[发明专利]一种使用单像素探测器的物体三维形貌测量方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像和光学测量技术领域，特别涉及使用单像素探测器的光学三 维形貌测量方法。

背景技术

单像素成像技术通过使用没有空间分辨能力的光电探测器(例如光电二极管)进 行时间上的多次采样，从而完成图像信息的获取。目前被广泛使用二维阵列型硅光探测器 (例如CCD和CMOS)只适合在可见光波段进行探测。然而，生物医学和军事等某些领域必须使 用非见光波段的光源照明进行成像，催生了具有光谱响应更广的单像素成像技术的需求。 这正是单像素成像技术在近十年来成为热门研究的原因。

对于单像素二维成像，已发表的解决方案包括了鬼成像技术[Pittman,T.B., “Opticalimagingbymeansoftwo-photonquantumentanglement,”Phys.Rev.A52, R3429(1995).]、单像素计算成像技术[Duarte,M.F.etal.,“Single-pixelimagingvia compressivesampling,”IEEESignalProcessingMagazine25,83(2008).]、双摄影技 术[Sen,P.etal.,“DualPhotography,”ACMTrans.Graph.24,745-755(2005).]和单像素 傅立叶谱成像技术[ZibangZhang,XiaoMa,JingangZhong,“Single-pixelimagingby meansofFourierspectrumacquisition,”NatureCommunications6,6225(2015).] [发明专利：一种使用单像素探测器的光学成像方法,申请号201410367541.8]等。然而利用 单像素探测器实现三维成像或物体三维形貌测量依然是一个巨大的挑战。虽然在2013年英 国的科研人员提出了一种使用4个单像素探测器的被动式三维成像方案[Sun,B.etal., “3DComputationalimagingwithsingle-pixeldetectors,”Science340,844-847 (2013).]，但测量次数巨大，高达10⁶次，测量时间冗长，其测量精度难于满足许多实际应用 要求。

发明内容

本发明的目的是为了实现使用一个单像素探测器进行三维形貌测量，并解决目前 单像素成像技术测量次数巨大、测量时间长和测量精度不高的问题。

本发明技术方案和装置如下：

一种使用单像素探测器的物体三维形貌测量方法，其特征在于：结构光场发生器生成一系列频率不同、初相位不同的余弦分布照明光场，经照明透镜组依次照明目标物体；成像透镜组将被照明的目标物体成像到平面栅状器件上，形成被平面栅状器件调制的目标物体图像；单像素探测器依次按不同的照明光场，接收被调制的目标物体图像的光信号，并依次输出电信号响应值，一个照明光场对应一个电信号响应值；利用一系列电信号响应值，计算得出被调制的目标物体图像的傅立叶谱一级分量通过计算得到目标物体图像的调制相位分布，与基准平面处平板图像的调制相位分布做差值运算得到相位差分布再利用相位差与高度的对应关系，得到待测目标物体表面形貌的高度分布h(x,y)测量值。

进一步，一种使用单像素探测器的物体三维形貌测量方法，其特征在于：被测目标物体图像的傅立叶谱一级分量的频率范围，为频谱面(f_x,f_y)上以频率(0,f_0y)为中心的一块区域，y方向与平面栅状器件的栅线方向垂直，f_0y为被平面栅状器件调制的基准平面处平板图像的傅立叶谱一级分量的傅立叶谱系数最大值所对应的y方向值，或者根据平面栅状器件的栅线频率、成像透镜组参数和基准平面位置，利用成像放大倍数公式f_0y＝cosθ·f_g/μ计算出中心频率y方向值f_0y，其中f_g为平面栅状器件的栅线频率、μ为成像放大倍数、θ是基准平面的法线与平面栅状器件法线的夹角。

进一步，一种使用单像素探测器的物体三维形貌测量方法，其特征在于：所述以频 率(0,f_0y)为中心的一块区域为以频率(0,f_0y)为中心、r_f为半径的圆内所包含的频率，r_f＝η f_0y，0.1≤η≤0.8。