本發(fā)明涉及三維測量領域，具體涉及一種相移式光投影三維測量系統(tǒng)及方法。

背景技術：

在現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)等實際生產過程中需要進行大量的測量工作，因此三維形貌測量在現(xiàn)代工業(yè)及實際生活中正發(fā)揮著越來越重要的作用。而光學三維形貌測量由于其非接觸、高精度、高速度等優(yōu)點，目前己成為研究的熱點之一。光學三維形貌測量是采用光學的手段獲得物體三維空間信息的方法和技術，其在機器視覺、實物仿形、工業(yè)檢測、生物醫(yī)學、影視特技、虛擬現(xiàn)實等領域，均具有非常重要的意義和廣闊的應用前景。

傳統(tǒng)的三坐標接觸探針式三維測量方法存在著固有的缺陷：1、測量時存在著一定的接觸壓力，對于某些質地柔軟的物品來說必然會產生測量誤差；2、由于測頭半徑無論如何不可能為零，所以無法測量某些復雜表面的細微特征；3、因為要逐點接觸式測量，從而存在測量速度慢，不適合對大型零部件進行測量。而當前流行的激光掃描法用電荷耦合器件(CCD)或者位置敏感器件(PSD)進行數(shù)字點激光圖像采集，由于要逐點或逐線掃描，因而在速度上受到了限制。同時，掃描精度受測試件的材料及表面特性影響較大，為此，本發(fā)明采用激光干涉條紋投影技術并結合相移測量法，力圖實現(xiàn)工件的快速、高效、高精度測量，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點：(1)投影的結構光為真實干涉條紋，具有高亮度與高對比度，具有無限焦深，可降低軟件處理難度；(2)有效測量面積大和空間重現(xiàn)力良好，投影得到的條紋圖縫隙非常小，使獲得的三維數(shù)據(jù)精度更高。(3)測量過程不受被測物體的顏色、形狀和運動狀態(tài)的影響；(4)實現(xiàn)相移速度快，精度更高，同時可利用時間相移法進行測量，測量過程不受被測表面不連續(xù)、躍變等不利因素影響，測量魯棒性更好。

在先技術之一(參見“彩色組合編碼條紋光柵輪廓術”,劉維一，王肇圻，母國光，方志良，光學學報，20(9),1218-1234,2000)研究了一種編碼光柵投影三維輪廓術，其中投影光柵利用彩色空間紅、綠、藍三基色相互獨立的特性，用彩色條紋對光柵進行編碼，以白色條紋為起始位，后接紅、綠、藍(R、G、B)三種顏色的條紋組成一組。經過編碼處理的光柵在保證測量精度不變的前提下，加大了高度測量的范圍。測量的精度主要取決于圖像的分辨率。這種方法采用投影儀進行條紋投影，其相移精度取決于對彩色圖像的提取相位精度，彩色編碼條紋光柵采用4個條紋為一組,最少要有3個條紋才能確定其所在位置,如果被測物體的空間寬度容納不下3個條紋，則無法進行測量。這種方法對測量條件的要求較高，測量精度的可重復性較低。

在先技術之二(參見“Novel 3-D free-form surface profilometry for reverse engineering用于逆向工程的新型3D自由曲面輪廓術”，Liang-Chia Chen，Zhi-Xue Huang，7th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments，Journal of Physics:Conference Series 13，174–177，2005)采用傳感器集成理念，通過開發(fā)自動重建方法來解決自由曲面測量過程中的關鍵問題，具體采用激光掃描方式進行掃描，然后通過集成邊緣探測算法和圖像處理方法實時處理，進行三維重建，但由于自身的光線遮蔽問題，該方法無法探測凹形物體，因此應用受到很大限制。

在先技術之三(參見“Profilometry by fringe projection條紋投影輪廓術”，Luis Salas，Esteban Luna，Javier Salinas，Victor Garcia，Manuel Servin，Opt.Eng.42(11)3307–3314，2003)采用高強度光源將朗奇光柵通過投影鏡頭投射到被測物體上，通過高密度條紋圖進行解相位，采用最小二乘法獲取相關三維重構參數(shù)，獲得了1/80等效波長的測量精度。此方法需要制作精密的朗奇光柵，而且無法實現(xiàn)相移測量，測量的范圍有限，成本較高，靈活性不高，無法實現(xiàn)普適性測量。

在先技術之四(參見“基于雙聲光偏轉器的變頻三維數(shù)字成像”，張鵬，彭翔，邱文杰等，光子學報，34(10)，1550-1553,2005)提出采用雙聲光偏轉器進行時序變頻三維數(shù)字成像，利用兩個聲光調制器的衍射級進行干涉形成空間結構光條紋，測量過程和相位可通過計算機編程控制，測量靈活性較好，普適性高，但其需要兩個聲光調制器，并且要保證兩個聲光調制器同步，成本較高，難度較大。

在先技術之五(參見“基于聲光柵的變頻條紋投射系統(tǒng)”，趙慧潔，曾俊鈺，雷彥章，光學學報，28(2)，2008)提出一種基于聲光柵的變頻條紋投射系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用拍頻信號驅動聲光偏轉器在聲光晶體中形成兩個重疊的光柵，光源發(fā)出的激光以布拉格角入射，形成兩束一級衍射光，經透鏡聚焦形成光強按正弦規(guī)律分布的結構光條紋，同時提出了一種新的相位凝固技術，使條紋空間頻率和相位的變化規(guī)律得到了很好的解釋。該系統(tǒng)對石膏像形貌進行測量，獲得了用于三維成像的相位圖。該投射系統(tǒng)對于解決復雜幾何形狀物體的三維測量問題具有一定的工程應用價值，該方法采用混頻技術結合相位凝固方法實現(xiàn)條紋投影，技術實現(xiàn)上難度很大，同時相移的誤差控制并不容易，其測量精度未提及。

因此，需要提供一種成本較低，準確度高，測量速度快，魯棒性強的用于物體表面測量的三維測量系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

綜上所述，為了解決現(xiàn)有的技術問題，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種相移式光投影三維測量系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種相移式光投影三維測量系統(tǒng)，包括單模激光器CCD相機和計算機，計算機與CCD相機相連接，沿單模激光器產生激光的前進方向依次設置聚焦透鏡組成的光學擴束系統(tǒng)，一維分束光柵，聲光調制器，合束器，聚焦透鏡和投影物鏡；

所述單模激光器產生的激光經所述光學擴束系統(tǒng)擴散成光束后再由所述一維分束光柵分解成兩束激光，所述一維分束光柵與所述聲光調制器之間還設有第一光楔和第二光楔，所述第一光楔和所述第二光楔分別調節(jié)一維分束光柵分解的兩束激光的偏轉角等于進入聲光調制器的入射角，使兩束激光經過所述聲光調制器后產生布拉格衍射；

所述聲光調制器和所述合束器之間設有第一空間濾波器和第二空間濾波器，所述第一空間濾波器和所述第二空間濾波器分別將經過聲光調制器后的兩束激光形成一級衍射光；所述第一空間濾波器和所述合束器之間設有第三光楔，所述第二空間濾波器和所述合束器之間設有第四光楔，所述第三光楔和所述第四光楔分別將一級衍射光調整角度投射到所述合束器上，并通過所述合束器后形成干涉光路；所述干涉光路通過所述聚焦透鏡再被所述投影物鏡放大后形成干涉條紋投影到被測物體上，所述CCD相機獲取該干涉條紋后通過計算機進行處理最終恢復被測物體的三維形貌。

本發(fā)明的有益效果為：以單聲光調制器為相移和變頻器件，以等光程光路結構為主體，降低震動等噪聲的擾動，利用干涉法產生實際干涉條紋進行投影，條紋清晰度不受離焦等影響，較低的成本下，實現(xiàn)精確三維測量的同時可以提高工件測量速度。

在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下進一步的改進：

進一步，所述聲光調制器通過射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器與計算機相連，通過計算機改變頻率控制字來改變光線通過聲光調制器的出射角，從而改變條紋周期。

采用上述進一步方案的有益效果是：通過計算機改變頻率控制字N來改變光線通過聲光調制器的出射角從而改變條紋周期，由于直接數(shù)字頻率合成器頻率變化只需幾十納秒，因此干涉條紋的周期和相位變換在極短的時間內就能完成，可在短時間內完成相移條紋的結構光投射，使用更為方便。

進一步，所述一維分束光柵為一分二的一維衍射光柵，并且分出兩束激光的光強相同。

采用上述進一步方案的有益效果是：提高干涉條紋投影的清晰度。

進一步，在所述光學擴束系統(tǒng)與一維分束光柵之間和/或合束器與聚焦透鏡之間設置有改變光照方向以縮小測量系統(tǒng)占據(jù)的空間的反光鏡。

采用上述進一步方案的有益效果是：減小相移式光投影三維測量系統(tǒng)的體積，提高使用靈活度。

進一步，所述聲光調制器為高帶寬調制器，可調制多種波長的激光，其帶寬至少為40MHz，并且所述聲光調制器的衍射效率大于60％。

采用上述進一步方案的有益效果是：使干涉條紋可變換多種頻率，以適應不同的測量物體；并且有足夠光強形成清楚的干涉條紋。

進一步，所述直接數(shù)字頻率合成器的頻率調節(jié)范圍大于40MHz。

采用上述進一步方案的有益效果是：數(shù)字頻率合成器兼容聲光調制器8的頻率帶寬。

進一步，所述合束器是光學平板。

采用上述進一步方案的有益效果是：光學平板制作方便，容易獲得。

進一步，所述投影物鏡為可更換倍率的測量投影儀物鏡，物鏡放大倍率誤差≤0.08％。

采用上述進一步方案的有益效果是：保證投影到被測物體上的干涉條紋足夠清晰。

進一步，所述CCD相機采集幀率不少于30fps。

采用上述進一步方案的有益效果是；保證CCD相機能清楚地采集到被測物體上的干涉條紋。

上述相移式光投影三維測量系統(tǒng)的測量方法，具體包括以下步驟：

a)將單模激光器產生的激光經過光學擴束系統(tǒng)后擴散成光束；

b)將光束經過一維分束光柵后形成第一光束和第二光束；

c)將第一光束經過第一光楔后再經過聲光調制器，第二光束經過第二光楔后再經過聲光調制器，并通過第一光楔和第二光楔分別調節(jié)第一光束和第二光束形成的偏轉角度為進入聲光調制器的入射角，使第一光束和第二光束經過聲光調制器后分別均產生布拉格衍射，產生布拉格衍射的第一光束和第二光束分別通過第一空間濾波器和第二空間濾波器得到一級衍射光，并且該一級衍射光的衍射角均等于第一光楔和第二光楔進入聲光調制器的入射角；

d)將第一空間濾波器和第二并空間濾波器得到的一級衍射光分別經過第一光楔和第二光楔調整角度后投射到能使光束產生干涉的合束器上；

e)通過合束器后形成干涉光路，將干涉光路通過聚焦透鏡再被投影物鏡放大后形成干涉條紋投影到被測物體上；

f)將所述聲光調制器通過射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器與計算機相連，通過計算機改變直接數(shù)字頻率合成器的頻率控制字N來改變光線通過聲光調制器的出射角，從而調節(jié)干涉條紋的周期，以達到將干涉條紋清楚地投影到被測物體上的目的；

g)投影到被測物體表面的干涉條紋被CCD相機獲取后再通過計算機進行處理，最終恢復被測物體三維形貌。

使用上述方法進行三維測量的有益效果為：以單聲光調制器為相移和變頻器件，以等光程光路結構為主體，降低震動等噪聲的擾動，利用干涉法產生實際干涉條紋進行投影，條紋清晰度不受離焦等影響，較低的成本下，實現(xiàn)精確三維測量的同時可以提高工件測量速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)的結構示意圖。在圖中：

1—單模激光器，2—激光擴束透鏡組，3—反射鏡，

4—分束光柵，5—第一光楔，6—第二光楔，

7—直接數(shù)字頻率合成器與射頻放大器，8—聲光調制器，

9—第一空間濾波器，10—第二空間濾波器，11—第三光楔，

12—第四光楔，13—合束器 14—計算機，15—聚焦透鏡，

16—投影物鏡，17—被測物體，18—CCD相機。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種相移式光投影三維測量系統(tǒng)，包括單模激光器1，沿激光器1產生激光的前進方向依序設置聚焦透鏡組成的光學擴束系統(tǒng)2，一維分束光柵4，聲光調制器8，合束器13，聚焦透鏡15和投影物鏡16。

所述單模激光器1產生的激光經所述光學擴束系統(tǒng)2擴散成光束后再由所述一維分束光柵4分解成兩束激光，所述一維分束光柵4為一分二的一維衍射光柵，并且分出兩束激光的光強相同。所述一維分束光柵4與所述聲光調制器8之間還設有第一光楔11和第二光楔12，所述第一光楔11和所述第二光楔12分別調節(jié)一維分束光柵4分解的兩束激光的偏轉角θ_i等于進入聲光調制器8的入射角，使兩束激光經過所述聲光調制器8后產生布拉格衍射。所述聲光調制器8和所述合束器13之間設有第一空間濾波器9和第二空間濾波器10，所述第一空間濾波器9和所述第二空間濾波器10分別將經過聲光調制器8后的兩束激光形成一級衍射光，該一級衍射光為θ_B。

所述聲光調制器8為高帶寬調制器，可調制多種波長的激光，其帶寬至少為40MHz，可調制多種波長的激光，以便使干涉條紋可變換多種頻率，其衍射效率大于等于60％，這樣有足夠光強形成干涉條紋。當通過光楔5和光楔6的出射光線θ_o以布拉格角θ_B入射到聲光偏轉器8時，衍射光能量集中在0級和一級(±1級)衍射光中，采用空間濾波器9和空間濾波器10濾除0級和其中一個一級光，可得到單一光束。通過聲光調制器后，0級衍射光I₀和I₁級衍射光的光強與入射光光強I_i關系為：

$I_0=I_i{\cos }^2\frac{\mathrm{\ν}}{2}=I_i{\cos }^2\[\frac{1}{2}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}nL\right)\]$

$I_1=I_i{\sin }^2\frac{\mathrm{\ν}}{2}=I_i{\sin }^2\[\frac{1}{2}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}nL\right)\]$

其中L為換能器長度，ν＝2π/λΔnL為光波穿過超聲場所產生的相位延遲。Δn為超聲晶體聲致折射率變化，而一級衍射效率為：

${\mathrm{\η}}_s=\frac{I_1}{I_i}={\sin }^2\[\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{2}\mathrm{\λ}}\sqrt{\left(\frac{L}{H}\right)M_2{P}_s}\]$

其中M₂為聲光材料的品質因數(shù)，P_s為超聲功率，H為換能器的寬度。

所述第一空間濾波器9和所述合束器13之間設有第三光楔11，所述第二空間濾波器10和所述合束器13之間設有第四光楔12，所述第三光楔11和所述第四光楔12分別將一級衍射光調整角度投射到所述合束器13上。

所述第一光楔5、第二光楔6，第三光楔11和第四光楔12為尺寸和材料完全相同的圓形光楔，加工時對一個圓柱形玻璃進行多次切割，以保證面形和尺寸誤差一致；第一光楔5、第二光楔6對稱放置在兩光路中；以同樣方式把光楔11、光楔12放置在聲光調制器后面兩光路中。第一光楔5、第二光楔6的作用是調節(jié)光束到聲光偏轉器8的布拉格衍射角位置。光線通過光楔后的傳播方向改變?yōu)榭梢愿鶕?jù)下式獲得：

${\mathrm{\θ}}_o={\mathrm{\θ}}_i+(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}{{\mathrm{cos\θ}}_i}-1)\·\mathrm{\α}$

其中，θ_i為入射光楔的入射角，n為光楔折射率，θ_o為光楔出射角，α為光楔楔角。

所述合束器13是能使激光光束產生干涉的光學元件，優(yōu)選的：所述合束器13是光學平板。一級衍射光調整角度投射到所述合束器13上后，通過所述合束器13后形成干涉光路；所述干涉光路通過所述聚焦透鏡15再被所述投影物鏡16放大后形成干涉條紋投影到被測物體17上，所述投影物鏡16為可更換倍率的測量投影儀物鏡，物鏡放大倍率誤差≤0.08％。所述CCD相機18獲取該干涉條紋(正弦光柵)后通過計算機14進行處理最終恢復被測物體17的三維形貌，所述CCD相機18采集幀率不少于30fps。

另外，所述聲光調制器8通過射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器7與計算機14相連，所述計算機14通過改變射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器7的頻率控制字來改變光線通過聲光調制器8的出射角，從而改變干涉條紋的周期以達到實現(xiàn)相移條紋的目的，具體如下：

所述射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器7的頻率調節(jié)范圍大于40MHz，以兼容聲光調制器的頻率帶寬，其輸出正弦模擬信號的頻率F為F＝N·f/2^t(N為頻率控制字，f為時鐘頻率，t為相位累加器的位數(shù))。聲光調制器8中的聲波頻率f_s等于射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器7的輸出頻率F，因此光線通過聲光調制器8后一級衍射光線的偏轉角度等于布拉格角θ_B，為：

其中n是聲光介質的折射率，v_s是聲速，f_s是聲波頻率，λ為光波波長。

因此，通過計算機改變頻率控制字N就能改變出射光線角度，由此改變干涉條紋的頻率。而條紋頻率fr與出射角之間的關系可表示為(出射角很小時)。

聲光調制器8與射頻功率放大器和直接數(shù)字頻率合成器7連接，射頻功率放大器對直接數(shù)字頻率合成器的信號進行放大，通過計算機14改變頻率控制字N來改變光線通過聲光調制器8的出射角從而改變條紋周期，由于直接數(shù)字頻率合成器頻率變化只需幾十納秒，因此干涉條紋的周期和相位變換在極短的時間內就能完成，可在短時間內完成相移條紋的結構光投射。

該三維測量系統(tǒng)在所述光學擴束系統(tǒng)2與一維分束光柵4之間和/或合束器13與聚焦透鏡15之間設置有改變光照方向以縮小測量系統(tǒng)占據(jù)的空間的反光鏡3，以提高該三維測量系統(tǒng)使用靈活度。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。