[發明專利]橫向奇偶組合達曼光柵的三維測量模組及工作方法

有效

• 申請號: 201811285843.5
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109341581B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 趙冬;周常河;王津
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

本發明公開了一種橫向奇偶組合達曼光柵的三維測量模組及工作方法，產生用于三維成像與測量的交錯的點陣化結構光，該測量模組由激光器及擴束器的集成元件、準直透鏡、分離的兩塊不同分束比的達曼光柵或者是在一個基底相鄰的兩個區域內分別刻蝕不同分束比的橫向奇偶組合達曼光柵、物鏡等主要器件依次封裝構成。激光器發出的激光，經準直透鏡準直后，由分離的兩塊不同分束比的達曼光柵或者是在一個基底相鄰的兩個區域內分別刻蝕不同分束比的達曼光柵分光后，將兩塊二維達曼光柵來產生兩個非交錯點陣進行組合，進而由物鏡投射出三維測量與成像所需的交錯的平鋪點陣。該測量模組具有結構簡單易實現以及便于集成到移動設備的優點。

技術領域

本發明涉及三維成像與測量技術領域，具體涉及一種橫向奇偶組合達曼光柵的三維測量模組及工作方法。

背景技術

空間中物體的三維形貌都是由其上的空間點組成，因此任何對物體的成像與測量都是對物體表面空間點位置的測量。三維成像與測量技術就是通過各種方式來獲取物體表面各點空間坐標的技術。

緊湊型光學投影儀可以將一種編碼或結構光的圖案投射到一個目標物上，以達到三維成像的目的，這類光學投影儀的一個核心技術問題是如何產生用于投射到目標物上的二維交錯平鋪圖案，這種圖案非常有利于三維成像或者測量。

在先技術1)周常河等在1995年發表的文章“Numerical study of Dammann arrayilluminators”(Appl Opt.Vol.34.26,5961-5969)給出了達曼光柵1到64陣列分束的詳數細值解，包含變換點，效率，特征尺寸等。

在先技術2)周常河等在2009年發表的文章Three-dimensional profilometryusing a Dammann grating(Appl.Opt.48,3709-3715)提出了基于傅立葉變換的三維(3D)輪廓測量法，其中二維(2D)Dammann光柵和柱面透鏡用于產生結構光。Dammann光柵將大部分照明功率分成2D衍射點陣。柱面透鏡將這些2D衍射斑點變換為投射在物體上的一維條紋線。所產生的投影條紋具有高亮度和高對比度和壓縮比的優點。

在先技術3)周常河等在2012年申請的專利“組合達曼光柵”(CN201210004449)提出一種將N個滿足光柵周期匹配條件的達曼光柵組合在一起以解決單個達曼光柵分束數量少、分束角有限的問題。

在先技術4)蘋果公司的專利(US2014/0211215A1)提出了用于三維成像的投射點陣結構光的投影儀，利用相關算法(例如Gerchberg-Saxton)設計衍射光學元件，將扇出非交錯的平鋪圖案調整為扇出交錯的平鋪點陣。其優點在于，交錯的點陣有效的提高了三維深度測量的范圍。然而其不足之處在于未能說明產生交錯平鋪點陣的機理，而且Gerchberg-Saxton算法使用復雜，成本較高。

在先技術1)給出了達曼光柵1到64陣列分束的詳數細值解；在先技術2)提出了基于傅立葉變換的三維(3D)輪廓測量法；在先技術3)提出一種將N個達曼光柵縱向(即，光柵柵面中心連線與光軸平行)組合在一起的結構，此技術提出了縱向達曼光柵組合結構，以解決單個達曼光柵分束數量少、分束角有限的問題，但未提出運用于三維測量的橫向(即，光柵柵面中心連線與光軸垂直)奇偶組合達曼光柵的結構；在先技術4)提出了基于衍射光學元件的用于三維成像的投射點陣結構光的投影儀，但算法設計光學元件相對復雜，成本較高。以上技術均未提出使用橫向奇偶組合達曼光柵實現交錯的投射點陣的方法。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有的三維投影與測量設備所投結構光測量深度分辨率低的影響，光能利用率低的情況，以及當前的方案無法以國內公司可以接受的價格大規模生產的弊端，提供一種橫向奇偶組合達曼光柵的三維測量模組及工作方法。