[發明專利]基于一維達曼光柵的三維表面形貌測量裝置

無效

• 申請號: 201110002462.3
• 申請日: 2011-01-07
• 公開（公告）號: CN102155925A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 周常河;于耀;王少卿
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及激光掃描三維物體表面形貌測量裝置，特別是一種基于一維達曼光柵的三維表面形貌測量裝置。

基于分光器件的高效率的掃描技術。在提高掃描效率的同時，對光源強度的要求相對較低，同時具有很高的測量精度和空間分辨率。因而能夠廣泛地應用于光學掃描測量系統中，特別是在遠距離、大尺寸物體的三維表面形貌的信息的獲取上，如飛機上對地面建筑、地形地貌等三維數字化信息獲取，衛星上多點激光掃描獲得月球表面三維信息等眾多領域。

背景技術

光學三維傳感在機器視覺、工業檢測、實物仿形、生物醫學等領域具有重要意義和非常廣泛地應用前景。主動三維傳感是獲取三維面形信息的兩大基本方法之一，通常情況下它采用具有高亮度、方向性和單色性好、易于實現強度調制的激光光源。主動三維傳感采用主動照明技術，投影器發出結構照明光束，接收器接收由被測三維表面返回的光信號，由于三維面形對結構照明光束產生空間或時間調制，因此解調接收到的光信號就可以得到三維面形數據。

最簡單的結構照明系統投射一個光點到待測物體表面，為了獲取完整的三維面形，必須有附加的二維掃描。這種測量方法對于遠距離、大尺寸物體的測量具有很高的測量精度，然而因為每次只掃描一個點，其測量效率是很低的，對于那些對實時性要求較高的應用有較大的限制。同時，由于掃描過程中振鏡存在著轉動誤差，每增加一次掃描即引入一次誤差。

另一種結構照明系統投射一個線狀光束到待測物體表面，形成線結構照明。采用這種照明的傳感系統使用二維面陣探測器作為接收器件，只需要附加一維掃描就可以形成完整的三維面形數據。然而這種投射方式，照明系統對光源的均勻性要求太高，從而造成照明系統成本的較大提高，不能應用于光源亮度不均勻的場合。

在光源和被測物體之間插入適當的光學分光元件可以很好的解決上述缺點。1971年，由Dammann和Gortler最早提出了被稱為“達曼光柵”的二值相位光柵【參見在先技術1：H.Dammann?and?K.Gortler，Opt.Comm.1971，3(3)：312～315】。它作為夫瑯禾費型光學器件，入射光波經過它產生的夫瑯禾費衍射圖樣是一定點陣數目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因sinc函數強度包絡所引起的譜點光強的不均勻分布。1995年周常河給出了從2到64點陣的達曼光柵解【參見在先技術2：C.H.Zhou，L.R.Liu，Appl.Opt.，1995，34(26)，5961～5969】，之后設計了與大多數光學系統相配的圓形達曼光柵，并詳細地分析了相位制作誤差等對性能的影響【參見在先技術3：C.H.Zhou，J.Jia，L.R.Liu，Opt.Lett.，2003，27(22)：2174～2176】。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于一維達曼光柵的三維表面形貌測量裝置，該裝置只需附加一維掃描，即可得到很高的測量精度、空間分辨率和極大地提高掃描效率，將具有重要的實用意義。

本發明的基本原理是在激光光源和被測物體之間插入具有分光作用的一維達曼光柵并附加一維掃描，以實現對被測物體的三維表面形貌測量。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于一維達曼光柵的三維表面形貌測量裝置，包括激光光源和計算機，其特點在于沿所述的激光光源的激光光束的輸出方向同光軸地依次設置平行光管、小孔光闌、達曼光柵、準直透鏡、被測物體和參考平面，所述的參考平面置于所述的準直透鏡的傅里葉變換平面上，所述的被測物體置于一個平移臺和參考平面上，所述的平移臺具有帶動所述的被測物體作垂直于所述的光軸運動的機構，實現照明光束對被測物體的一維掃描，具有CCD入瞳和CCD靶面的CCD接收器位于所述的被測物體反射的結構光方向，所述的CCD接收器的輸出端與所述的計算機的輸入端相連，從激光光源出射的激光光束，經平行光管、小孔光闌照射在所述的達曼光柵上，經所述的達曼光柵分束后成像在被測物體的表面，被測物體反射的結構光經CCD入瞳采集成像在CCD靶面上，所述的參考面和被測物體表面的反射點在所述的CCD接收器的CCD靶面上成像的相對距離用來確定物體表面的反射點和參考面反射點的相對距離。