[發明專利]一種基于彩色相移結構光的去高光輪廓儀

在審

• 申請號: 202011561744.2
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112781522A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 孔令豹;董光熙
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

本發明屬于結構光三維距離傳感技術領域，具體為一種基于彩色相移結構光的去高光輪廓儀。其包括彩色投影儀和彩色探測模塊；其中，彩色投影儀，生成由紅、綠、藍三個光譜通道的條紋投影在目標物上，三色通道條紋分別具有三檔不同的光強，對應不同的反射響應區域；彩色探測模塊從不同曝光通道的采集圖中對信號光強進行篩選，建立曝光融合圖。本發明光路簡單，無需多次調節曝光時間，且整個系統中無需其他硬件輔助，能夠針對光滑表面相位重建中的高光飽和信號進行補償，針對高動態反射率范圍的金屬表面質地，該輪廓儀僅需一次曝光就能獲得不同曝光強度的拍攝圖，并且能夠有效抑制高光帶來的相位誤差，快速還原金屬表面的真實相位分布。

技術領域

本發明屬于結構光三維輪廓儀技術領域，具體涉及一種基于彩色相移結構光的去高光輪廓儀。

背景技術

結構光三維輪廓儀是一種針對物體的表面形貌和三維幾何量進行獲取和測量的光學系統，其系統配置相對簡單，只需要投影儀和光探測模塊就能夠實現低成本、非接觸快速測量，因而被廣泛應用于車輛加工，航空航天，醫學制造等大量工程領域中；然而，在實際的工業測量中，目標物的表面質地和組成成分往往較為復雜，例如表面被光滑油漆層包裹、抑或是由金屬材質加工而成的工件，表面將出現由鏡面反射引起的高光現象，由于傳統的結構光系統大多針對漫反射表面，在一次曝光過程中的光強覆蓋范圍有限，因而在對高光區域將出現飽和失真；這種飽和破壞了原有光場的編碼結構，使系統所建立的三維重建關系失真，從而影響數據的精度和可信度，針對目標物表面光滑的電介質材料，目前已經形成了較為成熟的雙色反射模型來對光信號成分進行分解，從而在一定程度上提高了鏡面反射帶來的飽和失真；然而，該模型只適用于電介質，并不適用于金屬材質，工業應用中，利用結構光對金屬目標物進行快速非接觸三維測量的需求仍然存在。

采用結構光的方法針對帶有金屬質地的面型進行三維測量，目前有三種常見的方法，分別是曝光調整法、偏振濾光法和相位偏折術；而曝光調整法又細分為曝光時間調整法、曝光強度調整法和自適應曝光調整法，曝光時間調整法和曝光強度調整法的共同點是需要多次曝光，較為費時；而自適應曝光調整法需要采用空間光調制器件對目標進行預處理，光路復雜程度大大增加，因而并不適合工業測量；偏振濾波法針對鏡面反射的偏振分量進行濾波，能夠過濾大部分高光，但同時，采用單一偏振態濾波時，漫反射的區域信號也不可避免地被削弱，從而還需要結合其他偏振態濾波的結果來彌補，同樣犧牲了時間；近年來，一種基于陣列式偏振相機的多重偏振濾波系統解決了這一問題，其采用的陣列式偏振傳感器能夠同時獲取不同偏振態的結構光圖案，省去了多次測量的繁瑣，但這種傳感器的成本是一般工業相機的六倍甚至更多；而相位偏折術是一種專門針對鏡面、玻璃等表面光滑度很高的光學表面進行測量的方法，并不適用于更廣泛的鏡面反射和漫反射混合存在的金屬材質的情況，因此，開發一種針對金屬材質，不犧牲時間的同時降低成本的結構光輪廓測量系統，將大大降低基于結構光系統針對金屬目標進行測量的門檻，拓展其在精密制造業中的應用場景。

發明內容

本發明的目的在于搭建一套基于彩色結構光的條紋投影相位輪廓儀，以減小現有結構光三維輪廓儀在針對高光面型及反射率變化范圍較大的面型進行測量時，由于鏡面反射導致的高光現象而引起的相位誤差。

本發明中，由彩色數字投影儀生成不同光強的紅、綠、藍三個光譜通道的彩色條紋同時照明在目標物表面上，其對應的反射條紋被彩色探測模塊接收從而用于生成曝光融合圖，并根據融合圖進行三維重建。本發明的技術方案具體介紹如下。

一種基于彩色相移結構光的去高光輪廓儀，其包括彩色投影儀和彩色探測模塊；其中：

彩色投影儀，生成彩色條紋投影在目標物上，彩色條紋由紅、綠、藍三個光譜通道的

同相位條紋混合而成，三色通道條紋分別具有三檔不同的光強，對應不同的反射響應區域；