本發(fā)明屬于粗糙物體表面形貌的三維測(cè)量與數(shù)字化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于物體表面三維測(cè)量的光投影裝置。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代制造業(yè)、虛擬仿真、考古和測(cè)量領(lǐng)域，需要進(jìn)行大量的測(cè)量工作，因此三維形貌測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)及實(shí)際生活中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而光學(xué)三維形貌測(cè)量由于其非接觸、高精度、高速度等優(yōu)點(diǎn)，目前己成為研究的熱點(diǎn)之一。光學(xué)三維形貌測(cè)量是采用光學(xué)的手段獲得物體三維空間信息的方法和技術(shù)，其在機(jī)器視覺、實(shí)物仿形、工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、影視特技、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，均具有非常重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的三坐標(biāo)接觸探針式三維測(cè)量方法存在著固有的缺陷：1、測(cè)量時(shí)存在著一定的接觸壓力，對(duì)于某些質(zhì)地柔軟的物品來(lái)說(shuō)必然會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差；2、由于測(cè)頭半徑無(wú)論如何不可能為零，所以無(wú)法測(cè)量某些復(fù)雜表面的細(xì)微特征；3、因?yàn)橐瘘c(diǎn)接觸式測(cè)量，從而存在測(cè)量速度慢，不適合對(duì)大型零部件進(jìn)行測(cè)量。而當(dāng)前流行的激光掃描法用電荷耦合器件(CCD)或者位置敏感器件(PSD)進(jìn)行數(shù)字點(diǎn)激光圖像采集，由于要逐點(diǎn)或逐線掃描，因而在速度上受到了限制。同時(shí)，掃描精度受測(cè)試件的材料及表面特性影響較大，為此，本發(fā)明采用激光干涉條紋投影技術(shù)并結(jié)合相移測(cè)量法，力圖實(shí)現(xiàn)工件的快速、高效、高精度測(cè)量，

現(xiàn)有技術(shù)之一(參見“彩色數(shù)字編碼投影光柵三維輪廓術(shù)的研究”，劉維一，王肇圻，母國(guó)光，光學(xué)學(xué)報(bào)，21(6)，687-690，2001)研究了一種編碼光柵投影三維輪廓術(shù)，其中投影光柵利用彩色空間紅、綠、藍(lán)三基色相互獨(dú)立的特性，用彩色條紋對(duì)光柵進(jìn)行編碼，以白色條紋為起始位，后接紅、綠、藍(lán)(R、G、B)三種顏色的條紋組成一組。經(jīng)過(guò)編碼處理的光柵在保證測(cè)量精度不變的前提下，加大了高度測(cè)量的范圍。測(cè)量的精度主要取決于圖像的分辨率。這種方法采用投影儀進(jìn)行條紋投影，其相移精度取決于對(duì)彩色圖像的提取相位精度，彩色編碼條紋光柵采用4個(gè)條紋為一組，最少要有3個(gè)條紋才能確定其所在位置，如果被測(cè)物體的空間寬度容納不下3個(gè)條紋，則無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。這種方法對(duì)測(cè)量條件的要求較高，測(cè)量精度的可重復(fù)性較低。

現(xiàn)有技術(shù)之二(參見“Novel 3-D free-form surface profilometry for reverse engineering用于逆向工程的新型3D自由曲面輪廓術(shù)”，Liang-Chia Chen，Zhi-Xue Huang，7th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments，Journal of Physics:Conference Series 13，174–177，2005)采用傳感器集成理念，通過(guò)開發(fā)自動(dòng)重建方法來(lái)解決自由曲面測(cè)量過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，具體采用激光掃描方式進(jìn)行掃描，然后通過(guò)集成邊緣探測(cè)算法和圖像處理方法實(shí)時(shí)處理，進(jìn)行三維重建，但由于自身的光線遮蔽問(wèn)題，該方法無(wú)法探測(cè)凹形物體，因此應(yīng)用受到很大限制。

現(xiàn)有技術(shù)之三(參見“Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods光學(xué)三維測(cè)量方法”，F(xiàn).Chen，G.M.Brown，M.Song，Opt.Eng.39(2000)10–22.)采用高強(qiáng)度光源將光柵通過(guò)投影鏡頭投射到被測(cè)物體上，通過(guò)高密度條紋圖進(jìn)行解相位，采用最小二乘法獲取相關(guān)三維重構(gòu)參數(shù)，獲得了1/80等效波長(zhǎng)的測(cè)量精度。此方法需要制作精密的朗奇光柵，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)相移測(cè)量，測(cè)量的范圍有限，成本較高，靈活性不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)普適性測(cè)量。

現(xiàn)有技術(shù)之四(參見“基于雙聲光偏轉(zhuǎn)器的變頻三維數(shù)字成像”，張鵬，彭翔，邱文杰等，光子學(xué)報(bào)，34(10)，1550-1553，2005)提出采用雙聲光偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行時(shí)序變頻三維數(shù)字成像，利用兩個(gè)聲光調(diào)制器的衍射級(jí)進(jìn)行干涉形成空間結(jié)構(gòu)光條紋，測(cè)量過(guò)程和相位可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制，測(cè)量靈活性較好，普適性搞，但其需要兩個(gè)聲光調(diào)制器，并且要保證兩個(gè)聲光調(diào)制器同步，成本較高，難度較大。

現(xiàn)有技術(shù)之五(參見“相位檢測(cè)面形術(shù)在大尺度三維面形測(cè)量中的應(yīng)用”，李萬(wàn)松，蘇禮坤，蘇顯渝.光學(xué)學(xué)報(bào)，20(6)：792～796，2000)提出一種基于大尺度三維測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用相位光柵形成結(jié)構(gòu)光條紋，使條紋空間頻率和相位的變化規(guī)律得到了很好的解釋。該系統(tǒng)對(duì)石膏像形貌進(jìn)行測(cè)量，獲得了用于三維成像的相位圖。該投射系統(tǒng)對(duì)于解決復(fù)雜幾何形狀物體的三維測(cè)量問(wèn)題具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，該方法相移的誤差控制并不容易，其測(cè)量精度有待提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于物體表面三維測(cè)量的光投影裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于物體表面三維測(cè)量的光投影裝置，該裝置包括激光器、聚焦透鏡組成的光學(xué)擴(kuò)束單元、反射鏡、第一偏振片、第一雅敏光學(xué)平板、第二偏振片、第三偏振片、第一光楔對(duì)、第二光楔對(duì)、第二雅敏光學(xué)平板、1/4波片，所述激光器產(chǎn)生激光經(jīng)光學(xué)擴(kuò)束單元、反射鏡、第一偏振片后產(chǎn)生偏振光，投射到所述第一雅敏光學(xué)平板的前后表面上，通過(guò)所述雅敏光學(xué)平板后形成兩路光路，第一路光路經(jīng)第二偏振片形成垂直偏振光后再經(jīng)第一光楔對(duì)投射到所述第二雅敏光學(xué)平板，第二路光路經(jīng)第三偏振片形成垂直偏振光后再經(jīng)第二光楔對(duì)投射到所述第二雅敏光學(xué)平板，所述兩路光路通過(guò)所述第二雅敏光學(xué)平板形成合束依次通過(guò)1/4波片、可調(diào)節(jié)偏振片、投影物鏡后放大并投影到被測(cè)物表面。

上述方案中，所述被測(cè)物表面反射的條紋光通過(guò)CCD相機(jī)采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

上述方案中，所述激光器輸出的是單模激光。

上述方案中，所述第一光楔對(duì)和第二光楔對(duì)的尺寸參數(shù)和光學(xué)性能相同。

上述方案中，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片的透振方向分別是45°、90°和0°，所述可調(diào)節(jié)偏振片的偏振方向?yàn)?-180°。

上述方案中，所述第一雅敏光學(xué)平板和第二雅敏光學(xué)平板的前后表面鍍有偏振反射膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明的投影的結(jié)構(gòu)光為真實(shí)干涉條紋，具有高亮度與高對(duì)比度，具有無(wú)限焦深，能夠降低軟件處理難度；

(2)本發(fā)明的有效測(cè)量面積大和空間重現(xiàn)力良好，投影得到的條紋圖縫隙非常小，使獲得的三維數(shù)據(jù)精度更高；

(3)本發(fā)明的測(cè)量過(guò)程不受被測(cè)物體的顏色、形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響；

(4)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)相移速度快，精度更高，同時(shí)利用時(shí)間相移法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程不受被測(cè)表面不連續(xù)、躍變等不利因素影響，測(cè)量魯棒性更好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于物體表面三維測(cè)量的光投影裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1—激光器，2—光學(xué)擴(kuò)束單元，3—反射鏡，4—第一偏振片，5—第一雅敏光學(xué)平板，6—第二偏振片，7—第三偏振片，8—第一光楔對(duì)，9—第二光楔對(duì)，10—第二雅敏光學(xué)平板，11—1/4波片，12—可調(diào)節(jié)偏振片，13—投影物鏡，14—被測(cè)物，15—CCD相機(jī)，16—計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于物體表面三維測(cè)量的光投影裝置，如圖1所示，該裝置包括激光器1、聚焦透鏡組成的光學(xué)擴(kuò)束單元2、反射鏡3、第一偏振片4、第一雅敏光學(xué)平板5、第二偏振片6、第三偏振片7、第一光楔對(duì)8、第二光楔對(duì)9、第二雅敏光學(xué)平板10、1/4波片11、，所述激光器1產(chǎn)生激光經(jīng)光學(xué)擴(kuò)束單元2、反射鏡3、第一偏振片4后產(chǎn)生偏振光，投射到所述第一雅敏光學(xué)平板5的前后表面上，通過(guò)所述雅敏光學(xué)平板5后形成兩路光路，第一路光路經(jīng)第二偏振片6形成垂直偏振光后再經(jīng)第一光楔對(duì)8投射到所述第二雅敏光學(xué)平板10，第二路光路經(jīng)第三偏振片7形成垂直偏振光后再經(jīng)第二光楔對(duì)9投射到所述第二雅敏光學(xué)平板10，所述兩路光路通過(guò)所述第二雅敏光學(xué)平板10形成合束依次通過(guò)1/4波片11、可調(diào)節(jié)偏振片12、投影物鏡13后放大并投影到被測(cè)物14的表面。

所述被被測(cè)物14表面反射的條紋光通過(guò)CCD相機(jī)15采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)16。

具體地，沿所述激光器1產(chǎn)生激光的前進(jìn)方向依序設(shè)置聚焦透鏡組成的光學(xué)擴(kuò)束單元2、反射鏡3，通過(guò)一45°的第一偏振片4產(chǎn)生偏振光，投射到第一雅敏光學(xué)平板5的前后表面上，所述第一雅敏光學(xué)平板5的前后表面鍍有偏振反射膜，通過(guò)所述第一雅敏光學(xué)平板5后形成兩路光路(即a、b兩路光)，a路光通過(guò)垂直設(shè)置的第二偏振片6形成垂直偏振光，光路b通過(guò)水平設(shè)置的第三偏振片7形成水平偏振光，光路a和光路b分別通過(guò)第一光楔對(duì)8和第二光楔對(duì)9產(chǎn)生微角度偏轉(zhuǎn)，用以改變干涉條紋的周期和傾斜量，光路a和b又通過(guò)第二雅敏光學(xué)平板10形成合束，合束后的光路經(jīng)過(guò)1/4波片11改變偏振態(tài)，最后通過(guò)可調(diào)節(jié)偏振片12形成不同相位的干涉條紋，干涉條紋經(jīng)過(guò)投影物鏡13放大并投影到被測(cè)物14的表面，所述被被測(cè)物14的表面反射的條紋光通過(guò)CCD相機(jī)15采集然后輸入到計(jì)算機(jī)16進(jìn)行最后的軟件處理，采用相移法提取相位，并對(duì)相位進(jìn)行解包裹處理，最后根據(jù)標(biāo)定參數(shù)恢復(fù)被測(cè)物的三維形貌。

所述投影物鏡13為可更換倍率的測(cè)量投影儀物鏡，物鏡放大倍率誤差≤0.08％。

所述CCD相機(jī)15的采集速度不小于30fps，以配合相位解包裹和三維重建算法的高速需求，分辨率不小于1024×1024像素。

所述激光器1輸出的是單模激光，采用波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光。

所述第一光楔對(duì)8和第二光楔對(duì)9的尺寸參數(shù)和光學(xué)性能相同。

所述光線通過(guò)第一光楔對(duì)8和第二光楔對(duì)9后的傳播方向改變，改變后的方向根據(jù)下式獲得

其中，θ_i為入射光楔的入射角，n為光楔折射率，θ_o為光楔出射角，α為光楔楔角。

所述第一偏振片4、第二偏振片6、第三偏振片7的透振方向分別是45°、90°和0°，所述可調(diào)節(jié)偏振片12的偏振方向?yàn)?-180°。

所述第一雅敏光學(xué)平板5和第二雅敏光學(xué)平板10的前后表面鍍有偏振反射膜。

為了降低成本，提高相移測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)降低測(cè)量的成本，本發(fā)明以偏振片和1/4波片為相移器件，以光楔對(duì)為條紋調(diào)節(jié)手段，采用等光程光路結(jié)構(gòu)為主體，降低震動(dòng)等噪聲的擾動(dòng)，利用干涉法產(chǎn)生實(shí)際干涉條紋進(jìn)行投影，條紋清晰度不受離焦等影響，在實(shí)現(xiàn)精確三維測(cè)量的同時(shí)可以提高工件測(cè)量速度。

本發(fā)明將偏振技術(shù)與相移條紋技術(shù)相結(jié)合，在機(jī)/離機(jī)快速測(cè)量多種不同結(jié)構(gòu)物體表面的三維形貌，具有較強(qiáng)的抗振和噪聲動(dòng)能力，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具表面測(cè)量具有較強(qiáng)的魯棒性。

本發(fā)明能夠安裝在機(jī)床上進(jìn)行工件加工的在機(jī)檢測(cè)，利用調(diào)節(jié)偏振片旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)相移條紋獲取進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體面形的三維測(cè)量，其對(duì)具有加工缺陷等不連續(xù)區(qū)域的工件測(cè)量十分有效；本發(fā)明采用等光程結(jié)構(gòu)，抗振動(dòng)、噪聲能力強(qiáng)，適合不同復(fù)雜面形的測(cè)量。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。