[發(fā)明專利]一種超分辨3D激光測量系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310746107.6
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103697825B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 屈恩世;賀正權(quán);王麗莉;李育林;孔德鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司61211
• 代理人: 倪金榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種三維成像系統(tǒng)，尤其涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨的3D激光測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

三維成像技術(shù)是人們突破傳統(tǒng)的平面圖像為代表的兩維影像，獲取包含深度信息的空間三維圖像的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，近些年成為世界各國的研究熱點(diǎn)，得到了快速發(fā)展和突破，在國民生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在技術(shù)途徑上，三維成像技術(shù)通常包含基于雙目立體視覺、激光雷達(dá)掃描成像兩種方式。激光雷達(dá)是利用激光的飛行時間判斷物體至掃描點(diǎn)的距離，通過掃描獲取場景的三維信息；雙目立體視覺是采用三角法的基本原理，通過構(gòu)線方程判定目標(biāo)點(diǎn)至參考的距離。

雙目立體視覺在技術(shù)途徑上包含立體攝影和利用激光結(jié)構(gòu)光照明成像探測兩種方式。

激光結(jié)構(gòu)光照明成像探測是近些年發(fā)展的一種激光主動成像探測技術(shù)，其特點(diǎn)是成本低，效率高，可快速獲取場景的三維信息。

在利用結(jié)構(gòu)光照明的激光三維探測系統(tǒng)，通常采用激光發(fā)射出的線狀光束照射目標(biāo)，為了提高效率，近些年也提出了一些利用激光散斑、莫爾條紋或正弦光柵的結(jié)構(gòu)光，無需掃描，可對區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)同時進(jìn)行成像和運(yùn)算，獲取場景目標(biāo)的三維信息，此類技術(shù)也被稱為空間相位調(diào)制技術(shù)，其調(diào)制本身是產(chǎn)生特定的空間圖案。

以上激光三維測量原理和方法的測量精度與探測器像素的尺寸相關(guān)聯(lián)，其平面精度等于探測器像素尺寸針對鏡頭在物方的投影，

式中，ΔX,ΔY表示平面精度，d表示像素大小，f表示鏡頭焦距長度，L表示測量設(shè)備至物體的距離。

距離精度ΔZ=L2f×D×d]]>

式中D為測量設(shè)備的中心距。

由此可見，其三維測量結(jié)果無法超越像素級，達(dá)到亞像元的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種超分辨3D激光測量系統(tǒng)及方法，可以有效的提高的激光三維測量的精度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種超分辨3D激光測量系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括空間相位調(diào)制相機(jī)、用于發(fā)射激光的激光器以及用于獲得被測目標(biāo)平面二維坐標(biāo)的經(jīng)緯儀；

上述空間相位調(diào)制相機(jī)包括面陣探測器、分光鏡、單物鏡、第一接收器、第二接收器；

上述激光器向被測目標(biāo)發(fā)射激光，由空間相位調(diào)制相機(jī)通過第一接收器、第二接收器分別接收由被測目標(biāo)反射出的光線，再經(jīng)過分光鏡折射通過單物鏡將光線傳送到面陣探測器；

上述第二接收器像面位置上設(shè)置有正弦或余弦周期性的相位調(diào)制片；

上述激光器為一字線激光器。

基于權(quán)利要求1所述的超分辨3D激光測量系統(tǒng)的超分辨3D激光測量方法，其特殊之處在于：

包括以下步驟：

1】激光器發(fā)射激光并采用線陣掃描的方法對被測物體進(jìn)行照明；設(shè)定物點(diǎn)的光亮度為L；

2】空間相位調(diào)制相機(jī)的面陣探測器通過單物鏡接收被測物體反射出的光線所成的像，獲得被測物體的像素空間坐標(biāo)(N,M)及第一接收器、第二接收器所接收到的被測物體的光強(qiáng)度信息；

3】空間相位調(diào)制相機(jī)對被測物體的光強(qiáng)度信息進(jìn)行比較，通過公式(1)～(3)，得到相位調(diào)制度sin(ωy)；

E_M(X,Y,Z)=π×L(X,Y,Z)×sin(ωy)×d²/4f²?????（1）

E_T(X,Y,Z)=π×L(X,Y,Z)×d²/4f²?????（2）

y=arcsin(E_M/E_T)/ω?????(3）

4】獲得被測物體三維坐標(biāo)信息；

4.1]通過相位調(diào)制度獲取亞像元級的空間分辨率；

4.2]通過構(gòu)線方程及被測物體的像點(diǎn)空間坐標(biāo)(N,M)可獲得目標(biāo)點(diǎn)的距離(Z),平面坐標(biāo)(Y)；

4.3]通過經(jīng)緯儀獲取物點(diǎn)平面坐標(biāo)(X)；

5】通過控制經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)掃描三維空間，可獲得設(shè)備周圍三維空間的三維坐標(biāo)信息。