[实用新型]一种结构光投影和相移装置

说明书

技术领域

本实用新型属于三维光学测量技术领域，具体涉及一种结构光投影和相移装置。

背景技术

光学三维测量在物体表面轮廓三维尺寸和形状测量中的应用日益广泛，在物体形变测量、塑性加工、实物仿形、机器视觉、生物医学、影视特技、人体检测、工业检测、质量控制、服装CAD以及逆向工程等众多领域，具有非常高的实用价值。

结构光照明三维传感测量，主要包括相干结构光场的产生、相移的产生与对应调制光场图像的采集、相移条纹图的处理及物体轮廓重构等三个步骤。

在结构光照明的三维传感测量中使用的相移技术由于具有对背景、对比度和噪声的变化不敏感，测量精度高，利于信号数据处理和自动三维测量等优点而得到广泛应用。光学位相测量系统需要高精度的相移装置，致使系统变得非常复杂。

在采用干涉型结构光场方法或光栅投影结构光场方法中，其相移分别是通过改变参考光波的光程四分之一波长，或横向移动光栅四分之一光栅常数的距离实现的。这就要求采用高精度（其精度至少为0.01微米）的相移器来完成，对于粗光栅尽管没有这么高的精度要求，但是它不适合细微形貌和高精度测量，限定了其使用范围。如果达不到精度要求，将会带来因无法抑制条纹飘移和抖动对测量误差的影响这一致命弱点。

目前，干涉或光栅移相装置中一般采用压电陶瓷驱动方式或精密步进电机驱动方式。压电陶瓷驱动方式尽管精度高，但也存在非线性、迟滞、蠕变效应，会导致移相测定不准确。步进电机具有较高的定位精度、无位置累积误差，但是存在步进电机转速不够平稳，运行会发生振荡、噪声大，在自然振荡频率附近运行时容易产生共振等缺点，需要复杂的细分等软硬件驱动电路和技术克服上述缺点问题。

液晶光阀投影结构光方式是将计算机模拟的正弦分布结构光场投影到被测物体上，不需要任何的相移装置，避免了因外界振动引起的干涉条纹抖动和漂移，非常容易获得结构投影光场和实现相移。但随着条纹空间频率的增大，由于受到液晶光阀扫描频率的调制，形成莫尔条纹，使投影光场不满足正弦分布，降低系统测量的精度。由于液晶光阀自身投影白光光场不均匀，使正弦投影条纹幅值被调制，故采集的条纹图表现为中心部分亮，边缘部分暗，强度的不均匀同样将对实际物体面形测量精度产生影响。同时，液晶光阀投影系统本身价格昂贵，体积大，限制了其应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种结构光投影和相移装置，该装置主要解决了现有结构光投影系统设备复杂、体积大、成本高和相移装置精度要求高、驱动控制电路复杂，不适合细微形貌高精度测量要求的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：包括光源，以及在光轴上沿入射方向依次布置的多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜；所述多狭缝固定在手动或电动位移平台上。

上述光源为扩展的单色LED光源或激光光源。

上述多狭缝位于圆柱面透镜的物方焦平面上。

上述投影光栅采用郎奇光栅或振幅型正弦光栅。

上述显微物镜的物方焦点位于自成像平面上。

本实用新型具有以下有益效果是：

本实用新型基于自成像原理，沿入射光光轴方向依次设置多狭缝、圆柱面透镜、投影光栅以及显微物镜，并设计多狭缝的参数；实际使用时，由于自成像距离一般是几个毫米甚至更小，故对精度的要求随之降低几十至几百倍，用一般普通的位移平台即可满足要求；另外，本实用新型采用置于柱面透镜焦平面上的多个狭缝光源，多缝将非相干光源分割成多个相互独立的相干缝光源，每个狭缝光源经透镜后形成不同方向的平面光波，这些不同方向的平面光波照射投影光栅时产生各自独立的光栅自成像，获得高亮度、高对比度的投影结构光条纹；最后，本实用新型采用了多狭缝、光栅、柱面透镜和显微物镜这些体积较小的常用光学元件，使得本实用新型结构简单、成本低，能缩小整个投影装置的体积，易于实现装置集成化。

附图说明

图1为本实用新型装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型的原理图。

其中，1为光源；2为多狭缝；3为圆柱面透镜；4为投影光栅；5为显微物镜。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：