[發明專利]一種基于衍射編碼相位板的條紋投影三維形貌測量方法及裝置

有效

• 申請號: 202110797743.6
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113551618B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 馬鎖冬;嚴祺;沈賢蒙
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

本發明涉及一種基于衍射編碼相位板的條紋投影三維形貌測量方法及裝置，屬光學檢測技術領域。測量裝置包括投影模塊、載物平臺、相機、數據傳輸控制接口和計算機；它基于條紋投影輪廓術和衍射光學相位編碼技術，在不借助硅基液晶或數字微鏡元件等器件、不顯著增加系統體積和復雜度的情況下，使用衍射光學元件調制入射光場，分時快速投影形成三頻正弦三步相移條紋光場圖案；同時在保證軸向投影條紋光場圖案正弦一致性的基礎上，極大地延拓了測量系統的投影成像景深；基于深度神經網絡的絕對相位恢復算法的使用，有效地抑制了多徑干擾和移相誤差對包裹相位解調的影響，提升了絕對相位恢復的精度。

技術領域

本發明涉及三維形貌的測量技術，特別涉及一種基于衍射編碼相位板的條紋投影三維形貌測量方法及裝置，屬于先進光學檢測技術領域。

背景技術

在當今社會生產的諸多領域，如逆向工程、自動在線檢測、機器視覺等，常常需要對漫反射面物體進行快速、精確的三維測量。光學類方法因其具有非接觸、全場快速、測量精度高等優勢，而逐步受到人們的青睞。條紋投影輪廓術作為一種典型的光學類三維測量技術，具有系統結構簡單、對外界環境要求不苛刻、測量動態范圍大/精度高和速度快等優點，而常被應用于漫反射面物體三維形貌的檢測。其測量系統通常由投影器、相機和計算機組成；在測量過程中，高保真度正弦條紋的快速投影、顯示與獲取一直是人們追求的目標之一，特別是對于一些高速動/瞬態測試場景意義重大。早期的測量用條紋多以激光干涉、正弦光柵投影成像等方式生成，存在單幀及相移條紋的相關參數調控不便等問題。隨著光電設備的迅猛發展，尤其是基于硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）、數字微鏡元件（Digital micromirror device，DMD）技術投影儀的出現，測量用條紋的合成與控制變得更為便捷，但依然存在投影正弦條紋的質量易受投射器光電子學性能影響等問題。在現有的條紋投影輪廓術測量過程中，為了實現高精度檢測的目的，通常使用基于LCoS或DMD的投影器投射正弦相移條紋，但單色／彩色相移條紋的正弦性／移相保真度容易受到電子設備Gamma效應／顏色串擾現象的影響，高性能的LCoS或DMD投射條紋在被測物表面往往存在多次反射（即多徑干擾）現象。此外，在現有的條紋投影輪廓術中，受限于投影成像鏡頭的有限景深，正弦條紋對比度會隨著離焦量的增大而降低，影響軸向大范圍三維形貌的高精度獲取。雖然可以基于沙姆定律（Scheimpflug Principle）設計相應的投影成像鏡頭以延拓景深，但卻存在斜投影成像帶來的諸如鏡頭裝配、附加相位畸變矯正等問題，且景深拓展范圍依舊有限。基于雙遠心光路設計的投影成像鏡頭雖能避免斜投影成像的問題，但其投影成像倍率固定，且測量視場與鏡頭口徑/體積之間相互制約。因此，如何在不借助LCoS或DMD等器件、不顯著增加系統體積和復雜度的情況下，在較大的軸向景深范圍內實現高保真度正弦相移條紋的快速投影與獲取，已成為條紋投影輪廓術領域的研究熱點與趨勢之一。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，在不借助硅基液晶（LCoS）或數字微鏡元件（DMD）等器件、不顯著增加系統體積和復雜度的情況下，提供一種能夠在大軸向景深范圍內實現高保真度正弦相移條紋的快速投影、獲取與解算的條紋投影三維形貌測量方法及裝置。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術解決方案是提供一種基于衍射光學元件的條紋投影三維形貌測量裝置，它包括投影模塊、載物平臺、相機、數據傳輸控制接口和計算機；

所述投影模塊包括照明光源子系統、耦合中繼光學子系統和衍射光學元件；所述照明光源子系統包括照明光源接口電路模組，三個紅綠藍三色LED光源，分別為紅綠藍三色LED光源Ⅰ、紅綠藍三色LED光源Ⅱ和紅綠藍三色LED光源Ⅲ，紅綠藍三色LED光源Ⅰ位于耦合中繼光學子系統的物方焦點處，紅綠藍三色LED光源Ⅱ和紅綠藍三色LED光源Ⅲ對稱地位于紅綠藍三色LED光源Ⅰ兩側的耦合中繼光學子系統的物方焦面上，衍射光學元件位于耦合中繼光學子系統的像方出瞳位置；

所述投影模塊、載物平臺與相機構成條紋投影測量三角光路，投影模塊的耦合中繼光學子系統的光軸與相機鏡頭的光軸相交于載物平臺，投影模塊的衍射光學元件和相機鏡頭聚焦于載物平臺上；