個(gè)投影裝置的體積，易于實(shí)現(xiàn)裝置集成化。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，其特征在于:包括光源(1)，以及在光軸上沿入射方向依次布置的多狹縫(2)、圓柱面透鏡(3)、投影光柵(4)以及顯微物鏡(5);所述多狹縫(2)固定在手動(dòng)或電動(dòng)位移平臺(tái)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，其特征在于:所述光源(I)為擴(kuò)展的單色LED光源或激光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，其特征在于:所述多狹縫(2)位于圓柱面透鏡(3)的物方焦平面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，其特征在于:所述投影光柵(4)采用郎奇光柵或振幅型正弦光柵。
5.根據(jù) 權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，其特征在于:所述顯微物鏡的物方焦點(diǎn)位于自成像平面上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種結(jié)構(gòu)光投影和相移裝置，包括光源，以及在光軸上沿入射方向依次布置的多狹縫、圓柱面透鏡、投影光柵以及顯微物鏡。本實(shí)用新型基于自成像原理，在實(shí)際使用時(shí)，用一般普通的位移平臺(tái)即可滿足要求；采用置于柱面透鏡焦平面上的多個(gè)狹縫光源，從而獲得高亮度、高對(duì)比度的投影結(jié)構(gòu)光條紋；最后，本實(shí)用新型采用了多狹縫、光柵、柱面透鏡和顯微物鏡這些體積較小的常用光學(xué)元件，使得本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，能縮小整個(gè)投影裝置的體積，易于實(shí)現(xiàn)裝置集成化。
文檔編號(hào)G01B11/25GK203132512SQ20132012468
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者呂岑 申請(qǐng)人:陜西科技大學(xué)