CN106979758A - 一种三维测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种三维测量装置和方法，三维测量装置包括：投射单元，包括依次排列的照明器、聚焦透镜组、正弦光栅片、成像透镜和光屏，聚焦透镜组和成像透镜均使所述正弦条纹图像清晰准确；照明器发射的光，依次经过聚焦透镜组、正弦光栅片和成像透镜生成正弦条纹图像；正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像，未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像被投射至光屏；成像单元，采集投射在光屏上的未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像；处理单元，根据成像单元采集到的未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，计算测量对象的尺寸。应用本发明实施例能够提高三维测量的精度。

Description

一种三维测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种三维测量装置和方法。

背景技术

随着三维测量技术的日益成熟，已经逐步应用在国防军事、航空航天、机械制造、美容、娱乐等诸多领域，具体用于通过三维图像分析来获取测量对象的三维尺寸。

目前，基于相移法的三维测量法由于速度快、操作简单、成本低等特点受到了人们的广泛关注。在基于相移法的三维测量法中，使用的投射单元通常为投影仪，由于投影仪投射出的图像是由像素点组成的数字信号，精度较低，且投影仪的亮度有限，在一定程度上影响了三维测量的准确度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三维测量装置和方法，以提高三维测量的精度。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种三维测量装置，所述装置包括：

投射单元，包括依次排列的照明器、聚焦透镜组、正弦光栅片、成像透镜和光屏，所述聚焦透镜组和所述成像透镜均使所述正弦条纹图像清晰准确；所述照明器发射的光，依次经过所述聚焦透镜组、所述正弦光栅片和所述成像透镜生成正弦条纹图像；所述正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经所述测量对象调制后生成调制光栅条纹图像，所述未调制光栅条纹图像或者所述调制光栅条纹图像被投射至光屏；成像单元，采集投射在所述光屏上的所述未调制光栅条纹图像或者所述调制光栅条纹图像；处理单元，根据所述成像单元采集到的所述未调制光栅条纹图像和所述调制光栅条纹图像，计算所述测量对象的尺寸。

优选的，所述聚焦透镜组，包括依次排列的平凸透镜、双胶合透镜和平凸透镜；所述成像透镜，包括平凸透镜。

优选的，所述投射单元，还包括：匀光器、分光片和准直透镜；所述匀光器、所述分光片和所述准直透镜依次排列在所述照明器和所述聚焦透镜组之间，所述匀光器靠近所述照明器；所述匀光器使所述照明器发射的光的光强度均匀，并缩小所述照明器发射的光的发散角；所述分光片将经过所述匀光器的光中所含的杂散光滤除；所述准直透镜将经过所述分光片的光调整为平行光束。

优选的，所述照明器，包括LED阵列；所述匀光器的孔径大于所述LED阵列的截面。

优选的，所述装置还包括：位置调节器；所述位置调节器，在垂直于所述投射单元生成的光路方向，移动所述正弦光栅片的位置，以调制所述成像单元采集到的光栅条纹图像的相位。

优选的，所述装置还包括：控制单元；所述控制单元，在所述光屏之前未摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相，使所述成像单元采集到所述正弦条纹图像未经过所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；在所述光屏之前摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相，使所述成像单元采集到所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

优选的，所述成像单元，采集所述正弦条纹图像未经过所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像；所述处理单元，使用双频外差法，通过解析所述成像单元采集到的所述调制光栅条纹图像和所述未调制光栅条纹图像，得到所述测量对象的尺寸。

本发明实施例还提供了一种三维测量方法，应用于三维测量装置，所述三维测量装置包括：投射单元、成像单元和处理单元；所述方法包括：利用所述投射单元，生成正弦条纹图像；利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；利用所述处理单元，根据所述成像单元采集到的所述调制光栅条纹图像和所述未调制光栅条纹图像，计算所述测量对象的尺寸。

优选的，所述方法还包括：利用位置调节器移动所述投射单元中正弦光栅片的位置，以改变所述成像单元采集到的光栅条纹图像的相位。

优选的，在所述利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像的步骤之前，所述方法还包括：在所述光屏之前未摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相；在所述光屏之前摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相；所述利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像的步骤，包括：利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像未经过所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像；所述利用所述处理单元根据所述成像单元采集到的所述调制光栅条纹图像和所述未调制光栅条纹图像，计算所述测量对象的尺寸的步骤，包括：使用双频外差法，通过解析所述成像单元采集到的四张所述调制光栅条纹图像和四张所述未调制光栅条纹图像，得到所述测量对象的尺寸。

本发明实施例提供的一种三维测量装置和方法，三维测量装置包括投射单元、成像单元和处理单元，投射单元包括依次排列的照明器、聚焦透镜组、正弦光栅片、成像透镜和光屏；具体的，照明器发射的光，依次经过聚焦透镜组、正弦光栅片和成像透镜生成正弦条纹图像，正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像，未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像被投射至光屏，其中，聚焦透镜组和成像透镜均使正弦条纹图像清晰准确；成像单元，能够采集投射在光屏上的未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像；处理单元，根据成像单元采集到的未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，计算测量对象的尺寸。

这样，投射单元生成的正弦条纹图像是利用正弦光栅片产生的模拟光，因此，成像单元采集到的由正弦条纹图像生成的光栅条纹图像能够携带更加丰富且精确的测量物体的尺寸信息，使得处理单元计算出的测量对象的尺寸更加精确。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的三维测量装置的一种结构示意图；

图2为本发明实施例中，投射单元的一种具体结构示意图；

图3为本发明实施例的三维测量方法的一种流程图；

图4为本发明实施例的三维测量方法的一种应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种三维测量装置，参见图1，图1为本发明实施例的三维测量装置的一种结构示意图；如图1所示，装置包括：投射单元101、成像单元102和处理单元103。

投射单元101，包括依次排列的照明器1011、聚焦透镜组1012、正弦光栅片1013、成像透镜1014和光屏1015；聚焦透镜组1012和成像透镜1014均使正弦条纹图像清晰准确。

其中，照明器1011、聚焦透镜组1012、正弦光栅片1013、成像透镜1014和光屏1015在水平面上依次排列组成投射单元101。具体的，照明器1011用于生成光源；弦光栅片1013用于将照明器生成的光调制成正弦条纹图像；聚焦透镜组1012和成像透镜1014用于使生成的正弦条纹图像更加清晰准确；测量对象摆放在能够观察到清晰正弦条纹图像的位置，光屏1015放置在测量对象之后，光屏1015用于接收正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像。

第一步，照明器1011发射的光，依次经过聚焦透镜组1012、正弦光栅片1013和成像透镜1014生成正弦条纹图像。

在实际应用中，照明器1011发出的光，经过由聚焦透镜组1012、正弦光栅片1013和成像透镜1014组成的光路，生成模拟光的正弦条纹图像；相较于由投影仪生成的数字信号的正弦条纹图像，模拟光的正弦条纹图像在经测量对象调制后生成的调制光栅条纹图像，能够携带更加丰富且精确的测量物体的尺寸信息，进而使得最终计算出的测量对象的尺寸更加精确。

此外，聚焦透镜组1012和成像透镜1014均能够使生成的正弦条纹图像更加清晰，以确保计算出的测量对象尺寸的准确性。

第二步，正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像，未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像被投射至光屏1015。

在实际应用中，需要分两种情况生成光栅条纹图像：一种是在光屏1015之前不放置测量对象的情况，正弦条纹图像直接投射在光屏1015上，此时，显示在光屏1015上的是未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像；另一种是在光屏1015之前放置测量对象的情况，正弦条纹图像经过测量对象反射后投射在光屏1015上，此时，显示在光屏1015上的是经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像。

这样，当处理单元103就能够根据成像单元102从光屏1015上采集到未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，计算出测量对象的尺寸。

成像单元102，采集投射在光屏1015上的未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像。

在实际应用中，成像单元102可以是电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)相机，通过拍照采集投射单元101投影在光屏1015上的未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像，以提供给处理单元103用于计算测量对象的尺寸。

处理单元103，根据成像单元102采集到的未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，计算测量对象的尺寸。

在实际应用中，处理单元103可以是计算机，能够根据成像单元102采集到未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，具体的，可以通过比较未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像之间的相位差异信息，计算出测量对象的尺寸。

可见，在本发明实施例提出的三维测量装置中，投射单元投射在光屏上的正弦条纹图像是利用正弦光栅片产生的模拟光，因此，成像单元采集到的、由正弦条纹图像生成的光栅条纹图像能够携带更加丰富且精确的测量物体的尺寸信息，使得处理单元计算出的测量对象的尺寸更加精确。

在本发明的一种优选实施例中，聚焦透镜组1012，包括依次排列的平凸透镜、双胶合透镜和平凸透镜；成像透镜1014，包括平凸透镜。

在实际应用中，聚焦透镜组1012由三片透镜组成，从左到右依次为透镜1、透镜2和透镜3；其中，透镜1是焦距为300mm的平凸透镜，透镜2是焦距为75mm的双胶合透镜，透镜3是焦距为100mm的平凸透镜。在投射单元中，聚焦透镜组1012中的透镜1靠近照明器1011，透镜2与透镜1之间距离为60±5mm，透镜3与透镜2紧挨。通过将三片透镜封装在金属镜筒，使得聚焦透镜组1012中的三片透镜的光轴严格重合。

成像透镜1014可以是焦距为200mm，且直径为80mm的平凸K9透镜。

可见，聚焦透镜组1012和成像透镜1014通过缩短光路长度，使得照明器发射的光经过正弦光栅片1013后生成的正弦条纹图像更加清晰准确。

此外，还可以通过调整聚焦透镜组1012和成像透镜1014之间的间距，配合测量对象的尺寸；具体的，当测量对象的尺寸较大时，可以增大聚焦透镜组1012和成像透镜1014之间的间距,当测量对象的尺寸较小时，可以减小聚焦透镜组1012和成像透镜1014之间的间距；以及，对于尺寸较小的测量对象，可以选择条纹密度较小的正弦光栅片1013。

在本发明的又一种优选实施例中，照明器1011，包括LED阵列。

在实际应用中，LED阵列中的LED灯珠，单颗最大功率可以为18W，最大光照强度可以为2500LM，LED灯珠通过光源驱动器组合成3×3的LED阵列。

需要说明的是，目前使用较为广泛的投射单元是投影仪，由于投影仪投射出的图像是由像素点组成的数字信号，精度较低，且投影仪的亮度有限，在一定程度上影响了三维测量的准确度。相较于由投影仪生成的正弦条纹图像，在本发明实施例中，由LED阵列通过正弦光栅片1013生成的正弦条纹图像，能够在经测量对象反射后生成的光栅条纹图像中携带更加丰富且精确的测量物体的尺寸信息，进而使得最终计算出的测量对象的尺寸更加精确。

此外，LED阵列还能够根据测量对象的光反射率和外形，调整LED阵列的截面大小以及LED灯珠的光强，实现照明器的亮度可调，使得本发明实施例提供的三维测量装置能够适用于测量不同颜色、不同粗糙程度、不同形状的物体尺寸，使用起来更加灵活。同时，针对不同对比度的正弦光栅片1013，LED阵列都能与之配合，以调试出正弦性良好的正弦条纹图像：同时，LED阵列的价格低廉，使用寿命长且功耗低，相较于投影仪，LED阵列的设备成本和使用成本都大大降低。

在本发明的另一种优选实施例中，参见图2，图2为本发明实施例中，投射单元的一种具体结构示意图。

如图2所示，投射单元101还包括匀光器1016、分光片1017和准直透镜1018；匀光器1016、分光片1017和准直透镜1018依次排列在照明器1011和聚焦透镜组1012之间，匀光器1016靠近照明器1011。

具体的，匀光器1016使照明器1011发射的光的光强度均匀，并缩小照明器1011发射的光的发散角；分光片1017将经过匀光器1016的光中所含的杂散光滤除；准直透镜1018将经过分光片1017的光调整为平行光束。

在实际应用中，由于周围环境中的杂散光会影响正弦条纹图像的清晰度，导致生成的光栅条纹图像模糊，因此，本发明实施例通过使用分光片1017，只允许固定波段的光通过，使得正弦条纹图像更加清晰准确。此外，分光片1017的摆放角度为与水平面成45度。

可见，由于LED光源的均匀性较差，本发明实施例通过匀光器1016、分光片1017和准直透镜1018的组合，提高了LED光源的均匀性和平行性，保证生成的正弦条纹图像的清晰度。

在本发明的再一种优选实施例中，装置还包括：位置调节器。

位置调节器，在垂直于投射单元101生成的光路方向，移动正弦光栅片1013的位置，以调制成像单元102采集到的光栅条纹图像的相位。

在实际应用中，位置调节器可以是控制伺服电机，可控制正弦光栅片1013移动0.1mm单位级的距离；可通过位置调节器移动正弦光栅片1013，生成四张调制光栅条纹图像和四张未调制光栅条纹图像。

在本发明的再一种优选实施例中，装置还包括：控制单元。

控制单元，在光屏1015之前未摆放测量对象时，利用位置调节器，按照预设的相位移动值，对投射单元中的正弦光栅片进行移相，使成像单元102采集到正弦条纹图像未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

在光屏1015之前摆放测量对象时，利用位置调节器，按照预设的相位移动值，对投射单元中的正弦光栅片进行移相，使成像单元102采集到正弦条纹图像经测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

具体的，首先，将照明单元中的正弦光栅片配置为正弦光栅片A，在光屏1015之前不摆放测量对象的场景下，控制单元利用位置调节器，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片A，每移动一次正弦光栅片A，就生成一张未调制光栅条纹图像并投影在光屏1015上；移动四次，共生成四张正弦光栅片A对应的未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

接下来，在照明单元中的正弦光栅片为正弦光栅片A，且在光屏1015之前摆放测量对象的场景下，控制单元利用位置调节器，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片A，每移动一次正弦光栅片A，就生成一张调制光栅条纹图像并投影在光屏1015上；移动四次，共生成四张正弦光栅片A对应的经测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

同理，将照明单元中的正弦光栅片配置为正弦光栅片B，在光屏1015之前不摆放测量对象的场景下，控制单元利用位置调节器，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片B，每移动一次正弦光栅片B，就生成一张未调制光栅条纹图像并投影在光屏1015上；移动四次，共生成四张正弦光栅片B对应的未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

在照明单元中的正弦光栅片为正弦光栅片B，且在光屏1015之前摆放测量对象的场景下，控制单元利用位置调节器，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片B，每移动一次正弦光栅片B，就生成一张调制光栅条纹图像并投影在光屏1015上；移动四次，共生成四张正弦光栅片B对应的经测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

需要说明的是，正弦光栅片A和正弦光栅片B的频率不同，而尺寸和对比度均相同。

这样，通过控制单元，共生成十六张光栅条纹图像，具体为正弦光栅片A对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，以及正弦光栅片B对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，以便处理单元根103据光栅条纹图像计算测量对象的尺寸。

在本发明的再一种优选实施例中，成像单元102，采集正弦条纹图像未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像；采集正弦条纹图像经测量对象调制后的调制光栅条纹图像；

处理单元103，使用双频外差法，通过解析成像单元102采集到的调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像，得到测量对象的尺寸。

具体的，首先，成像单元102采集到正弦光栅片A对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，以及正弦光栅片B对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，并把十六张光栅条纹图发送给处理单元103；

接下来，处理单元103通过解析成像单元102采集到正弦光栅片A对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，得到相位值A，以及通过解析成像单元102采集到正弦光栅片B对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，得到相位值B；使用双频外差法，根据相位值A和相位值B计算得到绝对相位值；进而根据绝对相位值计算出测量对象的尺寸。

可见，在本发明实施例提出的三维测量装置中，首先，由LED阵列产生高亮度的光源，然后，通过匀光器1016、分光片1017和准直透镜1018提高光源的均匀性和平行性，使得最终通过正弦光栅片生成的正弦条纹图像清晰准确；并且，还可以利用位置调节器调节正弦光栅片的位置，以生成不同相位的未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，使得处理单元103通过解析调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像，计算出的测量对象的尺寸更加精确。

本发明实施例还公开了一种三维测量方法，应用于三维测量装置，三维测量装置包括：投射单元、成像单元和处理单元。

具体的，投射单元，包括依次排列的照明器、聚焦透镜组、正弦光栅片、成像透镜和光屏；照明器发射的光，依次经过聚焦透镜组、正弦光栅片和成像透镜生成正弦条纹图像；正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像，未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像被投射至光屏。

成像单元，采集投射在光屏上的未调制光栅条纹图像或者调制光栅条纹图像。

处理单元，根据成像单元采集到的未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，计算测量对象的尺寸。

参见图3，图3为本发明实施例的三维测量方法的一种流程图；三维测量方法包括如下步骤：

步骤301，利用投射单元，生成正弦条纹图像。

在本步骤中，需要先调整投射单元中照明器的亮度，以及各组件之间的摆放距离，使投射单元投射出亮度适中、清晰均匀的正弦条纹图像。

调整投射单元中照明器的亮度，以及各组件之间的摆放距离的具体过程为：成像单元，具体可以是CCD相机对投影在光屏上的正弦条纹图像按行提取灰度，与同频率标准正弦函数比对，进而根据比对结果调整投射单元中照明器的亮度以及投射单元中各组件之间的摆放间距，直到CCD相机采集到的正弦条纹图像的正弦性符合标准。

在本步骤中，照明器发出的光，经过由聚焦透镜组、正弦光栅片和成像透镜组成的光路，生成模拟光的正弦条纹图像；然后，将正弦条纹图像投影在光屏上。

相较于由投影仪生成的数字信号的正弦条纹图像，模拟光的正弦条纹图像在经测量对象调制后生成的调制光栅条纹图像，能够携带更加丰富且精确的测量物体的尺寸信息，进而使得最终计算出的测量对象的尺寸更加精确。

步骤302，利用成像单元，采集正弦条纹图像经测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经测量对象调制的未调制光栅条纹图像。

在本步骤中，需要在两种情况下采集光栅条纹图像：一种是在光屏之前不放置测量对象的情况，正弦条纹图像直接投射在光屏，此时，从光屏上采集到的是未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像；另一种是在光屏之前放置测量对象的情况，正弦条纹图像经过测量对象反射后投射在光屏上，此时，从光屏上采集到的是经测量对象调制后生成调制光栅条纹图像。

步骤303，利用处理单元，根据成像单元采集到的调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像，计算测量对象的尺寸。

在本步骤中，可以通过解析未调制光栅条纹图像和调制光栅条纹图像，得出绝对相位值，进而计算出测量对象的尺寸。

可见，在本发明实施例提出的三维测量方法中，投射单元生成的正弦条纹图像是利用正弦光栅片产生的模拟光，因此，采集到的、由正弦条纹图像生成的光栅条纹图像能够携带更加丰富且精确的测量物体的尺寸信息，使得最终计算出的测量对象的尺寸更加精确。

在本发明的再一种优选实施例中，方法还包括：

利用位置调节器移动所述投射单元中正弦光栅片的位置，以改变成像单元采集到的光栅条纹图像的相位。

在本发明的再一种优选实施例中，在步骤302之前，方法还包括：

在光屏之前未摆放测量对象时，利用位置调节器，按照预设的相位移动值，对投射单元中的正弦光栅片进行移相；

在光屏之前摆放测量对象时，利用位置调节器，按照预设的相位移动值，对投射单元中的正弦光栅片进行移相；

步骤302具体包括：

利用成像单元，采集正弦条纹图像未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

利用成像单元，采集正弦条纹图像经测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

在实际应用中，位置调节器可以是控制伺服电机。

首先，将照明单元中的正弦光栅片配置为正弦光栅片A，在光屏之前未摆放测量对象的场景下，使用控制伺服电机，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片A；每移动一次正弦光栅片A，CCD相机就对投影在光屏上的光栅条纹图像采集一次，共移动四次，CCD相机能够采集四张正弦光栅片A对应的未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像。

接下来，在照明单元中的正弦光栅片为正弦光栅片A，且在光屏之前摆放测量对象的场景下，使用控制伺服电机，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片A；每移动一次正弦光栅片A，CCD相机就对投影在光屏上的光栅条纹图像采集一次，共移动四次，CCD相机能够采集四张正弦光栅片A对应的经测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

同理，将照明单元中的正弦光栅片配置为正弦光栅片B，在光屏之前未摆放测量对象的场景下，使用控制伺服电机，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片B；每移动一次正弦光栅片B，CCD相机就对投影在光屏上的光栅条纹图像采集一次，共移动四次，CCD相机能够采集四张正弦光栅片B对应的未经过测量对象调制的未调制光栅条纹图像。

接下来，在照明单元中的正弦光栅片为正弦光栅片B，且在光屏之前摆放测量对象的场景下，使用控制伺服电机，按照预设的相位移动值，在垂直于光路的方向移动正弦光栅片B；每移动一次正弦光栅片B，CCD相机就对投影在光屏上的光栅条纹图像采集一次，共移动四次，CCD相机能够采集四张正弦光栅片B对应的经测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

需要说明的是，正弦光栅片A和正弦光栅片B的频率不同，而尺寸和对比度均相同。并且，本发明实施例中，对于不摆放测量对象的场景下以及摆放测量对象的场景下，移动正弦光栅片并采集光栅条纹图像的执行顺序不加以限制。也就是说，按照如上文描述的执行顺序，也可以先执行摆放测量对象的场景下移动正弦光栅片并采集光栅条纹图像，再执行不摆放测量对象的场景下移动正弦光栅片并采集光栅条纹图像。

这样，CCD相机共采集到十六张光栅条纹图像，具体为正弦光栅片A对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，以及正弦光栅片B对应的四张未调制光栅条纹图像和四张调制光栅条纹图像，以便根据光栅条纹图像，准确计算测量对象的尺寸。

此外，在实际应用中，在步骤303之前，为了提高光栅条纹图像的图像质量，需要先对采集到的调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像进行滤波处理。

具体的，首先，根据光栅投影的频率计算滤波范围，由光栅投影的灰度信号与信号光强平均值可求出光栅投影频率，以该投影频率为基础，通过上下偏置设定滤波窗口；然后，采用低通滤波器的平滑滤波算法，通过傅里叶变换对光栅条纹图像进行分析，其中，光栅条纹图像的零频部分为图像背景，光栅条纹图像的基频部分为光栅图像的基频信号，光栅条纹图像的高频部分为图像的噪声干扰；最后，通过设置滤波窗口的起始频率和截止频率，滤掉光栅条纹图像中的噪声。

在本发明的再一种优选实施例中，步骤303具体包括：

使用双频外差法，通过解析成像单元采集到的调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像，得到测量对象的尺寸。

为了便于理解，下面通过一个使用三维测量方法计算测量对象尺寸的应用实施例，来说明上述使用双频外差法，通过解析成像单元采集到的调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像，得到测量对象的尺寸的过程。

参考图4，图4为本发明实施例的三维测量方法的一种应用示意图。在图4中，三维测量方法应用于三维测量装置，三维测量装置包括照明单元和成像单元，成像单元具体为CCD相机，照明单元用于发射出清晰准确的正弦条纹图像；CCD相机，用于采集投射在光屏上的光栅条纹图像；虽然图4中未示出处理单元，但可以理解的，三维测量装置还包括处理单元。

图4中的黑色的虚线为测量对象，h为测量对象的高度尺寸，测量对象放置在参考平面上，参考平面上建立xoy平面直角坐标系。

假设从照明单元发出的一条光线应该投射在参考面上的B点，由于测量对象的存在，该光线投射在测量对象上的P点。从CCD相机的角度看，当不放置测量对象时，参考面上的点A成像在CCD阵面上的点(m,n)。由于测量对象的存在，测量对象上的P点被成像到CCD阵面上的点(m,n)。也就是说，由于测量对象的存在，CCD阵面上(m,n)点的信息从参考面上的A点变到B点。

首先，CCD相机共采集到的十六张光栅条纹图像分别以公式(1)的形式表示出来：

I_i(m,n)＝I₀(m,n)+γ(m,n)cos[φ(m,n)+α_i],i＝1,2,3,4 (1)

在公式(1)中，i表示移相次数，I₀(m,n)为光栅条纹图像的背景灰度，γ(m,n)为光栅条纹图像的调制深度，φ(m,n)为绝对相位值，α_i为第i次移动的相位值；具体的，每次移动的相位值分别为α₁＝0,α₂＝π/2,α₃＝π,α₄＝3π/2。

然后，计算每张光栅条纹图像中每一点的相位：

令α₁＝0,α₂＝π/2,α₃＝π,α₄＝3π/2，得到：

在公式(3)中，φ′(m,n)为相位主值。相位主值φ′(m,n)为在一个相位周期内是唯一的，但由于在整个测量空间内有多个光栅条纹，φ′(m,n)为呈锯齿状分布，必须对空间点的相位主值进行相位展开得到连续的绝对相位值φ(m,n)，这个过程称为解包裹；使用双频外差法解包裹，可以避免在测量对象的高度变化较大时导致判断错误。

最后，根据相位-高度转换公式，将相位信息转换成测量对象的高度信息；其中，相位-高度转换公式如公式(4)所示：

在公式(4)中，φ_A为未调制光栅条纹图像中某一坐标点的绝对相位值，φ_B为调制光栅条纹图像中该坐标点的绝对相位值，相位φ_A和相位φ_B能够分别从调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像中得到；λ₀为光屏上正弦光栅片的空间周期值；h为所求的测量对象的高度尺寸。

可见，本发明实施例提出的三维测量方法，能够使用双频外差法，通过解析调制光栅条纹图像和未调制光栅条纹图像，计算得到测量对象的尺寸；这样，采用四步相移与双频解相结合的解相位算法，能够减小解相位的出错率，提高计算出的测量对象的尺寸的准率度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维测量装置，其特征在于，所述装置包括：

投射单元，包括依次排列的照明器、聚焦透镜组、正弦光栅片、成像透镜和光屏，所述聚焦透镜组和所述成像透镜均使所述正弦条纹图像清晰准确；所述照明器发射的光，依次经过所述聚焦透镜组、所述正弦光栅片和所述成像透镜生成正弦条纹图像；所述正弦条纹图像未经测量对象调制生成未调制光栅条纹图像，或者经所述测量对象调制后生成调制光栅条纹图像，所述未调制光栅条纹图像或者所述调制光栅条纹图像被投射至光屏；

成像单元，采集投射在所述光屏上的所述未调制光栅条纹图像或者所述调制光栅条纹图像；

处理单元，根据所述成像单元采集到的所述未调制光栅条纹图像和所述调制光栅条纹图像，计算所述测量对象的尺寸。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述聚焦透镜组，包括依次排列的平凸透镜、双胶合透镜和平凸透镜；

所述成像透镜，包括平凸透镜。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述投射单元，还包括：匀光器、分光片和准直透镜；所述匀光器、所述分光片和所述准直透镜依次排列在所述照明器和所述聚焦透镜组之间，所述匀光器靠近所述照明器；

所述匀光器使所述照明器发射的光的光强度均匀，并缩小所述照明器发射的光的发散角；所述分光片将经过所述匀光器的光中所含的杂散光滤除；所述准直透镜将经过所述分光片的光调整为平行光束。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述照明器，包括LED阵列；

所述匀光器的孔径大于所述LED阵列的截面。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：位置调节器；

所述位置调节器，在垂直于所述投射单元生成的光路方向，移动所述正弦光栅片的位置，以调制所述成像单元采集到的光栅条纹图像的相位。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：控制单元；

所述控制单元，在所述光屏之前未摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相，使所述成像单元采集到所述正弦条纹图像未经过所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

在所述光屏之前摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相，使所述成像单元采集到所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述成像单元，采集所述正弦条纹图像未经过所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像；

所述处理单元，使用双频外差法，通过解析所述成像单元采集到的所述调制光栅条纹图像和所述未调制光栅条纹图像，得到所述测量对象的尺寸。

8.一种三维测量方法，其特征在于，应用于三维测量装置，所述三维测量装置包括：投射单元、成像单元和处理单元；所述方法包括：

利用所述投射单元，生成正弦条纹图像；

利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

利用所述处理单元，根据所述成像单元采集到的所述调制光栅条纹图像和所述未调制光栅条纹图像，计算所述测量对象的尺寸。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用位置调节器移动所述投射单元中正弦光栅片的位置，以改变所述成像单元采集到的光栅条纹图像的相位。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像的步骤之前，所述方法还包括：

在所述光屏之前未摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相；

在所述光屏之前摆放所述测量对象时，利用所述位置调节器，按照预设的相位移动值，对所述投射单元中的正弦光栅片进行移相；

所述利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像，以及未经所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像的步骤，包括：

利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像未经过所述测量对象调制的未调制光栅条纹图像；

利用所述成像单元，采集所述正弦条纹图像经所述测量对象调制后的调制光栅条纹图像；

所述利用所述处理单元根据所述成像单元采集到的所述调制光栅条纹图像和所述未调制光栅条纹图像，计算所述测量对象的尺寸的步骤，包括：

使用双频外差法，通过解析所述成像单元采集到的四张所述调制光栅条纹图像和四张所述未调制光栅条纹图像，得到所述测量对象的尺寸。