[发明专利]基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光扫描三维物体表面形貌测量装置，特别是一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置。

基于分光器件的高效率的扫描技术。在提高扫描效率的同时，对光源强度的要求相对较低，同时具有很高的测量精度和空间分辨率。因而能够广泛地应用于光学扫描测量系统中，特别是在远距离、大尺寸物体的三维表面形貌的信息的获取上，如飞机上对地面建筑、地形地貌等三维数字化信息获取，卫星上多点激光扫描获得月球表面三维信息等众多领域。

背景技术

光学三维传感在机器视觉、工业检测、实物仿形、生物医学等领域具有重要意义和非常广泛地应用前景。主动三维传感是获取三维面形信息的两大基本方法之一，通常情况下它采用具有高亮度、方向性和单色性好、易于实现强度调制的激光光源。主动三维传感采用主动照明技术，投影器发出结构照明光束，接收器接收由被测三维表面返回的光信号，由于三维面形对结构照明光束产生空间或时间调制，因此解调接收到的光信号就可以得到三维面形数据。

最简单的结构照明系统投射一个光点到待测物体表面，为了获取完整的三维面形，必须有附加的二维扫描。这种测量方法对于远距离、大尺寸物体的测量具有很高的测量精度，然而因为每次只扫描一个点，其测量效率是很低的，对于那些对实时性要求较高的应用有较大的限制。同时，由于扫描过程中振镜存在着转动误差，每增加一次扫描即引入一次误差。

另一种结构照明系统投射一个线状光束到待测物体表面，形成线结构照明。采用这种照明的传感系统使用二维面阵探测器作为接收器件，只需要附加一维扫描就可以形成完整的三维面形数据。然而这种投射方式，照明系统对光源的均匀性要求太高，从而造成照明系统成本的较大提高，不能应用于光源亮度不均匀的场合。

在光源和被测物体之间插入适当的光学分光元件可以很好的解决上述缺点。1971年，由Dammann和Gortler最早提出了被称为“达曼光栅”的二值相位光栅【参见在先技术1：H.Dammann and K.Gortler，Opt.Comm.1971，3(3)：312～315】。它作为夫琅禾费型光学器件，入射光波经过它产生的夫琅禾费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sinc函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。1995年周常河给出了从2到64点阵的达曼光栅解【参见在先技术2：C.H.Zhou，L.R.Liu，Appl.Opt.，1995，34(26)，5961～5969】，之后设计了与大多数光学系统相配的圆形达曼光栅，并详细地分析了相位制作误差等对性能的影响【参见在先技术3：C.H.Zhou，J.Jia，L.R.Liu，Opt.Lett.，2003，27(22)：2174～2176】。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，该装置只需附加一维扫描，即可得到很高的测量精度、空间分辨率和极大地提高扫描效率，将具有重要的实用意义。

本发明的基本原理是在激光光源和被测物体之间插入具有分光作用的一维达曼光栅并附加一维扫描，以实现对被测物体的三维表面形貌测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于一维达曼光栅的三维表面形貌测量装置，包括激光光源和计算机，其特点在于沿所述的激光光源的激光光束的输出方向同光轴地依次设置平行光管、小孔光阑、达曼光栅、准直透镜、被测物体和参考平面，所述的参考平面置于所述的准直透镜的傅里叶变换平面上，所述的被测物体置于一个平移台和参考平面上，所述的平移台具有带动所述的被测物体作垂直于所述的光轴运动的机构，实现照明光束对被测物体的一维扫描，具有CCD入瞳和CCD靶面的CCD接收器位于所述的被测物体反射的结构光方向，所述的CCD接收器的输出端与所述的计算机的输入端相连，从激光光源出射的激光光束，经平行光管、小孔光阑照射在所述的达曼光栅上，经所述的达曼光栅分束后成像在被测物体的表面，被测物体反射的结构光经CCD入瞳采集成像在CCD靶面上，所述的参考面和被测物体表面的反射点在所述的CCD接收器的CCD靶面上成像的相对距离用来确定物体表面的反射点和参考面反射点的相对距离。